第3講無機非金屬材料（原卷版）

第3講無機非金屬材料知識點1硅酸鹽材料1.硅酸鹽的組成與結構（1）硅酸鹽的組成硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱。它們種類繁多，結構復雜，組成各異，通常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示其組成，如硅酸鈣（CaSiO3）可表示為CaO·SiO2。硅酸鹽大多不溶于水，化學性質很穩(wěn)定。硅酸鹽的表示方法：復雜的硅酸鹽可用氧化物質的形式來表示。例：長石（KAlSi3O8）可表示為K2O·Al2O3·6SiO2(1)用氧化物的形式表示的硅酸鹽只是表示方式不同，不可認為硅酸鹽是由氧化物形成的混合物。(2)書寫方法:找出組成元素→寫成氧化物形式→注意原子守恒→檢查有無遺漏→氧化物之間以“·”隔開。(3)書寫順序:活潑金屬氧化物→較活潑金屬氧化物→SiO2→H2O。（2）硅酸鹽的結構在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氧四面體，其結構如圖所示。每個Si結合4個O，Si在四面體的中心，O在四面體的4個頂角;許多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接，每個O為兩個四面體所共有，與2個Si相結合。硅氧四面體結構的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質穩(wěn)定、耐腐蝕等特點。2.傳統(tǒng)的無機非金屬材料傳統(tǒng)的無機非金屬材料多為硅酸鹽材料，在日常生活中隨處可見，如陶瓷、玻璃和水泥等。（1）陶瓷原料及制作使用歷史應用以黏土（主要成分為含水的鋁硅酸鹽）為主要原料，經高溫燒結而成我們的祖先能燒制陶器，至唐宋時期，我國的陶瓷制品已經享譽海內外生產建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等（2）玻璃原料及制作應用以純堿、石灰石和石英砂（主要成分為SiO2）為原料，經混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發(fā)生復雜的物理變化和化學變化制得生產建筑材料、光學儀器和各種器皿，還可制造玻璃纖維用于高強度復合材料等（3）水泥原料及制作應用以黏土和石灰石為主要原料，二者與其他輔料經混合、研磨后在水泥回轉窯中煅燒，加入適量石膏調節(jié)水泥硬化速率，再磨成細粉得到普通的硅酸鹽水泥水泥、沙子和碎石等與水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程硅酸鹽產品中，水泥與陶瓷的共同原料是黏土，水泥與玻璃的共同原料是石灰石。知識點2硅1.硅單質的存在形式與結構單質硅可分為晶體硅和無定形硅兩種。晶體硅結構如圖所示，為具有正四面體形網狀結構的晶體，與金剛石結構相似。2.硅的性質（1）物理性質：晶體硅是一種帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔點高（1410℃）、硬度大、有脆性。晶體硅的導電性介于導體和絕緣體之間，是良好的半導體材料。（2）化學性質：硅原子最外層有4個電子，得失電子都較難，化學性質不活潑。①常溫下，除與F2、HF和強堿溶液反應外，硅不與其他物質（如強酸和強氧化劑）反應。Si+2F2SiF4Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑Si是能與NaOH溶液反應放出H2的非金屬單質，Al是能與NaOH溶液反應放出H2的金屬單質，推斷題中常以此作為突破口。②加熱時，硅能與O2、Cl2、C等發(fā)生化合反應。