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第21讲　无机非金属材料　
【备考目标】　1.掌握Si元素的单质及其重要化合物的性质及应用。2.掌握无机非金属材料的性质和用途。
考点1　硅和二氧化硅　 硅酸、硅酸盐
1．硅单质
2．二氧化硅
3．硅酸
4．硅酸盐
(1)硅酸盐是由硅、氧与其他化学元素结合而成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
(2)硅酸钠：硅酸钠溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。
(3)硅酸盐组成的表示方法
通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成。
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。
如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。
【基点判断】(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)硅在自然界中只以化合态的形式存在(√ )
(2)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料(× )
(3)Si和SiO2都可用于制造光导纤维(× )
(4)硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应(× )
(5)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(如NaOH)，不溶于任何酸(× )
(6)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱(× )
题组练习
一、硅及其化合物的性质
1．硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是(　　 )
A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应
C．反应Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑中，Si为氧化剂
D．硅能与氢氟酸反应，则硅也可以与盐酸反应
解析：选A。由粗硅制备单晶硅的过程一般为SiSiHCl3Si＋HCl，都是氧化还原反应，B项错误；反应中Si为还原剂，C项错误；硅不能与盐酸反应，D项错误。
2．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
解析：选C。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。
二、纯硅的制备
3．高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，它可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
下列说法不正确的是(　　 )
A．步骤①的化学方程式：SiO2＋2CSi＋2CO↑
B．步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子
C．步骤③中的反应为氧化还原反应
D．高纯硅是制造手机芯片的常用材料，SiO2是制造太阳能电池的基本原料
解析：选D。步骤①的化学方程式：SiO2＋2CSi＋2CO↑，A正确；依据化学方程式SiO2＋2CSi＋2CO↑可知，反应中硅从＋4价降为0价，每生成1 mol Si，转移4 mol电子，B正确；步骤③中氢气与三氯氢硅反应生成硅和氯化氢，氢、硅元素化合价发生变化，属于氧化还原反应，C正确；硅为良好的半导体材料，是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅具有良好的光学特性，是制造光导纤维的基本原料，D错误。
4．碳、硅及其化合物的开发由来已久，在现代生活中有广泛应用。
(1)实验室盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶应使用橡胶塞，而不用玻璃塞。请用反应的化学方程式解释原因___________________________________________________________。
(2)高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上制取高纯硅有多种路线，其中一种工艺流程示意图如下：
①用石英砂和焦炭在电弧炉中制粗硅，该反应的化学方程式为____________________________________。
②该工艺流程中可以循环利用的物质有______________(写化学式)。
(3)某实验室利用SiHCl3(沸点33.0 ℃)与过量H2在1 000 ℃～1 100 ℃反应制得纯硅。已知SiHCl3能与H2O剧烈反应，在空气中易自燃。装置如图所示(热源及夹持装置略去)。
①装置B中的试剂是________。装置C中的烧瓶需要加热，其目的是________________________。
②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是_________________________。
③SiHCl3与水反应，生成两种酸和一种单质，写出SiHCl3与水反应的化学方程式：
________________________________________________________________________。
解析：(1)因为氢氧化钠溶液和SiO2反应，所以装氢氧化钠溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，其化学方程式为：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3具有黏合性。
