第五章第三节 无机非金属材料-2023-2024学年高一化学同步举一反三系列（人教版2019必修第二册）（解析版）

第三节无机非金属材料【题型1硅酸盐无机硅酸盐材料】【题型2硅与二氧化硅的用途与转化】【题型3新型陶瓷碳纳米材料】【题型1硅酸盐无机硅酸盐材料】【例1】“高山流水觅知音”。下列中国古乐器中，主要由硅酸盐材料制成的是

A．九霄环佩木古琴B．裴李岗文化骨笛C．商朝后期陶埙D．曾侯乙青铜编钟A．A B．B C．C D．D【答案】C【详解】A．九霄环佩木古琴主要构成是木材，动物筋制得，A错误；B．裴李岗文化骨笛由动物骨骼构成，B错误；C．商朝后期陶埙属于陶瓷，由硅酸盐制成，C正确；D．曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成，D错误；故选C。【变式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【详解】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2】陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点【答案】A【分析】陶瓷是以天然粘土以及各种天然矿物为主要原料经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料的各种制品。陶瓷的传统概念是指所有以黏土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。【详解】A项、氧化铁为棕红色固体，瓷器的青色不可能来自氧化铁，故A错误；B项、秦兵马俑是陶制品，陶制品是由粘土或含有粘土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的，故B正确；C项、陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物，陶瓷的主要成分是硅酸盐，与水泥、玻璃等同属硅酸盐产品，故C正确；D项、陶瓷的主要成分是硅酸盐，硅酸盐的化学性质不活泼，具有不与酸或碱反应、抗氧化的特点，故D正确。故选A。【点睛】本题考查物质的性质，侧重分析与应用能力的考查，注意化学与生活的联系，把握物质性质、反应与用途为解答的关键。【变式3】2020年，嫦娥五号月球探测器成功登陆月球，对月岩和月壤的成分进行探测发现，月岩主要含有辉石[CaMgSi2O6]、斜长石[KAlSi3O8]和橄榄石[Mg2Fe2Si2O8]等，下列说法正确的是A．沙、辉石、斜长石及橄榄石均属于硅酸盐矿B．月球上游离态铁与地球上游离态铁的质子数不同C．橄榄石中铁为+3价D．辉石的氧化物形式可表示为CaO•MgO•2SiO2【答案】D【详解】A．沙的成分为二氧化硅、斜长石及橄榄石均属于硅酸盐矿，选项A错误；B．月球上游离态铁与地球上游离态铁的质子数相同，选项B错误；C．化合物中化合价代数和为0，硅元素化合价是+4价，所以铁元素化合价是+5价，选项C错误；D．硅酸盐的氧化物表示方法：先写活泼金属氧化物，然后是不活泼的金属氧化物，再是非金属氧化物二氧化硅，最后是水，辉石[CaMgSi2O6]的氧化物形式可表示为：CaO•MgO•8SiO2，选项D正确；答案选D。【变式4】硅酸盐具有特殊的性质与应用，回答下列问题：（1）硅酸盐材料是传统无机非金属材料，下列产品属于硅酸盐的是（填序号）。①玻璃；②陶瓷；③石英玻璃；④硅芯片；⑤光导纤维；⑥水泥；⑦砖瓦（2）在水泥、玻璃的制备时，都需要的原料是。（3）磷酸钙陶瓷是一种新型无机非金属材料，可用于制造人造骨骼，这是利用了这类材料的___________（填字母）。A．耐高温的特性 B．电学特性 C．光学特性 D．生物功能（4）向Na2SiO3溶液中通入CO2气体，现象是，化学方程式为。