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第三节　无机非金属材料
基础课时7　无机非金属材料
学习目标　1.结合实例认识无机非金属材料的组成、性能与应用之间的联系,认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。2.结合真实情境中的应用实例,了解硅酸盐、硅、二氧化硅的主要性质。
一、硅酸盐材料
(一)知识梳理
1.无机非金属材料
传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料,含　　　　　、　　　　　等元素,具有　　　　　　　　　　　　、
　　　　　、　　　　　等特点,以及特殊的　　　　　、　　　　　　等性能。
2.传统无机非金属材料——硅酸盐材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 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
(二)互动探究
普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料,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。陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
【问题讨论】
问题　你能写出制备玻璃过程中发生反应的化学方程式吗 根据这些反应能否说明硅酸的酸性比碳酸强
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究归纳】
(1)硅酸盐的结构
在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体结构,Si在中心,O在四面体的4个顶角,许多这样的四面体通过顶角的O相互连接,即每个Si结合4个O,每个O结合2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高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
(3)玻璃、水泥、陶瓷等均为混合物。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。
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.我国古代在材料方面取得了突出的成就。下列材料主要成分不是硅酸盐的是 (　　)
A.陶俑 B.琉璃瓦
C.汉白玉 D.青花瓷
2.陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是 (　　)
A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁
B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成
C.陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐
D.陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
3.“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
二、新型无机非金属材料
(一)知识梳理
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
(2)高纯硅的制备
其中涉及的主要化学反应为
①　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、
②　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、
③　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(3)硅和二氧化硅的用途
硅 　　　　材料→硅芯片、硅太阳能电池
二氧化硅 　　　　纤维
2.新型陶瓷
新型 材料 成分 性能 主要应用
　　　 硬度　　、耐　　、抗氧化 磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料
高温 结构 陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐　　、抗氧化、耐磨蚀 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等
压电 陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现　　能和　　能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明 陶瓷 氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷;氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、　　　好 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导 陶瓷 — 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗等领域
3.碳纳米材料
结构特点 应用
富勒烯 由　　　构成的一系列笼形分子的总称 代表物　　,开启了碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳 米管 由　　　卷成的管状物,具有纳米尺度的直径 用于生产　　　　　　　　　　　　、 电池和传感器
石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的　　　石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料
(二)问题探究
问题1　SiO2既能与NaOH溶液反应,也能与氢氟酸反应,能认为SiO2属于两性氧化物吗
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题2　能否用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸 若不能,写出化学方程式,简述理由。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题3　为什么盛NaOH或Na2CO3等呈碱性溶液的试剂瓶一般使用玻璃瓶、橡胶塞
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
问题4　CO2和SiO2都是酸性氧化物,是否都能与水反应生成相应的酸 那么如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【探究归纳】
硅及其化合物性质的“九大特殊点”
(1)碳族元素的主要化合价一般是+2、+4价,而硅常见的是+4价。
(2)硅的还原性比碳强,而碳在高温下却能从SiO2中还原出硅。
(3)非金属单质与强碱反应一般不生成氢气,而硅却能与强碱溶液反应产生氢气,Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
(4)非金属单质一般不与非氧化性酸反应,而硅不但能与氢氟酸反应,而且还有H2生成(类似于较活泼金属与酸的置换反应),Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