Si+O2△SiO2Si+2Cl2△SiCl43.硅單質的制備硅單質是由其氧化物制得的，分為兩個階段∶（1）粗硅的制備：SiO2+2C1800~2000℃Si（粗）+2CO↑（2）粗硅的提純∶Si（粗）＋3HCl300℃SiHCl3+H2;SiHCl3+H21100℃Si（純）＋3HCl。4.硅的用途（1）高純硅可以用來作半導體材料，超高純度的硅芯片廣泛應用于大規(guī)模集成電路及相應的計算機技術中。（2）單質硅用于制造晶體管、集成電路、硅整流器和光電池等。知識點3二氧化硅（1）二氧化硅的存在形式二氧化硅的俗名為硅石，天然二氧化硅分為結晶形和無定形兩種。（2）二氧化硅的結構與物理性質①結構：二氧化硅晶體的基本結構是以硅原子為中心，氧原子在四面體的4個頂角上，而這些四面體又通過頂角的氧原子相連接。即每個硅原子與周圍的4個氧原子結合，每個氧原子與2個硅原子結合，實際上，SiO2晶體是由Si原子和O原子按1∶2的比例所組成的立體網狀結構的晶體。SiO2是二氧化硅的化學式（表示組成），不是分子式。二氧化硅沒有分子式。②物理性質：純凈的二氧化硅是無色透明的，其熔沸點高、硬度大、不溶于水、也不導電。（3）二氧化硅的化學性質①穩(wěn)定性：二氧化硅的化學性質不活潑，在通常情況下，不與水、酸（氫氟酸除外）發(fā)生化學反應。②酸性氧化物的通性∶a.與堿反應生成鹽和水∶SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O;b.與堿性氧化物反應生成鹽：SiO2+CaO高溫CaSiO3。③弱氧化性（與碳反應）：SiO2+2C高溫Si+2CO↑。④與某些鹽反應∶SiO2+Na2CO3高溫Na2SiO3+CO2↑;SiO2+CaCO3高溫CaSiO3+CO2↑。⑤特性（與氫氟酸反應）：SiO2+4HFSiF4↑+2H2O。①石英坩堝和陶瓷坩堝的主要成分是SiO2不能用它們來加熱熔融氫氧化鈉固體。②SiO2是唯一一種既能與酸（氫氟酸）反應、又能與堿（NaOH等）反應的酸性氧化物，SiO2不屬于兩性氧化物。③SiO2與碳酸鹽在高溫下的反應遵循高沸點物質制取低沸點物質的原理，再加上CO2是氣體，生成后脫離反應體系，從而使反應向右進行到底。（4）二氧化硅的用途①以SiO2為主要成分的沙子是基本的建筑材料;②純凈的SiO2是現(xiàn)代光學和光纖制品的基本原料;③石英和瑪瑙可制作飾物和工藝品;④水晶可用來制造電子工業(yè)中的重要部件。知識點4新型陶瓷碳納米材料1.新型陶瓷新型陶瓷在組成上不再限于傳統(tǒng)的硅酸鹽體系，在光學、熱學、電學、磁學等方面具有很多新的特性和功能，進一步拓展了陶瓷的應用領域。碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，是一種常見的新型陶瓷。SiC中的碳原子和硅原子通過共價鍵連接，具有類似金剛石的結構，硬度很大，可用作砂紙和砂輪的磨料。碳化硅還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，使用溫度可達1600℃，大大超過了普通金屬材料所能承受的溫度，可用作耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料等。新型陶瓷新型陶瓷有高溫結構陶瓷、壓電陶瓷、透明陶瓷和超導陶瓷等。①高溫結構陶瓷一般用碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒結而成，具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)良性能。②壓電陶瓷主要有鈦酸鹽和鋯酸鹽等，能實現(xiàn)機械能與電能的相互轉化。③透明陶瓷具有優(yōu)異的光學性能，耐高溫，絕緣性好，可用于高壓鈉燈、激光器和高溫探測窗等。