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第06讲 无机非金属材料（讲义）
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一、硅酸盐的概念、结构与特点
1.概念：由硅元素、氧元素和金属元素组成的化合物。
2.结构：在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体。每个Si结合4个O，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，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。
3.特点：硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。
二、传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥
陶瓷 玻璃 水泥
主要原料 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐) 纯碱、石灰石、石英砂(主要成分是SiO2) 黏土、石灰石
主要成分 Al2O3·2SiO2·2H2O Na2CO3、CaCO3、SiO2 硅酸二钙、铝酸三钙等
反应原理 高温烧结而成 高温下发生复杂的物理和化学变化
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器和各种器皿、制造玻璃纤维用于高强度复合材料等 制混凝土，大量用于建筑和水利工程
制取玻璃的反应方程式为：SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑ SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2↑。
三、硅单质的物理性质与用途
1.物理性质：硅单质是带有金属光泽的灰黑色固体，其结构与金刚石类似，为空间网状结构，所以晶体硅的硬度大、熔点高。
2.用途：硅在元素周期表中处于金属与非金属的交界处，晶体硅的导电性介于导体与绝缘体之间，是一种良好的半导体材料，因此晶体硅常用于制作集成电路板(硅芯片)和太阳能电池极板。
四、硅的制备
制备原理 用焦炭还原石英砂，得到含少量杂质的粗硅，然后转化为三氯硅烷，再经氢气还原。
制备流程
反应方程式 SiO2 + 2C Si + 2CO↑ Si + 3HCl SiHCl3 + H2 SiHCl3 + H2 Si + 3HCl
五、新型无机非金属材料
1. 硅和二氧化硅
(1)硅的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料，可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片，以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。
(2)二氧化硅可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。
2. 新型陶瓷
(1)新型陶瓷不限于传统的硅酸盐体系，如碳化硅(SiC)、高温结构陶瓷、压电陶瓷、超导陶瓷等在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能，进一步拓展了陶瓷的应用领域。
(2)碳化硅(SiC)俗称金刚砂，其中的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。碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1600℃，大大超过了普通金属材料所能承受的温度，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
3. 碳钠米材料
碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
富勒烯 碳纳米管 石墨烯
由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。 由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。其在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。
对点训练
题型一：硅酸盐材料(传统无机非金属材料)
1．下列关于硅酸盐材料的说法错误的是
A．生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷
B．生产陶瓷的主要原料是黏土
C．普通玻璃的主要成分只有SiO2
D．普通硅酸盐水泥的生产以石灰石和黏土为主要原料
2．《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙黏土而为之”“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。下列说法错误的是(　　)
A．“燃薪举火”使黏土发生了复杂的物理化学变化 B．沙子和黏土的主要成分为硅酸盐
C．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦 D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
题型二：硅、二氧化硅
3．硅是组成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是
A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为