(5)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接将它与水作用制备H2SiO3。
(6)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的熔、沸点却很高。
(7)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2却能与氢氟酸作用。SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
(8)无机酸一般易溶于水,而H2SiO3却难溶于水。
(9)因H2CO3的酸性强于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应:Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高温下Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑也能发生。
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列说法正确的是 (　　)
A.二氧化硅广泛用于制备芯片和太阳能电池
B.石墨烯、碳化硅陶瓷等属于新型无机非金属材料
C.水泥、玻璃和水晶都是硅酸盐材料
D.现代信息社会用于传递信号的光纤的主要成分为硅
2.据报道我国科学家最近研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料,其主要成分是由碳化硅、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
3.单晶硅是制作电子集成电路的基础材料,科学家预计一个电脑芯片上将会集成10亿个晶体管,其功能远比我们想象的要大得多,这对硅的纯度要求很高。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:2C+SiO22CO↑+Si,Si被还原,所以C的还原性大于Si
B.Na2SiO3属于盐,不属于碱,所以Na2SiO3溶液可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C.用SiO2制取硅酸,应先使SiO2与NaOH溶液反应,然后通入CO2
D.由Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3可知,H2SiO3的酸性大于H2CO3
:课后完成　第五章　基础课时7第三节　无机非金属材料
基础课时7　无机非金属材料
学习目标　1.结合实例认识无机非金属材料的组成、性能与应用之间的联系,认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。2.结合真实情境中的应用实例,了解硅酸盐、硅、二氧化硅的主要性质。
一、硅酸盐材料
(一)知识梳理
1.无机非金属材料
传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料,含硅、氧等元素,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。
2.传统无机非金属材料——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 陶瓷窑 玻璃窑 水泥回转窑
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
(二)互动探究
普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料,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。陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
【问题讨论】
问题　你能写出制备玻璃过程中发生反应的化学方程式吗 根据这些反应能否说明硅酸的酸性比碳酸强
提示　Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3、CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。不能,反应是熔融态反应,二氧化碳气体从反应体系逸出,有利于反应进行。硅酸酸性比碳酸弱。
【探究归纳】
(1)硅酸盐的结构
在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体结构,Si在中心,O在四面体的4个顶角,许多这样的四面体通过顶角的O相互连接,即每个Si结合4个O,每个O结合2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高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
(3)玻璃、水泥、陶瓷等均为混合物。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。
1.我国古代在材料方面取得了突出的成就。下列材料主要成分不是硅酸盐的是 (　　)
A.陶俑 B.琉璃瓦
C.汉白玉 D.青花瓷
答案　C
解析　汉白玉主要成分是碳酸钙,陶、瓷、砖、瓦、紫砂及石棉等主要成分都是硅酸盐。
2.陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是 (　　)
A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁
B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成
C.陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐
D.陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
答案　A
解析　“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关,而氧化铁显红色,A错误;陶瓷以黏土为原料,经高温烧制而成,属于人造材料,主要成分是硅酸盐,C正确;陶瓷的主要成分是硅酸盐,硅酸盐中硅元素处于最高价态,化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点,D正确。
3.“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
答案　C
解析　A项,陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品;B项,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;C项,硅酸盐制品性质稳定、熔点高;D项,沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸盐。
二、新型无机非金属材料
(一)知识梳理
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
(2)高纯硅的制备
其中涉及的主要化学反应为
①SiO2+2CSi+2CO↑ 、
②Si+3HClSiHCl3+H2、
③SiHCl3+H2Si+3HCl。
(3)硅和二氧化硅的用途
硅 半导体材料→硅芯片、硅太阳能电池
二氧化硅 光导纤维
2.新型陶瓷
新型 材料 成分 性能 主要应用
