5.3 无机非金属材料（知识解读）- 2023-2024学年高一化学同步知识点解读与能力训练（人教版2019必修第二册）

5.3无机非金属材料（知识解读）•知识点1硅•知识点2二氧化硅•知识点3硅酸盐材料•知识点4新型陶瓷碳纳米材料知识点1硅知识点1硅1.硅的存在与结构（1）存在：硅在地壳中的含量仅次于氧，居第2位，在自然界主要以硅酸盐和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在，硅单质主要有晶体和无定形两大类。（2）结构：硅是14号元素，原子结构为：，说明硅既难失去电子也难得到电子，硅是亲氧元素，与氧形成共价键，硅单质晶体是原子晶体。2.硅的物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。3.硅的化学性质a．常温①与氢氟酸反应的化学方程式：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；②与NaOH溶液反应的化学方程式：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑；③与F2反应的化学方程式:Si＋2F2=SiF4b．高温①与O2反应：Si＋O2SiO2。②与Cl2反应：Si＋Cl2SiCl44.硅的用途：半导体材料、太阳能电池、计算机芯片和耐酸设备等。5.高纯硅的制备涉及的主要化学反应为(a)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1800～2000℃))Si＋2CO↑(b)Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2(c)SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl【特别提醒】①用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。②粗硅中含碳等杂质，与HCl反应生成的SiHCl3中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiHCl3后，再用H2还原，得到高纯度硅。【名师点拨】(1)Si与氢氟酸反应是Si的特性，其他非金属单质不有此性质。(2)Si是能与NaOH溶液反应放出H2的非金属单质，A1是能与NaOH溶液反应放出H2的金属单质，推断题中常以此为突破口。(3)反应Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑可看作两步进行：Si+3H2O=H2SiO3+2H2↑、H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O。总反应为Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。此反应中Si是还原剂，H2O是氧化剂，NaOH既不是氧化剂也不是还原剂。【典例1-1】下列关于硅的说法不正确的是A．硅是非金属元素，晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属单质反应【答案】C【解析】A．由名称可知硅是非金属元素，晶体硅是灰黑色有金属光泽的非金属固体，故A正确；B．硅元素在周期表中介于金属和非金属的分界线附近，硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，故B正确；C．硅常温下能和HF溶液、强碱溶液等物质反应，故C错误；D．在加热时，硅能在氧气和氯气中燃烧生成二氧化硅和四氯化硅，故D正确；故选C。【典例1-2】单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为：①SiO2+2CSi+2CO↑②Si+3HClSiHCl3+H2③SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl下列对上述三个反应的叙述中，正确的是A．仅①③为置换反应B．②为化合反应C．①②③均为氧化还原反应D．三个反应的反应物中硅元素均被还原【答案】C【解析】A．置换反应是一种单质与一种化合物反应生成另一种单质和另一种化合物的化学反应，反应①②③均为置换反应，A错误；B．化合反应是多种物质反应生成一种物质，反应②不是化合反应，为置换反应，B错误；C．反应①②③均有元素发生了化合价的改变，均为氧化还原反应，C正确；D．反应①③中硅元素化合价降低，被还原，反应②中硅元素化合价升高，被氧化，D错误；故选C。【变式1-1】下列关于硅的说法不正确的是A．高纯度的单质硅被广泛用于制作计算机芯片B．自然界硅元素的贮量丰富，并存在大量的单质硅C．常温时硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸反应D．硅可由二氧化硅还原制得【答案】B【解析】A.硅作为半导体材料被广泛用于制作计算机芯片，A项正确；B.硅在自然界中以化合态存在，不存在大量的单质硅，B项不正确；C.常温时硅能与氢氟酸反应，生成四氟化硅和氢气，不与水、空气和酸不反应，C项正确；D.二氧化硅与炭在高温条件下反应生成硅和一氧化碳，工业上用此制备单质硅，D项正确。答案选B。【变式1-2】工业制备高纯硅的流程如下，下列说法正确的是A．石英砂与过量焦炭发生的主要反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑B．盛装NaOH溶液的玻璃瓶要使用磨口玻璃塞C．粗硅与HCl反应时，需要在富氧的环境中进行D．高纯硅常用于制备光导纤维【答案】A【解析】A．