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第03练 无机非金属材料
1.无机非金属材料
(1)硅酸盐材料
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硅酸盐材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 黏土 纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 主要原料：石灰石、黏土辅助原料：适量的石膏
设备 — 玻璃窑 水泥回转窑
制备过程 原料经高温烧结而成 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
主要成分 成分复杂 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
特点 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘 玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品 具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维 大量用于建筑和水利工程
(2)新型无机非金属材料
①硅和二氧化硅
主要应用 硅 半导体材料→硅芯片、硅太阳能电池
二氧化硅 光导纤维
制备 粗硅 SiO2＋2CSi＋2CO↑
高纯硅 Si＋3HClSiHCl3＋H2SiHCl3＋H2Si＋3HCl或Si＋2Cl2SiCl4SiCl4＋2H2Si＋4HCl
②新型陶瓷——碳化硅(SiC)
俗称 结构特点 主要性能 生产应用
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
③碳纳米材料
类别 成分 性能 应用
富勒稀 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其代表物为C60 —— 纳米汽车
碳纳米管 由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 碳纳米管的比表面积大，强度高、优良化学性能 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 电阻率低、热导率高，强度高 光电器件、超级电容器、电池和复合材料
(3)特殊功能的含硅材料：
①含4%硅的硅钢具有导磁性，主要用作变压器的铁芯；
②人工合成的硅橡胶是最好的既耐高温又耐低温的橡胶，用于火箭、飞机、导弹的零件和绝缘材料；
③人工制造的分子筛，主要用作吸附剂和催化剂。
2.二氧化硅的结构与性质
(1)SiO2是硅最重要的化合物，地球上存在的天然二氧化硅称为硅石，约占地壳质量的12%，天然SiO2存在形态有结晶形和无定型形两大类。石英、水晶、玛瑙、沙子的主要成分是SiO2。
二氧化硅中每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在4个顶角；许多个这样的四面体又通过顶角的O相连，每个O与2个Si相结合，二氧化硅晶体中Si和O按1：2的比例组成立体网状结构的晶体，二氧化硅的网状结构决定了它的熔点高，硬度大，不导电，不溶于水，化学性质稳定。
(2)二氧化硅的化学性质：
①不与水、一般的酸反应
②具有酸性氧化物的通性
分别写出SiO2与CaO、NaOH、溶液反应的化学方程式：
SiO2＋CaOCaSiO3；SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O；
与Na2CO3反应：固体高温条件下SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑
③特性：与氢氟酸反应，化学方程式为：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。
