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第五章 第三节 无机非金属材料
【学习目标】
1．了解陶瓷、玻璃、水泥等传统无机非金属材料的生产原料、性能和主要用途，知道普通玻璃的主要成分。
2．了解硅、二氧化硅、新型陶瓷、纳米材料的性能和用途，认识化学在社会、生活、生产、科学技术中的重要作用。
【素养目标】
1．通过研究硅酸盐的结构与性质的关系，培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。
2．通过了解材料发展的历史与前景，使学生认识化学在材料科学中的重要地位，体会化学的创造性和实用性，激发对化学科学的兴趣。培养学生的“科学态度与社会责任”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：硅酸盐材料
无机非金属材料一般含有硅、氧元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。
1．硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接。
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。
产品 原料 主要设备 主要成分 用途
陶瓷 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐) —— 硅酸盐 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃 (普通) 纯碱、石灰石、石英砂 玻璃窑 Na2SiO3、 CaSiO3、 SiO2 建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等
水泥 石灰石、黏土、 适量石膏 水泥 回转窑 硅酸盐 建筑和水利工程
【点拨】(1)由原料和玻璃的成分及反应条件“熔融”，可知反应的化学方程式为SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。
(2)硅酸盐种类繁多，结构复杂，组成各异，常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。
硅酸盐改写成氧化物形式的方法：
①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。
②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。
③当计量数配置出现分数时应化为整数。如正长石：KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。
典例1．宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“入窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是(　　)
A．窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料
C．高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物
D．陶瓷属于硅酸盐材料，耐酸碱腐蚀，但是不能用来盛装氢氟酸
【答案】C
【解析】不同的金属氧化物颜色可能不同，在高温下，釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化称为窑变，故A正确；瓷器的原料主要是黏土，瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅，是混合物，故C错误；HF能与二氧化硅反应，陶瓷的主要成分是硅酸盐和二氧化硅，所以陶瓷不能用来盛装氢氟酸，故D正确。
典例2．“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法正确的是(　　)
A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品
B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英
C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高
D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
【答案】C
【解析】陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B项错误；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。
知识点二：新型无机非金属材料
1．硅和二氧化硅
(1)硅元素的存在与结构
存在 原子结构示意图 周期表中位置
含量 存在形态
地壳中居第二位 氧化物和硅酸盐 第三周期、第ⅣA族
①晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。
②硅与强碱溶液生成氢气(特征反应)：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(2)单质硅的制备
①高纯硅的工业制备原理流程图：
②硅的工业制法：制备粗硅：SiO2＋2CSi＋2CO↑
当碳过量时，继续反应生成SiC：3C＋SiO2(少量)SiC＋2CO↑(SiC的结构和性能与金刚石相似，属于共价晶体)。
粗硅的提纯：Si＋3HClSiHCl3＋H2
SiHCl3＋H2Si＋3HCl
(3)硅主要性质
(4)SiO2的性质
①晶体类型：共价晶体。
②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。
③高温下，Na2CO3与SiO2反应制玻璃
Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。
④与氢氟酸反应(特殊)：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
【点拨】(1)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存，氢氟酸能腐蚀玻璃，可用于玻璃制品蚀刻花纹。
(2)强碱溶液不能用玻璃塞试剂瓶保存，应用橡胶塞。
(5)硅和二氧化硅的用途
①硅的用途：计算机等的芯片、硅太阳能电池
②二氧化硅用途:光导纤维、石英玻璃制化学仪器、石英表、石英钟、水晶制光学仪器和工艺品、玛瑙制精密轴承和装饰品
典例3．有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，下列关于硅及其化合物的说法正确的是(　　)
A．SiO2是一种酸性氧化物，所以不和任何酸反应
B．高温下，工业制硅的反应方程式为C+SiO2Si+CO2
