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第三节　无机非金属材料
目 标 素 养
1.能基于材料组成认识常见传统无机非金属材料的生产原料和广泛应用。
2.能基于硅酸盐的结构特点认识传统无机非金属材料的性能。
3.能基于单质硅和二氧化硅的结构与性能特点认识其重要应用,进而认识新型无机非金属材料的广泛应用。
4.了解工业制备高纯硅的原理,掌握二氧化硅的重要化学性质。
知 识 概 览
一、硅酸盐的结构、性质、用途
1.结构:在硅酸盐中,硅原子和氧原子构成了硅氧 四面体 。如图所示,四面体通过顶角的氧原子彼此相连,每个氧原子为两 个四面体所共有。
2.性质:结构决定性质。硅酸盐的特殊结构决定了多数硅酸盐具有硬度 高 、熔点 高 、 难 溶于水、化学性质 稳定 、耐 腐蚀等特点。
3.用途:性质决定用途。硅酸盐的性质决定了硅酸盐作为一类优良的材料得到广泛应用。作为传统无机非金属材料主角的三大硅酸盐材料: 水泥 、玻璃 、陶瓷 。
二、三种硅酸盐材料的对比
微训练下列物质中,不含有硅酸盐的是(　　)。
A.玻璃 B.硅芯片
C.黏土 D.普通水泥
答案:B
解析:玻璃是常见的硅酸盐产品,普通水泥主要原料之一为黏土,黏土中含有硅酸盐,而硅芯片中不含硅酸盐,其含硅单质,硅是良好的半导体材料。
三、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅。
(1)存在:硅在地壳中的含量居第二位。硅的原子序数是14,原子结构示意图是_______________,硅元素位于元素周期表　第 三 周期第 ⅣA 族;硅单质的导电性介于导体与绝缘体之间,是应用最广泛的　半导体　材料。
硅在自然界主要以 硅酸盐 和SiO2的形式存在。
(2)主要应用。
(3)高纯硅的制备。
微判断(1)硅元素在自然界中既有化合态,又有游离态。
(　　)
(2)石英、水晶、玛瑙、光导纤维、沙子的主要成分都是SiO2。(　　)
×
√
2.新型陶瓷——碳化硅(SiC)。
3.碳纳米材料。
(1)富勒烯:由　碳原子　构成的一系列笼形分子的总称,其代表物为C60。
(2)碳纳米管:可看成由 石墨 片层卷成的管状物。碳纳米管的比表面积大,强度高,电学性能优良,可用于生产复合材料、电池和传感器等。
(3)石墨烯:只有　一个碳原子　直径厚度的单层石墨,其电阻率低、热导率高,具有很高的强度。
一 硅酸盐和传统无机非金属材料
问题探究
据文史记载,玻璃在人类生活中的出现与使用已经有四千多年的历史,古埃及和美索不达米亚的遗址里,都曾有小玻璃珠的出土。3 000多年前,有人发现在火焰的作用下,矿物“天然苏打”与沙滩上的石英砂发生化学反应产生的晶体,就是最早的玻璃。
(1)写出苏打和石英砂发生反应的化学方程式。
提示:Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑。
(2)上述反应能否说明硅酸的酸性比碳酸的强
提示:不能。“强酸制弱酸”一般用于水溶液中的反应。该反应由SiO2生成CO2是在高温下进行的,不是在水溶液中进行的。反应能发生是因为产物CO2是气态,能脱离反应体系,使反应向生成Na2SiO3的方向进行。
重难归纳
1.传统无机非金属材料。
关于玻璃成分与性质的易错问题。
(1)制造玻璃的原料熔融后发生了复杂的物理变化和化学变化。制得的玻璃是混合物,没有固定的熔点。
(2)钢化玻璃与普通玻璃的主要成分完全相同。
(3)氢氟酸能腐蚀玻璃,不能用玻璃瓶盛放。可用氢氟酸雕刻玻璃花纹,4HF+SiO2═SiF4↑+2H2O。
2.硅酸盐。
(1)性质。
①多数硅酸盐难溶于水,常见易溶于水的硅酸盐有Na2SiO3、K2SiO3等。
②一般硅酸盐硬度高,耐高温,难分解。
③硅酸酸性弱,且不溶于水,所以可溶性硅酸盐能与酸反应。
(2)硅酸钠。
①物理性质:可溶于水,水溶液俗称“水玻璃”,黏结力强,耐高温,可用作黏合剂和防火剂。
②化学性质:能与酸反应。
Na2SiO3+2HCl═2NaCl+H2SiO3↓。
Na2SiO3+CO2+H2O═Na2CO3+H2SiO3↓。
特别提醒
