内容正文:
第三节 无机非金属材料
课程标准
核心素养
1.通过查阅资料,了解传统无机非金属材料的原料、成分,认识无机非金属材料在生产中的应用
2.通过硅、二氧化硅的结构及性质的学习,认识硅单质、二氧化硅在生产中的应用
3.通过新型无机非金属材料的学习,认识新型无机非金属材料在生产中的应用
①宏观辨识与
微观探析
能从二氧化硅、二氧化碳的结构的角度分析两者性质的差异,形成“结构决定性质”的观念
②科学态度与
社会责任
能通过无机非金属材料的学习,认识化学对社会发展的重要贡献,具有可持续发展意识,能对与化学有关的社会热点问题做出正确的价值判断
③证据推理与
模型认知
通过不能使用玻璃瓶放氢氟酸、不能用带玻璃塞的试剂瓶盛放碱液等原理的分析,培养证据意识,建立观点、结论和证据之间的逻辑关系
一、硅酸盐材料
1.无机非金属材料
2.传统无机非金属材料
产品
原料
主要成分
应用
陶瓷
黏土(含水的铝
硅酸盐)
生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具
普通
玻璃
纯碱、石灰石和石英砂 (SiO2)
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
生产建筑材料、光学仪器和各种器皿,还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料
水泥
黏土和石灰石 、
少量石膏
水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土
二、新型无机非金属材料
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)单质硅的制备
(3)硅和二氧化硅的用途
2.新型陶瓷
3.碳纳米材料
碳纳米材料在 能源、信息、医药 等领域有着广阔的应用前景。
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
单质硅的性质与制取
1.化学性质
(1)常温下能与氟气、氢氟酸、强碱等反应
2F2+Si===SiF4
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑,
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
(2)加热时能与氧气、氯气、碳等反应
Si+O2△,SiO2,Si+2Cl2△,SiCl4,
Si+CSiC。
2.制取
(1)粗硅的制取
2C+SiO22CO↑+Si(粗硅)。
(2)纯硅的制取
Si(粗硅)+2Cl2SiCl4,
SiCl4+2H2Si(纯硅)+4HCl。
[真情提示]
(1)Si、SiO2都能与氢氟酸反应;
(2)常见的单质中能与NaOH溶液反应产生H2的有金属Al,非金属Si。
(3)粗硅制备时,要隔绝空气,在电炉中进行,且生成的是CO而不是CO2。
[典例示范]
[典例1] 如图,已知:①单质E是一种半导体材料,可用于制造太阳能电池;②化合物F是不成盐氧化物;③化合物I是一种酸,它能够跟氧化物A发生反应,④2F2+2H2O===4HF+O2。据此,请回答下列问题:
(1)化合物F为 ________ 。
(2)化合物I为 ________ 。
(3)反应③的化学方程式为_________________________________________________。
[解析] 由题干中信息①②并结合框图中的反应①可推知E和F分别为Si和CO。反就①为SiO2+2CSi+2CO↑,则氧化物A是SiO2,它能与氢氟酸反应,不与其他酸反应,由此可判断化合物I为HF,结构框图转化关系可推出C为H2O,D为F2,G为H2,H为O2。
[答案] (1)CO (2)HF (3)2H2+O22H2O
[知识总结] 硅及其化合物的特殊性
(1)硅的还原性比碳强,而碳在高温下却能从二氧化硅中还原出硅。
SiO2+2CSi+2CO↑。
(2)非金属单质与强碱溶液反应一般不生成氢气,而硅却不然。
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
(3)一般情况下,活泼金属与酸发生置换反应生成氢气,非金属单质与非氧化性酸不反应,但硅例外。
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
(4)一般情况下,酸性氧化物不与酸反应,但SiO2能与氢氟酸反应。
SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
(5)一般情况下,较强的酸与较弱的酸的盐溶液反应,制得较弱的酸,如Na2SiO3+CO2+H2O===Na2CO3+H2SiO3(胶体)。但制玻璃时却发生了下列反应:
Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑。
(6)SiO2是熔点最高的非金属氧化物,H2SiO3是常温下呈固态的酸。