碳化硅(SiC) 硬度大、耐高温、抗氧化 磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料
高温结 构陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐磨蚀 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等
压电 陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现机械能和电能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
透明 陶瓷 氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷;氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导 陶瓷 — 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗等领域
3.碳纳米材料
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,开启了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
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
(二)问题探究
问题1　SiO2既能与NaOH溶液反应,也能与氢氟酸反应,能认为SiO2属于两性氧化物吗
提示　SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应生成盐和水,又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应,但并不生成盐和水。
问题2　能否用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸 若不能,写出化学方程式,简述理由。
提示　不能,玻璃中含有二氧化硅,能被氢氟酸腐蚀,发生反应的化学方程式为SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
问题3　为什么盛NaOH或Na2CO3等呈碱性溶液的试剂瓶一般使用玻璃瓶、橡胶塞
提示　试剂瓶的瓶塞一般是磨砂玻璃,易与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液,从而使瓶塞与瓶壁黏合在一起而难以打开,所以盛NaOH溶液的试剂瓶一般是玻璃瓶、橡胶塞。
问题4　CO2和SiO2都是酸性氧化物,是否都能与水反应生成相应的酸 那么如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)
提示　CO2可以,SiO2不能,因为二氧化硅不溶于水。由二氧化硅制取硅酸应先与碱(如NaOH溶液)反应生成硅酸盐,再与酸(如盐酸)反应生成硅酸。即SiO2Na2SiO3H2SiO3。化学方程式为SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O,Na2SiO3+H2O+CO2===Na2CO3+H2SiO3↓。
【探究归纳】
硅及其化合物性质的“九大特殊点”
(1)碳族元素的主要化合价一般是+2、+4价,而硅常见的是+4价。
(2)硅的还原性比碳强,而碳在高温下却能从SiO2中还原出硅。
(3)非金属单质与强碱反应一般不生成氢气,而硅却能与强碱溶液反应产生氢气,Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
(4)非金属单质一般不与非氧化性酸反应,而硅不但能与氢氟酸反应,而且还有H2生成(类似于较活泼金属与酸的置换反应),Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
(5)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接将它与水作用制备H2SiO3。
(6)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的熔、沸点却很高。
(7)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2却能与氢氟酸作用。SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
(8)无机酸一般易溶于水,而H2SiO3却难溶于水。
(9)因H2CO3的酸性强于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应:Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高温下Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑也能发生。
　　　　　　　　　　　　　　　　
1.材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列说法正确的是 (　　)
A.二氧化硅广泛用于制备芯片和太阳能电池
B.石墨烯、碳化硅陶瓷等属于新型无机非金属材料
C.水泥、玻璃和水晶都是硅酸盐材料
D.现代信息社会用于传递信号的光纤的主要成分为硅
答案　B
解析　A项,二氧化硅能够使光线发生全反射,因此广泛用于制备光导纤维;晶体硅是良好半导体材料,可用于制太阳能电池及晶体管等半导体零件;B项,石墨烯是非金属单质,具有良好的导电性;石墨烯、碳化硅陶瓷等属于新型无机非金属材料;C项,水晶是SiO2,属于氧化物,并不是硅酸盐,因此不属于硅酸盐材料;D项,现代信息社会用于传递信号的光纤的主要成分为二氧化硅。
2.据报道我国科学家最近研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料,其主要成分是由碳化硅、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,该航空材料的韧性很好,质地并不是很脆,B错误。
3.单晶硅是制作电子集成电路的基础材料,科学家预计一个电脑芯片上将会集成10亿个晶体管,其功能远比我们想象的要大得多,这对硅的纯度要求很高。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:2C+SiO22CO↑+Si,Si被还原,所以C的还原性大于Si
B.Na2SiO3属于盐,不属于碱,所以Na2SiO3溶液可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C.用SiO2制取硅酸,应先使SiO2与NaOH溶液反应,然后通入CO2
D.由Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3可知,H2SiO3的酸性大于H2CO3
答案　C
解析　Si与C同主族,Si的还原性比C的强,但在高温下能发生反应:2C+SiO22CO↑+Si,A错误;不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放Na2SiO3溶液,因为Na2SiO3溶液本身是一种黏合剂,B错误;SiO2是酸性氧化物,但不能与水反应,所以制取硅酸可用可溶性硅酸盐与CO2或盐酸反应:Na2SiO3+CO2+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓、Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓,C正确;Na2CO3与SiO2在高温下的反应与对应酸的酸性强弱无关,该反应说明硅酸盐在高温下比碳酸盐更稳定,D错误。