④超導陶瓷在某一臨界溫度下電阻為零，具有超導性。2.碳納米材料碳納米材料是一類新型無機非金屬材料，主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫(yī)藥等領域有著廣闊的應用前景。（1）富勒烯是由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱，其中的C60是富勒烯的代表物。（2）碳納米管可以看成是由石墨片層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑。碳納米管的比表面積大，有相當高的強度和優(yōu)良的電學性能，可用于生產復合材料、電池和傳感器等。（3）石墨烯是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨，其獨特的結構使其電阻率低、熱導率高，具有很高的強度。作為一種具有優(yōu)異性能的新型材料，石墨烯在光電器件、超級電容器、電池和復合材料等方面的應用研究正在不斷深人。重難點1：硅的"反常"性質1.硅單質的特殊性（1）Si的還原性強于C，但C卻能在高溫下還原出Si：SiO2+2C高溫Si+2CO↑;（2）非金屬單質一般不與非氧化性酸反應，但Si能與HF反應：Si＋4HFSiF4↑+2H2↑;（3）非金屬單質與堿溶液反應一般既作氧化劑又作還原劑，且無氫氣放出，但硅與堿溶液反應只作還原劑，且放出氫氣：Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑。（4）非金屬單質大多為絕緣體，但晶體硅為半導體。2.含硅化合物的特殊性（1）SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接與水反應制備H2SiO3;（2）酸性氧化物一般不與酸反應，但SiO2能與HF反應：SiO2+4HFSiF4↑+2H2O;（3）無機酸一般易溶于水，但H2SiO3難溶于水;（4）因H2CO3的酸性強于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入少量CO2能發(fā)生反應：Na2SiO3＋CO2＋H2OH2SiO3↓＋Na2CO3。但在高溫下SiO2＋Na2CO3高溫Na2SiO3+CO2↑也能發(fā)生，該反應之所以能發(fā)生，是因為反應不是在水溶液中進行的，在高溫條件下生成的CO2氣體從反應體系中逸出，從而使反應能夠繼續(xù)進行。重難點2二氧化碳和二氧化硅的比較物質CO2SiO2構成CO2分子硅原子和氧原子按1∶2的比例組成的立體網狀結構的晶體，無SiO2分子物理性質氣體，熔、沸點低，能溶于水(1:1)固體，熔、沸點高，硬度大，不溶于水化學性質與堿溶液2NaOH+CO2(少量)Na2CO3+H2ONaOH+CO2(足量)NaHCO3SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O與水CO2+H2OH2CO不反應與碳C+CO2高溫2COSiO2+2C高溫Si+2CO↑與酸不反應只與氫氟酸反應：SiO2+4HFSiF4↑+2H2O與堿性氧化物Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2OH2SiO3↓＋Na2CO3SiO2＋Na2CO3高溫Na2SiO3+CO2↑與鹽CaCO3＋CO2＋H2OCa(HCO3)2SiO2＋CaCO3高溫CaSiO3+CO2↑用途合成肥料，干冰用于人工降雨制飾品、坩堝、光導纖維【典例1】下列關于SiO2的說法錯誤的是A．與NaOH溶液反應生成鹽 B．高溫下能與CaO反應生成鹽C．純凈的SiO2是光纖制品的基本原料 D．能與氫氟酸反應，屬于堿性氧化物【典例2】在無機非金屬材料中，硅一直扮演著重要的角色。