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第三章 非金属元素及其化合物
第4讲 无机非金属材料
1.我国在科技上不断取得重大成果。下列各项中使用的材料不属于无机非金属材料的是(　　)
A.应用于5G手机中的石墨烯导热膜 B.用于吊装港珠澳大桥的超高分子量聚乙烯纤维吊绳 C.“嫦娥五号”探测器使用的砷化镓太阳能电池板 D.“神舟十四号”载人飞船使用的石英挠性加速度计
【解析】B 石墨烯是由碳元素形成的单质,属于无机非金属材料;聚乙烯纤维是有机高分子材料,不属于无机非金属材料;砷化镓是一种半导体材料,属于无机非金属材料;石英的主要成分是SiO2,属于无机非金属材料。
2.由于石墨烯独特的结构，在石墨烯薄膜上施加较低的电压(1～10 V)即可产生较高的热量，平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了20 ℃能发热4 h的智能服饰，向世界展现了新时代的中国形象，下列说法错误的是(　　)
A．石墨烯是能导热的金属材料
B．石墨烯属于单质
C．石墨烯能导电
D．在石墨烯薄膜上施加电压，使电能转化为热能
【解析】A　石墨烯属于碳单质，是能够导热、导电的非金属材料，A错误，B、C正确；根据题干信息可知，在石墨烯薄膜上施加较低的电压(1～10 V)即可产生较高的热量，使电能转化为热能，D正确。
3.建盏是久负盛名的陶瓷茶器,承载着福建历史悠久的茶文化。关于建盏,下列说法错误的是(　　)
A.高温烧结过程包含复杂的化学变化
B.具有耐酸碱腐蚀、不易变形的优点
C.制作所用的黏土原料是人工合成的
D.属硅酸盐产品,含有多种金属元素
【解析】C　制造陶瓷的主要原料是黏土,由自然界中获取,不是人工合成的,C错误。
4.(2023·南京模拟)“十四五”工作报告强调，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，从沙滩到用户，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．半导体工艺中用刻蚀剂——电子级氟化氢可加压保存在玻璃罐体中
【解析】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，从沙滩到用户，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。
5.“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，描绘了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
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】C　陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；制普通硅酸盐水泥的原料是黏土和石灰石，B项错误；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。
6.(2023福建龙岩模拟)科研人员发现,在-50 ℃环境中,用水可制得直径在800 nm~10 μm的光纤,其性能与石英光纤相似。下列说法正确的是(　　)
A.石英光纤的主要成分是硅
B.冰的密度比液态水小,是由于前者含有更多的氢键
C.冰光纤是一种胶体,具有丁达尔现象
D.冰光纤和石英光纤都是分子晶体
【解析】B　石英光纤的主要成分是二氧化硅,A错误;水分子间存在氢键,冰中水分子空间排列有规则,分子间存在较多的氢键,增大了水分子之间的距离,故冰的密度比液态水小,B正确;冰光纤的构成微粒只有H2O一种,属于纯净物,不属于胶体,不具有丁达尔现象,C错误;冰光纤的构成微粒是H2O,属于分子晶体,而石英光纤则属于共价晶体,二者的晶体类型不相同,D错误。
7.某学习小组拟探究CO2和锌粒反应是否生成CO，已知CO能与银氨溶液反应产生黑色固体。实验装置如图所示：
下列说法正确的是(　　)
A．实验开始时，先点燃酒精灯，后打开活塞K
B．b、c、f中试剂依次为氢氧化钠溶液、浓硫酸、银氨溶液
C．装置e的作用是收集一氧化碳气体
D．用上述装置(另择试剂)可以制备氢气并探究其还原性
【解析】D　实验开始时，装置内含有空气，若先点燃酒精灯，锌与空气反应产生ZnO，无法使CO2与Zn反应，所以应该先打开活塞K，使CO2充满整个装置后再点燃酒精灯，A错误；b中饱和碳酸氢钠溶液用来除去HCl，c中浓硫酸用来干燥CO2气体；f中试剂为银氨溶液，验证一氧化碳的存在，B错误；装置e的作用是安全瓶，防止装置f中的液体倒吸入装置d中，C错误；由于在实验室中是用稀盐酸与Zn粒反应制取氢气，反应不需要加热，因此也可以使用启普发生器制取，然后用饱和食盐水或水除HCl杂质，用浓硫酸干燥氢气，再通过盛有CuO的硬质玻璃管来验证H2的还原性，e作安全瓶，可以防止倒吸现象的发生，氢气是可燃性气体，在排放前要进行尾气处理，D正确。
8.中国努力争取2060年前实现碳中和。利用NaOH溶液喷淋捕捉空气中的CO2，反应过程如图所示。下列说法错误的是(　　)
A．捕捉室中NaOH溶液喷成雾状有利于吸收CO2
B．环节a中物质分离的基本操作是蒸发结晶
C．反应过程中CaO和NaOH是可循环的物质
D．可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液捕捉CO2
