专题十四无机非金属材料（原卷版）

专题十四无机非金属材料【课标要求】结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解其他无机元素及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。【学科素养】变化观念与平衡思想：根据碳、硅的结构，预测在一定条件下碳、硅及其化合物可能发生的化学变化。科学态度与社会责任：关注与碳、硅有关的热点问题(如光导纤维、硅电池、半导体材料)，形成可持续发展的意识；知道碳、硅及其化合物对社会发展的重大贡献。【基本知识解读】一、硅单质1.存在硅单质主要有晶体和无定形两大类。2.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.化学性质常温下与F2、HF、NaOH反应；加热时能与H2化合生成不稳定的氢化物SiH4，加热时还能与Cl2、O2化合分别生成SiCl4、SiO2。涉及的化学方程式如下：①与非金属单质反应②与氢氟酸反应：Si+4HF=SiF4↑+2H2↑。③与NaOH溶液反应：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。(4)制备方法①制取粗硅：工业上，用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅：SiO2+2CSi+2CO↑。②粗硅提纯：Si+2Cl2SiCl4，SiCl4+2H2Si+4HCl。【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Cl2反应生成的SiCl4中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。(5)主要用途①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。二、二氧化硅1.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。2.结构SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。3.二氧化硅的性质及用途物理性质硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水化学性质与水反应不反应与酸反应只与氢氟酸反应：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O与碱反应如与NaOH反应：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)与盐反应如与Na2CO3反应：SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑与碱性氧化物反应如与CaO反应：CaO+SiO2CaSiO3用途光导纤维、光学仪器、电子部件【特别提醒】①SiO2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。②氢氟酸能与SiO2反应，故氢氟酸不能盛放在玻璃瓶中，而应存放在塑料瓶中。三、硅酸、硅酸盐1.硅酸(1)物理性质硅酸的溶解度小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。(2)化学性质①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O。②不稳定性：受热易分解，反应的化学方程式为H2SiO3SiO2+H2O。(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3(胶体)。(4)用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。2.硅酸盐①白色、可溶于水粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。②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)，耐火阻燃材料。(3)硅酸盐组成的表示通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成。如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O•SiO2，石棉(CaMg3Si4O12)可表示为CaO•3MgO•4SiO2。推背图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。四、无机非金属材料1.传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。(1)常见硅酸盐材料比较水泥玻璃陶瓷生产原料石灰石、黏土纯碱、石灰石、石英黏土主要设备水泥回转窑玻璃窑陶瓷窑(2)玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑；CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。2.新型陶瓷高温结构陶瓷(碳化硅、氮化硅)；压电陶瓷(钛酸盐和锆酸盐)；透明陶瓷(氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙)；超导陶瓷等。材料类型主要特性示例用途高温结构陶瓷耐高温、抗氧化、耐磨蚀碳化硅、氮化硅与某些金属氧化物等烧结而成火箭发动机的尾管及燃烧室、汽车发动机、高温电极材料等压电陶瓷实现机械能与电能的相互转化钛酸盐、锆酸盐滤波器、扬声器、声纳探伤器、点火器等透明陶瓷优异的光学性能，耐高温，绝缘性好氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷在某一临界温度下电阻零可用于电力、交通、医疗等领域(1)新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。(2)碳化硅(SiC)俗称金刚砂，碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还耐高温，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。3.碳纳米材料碳纳米材料是一类新型的无机非金属材料(1)类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。(2)用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。