下列說法正確的是A．碳化硅(俗稱石英砂)可用作變壓器鐵芯B．SiO2屬于兩性氧化物，可以與HF反應：SiO2+4HF=SiF4↑+2H2OC．CO2和SiO2都能與碳反應，且都作氧化劑D．高溫下，能發(fā)生SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2↑，可以證明H2SiO3的酸性大于碳酸1．硅是組成無機非金屬材料的一種主要元素，下列有關硅的化合物的敘述錯誤的是A．氮化硅陶瓷是一種新型無機非金屬材料，氮化硅的化學式為B．碳化硅的硬度大，熔點高，可用于制作高溫結構陶瓷和軸承C．光導纖維是一種新型無機非金屬材料，其主要成分為D．氮化硅、氧化鋁、碳化硅和二氧化鋯都可作為制高溫結構陶瓷的材料2．下列有關硅及其化合物的說法中錯誤的是A．太陽能電池可采用硅材料制作，其應用有利于環(huán)保、節(jié)能B．SiO2是一種空間立體網狀結構的晶體，熔點高、硬度大C．SiO2有導電性，所以SiO2可用于制備光導纖維D．三峽大壩使用了大量水泥，水泥是硅酸鹽材料3．下列說法正確的是A．某黃色溶液與淀粉KI溶液混合后呈藍色，說明該溶液一定是氯水B．NaOH溶液可盛放在帶磨口玻璃塞的玻璃瓶中，也可盛放在帶橡膠塞的玻璃瓶中C．若用制取硅酸，應先使二氧化硅與氫氧化鈉溶液反應，然后再通入D．由可知，硅酸的酸性強于碳酸4．下列說法正確的是A．陶瓷是一種常見硅酸鹽材料，可以用陶瓷坩堝熔融純堿B．在自然界以游離態(tài)存在C．溶液可與反應D．屬于酸性氧化物，不與任何酸反應5．下列說法正確的是A．SiO2屬于酸性氧化物，不與任何酸反應B．制造陶瓷的主要原料是石灰石和黏土C．制普通玻璃的原料主要成分是純堿、石灰石和石英D．我國科學家近年來研制出一種新型“連續(xù)纖維增韌”航空材料(主要成分是由碳化硅陶瓷和碳纖維復合而成的)，它比鋼鐵輕、硬，但質地較脆6．明代“釉里紅梅瓶”是南京博物館的鎮(zhèn)館之寶。燒造“釉里紅”，需要將含有銅元素為呈色劑的彩料，精準地在1300℃窯火中一次燒成，下列有關說法不正確的是A．陶瓷是以黏土為主要原料經高溫燒結而成，屬于傳統(tǒng)無機非金屬材料B．黏土可以表示為Al2O3·2SiO2·2H2O，是由幾種氧化物組成的混合物C．“釉里紅”燒造時發(fā)生的反應可能為4CuO2Cu2O+O2↑D．“釉里紅”瓷器保存時應避開酸性物質，避免損傷釉彩7．由粗(含少量、雜質)制備純的流程如圖所示，下列說法錯誤的是A．X可用作木材防火劑B．步驟II中的主要反應是C．若在實驗室中完成步驟III，一般在坩堝中進行D．步驟II中的稀硫酸不可用代替8．下列有關物質的說法錯誤的是A．水玻璃可用作木材防火劑 B．氧化鐵常用作紅色油漆和涂料C．氨常用作制冷劑 D．二氧化硅可以和水直接反應制取硅酸9．下列說法正確的是A．工業(yè)上制粗硅的反應為，反應中還原劑與氧化劑的質量比為5：2B．制造陶瓷的主要原料是石灰石和黏土C．制普通玻璃的原料主要成分是純堿、石灰石和石英D．我國科學家近年來研制出一種新型“連續(xù)纖維增韌”航空材料(主要成分是由碳化硅陶瓷和碳纖維復合而成的)，它比鋼鐵輕、硬，但質地較脆10．氮化硅(Si3N4)是一種重要的結構陶瓷材料。用石英砂和原料氣(含N2和少量O2)制備Si3N4的操作流程如下(粗硅中含少量Fe、Cu的單質及化合物)：下列敘述正確的是A．“還原”時反應的方程式為SiO2＋CSi＋CO2B．“高溫氮化”合成反應中N2是還原劑C．“操作X”可將原料氣通過灼熱的銅粉D．“稀酸Y”選用稀硫酸除去產物中的雜質11．（多選）下列說法正確的是A．高純硅可用于制作光感電池B．二氧化硅導電能力強，可用于制造光導纖維C．盛裝溶液的試劑瓶可以使用玻璃塞D．利用氫氟酸刻蝕石英制作藝術品運用了氫氟酸可與反應的化學原理12．按要求回答問題。Ⅰ．