(7)硅酸钠叫泡花碱,但它是盐,水溶液俗称水玻璃,但它和玻璃的成分并不相同。
(8)硅与烧碱溶液反应的实质和铝与烧碱溶液反应的实质相似,其中的氧化剂都是水。
(9)硅具有“亲氟”性:
Si+2F2===SiF4 Si+4HF===SiF4↑+2H2↑
SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
[学以致用]
1.下列关于硅的说法中,错误的是( )
A.硅是非金属元素,它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体
B.单质硅和金刚石结构相似,但比金刚石硬度小,熔点低
C.硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质反应
D.加热到一定温度时,硅能与氯气、氧气等非金属反应
解析:C [硅虽然外形像金属(有金属光泽),但实际上属于非金属;硅原子与碳原子最外层电子数相同,晶体结构相似,但硅晶体比金刚石的硬度小,熔点低;硅的化学性质不活泼(尤其是在常温下),但高温能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应,加热至一定温度时,硅还能与氯气、氧气等非金属发生反应。]
硅酸盐的表示方法
1.硅酸盐由于组成比较复杂,常用氧化物形式来表示。
2.氧化物的顺序;活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。
3.氧化物前系数配置原则:除氧元素外,其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。
(1)氧化物之间以“·”隔开;
(2)系数配置出现分数应化为整数。
例如;正长石KAlSi3O8不能写成
K2O·Al2O3·3SiO2,应写成K2O·Al2O3·6SiO2。
[典例示范]
[典例2] 有一种矿石,经测定镁、硅、氧元素的质量比为12∶7∶16。
(1)用盐的组成表示其化学式:____________________________________;
(2)用氧化物的组成表示其化学式:_______________________________________;
(3)该矿石的成分属于 ________ (填物质的分类)。
[思路点拨] →→
[解析] n(Mg)∶n(Si)∶n(O)=∶∶=2∶1∶4。
[答案] (1)Mg2SiO4 (2)2MgO·SiO2 (3)硅酸盐
由于硅酸盐的组成与结构很复杂,为了简化对硅酸盐组成的表示方法,采用了氧化物法。实际上硅酸盐不是以简单氧化物形式存在的,而是以一种结构复杂的盐的形式存在的。
[学以致用]
2.矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中可溶部分生成的,此处所指的风化作用是指矿物与水和CO2同时作用的过程。
例如正长石(KAlSi3O8)风化生成高岭土[Al2Si2O5(OH)4],此反应的离子方程式为:
2KAlSi3O8+2H2CO3+5H2O===2K++2HCO+4H2SiO3+Al2Si2O5(OH)4
(1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式。
①KAlSi3O8____________________________________________________;
②Al2Si2O5(OH)4________________________________________________________;
(2)上述反应能够发生的原因是__________________________________________。
解析:(1)将复杂硅酸盐化学式改写成氧化物时,只需将除O以外所有的元素写出其常见氧化物,并用“·”将它们合并起来,但需注意各种原子个数比符合原来的组成比。在某种(或几种)氧化物前加合适的系数。
①KAlSi3O8:K2O·Al2O3·6SiO2;②Al2Si2O5(OH)4:Al2O3·2SiO2·2H2O。
(2)分析反应前后物质的种类,可知属于酸与盐发生的复分解反应,是由于酸性:H2CO3>H2SiO3,发生了较强的酸制取较弱的酸的反应。
答案:(1)①K2O·Al2O3·6SiO2
②Al2O3·2SiO2·2H2O
(2)较强的酸能制取较弱的酸
1.在制玻璃、制水泥两种工业生产中,都需要原料( )
A.纯碱 B.石灰石
C.石英 D.黏土
解析:B [制玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英;制水泥的原料是石灰石、黏土等。相互对比后可知B项为正确答案。]
2.硅是无机非金属材料的主角。下列物质含有硅单质的是( )
A.光导纤维 B.太阳能电池板
C.水玻璃 D.水晶
解析:B [光导纤维的主要成分是二氧化硅,A项错误;硅是半导体,用于制作太阳能电池板,B项正确;水玻璃的主要成分是硅酸钠,C项错误;水晶的主要成分是二氧化硅,D项错误。]