(3)二氧化硅的用途：
①沙子是基本的建筑材料。
②纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本原料，可以制作光导纤维。
③实验室中使用的石英坩埚。
④水晶和玛瑙制作饰物和工艺品。
1．硅及其化合物广泛应用于生产生活，下列有关说法错误的是
A．Si可以用作半导体材料
B．互联网通过光纤交换信息，光纤的主要原料是SiO2
C．硅酸钠的溶液俗称水玻璃，常用作木材的阻燃剂
D．玻璃上的精美刻花，是工艺师用盐酸刻蚀形成的
2．广东历史文化悠久。下列四种广东历史文化宝藏主要成分由硅酸盐构成的是
选项 A B C D
文化宝藏
名称 粤绣 潮州木雕 潮州功夫所用茶具 粤剧中的服饰
A．A B．B C．C D．D
3．下列物质中，属于酸性氧化物且跟水不能形成酸的是
A．CO2 B．SiO2 C．SO2 D．Fe2O3
4．我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对硅及其化合物的有关叙述正确的是
A．二氧化硅既能与烧碱溶液反应又能与氢氟酸反应，所以二氧化硅是两性氧化物
B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应
C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格极高
D．晶体硅和金刚石的硬度都很大
5．从物质类别、元素化合价、物质所含元素在周期表中的位置三个角度可以认识物质的性质。下列说法错误的是
A．晶体硅是良好的半导体材料
B．具有氧化性，能发生反应：
C．与同属酸性氧化物，能与水反应：
D．溶液能与盐酸反应生成硅酸：
6．2021年，我国具有独立知识产权的“龙芯”19岁了。下列关于硅单质及其化合物的叙述正确的是
A．陶瓷是人类应用最早的硅酸盐材料
B．利用二氧化硅的半导体性能制成光电池
C．硅的化学性质稳定，不与任何物质反应
D．晶体硅是具有金属光泽的灰黑色金属
7．下列说法不正确的是
A．陶瓷是以黏土为主要原料，经高温烧结而成
B．普通玻璃以纯碱、石灰和石英砂为原料，发生复杂的物理和化学变化制得
C．普通硅酸盐水泥以黏土和石灰石为主要原料
D．向水泥中加入适量的石膏可以调节水泥硬化速率
8．下列说法中不正确的是
A．动力电池和超轻海绵使用了石墨烯材料，该材料不是新型无机非金属材料
B．传统硅酸盐材料包括陶瓷、水泥、普通玻璃
C．氢氟酸可用于蚀刻普通玻璃
D．北斗导航系统计算机的芯片材料是单质硅
9．下列说法不正确的是
A．高纯硅可用于制作光感电池
B．因熔点高硬度大，可用于制光导纤维
C．石英砂可用于生产单晶硅
D．与反应的实际应用之一是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记
10．如图为刻蚀在玻璃上的精美的花纹图案，则该刻蚀过程中发生的主要化学反应为（ ）
A． B．
C． D．
11．半导体工业有“从沙滩到用户”的行话，此过程中涉及的反应之一为↑。下列说法正确的是。
A．该反应表明非金属性：C>Si B．可用于制备光导纤维
C．Si常用于制备芯片、玻璃纤维 D．利用该反应可得到高纯度的硅单质
12．下列离子方程式中书写正确的是
A．水玻璃中通入过量的二氧化碳：
B．二氧化硅放入澄清石灰水中：
C．二氧化硅与氢氟酸反应：
D．单质硅溶于烧碱溶液中：
13．科学家发现了纯碳新材料“碳纳米泡沫”，每个泡沫含有约4000个碳原子，直径约6~9nm，在低于-183℃时，泡沫具有永久磁性。下列叙述错误的是
A．“碳纳米泡沫”与石墨互为同素异形体
B．把“碳纳米泡沫”分散到适当的溶剂中能产生丁达尔现象
C．“碳纳米泡沫”是一种新型的碳单质
D．“碳纳米泡沫”和金刚石的性质相同
14．金刚砂(SiC)可由SiO2和碳在一定条件下反应制得，反应方程式为SiO2+3CSiC+2CO↑，下列有关制造金刚砂的说法中正确的是
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．该反应中转移的电子数为12e-