(1)硅酸鹽種類繁多，結構復雜，組成各異，通常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示其組成，則KAlSi3O8可表示為________________________，Al2Si2O5(OH)4可表示為________________________。(2)將0.2mol鈉和鋁的混合物溶于足量的鹽酸中，產生3136mL(標準狀況下)氫氣，則鈉和鋁的物質的量之比為___________；寫出鈉與足量鹽酸反應的化學方程式__________________________________。Ⅱ．將3.8gNa2CO3和NaHCO3的混合物充分加熱，混合物質量減少了0.62g。求：(1)混合物中NaHCO3的質量___________。(2)若將等質量的混合物與含有1.46gHCl的稀鹽酸反應，生成氣體的的質量為___________。13．高純二氧化硅可用來制造光纖。某蛇紋石的成分見下表：組分SiO2MgONa2OK2OFe2O3質量分數(shù)/%59.2038.800.250.500.8通過下圖流程可由蛇紋石制備較純凈的二氧化硅。(1)蛇紋石中涉及的可溶性金屬氧化物有_______(寫化學式)。(2)步驟①中涉及SiO2反應的離子方程式為_______。(3)濾渣的成分有_______(填化學式)。(4)步驟②中洗滌沉淀的方法是_______(5)步驟③反應的化學方程式為____；實驗室進行步驟③需要用到的主要儀器有____、泥三角、酒精燈和____14．晶體硅(熔點1410℃)是良好的半導體材料。由粗硅制純硅的過程如下：I.高溫下用過量的碳還原二氧化硅制得粗硅；II.粗硅與干燥的HCl氣體反應制得SiHCl3(Si＋3HClSiHCl3＋H2)；III.SiHCl3與過量的H2在1100～1200℃的溫度下反應制得純硅，已知SiHCl3能與水劇烈反應。(1)第一步用焦炭與石英砂制取粗硅，其反應的化學方程式為_______；上述反應中的氧化劑是_______，還原劑是_______。(2)粗硅與HCl氣體反應完全后，經冷凝得到的SiHCl3(沸點33.0℃)中含有少量SiCl4(沸點57.6℃)和HCl(沸點84.7℃)，提純SiHCl3采用的方法為_______。(3)實驗室用SiHCl3與過量的H2反應制取純硅裝置如圖所示(加熱和夾持裝置略去)：①裝置B中的試劑是_______，裝置C中的燒杯需要加熱，目的是_______。②反應一段時間后，裝置D中觀察到的現(xiàn)象是_______，裝置D不能采用普通玻璃管的原因是_______，裝置D中發(fā)生反應的化學方程式是_______。③為保證制備純硅實驗的成功，操作的關鍵是檢查實驗裝置的氣密性，控制好反應溫度以及_____。15．I.硅單質及其化合物用途廣泛，請回答下列問題：(1)制備硅半導體材料必須先得到高純硅?三氯硅烷(SiHCl3)還原法是當前制備高純硅的主要方法，生產過程示意圖如圖：寫出由純SiHCl3制備高純硅的化學反應方程式：____?(2)在人體器官受到損傷時，需要使用一種新型無機非金屬材料來植入體內，這種材料是____(填序號)。A．高溫結構陶瓷

B．生物陶瓷

C．導電陶瓷II.某?；瘜W興趣小組按如圖所示裝置進行實驗，驗證木炭與濃硫酸反應放出的氣體是SO2、CO2和少量CO?回答下列問題：(3)連接裝置后，先進行的操作是____；儀器a的名稱為____?(4)洗氣瓶①②中溶液褪色，體現(xiàn)的二氧化硫的性質依次為____(填序號)?A．氧化性?還原性 B．漂白性?還原性 C．漂白性?氧化性 D．還原性?漂白性(5)洗氣瓶②中酸性高錳酸鉀溶液不能用足量的新制氯水代替的原因是____?(6)上述實驗證明木炭與濃硫酸反應放出的氣體中有少量CO的實驗現(xiàn)象是____?16．已