　　　　　　　　　　　　　　　　
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
(一)硅酸盐材料
1.随着科学技术的发展,无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系。下列物质中不属于硅酸盐材料的是 (　　)
A.水泥 B.普通玻璃
C.石墨烯 D.陶瓷
答案　C
解析　水泥、普通玻璃、陶瓷是传统的硅酸盐材料;石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨,属于新型无机非金属材料。
2.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.普通玻璃的主要成分是二氧化硅
C.陶瓷的主要原料是黏土
D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料
答案　B
解析　普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
3.文物是传承文化的重要载体,下列主要成分不是硅酸盐的文物是 (　　)
简牍 陶彩绘 女舞俑 清雍正款霁 红釉瓷碗 萧何月下追 韩信图梅瓶
A B C D
答案　A
解析　A项,简牍主要成分为植物纤维;B项,陶彩绘女舞俑,陶制品为硅酸盐材料;C项,瓷碗为瓷器,瓷器主要成分为硅酸盐;D项,梅瓶也是瓷器,为硅酸盐材料。
4.《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无砂粘土而为之”,“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.沙子和黏土的主要成分为硅酸盐
B.“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化
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
答案　A
解析　A项,沙子的主要成分是二氧化硅,不是硅酸盐,错误;B项,硅酸盐工业煅烧过程中发生一系列复杂的物理、化学变化,正确;C项,自然冷却生成的物质中铁元素为+3价,所以为红瓦,浇水过程中,水在高温下与碳反应生成还原性气体CO,Fe3+被还原为Fe2+,所以成青瓦,正确;D项,砖瓦和陶瓷的主要原料为黏土,正确。
(二)无机非金属材料
5我国火星探测器“天问一号”上使用了重量轻、强度高、刚性好、宽温度范围下尺寸稳定的新型SiC增强铝基复合材料。下列说法错误的是 (　　)
A.SiC是一种新型硅酸盐材料
B.SiC俗称金刚砂,具有类似金刚石的结构
C.SiC中的碳原子和硅原子通过共价键连接
D.SiC具有优异的耐高温抗氧化性能
答案　A
解析　SiC属于新型陶瓷,不属于硅酸盐材料,A错误;碳化硅俗称金刚砂,具有类似金刚石的结构,熔、沸点高,硬度大,可用于制造耐高温、抗氧化的新型陶瓷,B、D正确;SiC属于共价化合物,碳原子和硅原子通过共价键连接,C正确。
6.我国科学家合成的3 nm长的管状碳纳米管,长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的)、熔点高,化学稳定性好的特点,因此被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法中不正确的是 (　　)
A.它是制造飞机的理想材料 B.它的主要组成元素是碳元素
C.它的结构与石墨相似 D.碳纤维复合材料耐高温
答案　C
解析　石墨的内部结构是层状的,碳纳米管是管状的。
7.腾飞的中国离不开化学,化学与环境、材料、信息、能源关系密切,推动着人类社会的进步和发展。下列说法不正确的是 (　　)
A.“天问一号”所用的太阳能电池帆板,其主要材料是硅
B.中国空间站使用石墨烯存储器,所用材料石墨烯属于无机非金属材料
C.SO2可用来漂白纸浆,也能作食品添加剂
D.5G技术中使用的通信光缆不与任何酸碱反应
答案　D
解析　SO2虽然有毒,但食品中添加适量的二氧化硫可以起到防腐、抗氧化等作用,在一定范围内可以用作食品添加剂,C正确;光缆主要成分为二氧化硅,常温下,二氧化硅与氢氟酸、氢氧化钠反应,D错误。
8.高纯度晶体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
答案　D
解析　A项,步骤①的化学方程式:SiO2+2CSi+2CO↑;B项,依据方程式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;C项,步骤③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;D项,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。
9.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。
(1)下列物质不含有硅酸盐的是　　　　(填字母)。
A.陶瓷 B.玻璃
C.水泥 D.生石灰
(2)SiO2是玻璃的主要成分之一,SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　,工艺师常用　　　　　　(填物质名称)来雕刻玻璃。
(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧,说明Na2SiO3可用作　　　　　　。Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得,高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是　　　　　　(填字母)。
A.普通玻璃坩埚 B.石英玻璃坩埚
C.氧化铝坩埚 D.铁坩埚
(4)工业上常利用反应2C+SiO2Si+2CO↑制备硅单质,该反应中所含元素化合价升高的物质是　　　　　　(填化学式,下同),氧化剂是　　　　　　。
答案　(1)D　(2)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O　氢氟酸　(3)防火剂　D　(4)C　SiO2
解析　(1)生石灰是CaO,为碱性氧化物且不含Si,不含有硅酸盐。(2)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O。由于SiO2能溶于氢氟酸,因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。(3)Na2SiO3水溶液又称“水玻璃”,具有阻燃的功能,因此可用作防火剂。SiO2和Na2CO3在高温下反应生成Na2SiO3和CO2,故含SiO2的材料(普通玻璃、石英玻璃)以及Al2O3等都能与Na2CO3在高温下反应,故不能用以上材质的坩埚熔融纯碱。(4)该反应中C被氧化,SiO2中+4价的硅元素被还原,因此SiO2作氧化剂。
B级　素养培优练
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的主要原料。已知多晶硅第三代工业制取流程如下所示:
下列说法错误的是 (　　)
A.Y可能是H2
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中硅元素的化合价为+4价
D.Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应