实验室盛放碱溶液的试剂瓶不用玻璃塞是由于玻璃中含有二氧化硅,能与碱溶液反应生成有黏性的硅酸钠,将瓶口和瓶塞黏在一起。盛碱液的试剂瓶一般用橡胶塞。
典例剖析
【例1】研究发现青花瓷瓶身上的图案所用颜料的成分大多为硅酸盐,如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2O6)。下列说法不正确的是(　　)。
A.硅酸铜钡是一种硅酸盐
B.硅酸铜钡性质稳定,不易脱色
C.水晶、玛瑙的主要成分也是硅酸盐
D.制造陶瓷的原料也可用于制造水泥
答案:C
解析:硅酸铜钡属于硅酸盐,A项正确;难溶于水的BaCuSi2O6中铜元素的化合价为+2价,Cu2+不易被还原,所以性质稳定,不容易褪色,B项正确;水晶、玛瑙的主要成分是二氧化硅,属于氧化物,不属于硅酸盐,C项错误;制造水泥的原料为黏土和石灰石,制造陶瓷的原料为黏土,因此制造陶瓷的原料也可用于制造水泥,D项正确。
学以致用
1.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
答案:C
解析:唐三彩、秦兵马俑制品由黏土经高温灼烧而成,属于硅酸盐产品。
2.下列说法正确的是(　　)。
A.制取水泥和玻璃的原料中均有石灰石
B.普通玻璃是电的绝缘体,这种透明的固体物质熔点很低
C.等物质的量的SiO2与CaCO3在高温下充分煅烧,残留物质为混合物
D.石英玻璃能经受温度剧变且能抵抗酸碱的腐蚀
答案:A
二 硅、二氧化硅、新型无机非金属材料
问题探究
我国嫦娥五号探测器从月球取回了1 731 g月壤,经过科学家们的研究取得系列原创性成果。我国科学家测定,嫦娥五号带回的玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年,是迄今发现最年轻的月球玄武岩。
(1)制造月球探测器中的瞄准镜时使用的光导纤维、月球探测器使用的太阳能电池板的主要成分各是什么
提示:光导纤维的主要成分是二氧化硅。太阳能电池板的主要成分是单质硅。
(2)研究发现,月壤含有化学式为MgFeSiO4的物质,它属于哪类物质 研究发现月壤中含有大量玻璃,你认为玻璃是如何产生的呢
提示:MgFeSiO4属于硅酸盐。月壤中发现了大量的玻璃,其主要成分是硅酸盐与二氧化硅,一般认为这是陨石撞击月亮表面的时候,高温使月岩中硅酸盐等成分反应形成的。
(3)月球探测器的一些部件还会用到氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、压电陶瓷等,它们是否属于硅酸盐材料 你认为它们有怎样的特性,可能有什么特殊作用
提示:氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、压电陶瓷属于新型无机非金属材料,不是传统硅酸盐材料;氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷耐高温、抗氧化、耐腐蚀,可用于发动机和高温电极等;压电陶瓷能实现机械能和电能的相互转化,可用于超声电机等。
重难归纳
1.硅的特殊性质。
(1)一般情况下,非金属单质熔、沸点低,硬度小,但晶体硅熔、沸点高,硬度大;非金属单质一般不导电,但Si为半导体,有一定的导电能力。
(2)非金属单质一般不与非氧化性酸作用,但Si却能与HF作用:Si+4HF═SiF4↑+2H2↑。
(3)Si的还原性强于C,但C却能在高温下还原出Si:
SiO2+2C Si+2CO↑。
2.二氧化硅的特性。
(1)SiO2是一种酸性氧化物,但它不溶于水,不能直接用它与水反应来制取H2SiO3。
(2)非金属氧化物的熔、沸点一般较低,但SiO2的却很高。
(3)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2能与HF作用: SiO2+4HF═SiF4↑+2H2O。
(4)H2CO3的酸性强于H2SiO3,所以有Na2SiO3+CO2+H2O═H2SiO3↓+Na2CO3,但在高温下Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2↑也能发生。