B．碳化硅()的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承
C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为
D．氮化硅()、氧化铝()、碳化硅()和二氧化锆()都可用作制高温结构陶瓷的材料
4．二氧化硅是一种化工原料，可以制备一系列物质。下列说法正确的是（ ）
A．图中所有反应都不属于氧化还原反应
B．硅酸盐的化学性质稳定，常用于制造光导纤维
C．可用盐酸除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙
D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高
5．填空。
(1)在实验室盛放碱溶液时，试剂瓶不能用玻璃塞而用橡胶塞的原因是SiO2是酸性氧化物，能与强碱溶液反应，SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为 。
(2)生产磨砂玻璃时可以用氢氟酸溶蚀玻璃，是因为氢氟酸溶液可与SiO2反应，其化学方程式为： 。
(3)有同学由此得出来SiO2是两性氧化物，你认为这个观点对吗 ，说明原因： ？
题型三：高纯硅的制备
6．下列有关硅及其化合物的说法正确的是
A．在粗硅的制取中发生反应，硅被还原，所以碳的还原性大于硅的
B．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C．用制取硅酸，应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应，然后通入
D．由可知，硅酸的酸性大于碳酸的
题型四：新型无机非金属材料
7．我国已跨入“互联网＋”时代，而“互联网＋”的建设离不开无机非金属材料硅。下列物品中用到硅单质的是（ ）
A．计算机芯片 B．陶瓷餐具 C．石英钟表 D．光导纤维
8．石墨炔是一种平面网状结构的全碳分子，具有优良的化学稳定性和半导体性能。下列关于石墨炔的说法错误的是
A．石墨炔属于碳氢化合物
B．石墨炔与金刚石互为同素异形体
C．石墨炔有望代替半导体材料硅在电子产品中得到广泛应用
D．石墨炔中只含有共价键
9．唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于（ ）
A．氧化铝 B．二氧化硅 C．硅酸盐 D．合金
10．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．制造水泥的主要原料为纯碱、石灰石和石英
C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高
D．制造水泥的过程中只发生了物理变化
11．碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是
A．碳纳米管属于胶体
B．石墨烯属于有机化合物
C．C60与金刚石互为同素异形体
D．均具有相同的熔点
12．阅读科技材料，回答下列问题
2022年2月20日，第二十四届冬奥会在北京胜利闭幕，本届冬奥会大量使用了高科技。
材料1：国家速滑馆“冰丝带”中神奇的二氧化碳跨临界直接制冰。该技术就是将气态二氧化碳通过加温加压形成超临界二氧化碳流体(超临界二氧化碳流体是形成气态与液态交融在一起的流体)，再对超临界二氧化碳进行降温降压达到-20℃至-15℃，再相变蒸发吸热完成制冷和制冰的过程。该技术碳排放趋近于零，且对大气臭氧层没有影响，是目前世界上最环保的制冰技术。
材料2：冬奥会服装中的“黑科技”。本次冬奥会颁奖礼仪服装的衣服内胆里特意添加了第二代石墨烯发热材料，石墨烯是从石墨中分离出来的一层或几层碳原子构成的石墨片，是目前世界上最薄、最坚硬的纳米材料，石墨烯导热系数非常高。穿着礼仪服装前进行充电，充电完成后，石墨烯发热服会产生一种由内而外的温暖。此外，比赛服装中的科技含量更高，例如速滑竞赛服中，含有弹性超强的橡胶材料，可以最大程度减少体力消耗。
(1)文中涉及的有机合成材料是 。
(2)第二代石墨烯作为一种新材料，它 (选填“是”或“不是”)优良的导体，画出构成石墨烯的原子结构示意图 。
(3)下列说法正确的是_______。
A．石墨烯在常温下化学性质非常稳定
B．超临界：二氧化碳流体与普通二氧化碳化学性质不同
C．超临界二氧化碳流体中分子之间没有间隔
D．在一定条件下石墨烯可以还原氧化铜
(4)二氧化碳跨临界直接制冰的优点 。
13．“厉害了，我的国”。2017年4月：“天舟一号”成功对接，12月：大型客机C919(如下图)第二次在上海浦东机场试飞成功，实现了我国航空领域的新突破。请回答下列问题：
(1)铝合金和碳纤维复合材料是飞机、火箭的常用材料，这主要利用了它们具有的共同性能是 (填字母序号)。
A.密度小 强度好 B.密度大 硬度大 C.熔点低 硬度小
(2)铝的金属活动性比铁的 (填“强”或“弱”)空气中，铝比铁具有更好的抗腐蚀性，原因是 (用化学反应方程式解释)。
(3)飞机使用的是航空燃油，是 炼制的产品，飞机在升空过程中的能量转化为： →内能→机械能。
(4)高温陶瓷材料可以是制造陶瓷发动机，通常所用的材料是化硅(Si3N4)，该化合物中硅元素的化合价为 。
试卷第1页，共3页
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参考答案：
1．C
【详解】A．玻璃、水泥、陶瓷中的主要成分含有硅酸盐，是生活中常见的硅酸盐材料，A正确；
B．黏土经高温烧结可以制得陶瓷，黏土是陶瓷是主要原料，B正确；
C．普通玻璃的主要成分为硅酸钙、硅酸钠和二氧化硅，C错误；
D．普通硅酸盐水泥以石灰石和黏土为原料，二者与其他辅料混合、研磨再进行其他加工制得普通水泥，D正确；
故答案选C。
2．B
【详解】A．黏土烧制成瓦的过程中发生了复杂的物理化学变化，故A正确。
B．沙子的主要成分为二氧化硅，二氧化硅是氧化物，不属于硅酸盐，故B错误。