(2)石英砂的主要成分是二氧化硅，用石英砂和焦炭在电弧炉中制粗硅，该反应的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑；粗硅与氯化氢在流化床反应器中加热反应生成SiHCl3和H2，SiHCl3再与氢气在还原炉中加热反应得到高纯度的硅，可知可以循环利用的物质有HCl、H2。
(3)SiHCl3能与H2O强烈反应，需要用浓硫酸干燥氢气；反应需要的温度比较高，应在D中反应，SiHCl3的沸点较低，C中的烧瓶需要加热是为了使滴入烧瓶中的SiHCl3气化；装置D中有硅单质生成，即有固体物质生成。
答案：(1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
(2)①SiO2＋2CSi＋2CO↑
②HCl、H2
(3) ①浓硫酸　使滴入烧瓶中的SiHCl3气化进入D中　②有固体物质生成
③SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl↑(或SiHCl3＋4H2O===H4SiO4↓＋H2↑＋3HCl↑)
考点2　无机非金属材料
1．传统无机非金属材料
水泥 玻璃 陶瓷
生产原料 石灰石、黏土 纯碱、石灰石、石英砂 黏土
主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑
2.新型陶瓷
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、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成 火箭发动机、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、超声波探伤器、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
3.碳纳米材料
富勒烯 碳纳米管 石墨烯
是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中C60是代表物 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 是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，电阻率低、热导率高，有很高的强度
【基点判断】(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)玻璃是一种晶体，有较高的熔点(× )
(2)碳化硅俗称金刚砂，它可用于高温结构陶瓷的制作(√ )
(3)压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化(√ )
题组练习
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
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、熔点较高，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．硅及其化合物是带来人类文明的重要物质。下列说法正确的是(　　 )
A．陶瓷、水晶、水泥、玻璃都属于硅酸盐产品
B．水玻璃是纯净物，可用于生产黏合剂和防火剂
C．某硅酸盐的化学式为KAlSi3O8，可用K2O·Al2O3·6SiO2表示
D．高纯硅可用于制造光导纤维，高纯二氧化硅可用于制造太阳能电池
解析：选C。水晶的主要成分为SiO2，不属于硅酸盐产品，A错误；水玻璃是Na2SiO3的水溶液，属于混合物，B错误；用于制造光导纤维的是二氧化硅，用于制造太阳能电池的是高纯硅，D错误。
3．(人教必修第二册P25T2)下列物品或设施：
①陶瓷餐具　②砖瓦　③混凝土桥墩　④门窗玻璃　⑤水晶镜片　⑥石英钟　⑦水晶项链　⑧硅太阳能电池　⑨石英光导纤维　⑩计算机芯片
(1)含有硅单质的是____________(填序号，下同)。
(2)含有二氧化硅的是____________。
(3)含有硅酸盐的是____________。
答案：(1)⑧⑩　(2)④⑤⑥⑦⑨　 (3)①②③④
高考真题
1．(2022·河北高考)定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是(　　 )
A．传统陶瓷是典型的绝缘材料 B．陶瓷主要成分为SiO2和MgO
C．陶瓷烧制的过程为物理变化 D．白瓷的白色是因铁含量较高
解析：选A。陶瓷是良好的绝缘体，传统陶瓷是典型的绝缘材料，常用于高压变压器的开关外包装和器件，A正确；陶瓷的主要成分为硅酸盐，而不是SiO2和MgO，B错误；陶瓷烧制过程中发生复杂的反应，有新物质生成，属于化学变化，C错误；由于Fe2＋、Fe3＋和铁的氧化物均有颜色，故陶瓷中含铁量越多，陶瓷的颜色越深，白瓷的白色是因为铁含量较低甚至几乎不含，D错误。
2．(2023·湖北高考)工业制备高纯硅的主要过程如下：
石英砂粗硅SiHCl3高纯硅
下列说法错误的是(　　)
A．制备粗硅的反应方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑
B．1 mol Si含Si—Si键的数目约为4×6.02×1023
C．原料气HCl和H2应充分去除水和氧气
D．生成SiHCl3的反应为熵减过程
解析：选B。石英砂(SiO2)和焦炭在高温下反应生成Si和CO，A正确；Si晶体中每个Si原子与4个Si原子成键，平均1个Si原子形成2个Si—Si键，故1 mol Si所含Si—Si键的数目为2×6.02 ×1023，B错误；SiHCl3易水解，氢气中混有氧气可能会发生爆炸，故原料气HCl和H2应充分去除水和氧气，C正确；Si(s)＋3HCl(g)SiHCl3(g)＋H2(g)为气体分子数减小的反应，为熵减反应，D正确。
3．(2023·山东高考)三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高纯硅的重要原料，常温下为无色液体，沸点为31.8 ℃，熔点为－126.5 ℃，易水解。实验室根据反应Si＋3HClSiHCl3＋H2，利用如下装置制备SiHCl3粗品(加热及夹持装置略)。回答下列问题：