3.下列生活、生产中用到的材料属于新型无机非金属材料的是( )
A.玻璃钢 B.纯碱
C.压电陶瓷 D.钢化玻璃
解析:C [A.玻璃钢属于复合材料,选项A错误;B.纯碱是碳酸钠,不属于新型无机非金属材料,选项B错误;C.压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料,属于新型无机非金属材料,选项C正确;D.钢化玻璃属于无机非金属材料,选项D错误。]
4.石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的材料,可用来生产未来的超级计算机。构成石墨烯的元素是( )
A.碳 B.硅
C.银 D.铝
解析:A [石墨烯是从石墨中剥离出的碳单质。]
5.获取知识和信息是现代人不可缺少的素质信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动,信息产业的核心材料是高纯度的硅。下面是高纯度单晶硅的生产方法之一:
SiO2Si(粗硅)SiHCl3(沸点31.5 ℃)Si高纯硅―→单晶硅
近代用得较多的另一种方法(之二)是:用金属硅化物(Mg2Si)与盐酸作用制得硅烷(SiH4);再热分解硅烷可得高纯硅。单晶硅可用于制作大规模集成电路、整流器等,硅纯度越高,大规模集成电路的性能越好。
(1)从方法一生产单晶硅的过程看,由碳还原得到的硅为何还要进一步处理?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)写出方法二中,生产高纯硅的两个化学方程式:
①________________________________________________________________________
②________________________________________________________________________。
解析:(1)根据方法一的生产流程,可得如下化学方程式:SiO2+2C高温,Si(粗硅)+2CO↑,所得的粗硅中含有大量的其他杂质(如C、SiO2等),没有实际应用价值,将粗硅用HCl、Cl2处理转化为沸点低的SiHCl3,化学方程式为Si+Cl2+HClSiHCl3,低沸点的SiHCl3通过蒸馏极易将其分离提纯,然后将纯的SiHCl3在高温下用H2还原即可得到高纯度的Si蒸气,SiHCl3+H2Si+3HCl,再进行气相沉淀即可制得高纯度的硅,从而得到单晶硅。
答案:(1)由C还原SiO2得到的单质Si中,杂质含量过高,将它用HCl、Cl2处理得到低沸点的SiHCl3,便于蒸馏提纯,然后再还原得到高纯硅
(2)①Mg2Si+4HCl===2MgCl2+SiH4↑
②SiH4Si+2H2
一、 单项选择题
1.下列物质中,不含有硅酸盐的是( )
A.水玻璃 B.硅芯片
C.黏土 D.普通水泥
解析:B [水玻璃中含有硅酸钠,普通水泥中合有硅酸钙、铝酸钙,黏土含有复杂的硅酸盐,硅芯片中含的是硅单质。]
2.下列有关说法中错误的是( )
A.氢氟酸不能盛放在玻璃试剂瓶中
B.玻璃、水晶、陶瓷的主要成分均是硅酸盐
C.灼烧NaOH固体时不能使用瓷坩埚,因为坩埚中的SiO2能与NaOH反应
D.由沙子制备光伏材料时的反应之一为SiO2+2CSi+2CO↑
解析:B [A项,氢氟酸能腐蚀玻璃,所以氢氟酸不能盛放在玻璃试剂瓶中,正确;B项,水晶的主要成分是SiO2,不是硅酸盐,错误;C项,瓷坩埚是硅酸盐产品,坩埚中的SiO2能与NaOH反应,正确;D项,沙子的主要成分是SiO2,光伏材料的成分是晶体硅,由沙子制备光伏材料时的反应之一为SiO2+2CSi+2CO↑,正确。]
3.下列说法正确的是( )
A.工业制水泥、玻璃都要用到石灰石;制水泥、陶瓷都要用到黏土
B.刚玉、金刚砂、红宝石、蓝宝石的主要成分是氧化铝
C.石英、硅石、水晶、珍珠、玛瑙主要成分都是SiO2
D.氮化硅陶瓷、光导纤维,石英玻璃都属于新型无机非金属材料
解析:A [A.水泥的原料是石灰石、黏土、石膏等,玻璃的原料是石英、纯碱、石灰石等,陶瓷的原料是粘土等,因此工业制水泥、玻璃都要用到石灰石,制水泥、陶瓷都要用到黏土,故A正确;B.刚玉、红宝石、蓝宝石的主要成分是氧化铝,金刚砂的主要成分是碳化硅,故B错误;C.石英、硅石、水晶、玛瑙主要成分都是SiO2,珍珠的主要成分为碳酸钙,故C错误;D.氮化硅陶瓷、光导纤维属于新型无机非金属材料,石英玻璃属于传统无机非金属材料,故D错误。]
4.《天工开物》第七卷《陶埏(陶瓷)》中记载“水火既济而土合……后世方土效灵,人工表异,陶成雅器,有素肌、玉骨之象焉”,以上所述的“陶成雅器”的主要原料是( )
A.黏土
B.纯碱、石灰石、石英砂
C.黏土、石灰石
D.二氧化硅、硅酸钙、硅酸铝
解析:A [陶瓷的传统概念是指所有以黏土等无机非金属矿物为原材料,经过高温烧制而成的产品,题干中陶成雅器,水火既济而土合为陶器的生产工艺,所以所述的“陶成雅器”的主要原料是黏土,故选A。]