结构特点应用富勒烯由碳原子构成的一系列笼形分子的总称代表物C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代碳纳米管由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径用于生产复合材料、电池和传感器等石墨烯只有一个碳原子直径厚度的单层石墨应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等【关键能力拓展】一、碳、硅及其化合物“反常”性质(1)一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大物质。(2)一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。(3)Si的还原性强于C，但C在高温下能还原出Si：SiO2+2CSi+2CO↑。(4)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。(5)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟氢氟酸反应：Si+4HF=SiF4↑+2H2↑。(6)一般情况下，碱性氧化物+酸→盐+水，二氧化硅是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O(SiF4不属于盐，故SiO2不是两性氧化物)。(7)一般情况下，无机酸能溶于水，但硅酸却难溶于水。(8)一般情况下，较强酸+较弱酸的盐―→较弱酸+较强酸的盐(溶液中的反应)。因碳酸的酸性强于硅酸，所以水玻璃在空气中易变质：Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3(胶体)。但在高温下，可发生反应Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑(CO2离开反应体系促进反应的正向进行)。(9)一般情况下，金属(Na、K)能置换出水中的氢，但C在高温下也能置换出H2O中的氢：C+H2O(g)H2+CO。(10)一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不与水反应。【核心考点例题】高频考点一硅单质1.高纯度的硅用于制造A.电脑芯片 B.光导纤维 C.水晶项链 D.陶瓷餐具2.硅太阳能电池广泛应用于光伏电站、人造卫星和电动汽车，其核心材料是A.石墨 B.高纯硅 C.二氧化硅 D.陶瓷3.在实现碳中和目标的过程中，我国太阳能发电产业的制造能力持续增强。下列物质中属于太阳能电池板核心材料的是A.Si B. C. D.SiC4.单晶硅是现代信息技术的基础材料。工业上制备硅的反应原理为，下列说法不正确的是A.该反应为置换反应 B.是氧化剂C.1molC参加反应转移4mol电子 D.单晶硅是良好的半导体材料5.下列关于硅及其化合物的叙述中，错误的是（）A.二氧化硅可用于生产玻璃B.硅在自然界中主要以单质形式存在C.硅是应用最广泛的半导体材料D.高纯度的硅可用于制造计算机芯片6.“中国芯”的研发是我国自主创新领域的重中之重，生产芯片的基础材料是（）A.Si B. C.SiC D.7.下列物品所用材料含有硅单质的是A.计算机芯片 B.光导纤维C.水晶镜片 D.门窗玻璃8.当前，应用最广泛的半导体材料的主要成分是A.Cu B.Ag C.Zn D.Si9.下列叙述错误的是A.二氧化硅可用于生产玻璃 B.硅是应用最广泛的半导体材料之一C.高纯度的硅可用于制造计算机芯片 D.硅在自然界中主要以单质形式存在10.我国“玉兔2号”是世界上最先进的月球车之一，由太阳能电池板提供能量。制造太阳能电池板的核心材料是A.Al B.C C.Si D.Fe高频考点二二氧化硅11.下列物质中，可用于制造光导纤维的材料是A.陶瓷 B.二氧化硅 C.聚乙烯 D.铜合金12.用于制造光导纤维的氧化物是AP2O5 B.SiO2 C.CaO D.Na2O13.下列叙述错误的是A.石英砂可用于生产玻璃 B.高纯度的硅可用于制造计算机芯片C.二氧化硅为半导体材料 D.二氧化硅可用来生产光导纤维14.下列有关物质的用途的说法不正确的是A.SiO2可用于制造光导纤维，Si可用于制造计算机芯片B.常温下Si的化学性质稳定，在自然界中硅大部分以游离态存在C.石英砂、纯碱和石灰石可用于制造普通玻璃D.浓HF溶液可用于刻蚀玻璃15.下列物质中，属于酸性氧化物但不溶于水的是A. B. C. D.16.下列关于SiO2的说法错误的是A.与NaOH溶液反应生成盐 B.高温下能与CaO反应生成盐C.纯净的SiO2是光纤制品的基本原料 D.能与氢氟酸反应，属于碱性氧化物17.下列有关物质的说法错误的是A.水玻璃可用作木材防火剂 B.氧化铁常用作红色油漆和涂料C.氨常用作制冷剂 D.二氧化硅可以和水直接反应制取硅酸18.下列有关硅及其化合物的说法错误的是A.二氧化硅常用于制作计算机芯片 B.工业上常用焦炭还原石英砂制得粗硅C.硅位于元素周期表第三周期第ⅣA族 D.碳纳米材料属于新型无机非金属材料19.中国的量子通信、5G技术在世界上处于领先地位。下列说法不正确的是A.“北斗”全球导航卫星计算机的芯片材料是高纯度二氧化硅B.光导纤维被广泛应用于光缆通讯，其成分是二氧化硅C.高温结构陶瓷是制作导弹、火箭的理想材料D.玻璃、水泥、陶瓷属于硅酸盐产品20.下列物质中，不能与发生反应的是A.稀盐酸 B.氧化钙 C.烧碱溶液 D.焦炭高频考点三硅酸、硅酸盐、无机非金属材料21.材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列不属于传统无机非金属材料的是A.玻璃 B.水泥 C.陶瓷 D.石墨烯22.下列属于传统无机非金属材料的是A.单晶硅 B.石墨烯 C.普通玻璃 D.二氧化硅23.随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系。下列物质中属于新型无机非金属材料的是A.水泥 B.普通玻璃 C.石墨烯 D.陶瓷24.材料改善生活。下列物体的主要材质属于无机非金属材料的是A.C919使用的轮胎 B.塑料水桶C.高铁钢轨 D.陶瓷碗25.下列物质中，不含硅酸盐是A.陶瓷 B.硅芯片 C.玻璃 D.普通水泥26.下列物质中，属于新型无机非金属材料的是A.玻璃 B.特种橡胶 C.超级钢 D.光导纤维27.硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列叙述不正确的是A.硅酸盐经常用来制作水晶项链 B.硅胶可以用作瓶装药品干燥剂C.高纯单质硅可用来制造光电池 D.二氧化硅可用来制造光导纤维28.饭后，婷婷围着纯棉围裙，戴着橡胶手套，洗刷不锈钢锅和陶瓷碗碟。下列说法不正确的是（）A.纯棉属于复合材料 B.橡胶属于高分子材料C.不锈钢属于合金材料 D.陶瓷属于硅酸盐材料29.材料的研发与应用使城市轨道交通快速发展。图1是铁轨上运行的地铁列车图2是地铁车厢内部场景。用字母标号回答下列问题：（1）地铁钢轨属于_______。A.合金B.橡胶C.塑料（2）地铁车窗常用钢化玻璃。生产玻璃需用到的原料是_______。A.纯碱()B.胆矾()C.醋酸()（3）地铁列车内使用了阻燃橡胶地板。阻燃橡胶属于_______。A.金属材料B.无机非金属材料C.有机高分子材料（4）地铁信息传输使用了光导纤维。光导纤维的主要成分是_______。A.铜B.石墨C.二氧化硅（5）地铁隧道建设需