(1)制备SiHCl3时进行操作：(ⅰ)……；(ⅱ)将盛有硅粉的瓷舟置于管式炉中；(ⅲ)通入HCl，一段时间后接通冷凝装置，加热开始反应。操作(ⅰ)为_________________________；
判断制备反应结束的实验现象是__________________________________________。
图示装置存在的两处缺陷是_____________________________________________。
(2)已知电负性Cl>H>Si，SiHCl3在浓NaOH溶液中发生反应的化学方程式为
________________________________________________________________________。
(3)采用如下方法测定溶有少量HCl的SiHCl3纯度。
m1 g样品经水解、干燥等预处理过程得硅酸水合物后，进行如下实验操作：①________，②________(填操作名称)，③称量等操作，测得所得固体氧化物质量为m2 g，从下列仪器中选出①、②中需使用的仪器，依次为________(填字母)。测得样品纯度为__________(用含m1、m2的代数式表示)。
解析：(1)利用Si和HCl(气体)的反应制备SiHCl3，实验前要检查装置气密性，故操作(ⅰ)为检查装置气密性。制备反应结束时，Si完全反应，SiHCl3(常温下为无色液体)不再增加，则实验现象是管式炉中固体消失、蒸馏烧瓶中无液体滴下。装置中冷凝管的作用是冷凝SiHCl3，球形冷凝管中会有较多SiHCl3残留，应该选择直形冷凝管，SiHCl3容易水解，D中水蒸气容易进入C中，C和D之间应增加吸收水蒸气的装置，NaOH溶液吸收HCl，但不吸收H2，D装置后应增加处理H2的装置。(2)已知电负性Cl>H>Si，则SiHCl3中Cl、H为－1价，Si为＋4价，SiHCl3在浓NaOH溶液中反应生成Na2SiO3、H2、NaCl，配平化学方程式为SiHCl3 ＋5NaOH===Na2SiO3＋ H2 ↑＋3NaCl ＋2H2O。(3)由后续操作可知，SiHCl3水解得到的硅酸水合物要先在坩埚中灼烧(得到SiO2)，然后在干燥器中冷却干燥SiO2，使用的仪器分别为A、C。根据原子守恒可得关系式SiHCl3～ SiO2，则m1 g样品中SiHCl3的质量为m2 g×，故样品纯度为m2 g×÷m1 g×100%＝×100%。
答案：(1)检查装置气密性 　 管式炉中固体消失、蒸馏烧瓶中无液体滴下　使用球形冷凝管冷凝SiHCl3，C和D之间缺少干燥装置，没有处理氢气的装置(任写其二)　(2) SiHCl3 ＋5NaOH===Na2SiO3 ＋H2 ↑＋3NaCl＋2H2O　 (3)灼烧　冷却干燥　AC　×100%
巩固练习
一、选择题(每题5分，共10题，共50分)
1．中国将加速建设新能源供给消纳体系。硅基能源逐步取代碳基能源的革命，必须举全国之力破解芯片技术受制于人的困局。以下说法不正确的是(　　 )
A．碳基能源主要指煤、石油、天然气，我国的煤炭资源禀赋优于石油
B．硅在地壳中的含量仅次于氧，从沙子到芯片，硅发生了还原反应
C．半导体工艺中一般需要在晶硅中掺杂第ⅢA族与第ⅤA族元素
D．半导体工艺中用到的刻蚀剂——电子级氟化氢可加压保存在玻璃罐体中
解析：选D。碳基能源主要指煤、石油、天然气，我国的煤炭储量及开发技术均优于石油，A正确；硅在地壳中的含量仅次于氧，从沙子到芯片，硅由SiO2转化为硅单质，发生了还原反应，B正确；氟化氢可与玻璃容器中的二氧化硅发生反应，D错误。
2．(人教必修第二册P25T1变式)下列说法中不正确的是(　　 )
A．硅晶片是生产芯片的基础材料
B．芯片制造中的“光刻技术”是利用光敏树脂在曝光条件下成像，该过程涉及化学变化
C．硅在自然界中主要以单质形式存在
D．硅是应用最广泛的半导体材料
解析：选C。硅晶片是优良的半导体材料，是生产芯片的基础材料，A正确；光敏树脂在曝光条件下成像时有新物质生成，属于化学变化，B正确；硅元素是亲氧元素，在自然界中主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，不存在硅单质，C错误；硅是优良的半导体材料，可用于制造和生产芯片，应用广泛，D正确。
3．(2023·广东名校联考)明代“釉里红梅瓶”是南京博物馆的镇馆之宝。烧造“釉里红”，需要将以铜元素为呈色剂的彩料，精准地在1 300 ℃窑火中一次烧成，下列有关说法不正确的是(　　 )
A．陶瓷是以黏土为主要原料经高温烧结而成，属于传统无机非金属材料
B．黏土可以表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，是由几种氧化物组成的混合物
C．“釉里红”烧造时发生的反应可能为4CuO2Cu2O＋O2↑
D．“釉里红”瓷器保存时应避开酸性物质，避免损伤釉彩
解析：选B。陶瓷是以黏土为主要原料经高温烧结而成，属于具有耐高温、耐腐蚀特性的传统无机非金属材料，A正确；黏土主要是由硅酸盐构成的混合物，不是由几种氧化物组成的混合物，B错误； “釉里红”的颜色说明烧造时有砖红色的氧化亚铜生成，可能发生的反应为氧化铜在高温条件下分解生成氧化亚铜和氧气，反应的化学方程式为4CuO2Cu2O＋O2↑，C正确；氧化亚铜能与酸溶液反应生成铜、铜离子和水，所以“釉里红”瓷器保存时应避开酸性物质，避免损伤釉彩，D正确。
4．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
解析：选D。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的羟基和羧基为亲水基团，所以它具有一定的亲水性，D正确。
5．(2023·浙江名校联考)南海一号博物馆，又称广东海上丝绸之路博物馆，位于广东阳江市海陵岛试验开发区的“十里银滩”上，其建筑特色鲜明，设计创意独特，紧扣海的主题，体现了海洋文化与南方建筑风格的柔美组合。下列相关说法正确的是(　　 )
A．展柜使用的钢化玻璃的主要成分只有SiO2
