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第五章 化工生产中的重要非金属元素
无机非金属材料
【预习案】
一、硅酸盐材料
1．硅酸盐概念：由 、 和 组成的化合物的总称。
2．结构
（1）硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧 结构，Si在中心，O在四面体的4个顶角，每个Si结合 个O，每个O结合 个Si。
（2）硅酸盐的特性
硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度 、 溶于水、耐高温、耐腐蚀、化学性质稳定等特点。
3．硅酸盐组成的表示
（1）通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。
例如：硅酸钠(Na2SiO3)： ；长石(KAlSi3O8)： 。
（2）硅酸盐氧化物形式的改写
① 书写形式：
② 化学计量数
例如：钠长石(NaAlSi3O8)不能写成Na2O·Al2O3·3SiO2，应写成Na2O·Al2O3·6SiO2。
【练习】把下列硅酸盐表示成氧化物的形式。
（1）H4Mg3Si2O9
（2）KAlSi3O8
（3）Al2(Si2O5)(OH)4
4．最简单的硅酸盐——Na2SiO3
（1）物理性质：白色固体， 溶于水。俗名 ，水溶液俗称
（2）化学性质：
①与盐酸反应，生成硅酸凝胶：
②与CO2反应：
CO2少量：
CO2过量：
硅酸（H2SiO3）
性质： ①是一种很弱的酸，酸性比碳酸 ，溶解度很小；
②硅酸不稳定，受热易分解：
（2）制取：向硅酸盐中加入盐酸或通入CO2
；
（3）用途：硅酸凝胶经干燥脱水后形成多孔的硅酸干凝胶，成为硅胶，可用作 ，催化剂的载体。
6．三种常见的硅酸盐产品
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 主要原料： ，辅助原料：适量的石膏
设备 陶瓷窑
主要成分 含水的铝硅酸盐 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)
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、各种器皿、制造玻璃纤维等 大量用于建筑和水利工程
【知识拓展】
1．玻璃、水泥、陶瓷等均为混合物。
2．生产水泥与陶瓷的共同原料是黏土，生产水泥与玻璃的共同原料是石灰石。
3．生产玻璃涉及的两个主要化学反应：
Na2CO3＋SiO2Na2SiO3 ＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。
二、新型无机非金属材料
1．硅和二氧化硅
硅晶片是生产 的基础，属于 材料，是因为硅元素位于元素周期表第 周期，第 _ 族，单质的导电性介于 和 之间。高纯硅广泛用于信息技术和新能源技术领域。
2．硅单质
（1）物理性质：熔点 、硬度 、 溶于水。
（2）化学性质：
① 常温下能与氟气、氢氟酸、强碱等反应。
Si＋2F2===SiF4
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑(野外科研制H2)
② 加热时能与氧气、氯气、碳等反应。
Si＋O2SiO2　Si＋2Cl2SiCl4　Si＋CSiC
（3）高纯硅的制备
①　　　　　　 ②　　　　　 ③
其中涉及的主要化学反应为
①
②
③
（4）用途：半导体材料，芯片，太阳能电池。
3．二氧化硅
（1）物理性质：熔点 ；硬度 ；溶解性： 溶于水。
（2）化学性质
① 具有 的通性，能与碱反应： ，生成的硅酸钠是一种矿物胶，所以不能用带磨砂玻璃塞的玻璃瓶盛放碱液。
② 能被 腐蚀，用于雕刻玻璃：
③ 高温下能与碳酸钠、碳酸钙反应生产玻璃。
4．新型陶瓷
新型陶瓷在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能，如碳化硅(化学式为SiC)俗称 ，其中碳原子和硅原子以 连接，具有类似金刚石的结构，硬度 ，还具有优良的高温抗氧化性能。
（1）高温结构陶瓷，原料为 、氮化硅或某些金属氧化物，具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优良性能。
（2）压电陶瓷，原料为钛酸盐和钴酸盐，实现机械能与电能的相互转化。
（3）透明陶瓷，有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氧化钙等非氧化物陶瓷，具有优良的光学性能、耐高温、绝缘性好。
（4）超导陶瓷，在某一临界温度下电阻为零，具有超导性。
5．碳纳米材料
（1）富勒烯(代表物C60)是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称。
（2）碳纳米管可以看成 卷成的管状物。
特点： ，有相当高的强度和优良的电学性能。
（3）石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的 。
特点：电阻力低、热导率高、具有很高的强度。
【知识拓展】
注意区分硅和二氧化硅的用途
（1）硅作半导体材料，利用的是其导电性，其传导的是电。
（2）二氧化硅作光导纤维，利用的是其传导信号几乎不减弱的优异性能，其传导的是光或信号。
【训练案】
1.“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，下列有关说法中正确的是(　　)
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、石灰石和石英砂
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
2．下列物质不属于硅酸盐的是(　　)
A．黏土 B．石英　 C．Al2Si2O5(OH)4 D．Mg2SiO4
3．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 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．硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料
4．昆仑玉的成分可简单看成是Ca2Mg5Si8O22(OH)2，则其用二氧化硅和金属氧化物的形式可表示为(　　)
A．CaO·MgO·SiO2·H2O B．2CaO·5MgO·8SiO2·H2O
C．2CaO·MgO·SiO2·2H2O D．5CaO·2MgO·8SiO2·H2O