石英砂与过量焦炭发生的主要反应制备粗硅是主要反应，其化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑，A正确；B．玻璃塞和试剂瓶磨口处的SiO2会与NaOH溶液反应生成硅酸钠，硅酸钠溶液具有黏性，则盛装NaOH溶液的玻璃瓶要不能使用磨口玻璃塞，B错误；C．粗硅与HCl反应时，会产生H2，若在富氧的环境中，易发生爆炸且会生成SiO2，C错误；D．SiO2用于制作光导纤维，D错误；故选A。知识点2二氧化硅知识点2二氧化硅 1.二氧化硅的存在自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石，硅石、石英、水晶、玛瑙、沙子等主要成分都是SiO2。2.二氧化硅的物理性质：纯净的SiO2是无色透明的，其熔、沸点高，硬度大，不溶于水，也不导电。3.二氧化硅的结构SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。在SiO2晶体中，每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在4个顶角；许多这样的四面体又通过顶角的O相连接，每个O为两个四面体所共有，即每个O与2个Si相结合，SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。由结构可知，二氧化硅的化学性质很稳定。4.二氧化硅的化学性质a.酸性氧化物，是硅酸的酸酐。①SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O；②在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为SiO2＋CaOCaSiO3③在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钠、碳酸钙反应的化学方程式为SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑（工业制玻璃）b.弱氧化性：①与碳反应：SiO2+2CSi+2CO↑(制粗硅)；SiO2＋3CSiC＋2CO↑(制金刚砂)；②与Mg反应：4Mg＋SiO22Mg2Si＋2MgO；Mg2Si＋2H2O=SiH4↑＋2Mg(OH)2(制硅化氢)；c.特性：常温下与氢氟酸反应的化学方程式为：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O5.二氧化硅的主要应用①水晶可用于电子工业的部件、光学仪器、工艺品。②SiO2是制光导纤维的重要原料。③较纯的石英用于制造石英玻璃，石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器。④石英砂用于制玻璃的原料及建筑材料。【特别提醒】（1）由于玻璃的成分中含有SiO2，故实验室盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞，因为SiO2与碱溶液反应生成具有黏性的Na2SiO3。（2）未进行磨砂处理的玻璃，在常温下是不易被强碱腐蚀的。（3）因为氢氟酸腐蚀玻璃并用于雕刻玻璃，与玻璃中的SiO2反应，所以氢氟酸不能用玻璃瓶保存，而应保存在塑料瓶或铅皿中。（4）SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不与水反应，不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。（5）不能依据反应2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑来说明C的还原性比Si强，也不能依据反应SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑来说明SiO2水化物的酸性比H2CO3强。此类反应能进行的原因是因为在高温条件下，生成物中的气体从反应体系中逸出，有利于反应向右进行。（6）SiO2虽然能与NaOH溶液、HF溶液反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物，但与水不能直接反应。（7）不要混淆二氧化硅和硅的用途：用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。【典例2-1】下列关于的叙述正确的是①能与水反应生成硅酸②对应的水化物是可溶性弱酸③硅原子和碳原子的最外层电子数相同，和的分子结构也相同④既能与氢氧化钠溶液反应又能与氢氟酸反应，故是两性氧化物⑤中硅元素为价，故具有氧化性⑥在中，每个硅原子结合2个氧原子A．①③⑤ B．①②④⑥ C．③ D．⑤【答案】D【解析】①不与水反应；②对应的水化物(弱酸)不溶于水；③晶体中不存在单个的分子，且每个硅原子与4个氧原子结合，而二氧化碳分子中1个碳原子与1个氧原子形成两条共价键，结构式为O=C=O，所以二者的分子结构不同；④二氧化硅与氢氟酸反应生成四氟化硅和水，没有盐生成，与碱反应生成盐和水，所以二氧化硅属于酸性氧化物，不属于两性氧化物；⑤具有弱氧化性，如高温条件下被碳还原制取粗硅：；⑥晶体中不存在单个的分子，且每个硅原子与4个氧原子结合；结合以上分析可知，不正确的有①②③④⑥，只有⑤正确；故选D。【典例2-2】诺贝尔物理学奖曾授予“光纤之父”英国华裔科学家高锟以及两位美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。光导纤维的主要成分是二氧化硅，下列关于二氧化硅的说法正确的是A．二氧化硅是酸性氧化物，因此能与水反应生成硅酸B．因不溶于水，故不是的酸酐C．二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆D．