5.月球的矿产资源极为丰富,仅月面表层5 cm厚的沙土就含铁单质有上亿吨,月球上的主要矿物有辉石(CaMgSi2O6)、斜长石(KAlSi3O8)和橄榄石[(Mg或Fe)2SiO4]等,下列说法或分析不正确的是( )
A.辉石、斜长石及橄榄石均属于硅酸盐矿
B.橄榄石中铁为+2价
C.月球表层沙土中有游离态铁是因为月球的表面几乎没有氧气
D.斜长石的氧化物形式可表示为K2O·Al2O3·3SiO2
解析:D [A项,根据辉石(CaMgSi2O6)、斜长石(KAlSi3O8)和橄榄石[(Mg或Fe)2SiO4]的元素组成可知,它们均属于硅酸盐矿,正确;B项,橄榄石[(Mg或Fe)2SiO4]中根据化合价的代数和等于0可得+4+2x=8,解得x=2。正确;C项,铁属于活泼金属,由于月球表面没有氧气,所以月球上有游离态的铁,正确;D项,斜长石的氧化物形式可表示为K2O·Al2O3·6SiO2,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,所以二氧化硅属于两性氧化物
解析:C [CO2的熔、沸点低,SiO2的熔、沸点高,硬度大,两者都是酸性氧化物,但其物理性质差异很大,A错;高温下SiO2与CaCO3反应是因为产物CO2为气体,不能说明H2CO3的酸性比H2SiO3的弱,B错;SiO2只能与HF反应,不能与其他酸反应,不能说明SiO2是两性氧化物,D错。]
7.《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”、“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案让人赏心悦目,但古瓷中所用颜料成分一直是个谜,近年来科学家才得知大多为硅酸盐,如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox,铜为+2价),下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是( )
A.可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2
B.性质稳定,不易脱色
C.易溶解于强酸和强碱
D.x等于6
解析:C [“硅酸铜钡”能稳定存在说明其性质稳定,不易脱色,不易与酸、碱反应。“硅酸铜钡”中Ba为+2价,Cu为+2价,Si为+4价,则x=6,用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2,A、B、D均正确。]
二、不定项选择题
8.世界著名的科技史专家,英国剑桥大学的李约瑟博士考证说:“中国至少在3 000年以前,就已经使用玻璃了”。下列有关普通玻璃的说法不正确的是( )
A.制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英
B.玻璃在加热熔化时有固定的熔点
C.普通玻璃的主要成分只有硅酸盐
D.盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞,是为了防止烧碱与二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起
解析:BC [普通玻璃以纯碱、石灰石和石英为原料,经混合、粉碎,在玻璃窑中熔融制得,A项正确;玻璃是混合物,没有固定的熔点,B项错误;普通玻璃的大致组成为Na2O·CaO·6SiO2,包括硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅,C项错误;二氧化硅易与碱液反应生成Na2SiO3,Na2SiO3具有很强的黏合性,因此盛NaOH溶液等强碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞,D项正确。]
9.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;用铝合金管材和碳纤维制作了高2.35 m、重量仅为10 kg的熊猫木偶,向世界展现了新时代的中国形象。下列说法中不正确的是( )
A.石墨烯是能导热的金属材料
B.铝合金是密度较低的金属材料
C.碳纤维是耐低温的有机高分子材料
D.新型材料种类多、用途广
解析:AC [A.石墨烯不属于金属材料,属于非金属材料,故A说法错误;B.铝的密度较小,因此铝合金是密度较低的金属材料,故B说法正确;C.根据信息,用石墨烯制作了-20 ℃能发热4 h的智能服饰,碳纤维是由碳单质构成的,碳纤维是耐低温的无机非金属材料,故C说法错误;D.新型材料包括合金材料、合成材料、无机非金属材料。复合材料等,用途广泛,如涉及军事、信息等领域,故D说法正确。]
10.有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”等观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用,关于其有利因素的下列说法中,你认为不正确的是( )