C．光导纤维的主要成分是SiO2
D．太阳能发电板的主要材料是SiO2
【答案】C
【解析】A. SiO2是一种酸性氧化物，能和氢氟酸反应，A错误；B. 高温下，工业制硅的反应方程式为2C+SiO2Si+2CO，B错误；C. 光导纤维的主要成分是SiO2，C正确；D. 太阳能发电板的主要材料是Si。
典例4．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．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
C．二氧化硅能与碳酸钠固体在高温时发生反应
D．用二氧化硅制取单质硅时，当生成2.24 L气体(标准状况)时，得到2.8 g硅
【答案】C
【解析】二氧化硅是酸性氧化物，但是二氧化硅不溶于水，与水不反应，故A错误；二氧化硅制成的光导纤维，由于其良好的光学特性而被用于制造光缆，故B错误；在高温时，二氧化硅能够与碳酸钠固体反应生成硅酸钠和二氧化碳，故C正确；由化学方程式SiO2＋2CSi＋2CO↑，可知当生成2.24 L(标准状况)即0.1 mol气体时，得到0.05 mol 即1.4 g硅，故D错误。
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为零 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
典例5．科学家最近用金属钠还原CCl4和SiCl4制得一种一维SiC纳米棒，相关反应的化学方程式为8Na＋CCl4＋SiCl4SiC＋8NaCl。下列说法不正确的是(　　)
A．SiC和SiO2中Si元素的化合价相同
B．上述反应中SiC既是氧化产物又是还原产物
C．SiO2制备单质Si、单质Si制备SiCl4均涉及氧化还原反应
D．一维SiC纳米棒比表面积大，对微小粒子有较强的吸附能力
【答案】B
【解析】SiC和SiO2中Si元素的化合价均为＋4价，A项正确；SiC是还原产物，NaCl是氧化产物，B项错误；SiO2制备单质Si需加入还原剂，单质Si制备SiCl4需加入氧化剂，C项正确；一维粒子上下表面均能与其他物质接触，比表面积大，对微小粒子有较强的吸附能力，D项正确。
典例6．新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课题。其结构模型如图所示：
下列有关说法正确的是(　　)
A．石墨烯是一种新型化合物
B．氧化石墨烯即石墨烯的氧化物
C．二者和石墨都是碳的同素异形体
D．氧化石墨烯具有一定的亲水性
【答案】D
【解析】石墨烯是碳的单质，A错误；氧化石墨烯含有氢元素，故不是石墨烯的氧化物，也不是碳的同素异形体，B、C错误；由于氧化石墨烯结构中含有羟基和羧基等亲水基团，所以它具有一定的亲水性，D正确。
核心价值与学科素养
【知识结构化】
1．硅单质
2．二氧化硅
典例7．宇航员在升空、返回或遇到紧急情况时，必须穿上10公斤重的航天服，我国宇航员的航天服是由我国科学家研制的新型“连续纤维增韧”航空材料做成的，主要由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。
下列相关叙述错误的是(　　)
A．它耐高温、抗氧化　 B．它比钢铁轻,但质地较脆
C．它没有固定熔点 D．它是一种新型无机非金属材料
【答案】B
【解析】由题目信息中“连续纤维增韧”可知,该航天服的韧性很好，质地并不是很脆，B错误。
典例8．我国在航天、军事、天文等领域的发展备受世界瞩目，它们与化学有着密切联系。下列说法正确的是(　　)
A．“中国天眼”的“眼眶”是钢铁结成的圈梁，属于新型无机非金属材料
B．“歼－20”飞机上大量使用的碳纤维是一种新型有机高分子材料
C．“神舟十三号”宇宙飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷是新型无机非金属材料
D．“天宫二号”空间实验室的太阳能电池板的主要材料是二氧化硅
【答案】C
【解析】钢铁属于金属材料，A错；碳纤维属于新型无机非金属材料，B错；高温结构陶瓷属于新弄无机非金属材料，C正确；太阳能电池板的主要材料是硅，D错。
【跟踪练习】 基础过关
1． 硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。在无机非金属材料中，硅一直扮演着主角。下列几种物质中含有硅单质的是(　　)
【答案】C
【解析】玛瑙、光导纤维和水晶的主要成分都是SiO2，硅单质可用来制造太阳能电池。
2．下列关于无机非金属材料的说法不正确的是(　　)
A．传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
B．新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差
C．高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点
D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分不同
【答案】B
【解析】无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两大类。传统无机非金属材料是指我们常说的硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、砖瓦、陶瓷等；新型无机非金属材料是指一些新型的具有特殊结构和特殊功能的非硅酸盐型材料。新型无机非金属材料与传统无机非金属材料相比，具有许多优良性能，如耐高温、耐磨损、耐酸碱腐蚀、具有压电效应和生物功能等。
3．下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是(　　)
①硅是构成一些岩石和矿物的基本元素　②水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品　③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维　④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料
A．①② B．②③ C．①④ D．③④
【答案】C
【解析】几乎所有的岩石和矿物都含有硅酸盐或者二氧化硅，则硅是构成一些岩石和矿物的基本元素，故①正确；水泥、玻璃是硅酸盐产品，水晶的主要成分是二氧化硅，故②错误；光导纤维的主要成分是二氧化硅，故③错误；陶瓷的主要原料是黏土，则陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料，故④正确。
金刚砂(SiC)可由SiO2和碳在一定条件下反应制得，反应的化学方程式为SiO2＋3CSiC＋2CO↑，下列有关制造金刚砂的说法正确的是(　　)
A．该反应中的氧化剂是SiO2，还原剂为C
B．该反应中的氧化产物和还原产物的物质的量之比为1∶2
C．该反应中转移12e－