B．墙体使用的砖瓦、水泥是硅酸盐制品
C．陈列的元青花瓷的原料有高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，也可以表示为Al2O3·SiO2·H2O
D．展示的青铜器上有一层绿色物质，此绿色物质可能是碱式碳酸铜，它不溶于盐酸
解析：选B。钢化玻璃与普通玻璃的成分相同(只是制造的工艺不同)，主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，A错误；砖瓦和水泥都是硅酸盐制品，B正确；高岭土[Al2Si2O5(OH)4]应该表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，C错误；铜绿是碱式碳酸铜，该物质可以与盐酸反应生成氯化铜、二氧化碳和水而溶解，D错误。
6．下列叙述正确的是(　　 )
A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似
B．因为CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强
C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂
D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以SiO2属于两性氧化物
解析：选C。CO2的熔、沸点低，可溶于水，SiO2的熔、沸点高，硬度大，不溶于水，两者都是酸性氧化物，和其物理性质没有因果关系，A错误；CaCO3和SiO2反应是因为生成的CO2为气体，脱离反应体系，促使反应正向进行，不能说明H2CO3的酸性比H2SiO3弱，B错误；SiO2和HF反应是SiO2的特殊性质，不能说明SiO2是两性氧化物，D错误。
7．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＋SiCl4===SiC＋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
解析：选B。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。
8．实验室用H2还原SiHCl3(沸点：31.85 ℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法正确的是(　　 )
A．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓H2SO4、冰水
B．实验时，应先加热管式炉，再打开活塞K
C．为鉴定制得的硅中是否含微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、硫氰化钾溶液
D．该实验中制备氢气的装置也可用于稀氢氧化钠溶液与氯化铵固体反应制备氨
解析：选C。本题制备高纯硅，反应H2＋SiHCl3Si＋3HCl应在装置Ⅳ中进行，装置Ⅰ的目的是制备氢气，氢气中含有水蒸气，对后续实验产生干扰，必须除去，因此装置Ⅱ的作用是除去氢气中的水蒸气，即装置Ⅱ中盛放浓硫酸，装置Ⅲ的作用是提供SiHCl3气体，因此应水浴加热，A错误；实验时应先通入氢气，目的是排出装置中的空气，防止发生危险，B错误；硅单质不与盐酸反应，铁与盐酸反应生成Fe2＋，Fe2＋被H2O2氧化成Fe3＋，Fe3＋与KSCN溶液反应，溶液变红色，可以鉴定是否含有铁单质，C正确；用稀NaOH溶液制备氨，需要加热，装置Ⅰ中没有加热装置，因此不能制备氨，D错误。
9．(2023·安徽宿州联考)工业上采用Si与HCl在350 ℃左右的条件下反应生成SiHCl3，之后将SiHCl3还原、结晶得到高纯度的单晶硅产品。已知SiHCl3的熔点为－128 ℃，沸点为33 ℃，且遇O2与H2O均剧烈反应。现要在实验室中制取少量SiHCl3，其实验装置如下图所示，下列说法不正确的是(　　 )
A．不可以用无水CaCl2、硅胶等固体干燥剂替换干燥管中的碱石灰
B．使用浓H2SO4和NaCl混合加热制取HCl利用了浓H2SO4的难挥发性
C．冰盐浴的目的为降低收集容器的温度，使SiHCl3冷凝为液体
D．工业上用过量焦炭与石英砂混合冶炼粗硅，其反应为SiO2＋CSi＋CO2↑
解析：选D。干燥管中的碱石灰是碱性干燥剂，可以吸收HCl尾气，并可以防止空气中的水分进入收集容器，不能用无水CaCl2、硅胶等固体干燥剂替换，A正确；使用浓H2SO4和NaCl混合加热制取HCl利用了浓H2SO4的高沸点、难挥发性，B正确；由于SiHCl3的熔点为－128 ℃，沸点为33 ℃，所以冰盐浴的目的为降低收集容器的温度，使SiHCl3冷凝为液体，C正确；工业上用过量的焦炭与石英砂混合冶炼粗硅，发生反应产生Si、CO，反应的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，D错误。
10．多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅芯片的主要原料。已知第三代工业制取多晶硅流程如图所示：
下列说法错误的是(　　 )
A．Y、Z分别为H2、Cl2
B．制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成碳化硅，在该副反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1
C．SiHCl3极易水解，其完全水解的产物为H2SiO3、H2、HCl，据此推测SiHCl3中硅元素的化合价为＋4
D．Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应
解析：选B。电解饱和食盐水生成氢氧化钠、氢气和氯气，Y和Z可用于合成SiHCl3，其中Y还能将硅从其化合物中还原出来，这说明Y、Z分别是H2、Cl2，A正确；制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成碳化硅，反应的化学方程式为3C＋SiO2SiC＋2CO↑，在该副反应中碳既是氧化剂又是还原剂，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2，B错误；SiHCl3水解产生H2，故其中H是－1价，Cl是－1价，则硅元素的化合价为＋4价，C正确； H2与SiHCl3制备多晶硅的反应为SiHCl3＋H2Si＋3HCl，属于置换反应，D正确。