答案　B
解析　Y能够还原SiHCl3为硅单质,则Y可能是H2,A正确;制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成SiC:3C+SiO2SiC+2CO↑,在该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中H是-1价,Cl是-1价,则Si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。
11.由粗SiO2制备纯SiO2的流程如图所示,下列说法不正确的是 (　　)
粗SiO2XYSiO2
A.SiO2可用于制造光导纤维
B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4
C.步骤Ⅱ中的稀硫酸能用CO2替代
D.若在实验室中完成步骤Ⅲ,一般在蒸发皿中进行
答案　D
解析　SiO2可用于制造光导纤维,A正确;步骤Ⅱ中硅酸钠和稀硫酸反应生成硅酸沉淀,化学方程式是Na2SiO3+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4,B正确;碳酸的酸性强于硅酸,因此步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代,C正确;若在实验室中完成步骤Ⅲ,一般在坩埚中进行,蒸发皿不能用于灼烧固体,D错误。
12.氮化硅(Si3N4)是一种重要的高温结构陶瓷材料,用石英砂和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流程如图(粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物):
下列叙述不正确的是 (　　)
A.“还原”反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑
B.粗硅提纯所得的高纯硅是制造芯片的材料
C.“操作X”可将原料气通过灼热的铜网
D.“稀酸Y”可选用稀盐酸
答案　D
解析　“还原”反应是用焦炭把二氧化硅还原为粗硅,反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑,故A正确;粗硅提纯所得的高纯硅是制造芯片的材料,故B正确;“操作X”是除去氮气中的少量氧气,可将原料气通过灼热的铜网,故C正确;粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物,硝酸能溶解Fe、Cu,但稀盐酸不能溶解Cu,所以“稀酸Y”不可选用稀盐酸,故D错误。
13.硅在地壳中的含量较高。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)1810年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、木炭和铁时,得到一种“金属”。这种“金属”可能是　　　　　　。
(2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。其中,生产普通玻璃的主要原料有　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　。
(3)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。工业上提纯硅有多种技术路线,其中一种工艺流程示意图及主要反应如下:
发生的主要反应
电弧炉 SiO2+2CSi+2CO↑
流化床反应器 Si+3HClSiHCl3+H2
还原炉 SiHCl3+H2Si+3HCl
①用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅,该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　;碳化硅又称　　　　　　,其晶体结构与　　　　　　相似。
②在流化床反应的产物中,SiHCl3大约占85%,还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等,有关物质的沸点数据如下表,提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和　　　　　　。
物质 Si SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2
沸点/℃ 2 355 57.6 31.8 8.2
物质 SiH3Cl HCl SiH4
沸点/℃ -30.4 -84.9 -111.9
答案　(1)含有硅、碳的铁合金(或硅铁)
(2)石英砂、纯碱和石灰石
(3)①SiO2+3CSiC+2CO↑　 金刚砂　 金刚石(或单晶硅)　 ②精馏(或蒸馏)
解析　(1)SiO2+2CSi+2CO↑,因此得到的金属状物质可能为含有硅、碳的铁合金。(2)生产玻璃的主要原料为石英砂、纯碱、石灰石。(3)①石英砂与焦炭反应制取SiC的化学方程式为SiO2+3CSiC+2CO↑,SiC俗名金刚砂,属于共价晶体,结构类似于金刚石。②根据沸点的不同可选择蒸馏法提纯SiHCl3。(共57张PPT)
第三节　无机非金属材料
基础课时 无机非金属材料
7
第五章
化工生产中的重要非金属元素
1.结合实例认识无机非金属材料的组成、性能与应用之间的联系,认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。
2.结合真实情境中的应用实例,了解硅酸盐、硅、二氧化硅的主要性质。
学习目标
一、硅酸盐材料
二、新型无机非金属材料
目
录
CONTENTS
课后巩固训练
一、硅酸盐材料
对点训练
(一)知识梳理
1.无机非金属材料
传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料,含____、氧等元素,具有________、________、________等特点,以及特殊的______、______等性能。
硅
耐高温
抗腐蚀
硬度高
光学
电学
2.传统无机非金属材料——硅酸盐材料
陶瓷 普通玻璃 普通水泥
原料 纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2) 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
黏土
石灰石、黏土
玻璃窑
水泥回转窑
(二)互动探究
普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料,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。陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
【问题讨论】
问题　你能写出制备玻璃过程中发生反应的化学方程式吗 根据这些反应能否说明硅酸的酸性比碳酸强
【探究归纳】
(1)硅酸盐的结构
在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体结构,Si在中心,O在四面体的4个顶角,许多这样的四面体通过顶角的O相互连接,即每个Si结合4个O,每个O结合2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高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。
(3)玻璃、水泥、陶瓷等均为混合物。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。