（5）我国成功地发射了嫦娥一号探测卫星，对月球土壤中14种元素的分布及含量进行探测。月球上的主要矿物有辉石[CaMgSi2O6]、斜长石[KAlSi3O8]和橄榄石[Mg2Fe2SiO6]等，则橄榄石中铁为价，斜长石的氧化物形式可表示为，辉石[CaMgSi2O6]（填“难”或“易”）溶于水。【答案】（1）①②⑥⑦（2）碳酸钙或CaCO3（3）D（4）生成白色沉淀或（5）+2难【详解】（1）玻璃、陶瓷、水泥、砖瓦的主要成分是硅酸盐，石英玻璃、光导纤维的主要成分是二氧化硅，硅芯片的是晶体硅。故答案为：①②⑥⑦；（2）制备玻璃的原料是石灰石、纯碱、石英砂，制备水泥的原料是石灰石、黏土和其他辅助原料，所以共同的原料是黏土，故答案为：碳酸钙或CaCO3；（3）“人造骨骼”所以是生物功能的特性。故答案为：D；（4）向Na2SiO3溶液中通入CO2气体，生成硅酸沉淀（二氧化碳量不同产物不同）；故答案为：生成白色沉淀；或；（5）橄石中Mg是+2价，Si是+4价，0是-2价，根据化合价代数和为0可判断铁为+2价，斜长石的氧化物形式可表示为，辉石是硅酸钙盐和硅酸镁盐，因此难溶于水；故答案为：+2、、难。【题型2硅与二氧化硅的用途与转化】【例2】2023年《自然》刊载了我国科研人员研发的一种薄如纸、可弯曲折叠的太阳能电池的研究成果。下列物质用于制作太阳能电池的是A．二氧化硅 B．碳化硅 C．硅酸钠 D．硅单质【答案】D【详解】A．二氧化硅可用于生产光导纤维，A不符合题意；B．碳化硅可用于生产砂轮、砂纸等，B不符合题意；C．硅酸钠可用于生产水泥、黏合剂等，C不符合题意；D．硅单质可用于生产半导体材料、太阳能电池等，D符合题意；故选D。【变式1】我国努力发展芯片产业，推进科技自立自强。制造芯片所用的单晶硅属于A．单质 B．盐 C．氧化物 D．混合物【答案】A【详解】硅是最常见应用最广的半导体材料，当熔融的单质硅凝固时，硅原子以金刚石晶格排列成晶核，其晶核长成晶面取向相同的晶粒，形成单晶硅。因此单晶硅属于单质。故答案为：A。【变式2】如图为世界上最小的房子，是由法国贝一研究所团队用二氧化硅建造的长20微米的房子。该房子在下列某种溶液中会快速消失，该溶液是A．酸性高锰酸钾溶液 B．浓硝酸C．氨水 D．氢氟酸【答案】D【详解】SiO2与酸性高锰酸钾溶液、浓硝酸和氨水均不反应，SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O，故可以用氢氟酸溶液溶解该房子，故答案为：D。【变式3】工业上以石英砂（SiO2）为原料制取单质硅，其工艺流程如图所示。下列说法正确的是A．①②③均属于氧化还原反应B．石英砂和C高温条件下还可以生成金刚砂（SiC）和CO，该反应中氧化产物和还原产物的物质的量之比为1：2C．二氧化硅为良好的半导体材料，可用于制造芯片D．石灰石、纯碱、石英砂是生产玻璃的原料，玻璃是一种新型无机非金属材料【答案】A【分析】石英砂与碳在高温条件下反应生成粗硅和CO，粗硅与氯气在加热条件下反应生成四氯化硅，四氯化硅与氢气在高温条件下反应生成纯硅和氯化氢；【详解】A．①中碳、硅元素化合价发生变化，②中硅、氯元素化合价发生变化，③中硅、氢元素化合价发生变化，均属于氧化还原反应，选项A正确；B．石英砂和C高温条件下还可以生成金刚砂（SiC）和CO，则反应为，该反应中氧化产物CO和还原产物SiC的物质的量之比为2：1，选项B错误；C．硅的导电性介于导体与绝缘体之间是良好的半导体材料，所以晶体硅可以用于制造计算机芯片和太阳能电池，而不是二氧化硅，选项C错误；D．石灰石、纯碱、石英砂是生产玻璃的原料，玻璃是一种传统无机非金属材料，选项D错误；答案选A。【变式4】中国高铁对实现“一带一路”的战略构想有重要的作用。（1）建设高铁轨道需要大量的水泥，生产水泥的主要原材料是。（2）高铁上的信息传输系统使用了光导纤维，其主要成分是；乘务员使用的无线通话机的芯片材料所含元素在元素周期中的位置。