D．该反应中的还原产物是SiC、氧化产物是CO
15．工业制备高纯硅的原理示意图如下：
则下列说法正确的是
A．硅的非金属性比碳弱，硅在自然界中主要以单质和硅酸盐形式存在
B．反应①为：
C．反应②③均为置换反应
D．高纯硅可用来生产光导纤维
16．“龙芯一号”的问世填补了我国电脑芯片制造史上的一项空白。用硝酸与氢氟酸的混合液作制作芯片的刻蚀液，发生的反应为。下列有关叙述正确的是
A．电脑芯片的主要成分为，具有良好的光学性能
B．实验室中，可用玻璃仪器密封保存氢氟酸
C．在该反应中，作还原剂，被氧化为
D．该反应转移电子时，生成
17．A、B、C、D均为中学化学常见的纯净物且都含有一种相同元素，A是单质，B是A的氧化物。它们有如图反应关系：
(1)若B是淡黄色固体，②③的反应中均有一种相同的反应物且摩尔质量为18g/mol，D俗称小苏打。则C的化学式为 ，写出物质B与反应的化学方程式 ，由D和澄清石灰水可得到C，写出该反应的离子方程式 。
(2)若B是制作光导纤维的材料，②③的反应物中均有烧碱，D为酸。用氧化物表示C的组成 ，反应①②③④⑤中，属于氧化还原反应的有 (填序号)，写出D转化为C的离子方程式 。
(3)若B是红棕色固体，反应③在盐酸中完成，则反应②中加入物质的化学式为 ；若C、D组成元素相同，则C转化为D的离子方程式为 ，在D中滴入氢氧化钠溶液，一段时间内观察到的现象是 。
18．非金属材料及其化合物是无机非金属材料的主要成分，硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。
I．
(1)计算机芯片和太阳能电池的主要成分是 (填化学式，下同)；光导纤维的主要成分是 ；工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，其原理为 (填化学方程式)。
Ⅱ．高纯度单晶硅的制备方法：

某同学从资料中查知：SiCl4的熔点为-70℃，沸点为57.6℃，在潮湿的空气中与水发生反应而变质。该同学设计了如图装置制取纯硅(装置中的热源及夹持装置均已略去)。

(2)已知：步骤①生成的另一产物为CO，写出步骤①中反应的化学方程式： 。
(3)装置A中发生反应的离子方程式为 。
(4)已知：SiCl4在潮湿的空气中能与水发生反应生成氯化氢。为防止空气污染，含有SiCl4的尾气可通入盛有 (填试剂名称)的烧杯中。
(5)同学甲认为用该装置进行实验，可能会导致实验失败，为保证制备纯硅实验的成功，你认为该装置应进行的改进措施是 。
试卷第1页，共3页
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参考答案：
1．D
【详解】A．硅是良好的半导体材料，故A正确；
B．二氧化硅可用于制造光导纤维，故B正确；
C．硅酸钠的溶液俗称水玻璃，硅酸钠不能燃烧，常用作木材的阻燃剂，故C正确；
D．二氧化硅能与氢氟酸反应，玻璃上的精美刻花是工艺师用氢氟酸刻蚀形成的，故D错误；
故选D。
2．C
【详解】A．制作粤绣所用的孔雀毛和马尾的主要成分是蛋白质，故A不选；
B．潮州木雕主要成分是纤维素，故B不选；
C．潮州功夫所用茶具主要成分由硅酸盐构成，故C选；
D．粤剧中的服饰中丝绸的主要成分是天然蛋白质，故D不选；
故选C。
3．B
【详解】A．二氧化碳是酸性氧化物，且与水反应可以生成碳酸，故A不选；
B．二氧化硅是酸性氧化物，且不溶于水，与水也不反应，故B可选；
C．二氧化硫属于酸性氧化物，溶于水，且与水反应生成亚硫酸，故C不选；
D．氧化铁属于碱性氧化物，不溶于水，与水也不反应，故D不选；
故选B。
4．D
【详解】A．二氧化硅与氢氟酸反应生成四氟化硅和水，没有盐生成，与氢氧化钠反应生成硅酸钠和水，有盐生成，因此二氧化硅是酸性氧化物，A错误；
B．晶体硅的化学性质不活泼，但常温下能与氢氟酸反应，B错误；
C．晶体硅是一种良好的半导体材料，是由二氧化硅和碳在高温条件下反应得到粗硅，粗硅和HCl在加热条件下反应得到三氯硅烷，三氯硅烷与氢气在高温条件下反应得到硅单质，它的提炼工艺不算复杂，价格不高，C错误；