1.我国古代在材料方面取得了突出的成就。下列材料主要成分不是硅酸盐的是 (　　)
A.陶俑 B.琉璃瓦
C.汉白玉 D.青花瓷
解析　汉白玉主要成分是碳酸钙,陶、瓷、砖、瓦、紫砂及石棉等主要成分都是硅酸盐。
C
2.陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是 (　　)
A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁
B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成
C.陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐
D.陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
A
解析　“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关,而氧化铁显红色,A错误;陶瓷以黏土为原料,经高温烧制而成,属于人造材料,主要成分是硅酸盐,C正确;陶瓷的主要成分是硅酸盐,硅酸盐中硅元素处于最高价态,化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点,D正确。
3.“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　A项,陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品;B项,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;C项,硅酸盐制品性质稳定、熔点高;D项,沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸盐。
C
二、新型无机非金属材料
对点训练
(一)知识梳理
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
(2)高纯硅的制备
其中涉及的主要化学反应为
①________________________、
②________________________ 、
③________________________ 。
(3)硅和二氧化硅的用途
硅 ________材料→硅芯片、硅太阳能电池
二氧化硅 ______纤维
半导体
光导
2.新型陶瓷
新型材料 成分 性能 主要应用
金刚砂 硬度____、耐______、抗氧化 磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料
高温结 构陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐______、抗氧化、耐磨蚀 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等
压电 陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现______能和____能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
碳化硅(SiC)
大
高温
高温
机械
电
新型材料 成分 性能 主要应用
透明 陶瓷 氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷;氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、________好 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导 陶瓷 — 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗等领域
绝缘性
3.碳纳米材料
结构特点 应用
富勒烯 由________构成的一系列笼形分子的总称 代表物________,开启了碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳米管 由__________卷成的管状物,具有纳米尺度的直径 用于生产__________、电池和传感器
石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的______石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料
碳原子
C60
石墨片层
复合材料
单层
(二)问题探究
问题1　SiO2既能与NaOH溶液反应,也能与氢氟酸反应,能认为SiO2属于两性氧化物吗
提示　SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应生成盐和水,又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应,但并不生成盐和水。
问题2　能否用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸 若不能,写出化学方程式,简述理由。
提示　不能,玻璃中含有二氧化硅,能被氢氟酸腐蚀,发生反应的化学方程式为SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
问题3　为什么盛NaOH或Na2CO3等呈碱性溶液的试剂瓶一般使用玻璃瓶、橡胶塞
提示　试剂瓶的瓶塞一般是磨砂玻璃,易与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液,从而使瓶塞与瓶壁黏合在一起而难以打开,所以盛NaOH溶液的试剂瓶一般是玻璃瓶、橡胶塞。
问题4　CO2和SiO2都是酸性氧化物,是否都能与水反应生成相应的酸 那么如何由二氧化硅制取硅酸(H2SiO3)
【探究归纳】
硅及其化合物性质的“九大特殊点”
(1)碳族元素的主要化合价一般是+2、+4价,而硅常见的是+4价。
(2)硅的还原性比碳强,而碳在高温下却能从SiO2中还原出硅。
(3)非金属单质与强碱反应一般不生成氢气,而硅却能与强碱溶液反应产生氢气,Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
(4)非金属单质一般不与非氧化性酸反应,而硅不但能与氢氟酸反应,而且还有H2生成(类似于较活泼金属与酸的置换反应),Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
(5)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接将它与水作用制备H2SiO3。
(6)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的熔、沸点却很高。
(7)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2却能与氢氟酸作用。SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
(8)无机酸一般易溶于水,而H2SiO3却难溶于水。
(9)因H2CO3的酸性强于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应:Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高温下Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑也能发生。