5..单晶硅是制作电子集成电路的基础材料，其功能远比我们想象的要大得多，这对硅的纯度要求很高。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为
①SiO2＋2CSi＋2CO↑；②Si＋2Cl2SiCl4；③SiCl4＋2H2Si＋4HCl
下列对上述三个反应的叙述中，错误的是(　　)
A．①③为置换反应 B．②为化合反应
C．①②③均为氧化还原反应 D．三个反应的反应物中硅元素均被还原
6．用石英砂制取高纯硅的主要化学反应如下：
①SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑；②Si(粗)＋2Cl2SiCl4 ③SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl
关于上述反应的叙述不正确的是(　　)
A．①③是置换反应，②是化合反应
B．高温下，焦炭与氢气的还原性均强于硅
C．任一反应中，每消耗或生成28 g硅，均转移4 mol电子
D．高温下在炉子里将石英砂、焦炭、氯气、氢气按比例混合就能得到高纯硅
7．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．新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的许多缺点
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．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，其化学式为Si3N4
D．合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料
8．根据下列各小题实验目的，完成填空。(a、b为弹簧夹，加热及固定装置略去)
(1)验证碳、硅非金属性的相对强弱。(已知酸性：亚硫酸＞碳酸)
①连接仪器、检验装置气密性、加药品后，打开a，关闭b，然后滴入浓硫酸，加热。
②装置A中试剂是
③能说明碳的非金属性比硅强的实验现象是
(2)验证SO2的氧化性、还原性和酸性氧化物的通性。
①在(1)①操作后，打开b，关闭a。
②通入SO2的BaCl2溶液中无明显现象，若将其取出于试管中，然后向其中滴加氯水则出现沉淀，该沉淀的化学式为
③一段时间后，实验装置中H2S溶液中的现象是_ ，化学方程式是
班级： 姓名：
题号 1 2 3 4 5 6 7 8
选项
【预习案】
一、硅酸盐材料
1.硅 氧 金属元素
2.（1）四面体 4 2 （2）高 难
3.Na2O·SiO2 K2O·Al2O3·6SiO2
3MgO 2SiO2 2H2O K2O Al2O3 6SiO2 Al2O3 2SiO2 2H2O
4. 易 泡花碱 水玻璃
弱
干燥剂
黏土 纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 石灰石、黏土
玻璃窑 水泥回转窑
二、新型无机非金属材料
1.芯片 半导体 第三周期，第ⅣA_族 介于导体和绝缘体之间
2.高 大 不
①SiO2＋2CSi＋2CO↑
②Si＋3HClSiHCl3＋H2
③SiHCl3＋H2Si＋3HCl
3.高 大 不
酸性氧化物 SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
氢氟酸 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
4.金刚砂 共价键 很大 碳化硅
5.石墨片层 比表面积大 单层石墨
【训练案】
1.【解析】选C　陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英砂是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B项错误；硅酸盐制品性质稳定、熔点高，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。
2.【解析】选B　硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，黏土、Al2Si2O5(OH)4、Mg2SiO4均是硅酸盐，石英是二氧化硅，属于酸性氧化物。
3.【解析】选C　普通玻璃的主要成分为硅酸钙、硅酸钠、二氧化硅。
4.【解析】选B　根据昆仑玉的化学式，将Ca、Mg、Si、H分别写成氧化物的形式，按较活泼金属氧化物→较不活泼金属氧化物→SiO2→H2O的顺序排列，再调整各氧化物前的计量数并使其与昆仑玉化学式中一致，可得昆仑玉氧化物表示形式为2CaO·5MgO·8SiO2·H2O。
5.【解析】选D　反应①③中硅元素被还原，反应②中硅元素被氧化，D错误。
6【解析】选D　在氧化还原反应中，还原剂的还原性比还原产物的还原性强，B正确；根据元素化合价的变化，每消耗或生成28 g(1 mol)硅，均转移4 mol电子，C正确；题中的三个反应是在三个不同的反应器中发生的，D错误。
7【解析】选D　传统的无机非金属材料，缺点为质地较脆，经不起热冲击，新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点，能承受高温，强度较高，具有电学特性、光学特性等，A项正确；碳化硅的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承，B项正确；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，其化学式为Si3N4，C项正确；光导纤维属于新型无机非金属材料，但合成纤维属于有机高分子材料，D项错误。
8．(1) 品红溶液[或(酸性)KMnO4溶液] 试管A中溶液不褪色，盛装硅酸钠溶液的试管有白色沉淀(浑浊)
(2) BaSO4 出现(淡)黄色沉淀(浑浊) 2H2S +SO2=3S↓+2H2O
【解析】(1)②据分析，装置A的作用为检验二氧化碳气体中的是否除净。则A中试剂是品红溶液[或(酸性)KMnO4溶液]。③无存在时，硅酸钠溶液中发生反应：或，则能说明碳的非金属性比硅强的实验现象是：试管A中溶液不褪色，盛装硅酸钠溶液的试管有白色沉淀(浑浊)。
(2)②据分析，通入SO2的BaCl2溶液中无明显现象，若将其取出于试管中，然后向其中滴加氯水，则发生、，则出现沉淀，该沉淀的化学式为BaSO4。
③一段时间后，实验装置中H2S溶液中的现象是出现(淡)黄色沉淀(浑浊)，化学方程式是2H2S +SO2=3S↓+2H2O。

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