二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应【答案】D【解析】A．SiO2是酸性氧化物，但不能与水不反应，A错误；B．虽然SiO2不溶于水，不能与水反应生成H2SiO3，但SiO2能够与NaOH溶液反应产生Na2SiO3和水，因此SiO2是酸性氧化物，SiO2可看作是H2SiO3失去一分子H2O而形成，且SiO2与H2SiO3中硅元素价态相同，故SiO2是H2SiO3的酸酐，B错误；C．SiO2能够使光线全反射，因此可用于制取光导纤维，与其是否能够导电无关，C错误；D．SiO2不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应生成硅酸钠和CO2，D正确；故答案为D。【变式2-1】下列物质不与二氧化硅反应的是A．烧碱 B．氢氟酸 C．硝酸 D．生石灰【答案】C【解析】A．SiO2和烧碱反应生成硅酸钠和氢气，故A不选；B．SiO2和氢氟酸反应生成SiF4和水，故B不选；C．硝酸不与SiO2反应，故C不选；D．SiO2和生石灰反应生成硅酸钙，故D不选；故选C。【变式2-2】下列说法正确的是A．因为HF与SiO2反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记B．下列转化在一定条件下能够实现：SiO2SiCl4SiC．SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物D．Si和SiO2都用于制造光导纤维【答案】A【解析】A．HF与SiO2反应，SiO2+HF=SiF4+H2O，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记，故A正确；B．SiO2只溶于HF，不溶于盐酸，SiO2SiCl4的转化过程不能实现，故B错误；C．HF与SiO2反应体现的是HF的特性，SiO2与其他的酸不反应，不是两性氧化物，故C错误；D．Si单质是良好的半导体材料，用于制造晶体管，SiO2用于制造光导纤维，故D错误；答案选A。知识点3硅酸盐材料知识点3硅酸盐材料1.硅酸盐的组成、结构、性质(1)硅酸盐的结构、特点结构特点硅氧四面体硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等(2)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。(3)硅酸钠①物理性质：白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。②化学性质——与酸性较硅酸强的酸反应：a．与盐酸反应的化学方程式：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。b．与CO2水溶液反应的化学方程式：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。③用途：黏合剂(矿物胶)、防腐剂和耐火阻燃材料。【特别提醒】①Na2SiO3的水溶液是一种黏合剂，是制备硅胶和木材防火剂等的原料；Na2SiO3易与空气中的CO2、H2O反应，要密封保存。②可溶性碳酸盐、硅酸盐的水溶液呈碱性，保存该溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，应用橡胶塞。(4)硅酸盐的氧化物表示法：氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物间以“·”隔开。如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。【特别提醒】（1）氧化物之间以“·”隔开；（2）计量数配置出现分数应化为整数。硅酸盐改写为氧化物形式时，各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。当系数配置出现分数时一般应化为整数。如上例中KAlSi3O8，将eq\f(1,2)K2O·eq\f(1,2)Al2O3·3SiO2，要写成K2O·Al2O3·6SiO2。2.硅酸盐材料——传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料，常见硅酸盐材料比较。水泥玻璃陶瓷主要原料黏土、石灰石、石膏石灰石、石英砂、纯碱黏土主要设备水泥回转窑玻璃窑陶瓷窑制备过程原料与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再磨成细粉即得原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得原料经高温烧结而成变化复杂的物理、化学变化过程Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up11(高温),\s\do4())Na2SiO3＋CO2↑CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up11(高温),\s\do4())CaSiO3＋CO2↑复杂的物理、化学变化过程组成硅酸三钙(3CaO·SiO2)硅酸二钙(2CaO·SiO2)铝酸三钙3CaO·Al2O3)硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅硅酸盐用途重要的建筑材料，制作混凝土，用于建筑和水利工程建筑材料、化学实验用的玻璃仪器、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维、窗玻璃等在工农业、科技、生活、实验室中使用广泛，如建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等【名师提醒】硅酸盐产品中，水泥和陶瓷的共同原料是黏土，水泥和玻璃的共同原料是石灰石。