A.硅便于运输、贮存,从安全角度考虑,硅是最佳的燃料
B.自然界中存在大量单质硅
C.硅燃烧放出的热量大,且燃烧产物对环境污染程度低,容易有效控制
D.自然界硅的贮量丰富
解析:B [自然界硅的贮量丰富,大多数是以SiO2和硅酸盐的形式存在,无单质硅存在;硅单质是固体,化学性质不活泼,所以硅便于运输、贮存,其燃烧产物SiO2对环境污染程度低,容易有效控制,故A、C、D项正确,B项错。]
三、非选择题
11.硅是信息高速公路的基石,通常以硅石(SiO2>99.0%,还有少量的Al2O3、Fe2O3等)为主要原料制备,主要流程如图所示。
(1)从硅石中得到粗硅的化学方程式是 ______________________ ,粗硅含有的杂质有铝、 ________ 等。
(2)二氧化硅与焦炭在高温下也能得到一种硬度仅次于金刚石的物质金刚砂(化学式为SiC,Si为+4价),原理是SiO2+3SiC+2CO↑,该反应中的氧化剂是 ________ 。
(3)若A是氯气,B是四氯化硅,精馏得到纯净SiCl4,温度应控制的范围是 ________ (填序号)。
物质
SiCl4
SiHCl3
FeCl3
AlCl3
熔点/℃
-70
-128.2
306
—
沸点/℃
57.6
31.85
315
181升华
a.55~60 ℃ B.180~200 ℃
c.300~320 ℃
则精馏分离出的杂质成分是 ____________ 。
(4)若A是HCl,B是SiHCl3,生产过程中可循环利用的物质是 ________ 。
解析:(1)从硅石中得到粗硅的化学方程式是SiO2+2CSi+2CO↑,同时焦炭将Al2O3、Fe2O3还原为单质铝和铁。
(2)反应SiO2+3CSiC+2CO↑,C的化合价有由0价升高到CO2中的+4价,也有由0价降低到SiC中的-4价,说明C既作氧化剂也作还原剂。
(3)若A是氯气,B是四氯化硅,精馏得到纯净SiCl4,从表中数据可知,控制温度55~60 ℃时,SiCl4与FeCl3、AlCl3分离。
(4)若A是HCl,B是SiHCl3,向B中通入H2发生反应:SiHCl3+H2Si+3HCl,HCl可循环利用。
答案:(1)SiO2+2CSi+2CO↑ 铁
(2)碳
(3)a FeCl3、AlCl3
(4)HCl
12.白炭黑(SiO2·H2O)广泛用于橡胶、涂料、印刷等行业,可用蛇纹石[主要成分为Mg(SiO10)(OH)8]来制取,其主要工艺流程如下:
(1)蛇纹石用氧化物形式可表示为
________________________________________________________________________。
(2)碱浸时,为提高其中硅酸盐的浸取率,除采用合适的液固比和循环浸取外,还可采用的方法有① ________________ ;
②________________________________________________________________________
(任举两种)。
(3)过滤1得到的滤液的主要成分是
________________________________________________________________________。
(4)向滤液中加入盐酸,发生反应的离子方程式为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(5)洗涤时,如何证明产品已洗涤干净?
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:该流程中,加NaOH溶液碱浸的目的是将蛇纹石转化成可溶性硅酸盐进入溶液,然后用盐酸和NaCl溶液将硅酸盐转化成硅酸从溶液中分离出来,再经过进一步处理获得白炭黑。(1)氧化物的排列顺序:活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水。(2)浸取的目的是将蛇纹石转化成可溶性硅酸盐。提高浸取率,可以从是否充分反应、充分接触等角度考虑。(3)碱浸后,溶液中含有可溶的硅酸钠,以及剩余的NaOH溶液。(4)Na2SiO3与盐酸反应的离子方程式为SiO+2H+===H2SiO3↓;NaOH溶液与盐酸反应的离子方程式为H++OH-===H2O。(5)从流程图可知,H2SiO3是从NaCl溶液中分离出来的,表面沾有Na+和Cl-,所以只要检验最后一次洗涤液中是否含有Cl-即可。
答案:(1)6MgO·4SiO2·4H2O
(2)升高碱液温度并搅拌 将矿石粉碎
(3)Na2SiO3、NaOH
(4)SiO+2H+===H2SiO3↓ H++OH-===H2O
(5)取少许最后一次洗涤液,滴入1~2滴硝酸酸化的AgNO3溶液,若不出现白色浑浊,表示已洗涤干净
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