C．由“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”可知，故C正确。
D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料，故D正确。
故选B。
3．C
【详解】A．氮化硅中各元素的原子最外层达到8电子稳定结构。硅原子最外层电子数为4，氮原子最外层电子数为5，要形成8电子稳定结构，则应有二者个数的比为3:4，其化学式为，故A正确；
B．碳化硅()为原子晶体，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承，故B正确；
C．光导纤维的主要成分为二氧化硅，是一种新型无机非金属材料，故C错误；
D．氮化硅()和碳化硅()均属于原子晶体，氧化铝()和二氧化锆()均属于离子晶体，熔点高，都可用作制高温结构陶瓷的材料，故D正确；
故选C。
4．C
【详解】A. 化学反应前后有元素化合价变化的一定是氧化还原反应，二氧化硅与碳反应生成硅单质的反应是氧化还原反应，故A错误；
B. 光导纤维的成分是二氧化硅，不是硅酸盐，故B错误；
C. 碳酸钙溶于盐酸生成氯化钙和水以及二氧化碳，二氧化硅和盐酸不反应，可以用盐酸除去石英(主要成分为SiO2)中混有的少量碳酸钙，故C正确；
D. 玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的，玻璃属于混合物，没有固定的熔点，故D错误；
故选：C。
5．(1)SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
(2)SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
(3) 不对 SiO2只与氢氟酸反应，不与其他的酸(如盐酸、硝酸等)反应
【解析】略
6．C
【详解】A．的还原性比C的强，反应在高温下进行，且产物中有气体生成，气体从反应体系中逸出，有利于反应的进行，A项错误；
B．不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放溶液，因为溶液本身是一种黏合剂，B项错误；
C．不能与水直接反应，所以制取硅酸可用可溶性硅酸盐与或盐酸反应：、，C项正确；
D．的酸性比的强，反应能在高温下进行，主要是因为产物中有气体生成，气体从反应体系中逸出，有利于反应的进行，与酸性无关，D项错误；
答案选C。
7．A
【详解】A．硅单质是半导体材料，可以制计算机芯片，故A正确；
B．陶瓷餐具是硅酸盐产品，主要成分为硅酸盐，故B错误；
C．石英主要成分为二氧化硅，不是单质硅，故C错误；
D．光导纤维成分为二氧化硅，是硅的氧化物，不是单质硅，故D错误；
故答案选A。
8．A
【详解】A、石墨炔中不含有氢原子，不是碳氢化合物，故A错误；
B、石墨炔与金刚石都是碳单质，互为同素异形体，故B正确；
C、石墨炔具有优良的化学稳定性和半导体性能，所以石墨炔有望代替半导体材料硅在电子产品中得到广泛应用，故C正确；
D、石墨炔是一种共面网状结构的全碳分子，只含有共价键，故D正确；
故选A。
9．C
【详解】唐三彩、秦兵马俑制品由粘土经高温灼烧而成，属于硅酸盐产品。
故选C。
10．C
【详解】A．陶器是人类最早使用的硅酸盐制品，A错误；
B．制造水泥的主要原料为黏土和石灰石，B错误；
C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高，C正确；
D．制造水泥的过程中发生了复杂的物理变化和化学变化，D错误；
故答案选C。
11．C
【详解】A.碳纳米管是一种一维纳米材料，与胶粒直径吻合，需要分散到分散剂中才能形成胶体，故A错误；B.石墨烯是由石墨剥离出的单层碳原子结构的单质，不属于有机化合物，故B错误；C.富勒烯与金刚石同属于碳的单质，互为同素异形体，故C正确；D.不同的新型碳材料因结构不同应具有不同的熔点，故D错误。答案：C。
【点睛】根据物质的组成和结构决定其性质的原则，对富勒烯、石墨烯、碳纳米管等组成和结构进行判断，在根据物质分类、物理性质、胶体概念、同素异形体进行相关选项的判断。
12．(1)橡胶
(2) 是
(3)AD
(4)碳排放趋近于零，大气臭氧层没有影响，环保
【详解】（1）橡胶中的合成橡胶属于有机合成材料，故答案为橡胶。
（2）石墨烯是从石墨中分离出来的一层或几层碳原子构成的石墨片，石墨是优良的导体，石墨烯是碳元素的一种单质，故其原子结构示意图为。
（3）A．石墨烯是石墨的单质，石墨在常温下化学性质非常稳定，故A正确；
B．二氧化碳流体与普通二氧化碳都是由二氧化碳分子构成的，分子相同，化学性质相同，故B错误；
C．超临界二氧化碳流体是形成气态与液态交融在一起的流体，气态或液态，分子间都是有间隔的，故C错误；
D．石墨烯是碳元素的一种单质，碳具有还原性，则在一定条件下石墨烯可以还原氧化铜，故D正确；
答案AD。
（4）从第一段最后一句文字可以看出，二氧化碳跨临界直接制冰的优点碳排放趋近于零，且对大气臭氧层没有影响，是目前世界上最环保的制冰技术。故答案为碳排放趋近于零，大气臭氧层没有影响，环保。
13．(1)A
(2) 强 4Al+3O2=2Al2O3
(3) 石油 化学能
(4)+4
【详解】（1）铝合金和碳纤维复合材料密度小、强度好，故选A。
（2）铝的金属活动性比铁的强。空气中，铝比铁具有更好的抗腐蚀性，原因为铝能与空气中的氧气反应产生致密氧化物保护膜，生成氧化铝的化学方程式：4Al+3O2=2Al2O3。
（3）飞机使用的是航空燃油，是石油炼制的产品，航空燃油燃烧是放热反应，故飞机在升空过程中的能量转化为：化学能→内能→机械能。
（4）化合物中元素的化合价的代数和为零； Si3N4中N元素呈-3价、硅元素的化合价为x，则3x+(-3)×4=0， x=+4。
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