【典例3-1】在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，硅酸盐所具有的下列性质与硅氧四面体结构无关的是A．硬度高 B．熔点高 C．耐腐蚀 D．能与盐酸反应【答案】D【解析】在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，硅氧四面体结构导致硅酸盐具有硬度高、熔点高、耐腐蚀等特性。硅酸盐和盐酸反应时，硅氧四面体结构没有被破坏，此反应和硅氧四面体结构无关，故选D。【典例3-2】下列说法不正确的是A．陶瓷、玻璃、水泥等都是硅酸盐产品B．硅晶体的导电性介于导体和绝缘体之间，是一种重要的半导体材料C．光导纤维的主要成分是晶体硅D．青花瓷胎体的原料为高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，若以氧化物形式表示为Al2O3·2SiO2·2H2O【答案】C【解析】A．陶瓷、玻璃、水泥等都是传统的硅酸盐产品，A正确；B．硅晶体的导电性介于导体和绝缘体之间，是一种重要的半导体材料，B正确；C．二氧化硅能传递光信号，因此光导纤维的主要成分是二氧化硅，晶体硅常用作半导体材料，C错误；D．青花瓷胎体的原料为高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，根据原子守恒可知若以氧化物形式表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，D正确；答案选C。【变式3-1】下列物品或设施未使用硅酸盐材料的是A．石英钟 B．混凝土桥墩 C．陶瓷餐具 D．门窗玻璃【答案】A【解析】A．石英钟的石英的主要成分是SiO2，不含硅酸盐，故A正确；B．混凝土中含有大量的硅酸盐，故B错误；C．陶瓷是用含有硅酸盐的黏土制作而成，故C错误；D．玻璃的主要成分是SiO2，但制作玻璃时硅酸盐也是原料之一，故D错误；故本题选A。【变式3-2】玻璃、水泥、陶瓷和砖瓦都是传统硅酸盐产品，下列关于它们的说法不正确的是A．水泥的主要成分是硅酸三钙、硅酸二钙和铝酸三钙B．黑砖中的铁元素主要以氧化铁形式存在C．《陶者》“陶尽门前土，屋上无片瓦。十指不沾泥，粼粼居大厦。”黏土烧制陶器的过程中发生了化学变化D．工艺师用氢氟酸来腐蚀雕刻玻璃制品【答案】B【解析】．水泥的主要成分是硅酸三钙、硅酸二钙和铝酸三钙，故A正确；．氧化亚铁和四氧化三铁呈黑色，氧化铁呈红色，所以黑砖中铁元素主要以氧化亚铁或四氧化三铁形式存在，故B错误；C．黏土烧制陶器的过程中有新物质生成，发生了化学变化，故C正确；D．是玻璃的主要成分之一，二氧化硅与氢氟酸反应生成四氟化硅和水，所以可以用氢氟酸雕刻玻璃制品，故D正确；故答案为。新型陶瓷碳纳米材料知识点4新型陶瓷碳纳米材料知识点41.新型陶瓷新型材料成分性能主要应用金刚砂碳原子、硅原子以共价键连接，结构类似金刚石硬度很大、高温抗氧化性能优异砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料高温结构陶瓷碳化硅、氮化硅、金属氧化物耐高温、抗氧化、耐腐蚀用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等压电陶瓷钛酸盐、锆酸盐等能实现机械能和电能的相互转化用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等透明陶瓷氧化铝、氧化钇等透明陶瓷；氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷YBa2Cu3O7-δ、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、Tl2Ba2Ca2Cu3O10临界温度下具有超导性用于电力、交通、医疗领域等2.碳纳米材料新型材料结构特点主要性能主要应用富勒烯碳原子构成的一系列笼形分子在溶解性、磁性、非线性光学性质、光导电性等方面表现出优异性能工业材料，应用于电化学，催化剂，化妆品，抗癌药物等碳纳米管石墨片层卷成的直径纳米级的管状物比表面积大，具有高的强度和优良的电学性质生产复合材料、电池和传感器等石墨烯一个碳原子直径厚度的单层石墨电阻率低、热导率高、具有很高的强度应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面3.传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别类别传统无机非金属材料新型无机非金属材料主要成分硅酸盐不一定是硅酸盐主要特性抗腐蚀、耐高温、质脆、经不起热冲击大都强度高、硬度大，耐高温，另外还具有一定的电学特性、光学特性和生物功能等【典例4-1】近年来，具有特殊性质的新型无机非金属材料迅速发展，下列有关新型无机非金属材料的叙述不正确的是A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，可用于制造发动机部件，其化学式为Si3N4B．利用二氧化硅的半导体性能，可以制成太阳能电池C．碳化硅的硬度大、熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承D．富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，属于新型无机非金属材料【答案】B【解析】A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，可用于制造发动机部件，其化学