（3）高铁上安装有许多玻璃，氢氟酸可以处理玻璃表面的微裂纹，氢氟酸与玻璃中的二氧化硅反应的化学方程式。（4）高铁上的卫生间没有任何异味，是由于所使用的马桶、地漏和洗手盆下水口都是纳米硅胶的高科技产品，向硅酸钠溶液中加入稀盐酸可产生硅酸胶体，该反应的离子方程式。【答案】（1）黏土和石灰石（2）SiO2第三周期ⅣA族（3）4HF+SiO2=SiF4+2H2O（4）2H++SiO=H2SiO3（胶体）【详解】（1）工业上生产水泥的主要原材料是黏土和石灰石，故答案为：黏土和石灰石；（2）光导纤维的主要成分是二氧化硅；芯片的主要成分为二氧化硅，硅元素的原子序数为14，位于元素周期表第三周期ⅣA族，故答案为：SiO2；第三周期ⅣA族；（3）氢氟酸与玻璃中的二氧化硅的反应为二氧化硅与氢氟酸溶液反应生成四氟化硅和水，反应的化学方程式为4HF+SiO2=SiF4+2H2O，故答案为：4HF+SiO2=SiF4+2H2O；（4）向硅酸钠溶液中加入稀盐酸发生的反应为硅酸钠溶液与稀盐酸反应硅酸胶体和氯化钠，反应的离子方程式为2H++SiO=H2SiO3（胶体），故答案为：2H++SiO=H2SiO3（胶体）；【变式5】无机非金属材料与人类社会的发展与进步息息相关，硅元素更是无机非金属材料的主角，地壳质量的90%以上是二氧化硅和硅酸盐。回答下列问题：（1）烧制普通玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂，它们在玻璃窑中发生化学变化生成CaSiO3和Na2SiO3的化学方程式为、。（2）工业上可利用水玻璃和盐酸反应制备硅酸凝胶后，进一步脱水处理可得到硅胶，请设计实验验证水玻璃与盐酸反应产生少量硅酸时，形成的分散系属于胶体：（写出实验操作、现象和结论）。（3）制备陶瓷和普通水泥都需要以黏土为原料，黏土的主要成分是铝硅酸盐。某种黏土的主要成分为Al2Si2O5（OH）4，将其表示为氧化物的形式为aAl2O3·bSiO2·cH2O，则a：b：c=。（4）高纯度单晶硅可以按下列方法制备：SiO2Si（粗）SiHCl3高纯度单晶硅①写出SiO2转化为Si（粗）的化学方程式：。②SiHCl3被H2还原为Si（纯）的基本反应类型为。③写出高纯度单晶硅在信息技术或新能源技术等领域的应用：（任写一种）。（5）SiO2属于氧化物，试用任一离子方程式说明。（6）向盐酸中逐滴滴加制得的硅酸钠溶液，当pH达到6~7时得到一种乳白色、半透明的分散系，其分散质为粒径在5~100nm的SiO2·nH2O粒子。该分散系属于（选填“溶液”“浊液”或“胶体”），可以通过来鉴别。（7）硅酸盐材料是传统无机非金属材料，下列产品不属于硅酸盐的是（填序号）。①玻璃②石英玻璃③陶瓷④硅芯片⑤砖瓦⑥水泥⑦光导纤维（8）0.1mol与0.05mol在高温下充分反应，可生成标准状况下气体L。【答案】（1）Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑（2）取一定量待测液于烧杯中，将烧杯置于暗处，用激光笔照射，液体中出现一条光亮的通路，证明此时的分散系属于胶体（3）1：2：2（4）SiO2+2C2CO↑+Si置换反应芯片或太阳能电池（5）酸性（6）胶体丁达尔效应（7）②④⑦（8）11.2【详解】（1）烧制普通玻璃的原料是纯碱（Na2CO3）、石灰石（CaCO3）和石英砂（SiO2），它们在玻璃窑中发生化学变化生成CaSiO3和Na2SiO3的化学方程式为：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑，CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑；（2）可以用丁达尔效应来鉴别胶体，实验操作、现象和结论为：取一定量待测液于烧杯中，将烧杯置于暗处，用激光笔照射，液体中出现一条光亮的通路，证明此时的分散系属于胶体；（3）某种黏土的主要成分为Al2Si2O5（OH）4，将其表示为氧化物的形式为Al2O3·2SiO2·2H2O，则a：b：c=1：2：2；（4）①SiO2和C单质反应生成Si（粗），化学方程式为：SiO2+2C2CO↑+Si；②SiHCl3被H2还原为Si（纯）的方程式为：SiHCl3+H2Si+3HCl，该反应属于置换反应；③高纯度单晶硅在信息技术或新能源技术等领域的应用：芯片或太阳能电池。