二、非选择题(共2题，共30分)
11．(12分)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：
回答下列问题：
(1)在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是____________________________________，还可使用____________代替硝酸。(4分)
(2)沉淀A的主要成分是____________，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为_____________________________________________________________。(4分)
(3)加氨水过程中加热的目的是__________________________________。沉淀B的主要成分为____________、____________(写化学式)。 (4分)
解析：(1)水泥熟料中的CaO和铁、铝、镁等金属的氧化物均能溶于盐酸，加入硝酸能将水泥样品中可能含有的Fe2＋氧化为Fe3＋，为了不引入新杂质，还可用H2O2代替硝酸。(2)根据图示流程可知，不溶于盐酸和硝酸的沉淀A为SiO2，SiO2能溶于弱酸氢氟酸，生成SiF4和H2O。(3)加入氨水调节溶液的pH＝4～5的过程中加热，能防止胶体生成，易使沉淀分离，结合流程图可知，沉淀B的主要成分是Al(OH)3和Fe(OH)3。
答案：(1)将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋　H2O2
(2)SiO2　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
(3)防止胶体生成，易使沉淀分离　Al(OH)3　Fe(OH)3
12．(18分)硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。
(1)新型陶瓷Si3N4的熔点高、硬度大、化学性质稳定。工业上可以采用化学气相沉积法，在H2的保护下，使SiCl4与N2反应生成Si3N4沉积在石墨表面，写出该反应的化学方程式：________________________________________________________________________。(2分)
(2)一种工业用硅(含少量钾、钠、铁、铜的氧化物)，已知硅的熔点是1 420 ℃，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。一种合成氮化硅的主要工艺流程如下：
①净化N2和H2时，铜屑的作用是________________________，硅胶的作用是________________。(4分)
②在氮化炉中发生反应3SiO2(s)＋2N2(g)===Si3N4(s)＋3O2(g)　ΔH＝－727.5 kJ·mol－1，开始时，严格控制氮气的流速以控制温度的原因是____________________________________；
体系中要通入适量的氢气是为了____________________________________。(4分)
③X可能是__________(填“盐酸”“硝酸”“硫酸”或“氢氟酸”)。(2分)
(3)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅：
①整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应，写出该反应的化学方程式：________________________________________________________________________。(2分)
②假设每一轮次制备1 mol纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应Ⅰ中HCl的利用率为90%，反应Ⅱ中H2的利用率为93.75%。则在第二轮次的生产中，补充投入HCl和H2的物质的量之比是________________。(4分)
解析：(1)根据原子个数守恒可写出化学方程式3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl。(2)①由于氧气和水蒸气都能腐蚀氮化硅，而氮气和氢气中含有水蒸气和氧气，所以铜屑的作用是除去氧气，硅胶的作用是除去水蒸气。②因为该反应是放热反应，如果温度过高，局部过热，会导致硅熔化成团，阻碍与N2的接触；通入氢气能将体系中的氧气转化为水蒸气，从而易被除去。③由于工业用硅中含有铜的氧化物，在反应中氧化铜能被还原生成铜，因此要除去铜应该选择硝酸，盐酸和硫酸不能溶解铜，氢氟酸能腐蚀氮化硅。(3)①SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和H2：SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑。②反应生成1 mol纯硅需补充HCl(－3) mol，需补充H2(－1) mol，补充HCl与H2的物质的量之比为5∶1。
答案：(1)3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl
(2)①除去原料气中的氧气　除去水蒸气
②该反应是放热反应，防止局部过热，导致硅熔化成团，阻碍与N2的接触　将体系中的氧气转化为水蒸气，从而易被除去(或将整个体系中的空气排尽)　③硝酸
(3)①SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑
②5∶1
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第21讲　无机非金属材料　