1.材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列说法正确的是 (　　)
A.二氧化硅广泛用于制备芯片和太阳能电池
B.石墨烯、碳化硅陶瓷等属于新型无机非金属材料
C.水泥、玻璃和水晶都是硅酸盐材料
D.现代信息社会用于传递信号的光纤的主要成分为硅
B
解析　A项,二氧化硅能够使光线发生全反射,因此广泛用于制备光导纤维;晶体硅是良好半导体材料,可用于制太阳能电池及晶体管等半导体零件;B项,石墨烯是非金属单质,具有良好的导电性;石墨烯、碳化硅陶瓷等属于新型无机非金属材料;C项,水晶是SiO2,属于氧化物,并不是硅酸盐,因此不属于硅酸盐材料;D项,现代信息社会用于传递信号的光纤的主要成分为二氧化硅。
2.据报道我国科学家最近研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料,其主要成分是由碳化硅、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
解析　由题目信息中“连续纤维增韧”可知,该航空材料的韧性很好,质地并不是很脆,B错误。
B
3.单晶硅是制作电子集成电路的基础材料,科学家预计一个电脑芯片上将会集成10亿个晶体管,其功能远比我们想象的要大得多,这对硅的纯度要求很高。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:2C+SiO2 2CO↑+Si,Si被还原,所以C的还原性大于Si
B.Na2SiO3属于盐,不属于碱,所以Na2SiO3溶液可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C.用SiO2制取硅酸,应先使SiO2与NaOH溶液反应,然后通入CO2
D.由Na2CO3+SiO2 CO2↑+Na2SiO3可知,H2SiO3的酸性大于H2CO3
C
解析　Si与C同主族,Si的还原性比C的强,但在高温下能发生反应:2C+SiO2 2CO↑+Si,A错误;不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放Na2SiO3溶液,因为Na2SiO3溶液本身是一种黏合剂,B错误;SiO2是酸性氧化物,但不能与水反应,所以制取硅酸可用可溶性硅酸盐与CO2或盐酸反应:Na2SiO3+CO2+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓、Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓,C正确;Na2CO3与SiO2在高温下的反应与对应酸的酸性强弱无关,该反应说明硅酸盐在高温下比碳酸盐更稳定,D错误。
课后巩固训练
A级　合格过关练
选择题只有1个选项符合题意
(一)硅酸盐材料
1.随着科学技术的发展,无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系。下列物质中不属于硅酸盐材料的是(　　)
A.水泥 B.普通玻璃 C.石墨烯 D.陶瓷
解析　水泥、普通玻璃、陶瓷是传统的硅酸盐材料;石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨,属于新型无机非金属材料。
C
2.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.普通玻璃的主要成分是二氧化硅
C.陶瓷的主要原料是黏土
D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要原料
解析　普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2。
B
3.文物是传承文化的重要载体,下列主要成分不是硅酸盐的文物是 (　　)
A
简牍 陶彩绘 女舞俑 清雍正款霁 红釉瓷碗 萧何月下追
韩信图梅瓶
A B C D
解析　A项,简牍主要成分为植物纤维;B项,陶彩绘女舞俑,陶制品为硅酸盐材料;C项,瓷碗为瓷器,瓷器主要成分为硅酸盐;D项,梅瓶也是瓷器,为硅酸盐材料。
4.《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无砂粘土而为之”,“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.沙子和黏土的主要成分为硅酸盐
B.“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化
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
A
解析　A项,沙子的主要成分是二氧化硅,不是硅酸盐,错误;B项,硅酸盐工业煅烧过程中发生一系列复杂的物理、化学变化,正确;C项,自然冷却生成的物质中铁元素为+3价,所以为红瓦,浇水过程中,水在高温下与碳反应生成还原性气体CO,Fe3+被还原为Fe2+,所以成青瓦,正确;D项,砖瓦和陶瓷的主要原料为黏土,正确。
(二)无机非金属材料
5我国火星探测器“天问一号”上使用了重量轻、强度高、刚性好、宽温度范围下尺寸稳定的新型SiC增强铝基复合材料。下列说法错误的是(　　)
A.SiC是一种新型硅酸盐材料
B.SiC俗称金刚砂,具有类似金刚石的结构
C.SiC中的碳原子和硅原子通过共价键连接
D.SiC具有优异的耐高温抗氧化性能
解析　SiC属于新型陶瓷,不属于硅酸盐材料,A错误;碳化硅俗称金刚砂,具有类似金刚石的结构,熔、沸点高,硬度大,可用于制造耐高温、抗氧化的新型陶瓷,B、D正确;SiC属于共价化合物,碳原子和硅原子通过共价键连接,C正确。
A
6.我国科学家合成的3 nm长的管状碳纳米管,长度居世界之首。这种碳纤维具有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的)、熔点高,化学稳定性好的特点,因此被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法中不正确的是(　　)
A.它是制造飞机的理想材料 B.它的主要组成元素是碳元素
C.它的结构与石墨相似 D.碳纤维复合材料耐高温
解析　石墨的内部结构是层状的,碳纳米管是管状的。
C
7.腾飞的中国离不开化学,化学与环境、材料、信息、能源关系密切,推动着人类社会的进步和发展。下列说法不正确的是 (　　)
A.“天问一号”所用的太阳能电池帆板,其主要材料是硅
B.中国空间站使用石墨烯存储器,所用材料石墨烯属于无机非金属材料
C.SO2可用来漂白纸浆,也能作食品添加剂
D.5G技术中使用的通信光缆不与任何酸碱反应
解析　SO2虽然有毒,但食品中添加适量的二氧化硫可以起到防腐、抗氧化等作用,在一定范围内可以用作食品添加剂,C正确;光缆主要成分为二氧化硅,常温下,二氧化硅与氢氟酸、氢氧化钠反应,D错误。
D
8.高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料,它可以按下列方法制备:
SiO2 Si(粗) SiHCl3 Si(纯)
下列说法不正确的是(　　)
A.步骤①的化学方程式:SiO2+2C Si+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
D
解析　A项,步骤①的化学方程式:SiO2+2C Si+2CO↑;B项,依据方程式SiO2+2C
Si+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;C项,步骤③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;D项,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。