【解析】B　NaOH溶液喷成雾状，可增大反应接触面积，提高CO2吸收率，A正确；环节a为Na2CO3和Ca(OH)2反应生成CaCO3，需从溶液中过滤出来再高温煅烧，故基本操作不是蒸发结晶，B错误；NaOH和CaO在流程中既有消耗，也有生成，可循环利用，C正确；Na2CO3可以和CO2反应，因此可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液，D正确。
9.高纯硅是制作光伏电池的关键材料，如图是一种生产高纯硅的工艺流程示意图：
已知：①流化床反应器内的主反应：Si＋3HClSiHCl3＋H2；
②还原炉内的主反应：SiHCl3＋H2Si＋3HCl；
③SiHCl3极易水解：SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl。
回答下列问题：
(1)石英砂的主要成分为SiO2，SiO2是一种酸性氧化物，能与烧碱反应生成盐和水，下列物质中也能与烧碱反应生成盐和水的是__________(填字母)。
A．Al B．Al2O3
C．CuO D．NaHCO3
SiO2能在一种常见的酸中溶解，生成一种气态含硅物质，这种酸的电子式为_____________。
(2)电弧炉中生成粗硅，反应的化学方程式为__________________________。
若电弧炉中焦炭过量，还会有SiC生成，石英砂和焦炭生成SiC的反应中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为______________。
(3)整个操作流程都需隔绝空气，原因是__________________________(答出两条即可)。
(4)流化床反应器中除SiHCl3外，还可能发生副反应，生成其他含硅化合物(如SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等)，可以用蒸馏的方法加以分离，该操作方法的理论依据是__________________。
(5)上述操作流程中可以循环利用的物质是____________________________。
【答案】(1)BD　　(2)SiO2＋2CSi＋2CO↑　1∶2　(3)防止SiHCl3发生水解；防止硅被氧化；防止氢气与氧气反应而发生爆炸(任写两条即可)　(4)各组分沸点相差较大　(5)H2、HCl
【解析】(1)铝与氢氧化钠溶液反应生成Na[Al(OH)4]和氢气，故A不符合题意；氧化铝与氢氧化钠溶液反应生成Na[Al(OH)4]，故B符合题意；氧化铜与氢氧化钠溶液不反应，故C不符合题意；碳酸氢钠与氢氧化钠溶液反应生成碳酸钠和水，故D符合题意。SiO2能在一种常见的酸中溶解，生成一种气态含硅物质，这种酸为HF，HF属于共价化合物，其电子式为。(2)二氧化硅与碳在高温条件下反应生成粗硅和CO：SiO2＋2CSi＋2CO↑，石英砂和焦炭生成SiC的反应为SiO2＋3CSiC＋2CO↑，C元素化合价由0价降低为－4价，由0价升高为＋2价，C既是氧化剂又是还原剂，氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2。
10.(2023天津河西区模拟)硅及其化合物在生活生产中有广泛应用。请按要求回答下列问题。
(1)工业上制备高纯硅的示意图如下:
①根据下图所示物质反应过程中的能量变化,写出用石英砂和焦炭制取粗硅,同时生成CO的热化学方程式: 　。
②步骤Ⅱ产物中含有SiHCl3(沸点为33.0 ℃),还有少量SiCl4(沸点为57.6 ℃)和HCl(沸点为-85.1 ℃)。若先将步骤Ⅱ产物降至室温,提纯SiHCl3,方法是　　　　　。所用到的玻璃仪器除酒精灯、温度计、锥形瓶、尾接管外,还需要　　　　　、　　　　　。
(2)已知:硅的最高价氧化物对应的水化物有H2SiO3和原硅酸()。常温下,H2SiO3:=2.0×10-10、=1.0×10-12;H2CO3:=4.5×10-7、=4.7×10-11。
①向盛有饱和Na2SiO3溶液(滴有酚酞溶液)的试管中通入足量CO2;充分反应后,用激光笔照射上述液体时发现有光亮的通路。预测液体颜色的变化:　　　　;写出该反应的离子方程式: 。
②写出原硅酸脱水得到的产物(写两种)　　　　　、　　　　　。
【答案】(1)①SiO2(s)+2C(s)Si(s)+2CO(g)　ΔH=+638.4 kJ· mol-1　②蒸馏　蒸馏烧瓶　直形冷凝管
(2)①溶液红色变浅至褪色　Si+2CO2+2H2OH2SiO3(硅胶)+2HC　②H2SiO3　SiO2
【解析】(1)①根据两个反应过程能量变化图像可知:Si(s)+O2(g)SiO2(s)　ΔH=-859.4 kJ· mol-1、2C(s)+O2(g)2CO(g)　ΔH=-221.0 kJ· mol-1,用第二个方程式减去第一个方程式得出热化学方程式:SiO2(s)+2C(s)Si(s)+2CO(g)　ΔH=+638.4 kJ· mol-1。②SiHCl3(沸点为33.0 ℃)、SiCl4(沸点为57.6 ℃)、HCl(沸点为-85.1 ℃),它们的沸点不同,根据沸点的不同实现物质分离的方法为蒸馏或分馏,所用到的玻璃仪器除酒精灯、温度计、锥形瓶、尾接管外还需要蒸馏烧瓶和直形冷凝管。(2)①Na2SiO3溶液中Si发生水解而使溶液呈碱性,滴加酚酞开始溶液为红色,随着CO2通入,Na2SiO3反应生成H2SiO3,溶液碱性减弱,溶液由红色逐渐变无色;弱酸的电离平衡常数越大其酸性越强,根据题给数据可得酸性:H2CO3>
H2SiO3>HC>HSi,则Na2SiO3溶液与过量CO2反应生成硅酸和碳酸氢钠:Si+2CO2+2H2OH2SiO3(硅胶)+2HC。②原硅酸()脱去一分子水得到的产物是H2SiO3,脱去两分子水得到的产物是SiO2。

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