【备考目标】　1.掌握Si元素的单质及其重要化合物的性质及应用。2.掌握无机非金属材料的性质和用途。
考点1　硅和二氧化硅　 硅酸、硅酸盐
1．硅单质
2．二氧化硅
3．硅酸
4．硅酸盐
(1)硅酸盐是由硅、氧与其他化学元素结合而成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
(2)硅酸钠：硅酸钠溶液俗称 ，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。
(3)硅酸盐组成的表示方法
通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成。
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。
如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为 ，长石(KAlSi3O8)可表示为 。
【基点判断】(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)硅在自然界中只以化合态的形式存在( )
(2)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料( )
(3)Si和SiO2都可用于制造光导纤维( )
(4)硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应( )
(5)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(如NaOH)，不溶于任何酸( )
(6)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱( )
题组练习
一、硅及其化合物的性质
1．硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是(　　 )
A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应
C．反应Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑中，Si为氧化剂
D．硅能与氢氟酸反应，则硅也可以与盐酸反应
2．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
二、纯硅的制备
3．高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，它可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
下列说法不正确的是(　　 )
A．步骤①的化学方程式：SiO2＋2CSi＋2CO↑
B．步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子
C．步骤③中的反应为氧化还原反应
D．高纯硅是制造手机芯片的常用材料，SiO2是制造太阳能电池的基本原料
4．碳、硅及其化合物的开发由来已久，在现代生活中有广泛应用。
(1)实验室盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶应使用橡胶塞，而不用玻璃塞。请用反应的化学方程式解释原因___________________________________________________________。
(2)高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上制取高纯硅有多种路线，其中一种工艺流程示意图如下：
①用石英砂和焦炭在电弧炉中制粗硅，该反应的化学方程式为____________________________________。
②该工艺流程中可以循环利用的物质有______________(写化学式)。
(3)某实验室利用SiHCl3(沸点33.0 ℃)与过量H2在1 000 ℃～1 100 ℃反应制得纯硅。已知SiHCl3能与H2O剧烈反应，在空气中易自燃。装置如图所示(热源及夹持装置略去)。
①装置B中的试剂是________。装置C中的烧瓶需要加热，其目的是________________________。
②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是_________________________。
③SiHCl3与水反应，生成两种酸和一种单质，写出SiHCl3与水反应的化学方程式：
________________________________________________________________________。
考点2　无机非金属材料
1．传统无机非金属材料
水泥 玻璃 陶瓷
生产原料 石灰石、黏土 纯碱、石灰石、石英砂 黏土
主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑
2.新型陶瓷
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、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成 火箭发动机、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、超声波探伤器、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
3.碳纳米材料
富勒烯 碳纳米管 石墨烯
是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中C60是代表物 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 是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，电阻率低、热导率高，有很高的强度