D．晶体硅和金刚石的硬度都很大，D正确；
故选D。
5．C
【详解】A．硅具有良好的导电性，是良好的半导体材料，故A正确；
B．反应中，Si元素的化合价降低，被还原，SiO2为氧化剂，体现氧化性，故B正确；
C．是酸性氧化物，但与水不反应，故C错误；
D．盐酸的酸性强于硅酸，因此溶液能与盐酸发生反应，故D正确；
答案选C。
6．A
【详解】A．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A正确；
B．硅是半导体材料，二氧化硅常被用来制造光导纤维，故B错误；
C．硅与氟化氢反应生成四氟化硅，故C错误；
D．晶体硅是一种有金属光泽的灰黑色的固体，是非金属，故D错误；
故选：A。
7．B
【详解】A．生产陶瓷的主要原料是黏土，将黏土做成具体形状，然后高温烧结，从而获得陶瓷制品，A正确；
B．普通玻璃的生产原料是纯碱、石灰石和石英砂，石灰的主要成分为氧化钙，而石灰石的主要成分为碳酸钙，B不正确；
C．普通硅酸盐水泥是以黏土和石灰石为主要原料，经高温烧结，再添加石膏制成，C正确；
D．为调节水泥的硬化速率，向水泥中加入适量的石膏，石膏加入越多，水泥凝固越慢，D正确；
故选B。
8．A
【详解】A．石墨烯属于新型无机非金属材料，A错误；
B．陶瓷、水泥、普通玻璃主要成分为硅酸盐，属于传统无机非金属材料，B正确；
C．普通玻璃中的二氧化硅可与HF发生化学反应，所以可用HF蚀刻普通玻璃，C正确；
D．单晶硅属于良好的半导体材料，可用于计算机芯片，D正确；
故选A。
9．B
【详解】A． 利用高纯硅的半导体性能，可制作光感电池，A项正确；
B． 可用于制光导纤维是因为其具有较强的传导能力，B项错误；
C． 石英砂的主要成分为，可用焦炭在高温条件下还原得到粗硅，粗硅经提纯得到单晶硅，C项正确；
D． 玻璃器皿的主要成分为，与发生反应，所以氢氟酸能在玻璃器皿上刻蚀标记，D项正确；
故选B。
10．D
【详解】氢氟酸可用于在玻璃上雕刻各种精美图案，雕刻过程中发生的反应为：4HF+SiO2=SiF4↑+2H2O，故D正确；
故选D。
11．B
【详解】A．该反应中碳元素化合价升高、硅元素化合价降低，该反应不能说明得电子能力C>Si，也不能表明非金属性：C>Si，故A错误；
B．SiO2具有优良的光学特性，可用于制备光导纤维，故B正确；
C．Si常用于制备芯片，玻璃纤维的主要成分是二氧化硅、氧化铝等，故C错误；
D．利用该反应可得粗硅，不能得到高纯度的硅单质，故D错误；
故选B。
12．D
【详解】A．水玻璃是硅酸钠的水溶液，该物质是易溶于水的强电解质，以离子形式存在，向其中通入过量CO2反应产生NaHCO3和H2SiO3，反应的离子方程式为：+CO2+H2O=H2SiO3↓+，A错误；
B．澄清石灰水中Ca(OH)2以离子形式存在，该反应方程式不符合质量守恒定律和物质存在形式，正确的离子方程式为：Ca2++2OH-+SiO2=CaSiO3+H2O，B错误；
C．氢氟酸是弱酸，应该用化学式表示，C错误；
D．单质硅溶于烧碱溶液中，生成硅酸钠和H2，反应符合反应事实，遵循电子守恒、原子守恒、电荷守恒，D正确；
故答案为D。
13．D
【详解】A．“碳纳米泡沫”与石墨分子为含碳原子的不同单质，两者互为同素异形体，A正确；
B．“碳纳米泡沫”的粒子直径为6~9nm，分散到适当的溶剂中形成胶体，能产生丁达尔现象，B正确；
C．“碳纳米泡沫”分子含碳原子，是一种新型的碳单质，C正确；
D．“碳纳米泡沫”和金刚石互为同素异形体，化学性质相同，物理性质不同，D错误；
故选D。
14．D
【详解】A．该反应中C元素化合价从0价升高到一氧化碳中的+2价和降低到SiC中的-4价，Si、O元素的化合价不变，氧化剂和还原剂均为C，A错误；
B．SiC为还原产物，CO为氧化产物，氧化产物和还原产物物质的量之比为2：1，B错误；
C．未给出该反应物质的反应量，无法得知其转移电子数，C错误；