典例剖析
【例2】根据不同部位工作条件的不同,我国的高超声速飞行器使用了多种防热材料。例如,机身表面使用高温陶瓷材料。下列对新型陶瓷材料的有关叙述中,错误的是(　　)。
A.高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料,可以作为高级耐火材料
B.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料,它是生物陶瓷的一种
C.氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料,可用于制造陶瓷发动机的受热面
D.新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点,但是强度比较差
答案:D
解析:新型无机非金属材料具有耐高温、耐冲击、电学特性、光学特性、生物功能等优点,克服了传统无机非金属材料的缺点,具有较高的强度和耐磨性,能抵抗冷热冲击,D项错误。
学以致用
3.下列说法正确的是(　　)。
A.可以用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记
C.SiO2既能与NaOH溶液反应,又能与氢氟酸反应,所以是两性氧化物
D.Si和SiO2都用于制造光导纤维
答案:A
解析:HF与SiO2反应,SiO2+4HF═SiF4↑+2H2O,故可以用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记,A项正确。SiO2能溶于HF,不溶于盐酸,SiO2 SiCl4的转化过程不能实现,B项错误。HF与SiO2反应体现的是SiO2的特性,SiO2与其他的酸不反应,不是两性氧化物,C项错误。硅单质是良好的半导体材料,用于制造芯片,而SiO2常用于制造光导纤维,D项错误。
1.下列关于碳和硅的叙述中,不正确的是(　　)。
A.氧化物都能与碱溶液反应
B.单质在加热时都能与氧气反应
C.碳和硅两种元素都有能导电的单质
D.常温下,碳和硅的单质化学性质都不活泼
答案:A
解析:碳的氧化物有CO和CO2,CO不能与碱溶液反应。
2.下列说法中正确的是(　　)。
A.SiO2溶于水显酸性
B.SiO2是石英砂的主要成分,可用于制取粗硅
C.光导纤维导电能力很强,是一种很好的通信材料
D.SiO2是一种酸性氧化物,它可以与NaOH溶液反应,但不与任何酸反应
答案:B
解析:SiO2不溶于水也不与水反应,A项错误;B项正确;光导纤维不导电,C项错误;SiO2是酸性氧化物,能与强碱反应,能与氢氟酸反应,D项错误。
答案:D
解析:BaCO3沉淀在酸性环境中不易生成,即CO2与Ba(NO3)2溶液不能反应生成BaCO3沉淀。
4.露置于空气中一段时间后的水玻璃会变浑浊。向此浑浊液体中加入稀盐酸,会生成白色胶状沉淀,同时伴随有气泡产生。用化学方程式解释产生上述现象的原因。
(1)溶液变浑浊: 　 。
(2)生成白色沉淀: 　 。
(3)产生气泡: 　 。
答案:(1)Na2SiO3+CO2+H2O═H2SiO3↓+Na2CO3
(2)Na2SiO3+2HCl═H2SiO3↓+2NaCl
(3)Na2CO3+2HCl═2NaCl+CO2↑+H2O第三节　无机非金属材料
课后·训练提升
合格考过关检验
1.随着“5G”时代的到来,以光导纤维为基础的信息高速通道更显重要。制造光导纤维的材料是(　　)。
A.晶体硅 B.二氧化硅
C.铜合金 D.不锈钢
答案B
解析二氧化硅具有良好的光学特性,制造光导纤维的主要原料为二氧化硅。
2.我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世,填补了我国在计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的叙述中正确的是(　　)。
A.晶体硅和金刚石的物理性质相似
B.晶体硅是非金属单质,常温下不与任何酸反应
C.晶体硅是一种良好的导电材料
D.晶体硅具有金属光泽,故它属于金属材料
答案A