【基点判断】(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)玻璃是一种晶体，有较高的熔点( )
(2)碳化硅俗称金刚砂，它可用于高温结构陶瓷的制作( )
(3)压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化( )
题组练习
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．硅及其化合物是带来人类文明的重要物质。下列说法正确的是(　　 )
A．陶瓷、水晶、水泥、玻璃都属于硅酸盐产品
B．水玻璃是纯净物，可用于生产黏合剂和防火剂
C．某硅酸盐的化学式为KAlSi3O8，可用K2O·Al2O3·6SiO2表示
D．高纯硅可用于制造光导纤维，高纯二氧化硅可用于制造太阳能电池
3．(人教必修第二册P25T2)下列物品或设施：
①陶瓷餐具　②砖瓦　③混凝土桥墩　④门窗玻璃　⑤水晶镜片　⑥石英钟　⑦水晶项链　⑧硅太阳能电池　⑨石英光导纤维　⑩计算机芯片
(1)含有硅单质的是____________(填序号，下同)。
(2)含有二氧化硅的是____________。
(3)含有硅酸盐的是____________。
高考真题
1．(2022·河北高考)定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是(　　 )
A．传统陶瓷是典型的绝缘材料 B．陶瓷主要成分为SiO2和MgO
C．陶瓷烧制的过程为物理变化 D．白瓷的白色是因铁含量较高
2．(2023·湖北高考)工业制备高纯硅的主要过程如下：
石英砂粗硅SiHCl3高纯硅
下列说法错误的是(　　)
A．制备粗硅的反应方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑
B．1 mol Si含Si—Si键的数目约为4×6.02×1023
C．原料气HCl和H2应充分去除水和氧气
D．生成SiHCl3的反应为熵减过程
3．(2023·山东高考)三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高纯硅的重要原料，常温下为无色液体，沸点为31.8 ℃，熔点为－126.5 ℃，易水解。实验室根据反应Si＋3HClSiHCl3＋H2，利用如下装置制备SiHCl3粗品(加热及夹持装置略)。回答下列问题：
(1)制备SiHCl3时进行操作：(ⅰ)……；(ⅱ)将盛有硅粉的瓷舟置于管式炉中；(ⅲ)通入HCl，一段时间后接通冷凝装置，加热开始反应。操作(ⅰ)为_________________________；
判断制备反应结束的实验现象是_________________________________。
图示装置存在的两处缺陷是__________________________________。
(2)已知电负性Cl>H>Si，SiHCl3在浓NaOH溶液中发生反应的化学方程式为
________________________________________________________________________。
(3)采用如下方法测定溶有少量HCl的SiHCl3纯度。
m1 g样品经水解、干燥等预处理过程得硅酸水合物后，进行如下实验操作：①________，②________(填操作名称)，③称量等操作，测得所得固体氧化物质量为m2 g，从下列仪器中选出①、②中需使用的仪器，依次为________(填字母)。测得样品纯度为__________(用含m1、m2的代数式表示)。
巩固练习
一、选择题(每题5分，共10题，共50分)
1．中国将加速建设新能源供给消纳体系。硅基能源逐步取代碳基能源的革命，必须举全国之力破解芯片技术受制于人的困局。以下说法不正确的是(　　 )
A．碳基能源主要指煤、石油、天然气，我国的煤炭资源禀赋优于石油
B．硅在地壳中的含量仅次于氧，从沙子到芯片，硅发生了还原反应
C．半导体工艺中一般需要在晶硅中掺杂第ⅢA族与第ⅤA族元素
D．半导体工艺中用到的刻蚀剂——电子级氟化氢可加压保存在玻璃罐体中
2．(人教必修第二册P25T1变式)下列说法中不正确的是(　　 )
A．硅晶片是生产芯片的基础材料
B．芯片制造中的“光刻技术”是利用光敏树脂在曝光条件下成像，该过程涉及化学变化
C．硅在自然界中主要以单质形式存在
D．硅是应用最广泛的半导体材料
3．(2023·广东名校联考)明代“釉里红梅瓶”是南京博物馆的镇馆之宝。烧造“釉里红”，需要将以铜元素为呈色剂的彩料，精准地在1 300 ℃窑火中一次烧成，下列有关说法不正确的是(　　 )
A．陶瓷是以黏土为主要原料经高温烧结而成，属于传统无机非金属材料
B．黏土可以表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，是由几种氧化物组成的混合物
C．“釉里红”烧造时发生的反应可能为4CuO2Cu2O＋O2↑
D．“釉里红”瓷器保存时应避开酸性物质，避免损伤釉彩
4．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
5．(2023·浙江名校联考)南海一号博物馆，又称广东海上丝绸之路博物馆，位于广东阳江市海陵岛试验开发区的“十里银滩”上，其建筑特色鲜明，设计创意独特，紧扣海的主题，体现了海洋文化与南方建筑风格的柔美组合。下列相关说法正确的是(　　 )
A．展柜使用的钢化玻璃的主要成分只有SiO2
B．墙体使用的砖瓦、水泥是硅酸盐制品
C．陈列的元青花瓷的原料有高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，也可以表示为Al2O3·SiO2·H2O
D．展示的青铜器上有一层绿色物质，此绿色物质可能是碱式碳酸铜，它不溶于盐酸
6．下列叙述正确的是(　　 )
A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似
B．因为CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强