D．该反应中的还原产物是SiC、氧化产物是CO
【答案】D
【解析】反应产物SiC中Si、C的化合价分别为＋4、－4价，所以SiO2既不是氧化剂，又不是还原剂；碳元素从0价转变成－4价(SiC)和＋2价(CO)，CO是氧化产物，SiC是还原产物，两者的物质的量之比为2∶1；根据化学方程式可知，该反应转移4e－。
能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是(　　)
A．CO2是气体，SiO2是固体
B．二氧化硅的熔点比二氧化碳高
C．根据反应SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑，可推知硅酸的酸性比碳酸的酸性强
D．CO2通入Na2SiO3稀溶液中析出硅酸沉淀，所生成的H2SiO3逐渐聚合而形成硅酸溶胶
【答案】D
【解析】酸性强弱与这种酸的氧化物的状态和物理性质无关，A、B均不正确；C项反应只有在高温条件下才能进行，由于CO2是气体，生成后脱离反应体系使反应得以继续进行，但这不能说明硅酸的酸性比碳酸的酸性强；D项属于较强的酸制取较弱的酸，能够证明硅酸的酸性弱于碳酸的酸性。
能力达成
中国高铁对实现“一带一路”的倡议有重要的作用。
(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黏土和 ,还需要加入适量________调节水泥硬化速率。
(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是________。
(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为 。
(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为________________。
【答案】(1)石灰石　石膏 (2)SiO2　Si (3)SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
(4)SiO32-+2H+===H2SiO3(胶体)
【解析】(1)生产水泥的主要原料是:石灰石和黏土;生产水泥的主要设备是:水泥回转窑;
(2)光导纤维,其主要成分是SiO2，具有良好的导光性,硅单质是半导体材料，常用于计算机芯片的材料和太阳能电池，乘务员使用的无线通话机的芯片材料是硅;
(3)玻璃中含有二氧化硅,二氧化硅和氢氟酸反应生成四氟化硅，反应方程式为:SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O;
(4)向硅酸钠溶液中滴入稀盐酸,反应生成硅酸胶体，离子方程式: SiO32-+2H+ ===H2SiO3(胶体)。
7． 从铝土矿(主要成分是Al2O3，含SiO2、Fe2O3、MgO等杂质)中提取氧化铝的两种工艺流程如下：
请回答下列问题：
(1)流程甲加入盐酸后生成Al3＋的离子方程式为______________________________________。
(2)流程乙加入烧碱后生成SiO的离子方程式为 。
(3)验证滤液B含Fe3＋，可取少量滤液并加入________(填试剂名称)。
(4)滤液E、K中溶质的主要成分是________(填化学式)，写出该溶质的一种用途：_______________。
【答案】(1)Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O (2)SiO2＋2OH－===SiO＋H2O
(3)硫氰化钾　(4)NaHCO3　制纯碱(或做发酵粉等合理答案)
【解析】 本题考查铝土矿中氧化铝提取的工艺流程。(1)与HCl反应生成Al3＋，应为铝土矿中的Al2O3。(2)SiO2可以溶于NaOH中生成Na2SiO3。(3)检验Fe3＋的特征反应很多，如与KSCN显血红色，与苯酚显紫色，与OH－显红褐色沉淀等。(4)生成E、K时，CO2均是过量的，故应生成NaHCO3。
8． 高纯硅是制作光伏电池的关键材料，如图是一种生产高纯硅的工艺流程示意图：
已知：①流化床反应器内的主反应：Si＋3HClSiHCl3＋H2；
②还原炉内的主反应：SiHCl3＋H2Si＋3HCl；
③SiHCl3极易水解：SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl↑。
回答下列问题：
(1)石英砂的主要成分为SiO2，SiO2是一种酸性氧化物，能与烧碱反应生成盐和水，下列物质中也能与烧碱反应生成盐和水的是__________(填字母)。
A．Al B．Al2O3
C．CuO D．NaHCO3
SiO2能在一种常见的酸中溶解，生成一种气态含硅物质，这种酸的电子式为_____________。
(2)电弧炉中生成粗硅，反应的化学方程式为________________________________________。
若电弧炉中焦炭过量，还会有SiC生成，石英砂和焦炭生成SiC的反应中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为______________。
(3)整个操作流程都需隔绝空气，原因是______________________________(答出两条即可)。
(4)流化床反应器中除SiHCl3外，还可能发生副反应，生成其他含硅化合物(如SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等)，可以用分馏的方法加以分离，该操作方法的理论依据是__________________。
(5)上述操作流程中可以循环利用的物质是_______________________________________。
【答案】　(1)BD　　(2)SiO2＋2CSi＋2CO↑　1∶2　(3)防止SiHCl3发生水解；防止硅被氧化；防止氢气与氧气反应而发生爆炸(任写两条即可)　(4)各组分沸点相差较大　(5)H2、HCl
【解析】 (1)铝与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠和氢气，故A不符合题意；氧化铝与氢氧化钠溶液反应生成偏铝酸钠和水，故B符合题意；氧化铜与氢氧化钠溶液不反应，故C不符合题意；碳酸氢钠与氢氧化钠溶液反应生成碳酸钠和水，故D符合题意；SiO2能在一种常见的酸中溶解，生成一种气态含硅物质，这种酸为HF，HF属于共价化合物，其电子式为。(2)二氧化硅与碳在高温条件下反应生成粗硅和CO，对应的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，石英砂和焦炭生成SiC的反应为SiO2＋3CSiC＋2CO↑，C元素化合价由0价降低为－4价，由0价升高为＋2价，C既是氧化剂又是还原剂，根据氧化还原规则，氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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