9.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。
(1)下列物质不含有硅酸盐的是　　　　(填字母)。
A.陶瓷 B.玻璃 C.水泥 D.生石灰
(2)SiO2是玻璃的主要成分之一,SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为
　　　　　　　　　　　 　　　,工艺师常用　　　　　　(填物质名称)来雕刻玻璃。
D
SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O
氢氟酸
解析　(1)生石灰是CaO,为碱性氧化物且不含Si,不含有硅酸盐。(2)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O。由于SiO2能溶于氢氟酸,因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。
(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧,说明Na2SiO3可用作　　　　　　。Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得,高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是　　　　　　(填字母)。
A.普通玻璃坩埚 B.石英玻璃坩埚
C.氧化铝坩埚 D.铁坩埚
(4)工业上常利用反应2C+SiO2 Si+2CO↑制备硅单质,该反应中所含元素化合价升高的物质是　　　　　　(填化学式,下同),氧化剂是　　　　　　。
防火剂
D
C
SiO2
解析　(3)Na2SiO3水溶液又称“水玻璃”,具有阻燃的功能,因此可用作防火剂。SiO2和Na2CO3在高温下反应生成Na2SiO3和CO2,故含SiO2的材料(普通玻璃、石英玻璃)以及Al2O3等都能与Na2CO3在高温下反应,故不能用以上材质的坩埚熔融纯碱。(4)该反应中C被氧化,SiO2中+4价的硅元素被还原,因此SiO2作氧化剂。
B级　素养培优练
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的主要原料。已知多晶硅第三代工业制取流程如下所示:
下列说法错误的是 (　　)
A.Y可能是H2
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中硅元素的化合价为+4价
D.Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应
B
解析　Y能够还原SiHCl3为硅单质,则Y可能是H2,A正确;制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成SiC:3C+SiO2 SiC+2CO↑,在该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中H是-1价,Cl是-1价,则Si的化合价为+4价,C正确;H2与SiHCl3制备多晶硅的反应为SiHCl3+H2
Si+3HCl,属于置换反应,D正确。
11.由粗SiO2制备纯SiO2的流程如图所示,下列说法不正确的是 (　　)
A.SiO2可用于制造光导纤维
B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4
C.步骤Ⅱ中的稀硫酸能用CO2替代
D.若在实验室中完成步骤Ⅲ,一般在蒸发皿中进行
D
解析　SiO2可用于制造光导纤维,A正确;步骤Ⅱ中硅酸钠和稀硫酸反应生成硅酸沉淀,化学方程式是Na2SiO3+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4,B正确;碳酸的酸性强于硅酸,因此步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代,C正确;若在实验室中完成步骤Ⅲ,一般在坩埚中进行,蒸发皿不能用于灼烧固体,D错误。
12.氮化硅(Si3N4)是一种重要的高温结构陶瓷材料,用石英砂和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流程如图(粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物):
下列叙述不正确的是 (　　)
A.“还原”反应的化学方程式为SiO2+2C
Si+2CO↑
B.粗硅提纯所得的高纯硅是制造芯片的材料
C.“操作X”可将原料气通过灼热的铜网
D.“稀酸Y”可选用稀盐酸
D
解析　“还原”反应是用焦炭把二氧化硅还原为粗硅,反应的化学方程式为SiO2+2C Si+2CO↑,故A正确;粗硅提纯所得的高纯硅是制造芯片的材料,故B正确;“操作X”是除去氮气中的少量氧气,可将原料气通过灼热的铜网,故C正确;粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物,硝酸能溶解Fe、Cu,但稀盐酸不能溶解Cu,所以“稀酸Y”不可选用稀盐酸,故D错误。
13.硅在地壳中的含量较高。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)1810年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、木炭和铁时,得到一种“金属”。这种“金属”可能是　　　　　　　　　　　　　。
(2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。其中,生产普通玻璃的主要原料有　　　　　　　　　　　 。
含有硅、碳的铁合金(或硅铁)
石英砂、纯碱和石灰石
解析　(1)SiO2+2C Si+2CO↑,因此得到的金属状物质可能为含有硅、碳的铁合金。(2)生产玻璃的主要原料为石英砂、纯碱、石灰石。
(3)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。工业上提纯硅有多种技术路线,其中一种工艺流程示意图及主要反应如下:
①用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅,该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　;碳化硅又称　　　　,其晶体结构与________________相似。
②在流化床反应的产物中,SiHCl3大约占85%,还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等,有关物质的沸点数据如下表,提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和　　　　　　。
物质 Si SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2
沸点/℃ 2 355 57.6 31.8 8.2
物质 SiH3Cl HCl SiH4
沸点/℃ -30.4 -84.9 -111.9
SiO2+3C SiC+2CO↑
金刚砂
金刚石(或单晶硅)
精馏(或蒸馏)
解析　(3)①石英砂与焦炭反应制取SiC的化学方程式为SiO2+3C SiC+2CO↑, SiC俗名金刚砂,属于共价晶体,结构类似于金刚石。②根据沸点的不同可选择蒸馏法提纯SiHCl3。

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