解析A项,晶体硅和金刚石的熔点高、硬度大,具有相似的物理性质。B项,常温下,晶体硅可与HF溶液反应。C项,晶体硅是一种良好的半导体材料,已经广泛应用于电子器件及电脑配件。D项,晶体硅属于无机非金属材料。
3.下列叙述正确的是(　　)。
①高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅
②SiO2与水反应生成H2SiO3
③二氧化硅不与任何酸反应,可用石英制造耐酸容器
④SiO2是酸性氧化物,能与NaOH溶液反应
⑤CO2与SiO2化学式相似,物理性质也相似
A.①②③ B.②③
C.①④ D.①②③④⑤
答案C
解析②项,SiO2不溶于水,也不与水反应;③项,用石英制造的耐酸容器不能用于盛放氢氟酸;⑤项,CO2、SiO2的结构不同,物理性质不同。
4.下列有关化学材料的说法错误的是(　　)。
A.碳纳米管比表面积大,可用于新型储氢材料
B.石墨烯是一种电阻率低、热导率高的新型无机非金属材料
C.二氧化硅可用作光导纤维,属传统无机非金属材料
D.金刚砂(SiC)是新型陶瓷,可用作耐高温材料
答案C
解析二氧化硅可用作光导纤维,但属于新型无机非金属材料,故C项错误。
5.纯二氧化硅可用下列流程制得。下列说法不正确的是 (　　)。
A.X可用作木材防火剂
B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4H2SiO3↓+Na2SO4
C.步骤Ⅱ中的Y生成可用SiO2与水反应代替
D.步骤Ⅲ若在实验室完成,一般在坩埚中进行
答案C
解析硅酸钠耐高温具有阻燃性,可用作木材防火剂,故A项正确。硅酸钠与稀硫酸反应生成硅酸,所以步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4H2SiO3↓+Na2SO4,故B项正确。SiO2与水不反应不能够生成硅酸,故C项错误。灼烧固体一般在坩埚中进行,故D项正确。
6.无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两类。
(1)用Na2SiO3溶液浸泡过的棉花不易燃烧,体现Na2SiO3的用途之一为可作　　 　　　的原料。
(2)SiO2是玻璃的成分之一,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)熔融烧碱应选用的坩埚是　　　　。
A.铁坩埚 B.玻璃坩埚
C.石英坩埚 D.瓷坩埚
答案(1)防火剂　
(2)SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O　氢氟酸　
(3)A
解析(1)Na2SiO3的水溶液又称“水玻璃”,它具有阻燃的功能,因此可作防火剂。(2)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为SiO2+2NaOHNa2SiO3+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)玻璃坩埚、石英坩埚、瓷坩埚中均含SiO2,SiO2可以与烧碱反应。
等级考素养提升
1.某蛇纹石可看作由SiO2、MgO、Na2O、K2O、Fe2O3组成,通过下图流程可由蛇纹石制备较纯净的二氧化硅。下列说法正确的是(　　)。
A.步骤①中涉及SiO2的反应的离子方程式为SiO2+2OH-Si+H2O
B.滤渣A的成分有K2O、Na2O、MgO和Fe2O3
C.检验步骤②中沉淀是否洗净的方法是向洗涤液中滴加酚酞看是否变色
D.实验室进行步骤③需要用到的主要仪器有蒸发皿、酒精灯、玻璃棒和三脚架
答案A
解析在步骤①中SiO2与NaOH溶液发生反应产生Na2SiO3和H2O,离子方程式为SiO2+2OH-Si+H2O,A项正确;加入足量NaOH溶液时,SiO2与NaOH溶液发生反应生成可溶性Na2SiO3,Na2O、K2O与水反应生成NaOH、KOH进入滤液A,而MgO、Fe2O3不与NaOH溶液反应,故滤渣A的成分有MgO和Fe2O3,B项错误;步骤②中H2SiO3沉淀是从含有Cl-的溶液中过滤出来的,因此检验沉淀是否洗净可看最后一次洗涤液中是否含有Cl-,所需试剂为硝酸酸化的AgNO3溶液,C项错误;步骤③是高温煅烧,实验室进行步骤③需要用到的主要仪器有坩埚、坩埚钳、泥三角、酒精灯、玻璃棒和三脚架,D项错误。