C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂
D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以SiO2属于两性氧化物
7．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＋SiCl4===SiC＋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
8．实验室用H2还原SiHCl3(沸点：31.85 ℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法正确的是(　　 )
A．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓H2SO4、冰水
B．实验时，应先加热管式炉，再打开活塞K
C．为鉴定制得的硅中是否含微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、硫氰化钾溶液
D．该实验中制备氢气的装置也可用于稀氢氧化钠溶液与氯化铵固体反应制备氨
9．(2023·安徽宿州联考)工业上采用Si与HCl在350 ℃左右的条件下反应生成SiHCl3，之后将SiHCl3还原、结晶得到高纯度的单晶硅产品。已知SiHCl3的熔点为－128 ℃，沸点为33 ℃，且遇O2与H2O均剧烈反应。现要在实验室中制取少量SiHCl3，其实验装置如下图所示，下列说法不正确的是(　　 )
A．不可以用无水CaCl2、硅胶等固体干燥剂替换干燥管中的碱石灰
B．使用浓H2SO4和NaCl混合加热制取HCl利用了浓H2SO4的难挥发性
C．冰盐浴的目的为降低收集容器的温度，使SiHCl3冷凝为液体
D．工业上用过量焦炭与石英砂混合冶炼粗硅，其反应为SiO2＋CSi＋CO2↑
10．多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅芯片的主要原料。已知第三代工业制取多晶硅流程如图所示：
下列说法错误的是(　　 )
A．Y、Z分别为H2、Cl2
B．制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成碳化硅，在该副反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1
C．SiHCl3极易水解，其完全水解的产物为H2SiO3、H2、HCl，据此推测SiHCl3中硅元素的化合价为＋4
D．Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应
二、非选择题(共2题，共30分)
11．(12分)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：
回答下列问题：
(1)在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是____________________________________，还可使用____________代替硝酸。(4分)
(2)沉淀A的主要成分是____________，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为_____________________________________________________________。(4分)
(3)加氨水过程中加热的目的是__________________________________。沉淀B的主要成分为____________、____________(写化学式)。 (4分)
12．(18分)硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。
(1)新型陶瓷Si3N4的熔点高、硬度大、化学性质稳定。工业上可以采用化学气相沉积法，在H2的保护下，使SiCl4与N2反应生成Si3N4沉积在石墨表面，写出该反应的化学方程式：________________________________________________________________________。(2分)
(2)一种工业用硅(含少量钾、钠、铁、铜的氧化物)，已知硅的熔点是1 420 ℃，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。一种合成氮化硅的主要工艺流程如下：
①净化N2和H2时，铜屑的作用是________________________，硅胶的作用是________________。(4分)
②在氮化炉中发生反应3SiO2(s)＋2N2(g)===Si3N4(s)＋3O2(g)　ΔH＝－727.5 kJ·mol－1，开始时，严格控制氮气的流速以控制温度的原因是____________________________________；
体系中要通入适量的氢气是为了____________________________________。(4分)
③X可能是__________(填“盐酸”“硝酸”“硫酸”或“氢氟酸”)。(2分)
(3)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅：
①整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应，写出该反应的化学方程式：________________________________________________________________________。(2分)
②假设每一轮次制备1 mol纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应Ⅰ中HCl的利用率为90%，反应Ⅱ中H2的利用率为93.75%。则在第二轮次的生产中，补充投入HCl和H2的物质的量之比是________________。(4分)
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