D．氧化剂得电子被还原对应还原产物，还原剂失电子被氧化对应氧化产物，还原产物是SiC、氧化产物是CO，D正确；
故答案选D。
15．C
【详解】A．硅的非金属性比碳弱，但是硅为亲氧元素，硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐形式存在，A项错误；
B．根据原理图，反应①为：，B项错误；
C．根据原理图，反应②为，反应③为，均为置换反应，C项正确；
D．二氧化硅具有良好的光学特性，可用来生产光导纤维，D项错误；
答案选C。
16．C
【详解】A．电脑芯片的主要成分为硅，不是二氧化硅，故A错误；
B．氢氟酸能与玻璃中的二氧化硅反应，所以不能用玻璃仪器密封保存氢氟酸，故B错误；
C．由方程式可知，反应中硅元素的化合价升高被氧化，硅为反应的还原剂，被氧化为硅氟酸，故C正确；
D．缺标准状况下，无法计算反应转移0.1mol电子时，生成二氧化氮的体积，故D错误；
故选C。
17．(1) NaOH 2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2 OH-+Ca2++HCO=CaCO3↓+H2O
(2) Na2O·SiO2 ①② H2SiO3+2OH-=SiO+2H2O
(3) Cl2 Fe+2Fe3+=3Fe2+ 先产生白色沉淀，后迅速变为灰绿色，最终变为红褐色
【详解】（1）氧化物为淡黄色固体，故B为过氧化钠，A为钠，反应②③中有水参加反应，故C为NaOH，D为小苏打，即为碳酸氢钠。过氧化钠与二氧化碳反应的化学方程式为2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2，碳酸氢钠与氢氧化钙溶液反应得到氢氧化钠，说明氢氧化钙过量，故离子方程式为OH-+Ca2++HCO=CaCO3↓+H2O；
（2）B是制作光导纤维的材料，则B为二氧化硅，则A为硅，②③的反应物中均有烧碱，D为酸，则C为硅酸钠，硅酸盐组成复杂，通常用氧化物表示其组成，硅酸钠表示为Na2O·SiO2；硅单质生成SiO2或硅酸钠时，化合价发生变化，为氧化还原反应，故选①②；D为硅酸，硅酸与氢氧化钠反应的离子方程式为H2SiO3+2OH-=SiO+2H2O；
（3）若B是红棕色固体，反应③在盐酸中完成，则B为氧化铁，A为铁，C为氯化铁，D为氯化亚铁，铁和氯气反应生成氯化铁，故反应②加入Cl2，C转化为D的离子方程式为Fe+2Fe3+=3Fe2+，在D中加入氢氧化钠溶液先生成氢氧化亚铁沉淀，然后被氧气氧化为氢氧化铁沉淀，观察到的现象是先产生白色沉淀，后迅速变为灰绿色，最终变为红褐色。
18．(1) Si SiO2 4HF＋SiO2=SiF4↑＋2H2O
(2)2C＋SiO2Si＋2CO↑
(3)Zn＋2H＋=Zn2+＋H2↑
(4)氢氧化钠溶液
(5)在装置A与装置B之间连接一个盛有浓硫酸的洗气瓶(或碱石灰的干燥管)
【分析】二氧化硅和炭粉反应生成粗硅和CO，粗硅和氯气反应生成四氯化硅，用氢气还原四氯化硅生成高纯硅和氯化氢。
【详解】（1）计算机芯片和太阳能电池的主要成分是Si；光导纤维的主要成分是SiO2；工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，其原理为二氧化硅和氢氟酸反应生成四氟化硅气体和水，反应方程式为4HF＋SiO2=SiF4↑＋2H2O；
（2）步骤①二氧化硅在高温条件下和炭粉反应生成粗硅和CO，步骤①中反应的化学方程式为2C＋SiO2Si＋2CO↑。
（3）装置A中锌和稀硫酸反应生成硫酸锌和氢气，发生反应的离子方程式为Zn＋2H＋=Zn2+＋H2↑；
（4）SiCl4在潮湿的空气中能与水发生反应生成氯化氢和硅酸，所以为防止空气污染，含有SiCl4的尾气可通入盛有氢氧化钠溶液的烧杯中；
（5）SiCl4在潮湿的空气中能与水发生反应生，用该装置制备的氢气中含有水蒸气，可能会导致实验失败，为保证制备纯硅实验的成功，在装置A与装置B之间连接一个盛有浓硫酸的洗气瓶。
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