2.由二氧化硅制备高纯硅的流程如下,已知常温下SiHCl3是液体,下列判断错误的是(　　)。
A.①②③均属于氧化还原反应
B.H2和HCl均可循环利用
C.SiO2是一种熔点较低的固体
D.充分冷却后可用过滤的方法分离Si和SiHCl3
答案C
解析反应①为SiO2+2CSi+2CO↑,反应②为Si(粗)+3HClSiHCl3+H2,反应③为SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl,三个化学方程式中元素的化合价均发生变化,均属于氧化还原反应,故A项正确;由生产高纯硅的流程示意图可知,H2和HCl既是反应物,又是生成物,所以H2和HCl均可重复利用,故B项正确;SiO2是硬度大、熔点高的固体,故C项错误;充分冷却后,Si固体和SiHCl3液体可使用过滤的方法分离,D项正确。
3.下列说法中不正确的是(　　)。
A.制备粗硅的化学方程式为SiO2+2CSi(粗硅)+2CO↑
B.若a、b、c分别为Si、SiO2、H2SiO3,则可以通过一步反应实现如图所示的转化关系
C.CO2和SiO2都可溶解在NaOH溶液中
D.SiO2属于酸性氧化物
答案B
解析工业制造粗硅的化学方程式为SiO2+2CSi(粗硅)+2CO↑,故A项正确。SiO2不溶于水,不能一步生成H2SiO3,故B项错误。CO2和SiO2都是酸性氧化物,所以都能与NaOH反应,故C、D项正确。
4.晶体硅是一种重要的非金属材料。
已知SiHCl3能与H2O剧烈反应,在空气中易自燃。
请回答下列问题。
(1)制备粗硅的化学方程式为 　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)用SiHCl3(沸点33.0 ℃)与过量H2反应制备纯硅的装置如下(热源及夹持装置略去)。
①装置B中的试剂是　　　　　　。装置C中的烧瓶需要水浴加热,其目的是　。
②反应一段时间后,装置D中观察到的现象是　　　　　　　　　　,装置D不能采用普通玻璃管的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　,装置D中发生反应的化学方程式为　 　　　　　　　　　　　　　　　　　。
③为保证制备纯硅实验的成功,操作的关键是检查实验装置的气密性,控制好反应温度以及　　　　　　　　　　。
④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质,将试样用稀盐酸溶解,取上层清液后需再加入的试剂是　　　　(填字母)。
a.碘水 b.氯水
c.NaOH溶液 d.KSCN溶液
e.Na2SO3溶液
答案(1)SiO2+2CSi+2CO↑
(2)①浓硫酸　使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
②有固体物质生成　在1 100 ℃下,普通玻璃会软化　SiHCl3+H2Si+3HCl　③排尽装置中的空气
④bd
解析(1)粗硅可以用碳还原二氧化硅的办法来制得,故反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑。
(2)①因SiHCl3能与水剧烈反应,故A中产生的H2必须干燥,故B中的液体一定为浓硫酸,且C中烧瓶需水浴加热,其目的是使SiHCl3汽化,与H2充分混合。②根据题给信息,石英管中产生的物质应为硅,故D中现象是有固体产生,由题给信息,制纯硅的反应条件为1 100 ℃,此温度下普通玻璃容易软化。③因高温下H2与O2容易反应而爆炸,SiHCl3在空气中易自燃,故还应排尽装置中的空气。④铁与盐酸反应产生Fe2+,其检验方法常常采用先将Fe2+氧化为Fe3+,再加入KSCN溶液看是否变红色来检验。

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