（5）二氧化硅能与碱反应生成盐和水，因此它属于酸性氧化物，离子方程式为；（6）分散质为粒径在5~100nm的SiO2·nH2O粒子形成的分散系为胶体，可以用丁达尔效应鉴别；（7）玻璃、陶瓷、水泥、砖瓦主要成分为硅酸盐；石英玻璃、光导纤维主要成分为二氧化硅；硅芯片主要成分为硅，则不属于硅酸盐的是②④⑦；（8）碳酸钙与二氧化硅高温下反应生成硅酸钙和二氧化碳，反应的化学方程式为CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑，则0.1mol碳酸钙与0.05mol二氧化硅反应时，碳酸钙过量，0.05mol二氧化硅反应生成标准状况下二氧化碳的体积为0.05mol×22.4L/mol=1.12L；【题型3新型陶瓷碳纳米材料】【例3】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【详解】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Si3N4，A正确；B．利用硅的半导体性能，可以制成太阳能电池，B错误；C．碳化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承，C正确；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，D正确；故答案选B。【变式1】下列材料中属于新型无机非金属材料的是A．聚氯乙烯塑料B．储氢合金 C．碳纳米管 D．玻璃【答案】C【详解】A．聚氯乙烯塑料是塑料的一种，属于合成有机高分子材料，A错误；B．储氢合金是合金，不是无机非金属材料，B错误；C．碳纳米管属于新型无机非金属材料，C正确；D．玻璃是传统无机非金属材料，D错误；故选C。【变式2】下列物质中，不属于新型无机非金属材料的是A．普通玻璃 B．碳化硅陶瓷 C．二氧化硅 D．碳纳米管【答案】A【详解】A．普通玻璃属于传统无机非金属材料，A符合题意；B．碳化硅陶瓷是新型无机非金属材料，B不符合题意；C．二氧化硅是新型无机非金属材料，C不符合题意；D．碳纳米管是新型无机非金属材料，D不符合题意；故选A。【变式3】新型碳化硅（SiC）增强铝基复合材料助力“天问一号”成功探火，首次在火星上留下了中国印迹！（1）列举一个实验事实说明C和Si的非金属性强弱（2）该材料不具有的性质是___________。A．耐高温 B．密度大 C．耐腐蚀 D．抗磨损（3）你认为采集火星表面的岩石样品时，可用作钻头的材料是___________。A．钠单质 B．NaCl晶体 C．蔗糖 D．金刚石【答案】（1）H2SiO3的酸性比H2CO3弱，说明Si的非金属性比C弱（2）B（3）D【详解】（1）非金属性强弱可通过比较最高价氧化物的水化物的酸性强弱比较，H2SiO3的酸性比H2CO3弱，说明Si的非金属性比C弱；（2）由碳化硅颗粒增强铝基复合材料（其组成可表示为SiC/Al）应用于“天问一号”航空领域，该材料应该具备的特点是：耐高温、耐腐蚀、抗磨损等，但由于从地球向太空发射时需克服地磁场强大的吸引作用，因此应该具有密度小、质量轻的特点，若材料的密度大，发射时就需消耗更高的能量，增大发射火箭的体积，无形会增加发射难度，故答案应选B。（3）作钻头的材料应具有高硬度，结合选项可知金刚石符合要求，故选D。【变式4】氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点