5.3 无机非金属材料（同步讲义）化学人教版必修第二册

本讲义聚焦无机非金属材料这一核心知识点，系统梳理传统硅酸盐材料（陶瓷、玻璃、水泥）的原料、成分及用途，延伸至新型材料（硅、二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料）的性质与应用，构建从基础性质到制备流程（如高纯硅制备）再到实际应用的学习支架。 资料通过表格对比、即学即练及考点归纳强化科学思维，结合光纤、半导体等实例培养科学态度与责任。课中辅助教师系统授课，课后借助归纳总结和拓展练习，助力学生巩固知识、查漏补缺，提升知识应用能力。

第五章 化工生产中的重要非金属元素 第三节 无机非金属材料 教学目标 1．了解硅酸盐制品的生产原料及主要成分。 2．了解新型无机非金属材料的性质，感受科学技术的重大应用。 3．了解硅及其重要化合物的基本性质。 4．归纳总结常见无机间的转化及应用。 重点和难点 重点：玻璃、水泥、硅、二氧化硅、新型陶瓷等无机非金属材料的主要性能和用途 难点：玻璃、水泥、硅、二氧化硅、新型陶瓷等无机非金属材料的主要性能和用途 ◆知识点一 硅酸盐材料——传统无机非金属材料 无机非金属材料一般含有 元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的 、 等性能。 1．硅酸盐的结构 在硅酸盐中，Si和O构成了 ，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接。其结构示意图为。 2．硅酸盐材料 产品 原料 主要设备 主要成分 用途 陶瓷 (主要成分为含水的铝硅酸盐) —— 硅酸盐 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 玻璃 (普通) 、 、 玻璃窑 、 、 建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等 水泥 、 、适量石膏 水泥 回转窑 硅酸盐 建筑和水利工程 3．特种玻璃 在玻璃中加入的元素或物质 玻璃特性 用途 含铅原料 光学玻璃： 好，折射率 制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜 硼酸盐 耐 、耐温度 制造可用于实验室使用的玻璃仪器 金属氧化物或盐 彩色玻璃 用于 【拓展】 由原料和玻璃的成分及反应条件“熔融”，可知反应的化学方程式为SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。 归纳总结 (1)水泥、玻璃与陶瓷是三大传统无机非金属材料；碳化硅、氮化硅等是新型无机非金属材料。 (2)玻璃中含有二氧化硅，因此氢氟酸可用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不能用玻璃瓶而用塑料瓶。 (3)硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐是硅酸钠，其水溶液称为泡花碱或水玻璃，但却是盐溶液。 (4)H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以有Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但高温下Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑也能发生，原因可从两个方面解释：①硅酸盐比碳酸盐稳定；②从化学平衡角度，由高沸点难挥发固体SiO2制得低沸点易挥发的CO2气体。 (5)氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构，切不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。 即学即练 1．下列关于无机非金属材料说法正确的是 A．用含铝的原料可以制作透光性好，折射率高的光学玻璃 B．硅酸盐中Si和O构成了硅氧平面三角形结构 C．使用石膏可以有效调节水泥的凝固速率，再磨成细粉就是普通水泥 D．硅元素在自然界大多以硅离子的形态存在，造就了许多物品 2．硅元素在材料领域中扮演着重要角色。下列叙述正确的是 A．石英晶体的主要成分为硅 B．硅酸钠可用作黏合剂 C．半导体材料的成分是二氧化硅 D．光导纤维的成分是硅单质 3．华人科学家高锟以及两名美国科学家因在光纤和半导体领域上的开创性研究而获得诺贝尔物理学奖。下列有关硅及其化合物的说法错误的是 ①硅是制造光导纤维的材料    ②二氧化硅的熔点比二氧化碳高 ③水玻璃可用作黏合剂和防火剂    ④二氧化硅是制取粗硅的原料 ⑤石英玻璃、玛瑙、水泥和瓷器都是硅酸盐制品 ⑥硅在自然界主要以硅酸盐和氧化物的形式存在 ⑦实验室盛放碱液的试剂瓶应使用橡胶塞，而不用玻璃塞 A．①⑤ B．②③⑥ C．②④⑥⑦ D．①③④⑤⑦ ◆知识点二 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 、 (2)硅的导电性 硅处于金属与非金属的过渡位置，其单质导电性介于 与 之间，是重要的半导体材料。 (3)单质硅的制备 (4)硅和二氧化硅的用途 2．新型陶瓷 (1)新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。 (2)碳化硅(SiC)俗称金刚砂，碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还耐高温，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。 (3)常见类型(了解) ①高温结构陶瓷，如碳化硅、氮化硅等。 ②压电陶瓷，如钛酸盐和锆酸盐。 ③透明陶瓷，如Al2O3、氧化钇等氧化物。 ④超导陶瓷在某一临界温度下电阻为零。 3．碳纳米材料 碳纳米材料在 、 、 等领域有着广阔的应用前景。 结构特点 应用 富勒烯 由 原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物 开启碳纳米材料研究和应用的新时代 碳纳米管 由 片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径 用于生产 、电池和传感器等 石墨烯 只有 碳原子直径厚度的单层石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等 拓展内容 (1)金刚砂(SiC)具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮磨料。 (2)硅钢(含硅4%)具有很高的导磁性，主要用作变压器铁芯。 (3)硅橡胶：既耐高温又耐低温，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等。 (4)人工制造的分子筛(具有均匀微孔结构的铝硅酸盐)，主要用作吸附剂和催化剂。 即学即练 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 2．二氧化硅()是一种用途极广的无机化合物。下列生产中不以为原料的是 A．高炉炼铁 B．制光导纤维 C．工业制玻璃 D．工业冶炼硅 3．近年来，具有特殊性质的新型无机非金属材料迅速发展，下列有关新型无机非金属材料的叙述正确的是 A．氮化硅陶瓷是一种新型硅酸盐材料，可用于制造发动机部件，其化学式为Si3N4 B．利用二氧化硅的半导体性能，可以制成太阳能电池 C．碳化硅的硬度大、熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承 D．富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，属于有机材料 1．高纯硅的制备流程图 石英砂粗硅SiHCl3高纯硅 2．含硅物质的主要化学性质拓展归纳 【注意】(1)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存，氢氟酸能腐蚀玻璃，可用于玻璃制品蚀刻花纹。 (2)强碱溶液不能用玻璃塞试剂瓶保存，应用橡胶塞。 (3)水玻璃在空气中变质生成沉淀。 实践应用 1．由制备高纯硅的工业流程如图所示： 下列说法错误的是 A．与纯硅都是硬度大，熔、沸点高的物质 B．X为气体 C．反应②产生的与反应③产生的HCl可以循环使用 D．反应①②③均为在高温或较高温度下进行的氧化还原反应 2．下列说法正确的是 A．二氧化硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B．传统陶瓷和新型陶瓷的主要成分都是硅酸盐 C．碳纳米管和足球烯(C60)的物理性质有较大差异 D．硅氧四面体结构(如上图)中，每个Si结合4个O，每个O结合1个Si 3．下列关于硅元素及其化合物的有关说法错误的是 A．将CO2通入Na2SiO3溶液中有胶状沉淀生成，说明碳酸酸性比硅酸强 B．SiO2能与氢氧化钠溶液和氢氟酸反应，所以SiO2是两性氧化物 C．盛放NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞，而不用玻璃塞 D．Si是良好的半导体材料，是将太阳能转换为电能的常用材料 考点一 硅和二氧化硅的特性 【例1】下列关于硅的说法中，不正确的是 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．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料 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、碳等非金属单质反应 归纳总结 熟记硅及其化合物的特殊性质 (1)硅单质的特殊性 ①Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑； ②非金属单质一般不跟非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑； ③非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。 (2)含硅化合物的特殊性 ①SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3； ②酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2能跟HF反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O； ③无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水； ④因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入少量CO2能发生下列反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑也能发生。 【变式1-1】下列对晶体硅的有关叙述正确的是 A．晶体硅是生产芯片的基础材料 B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应 C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵，没有被广泛使用 D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电 【变式1-2】下列有关硅及其化合物的说法正确的是 A．SiO2是一种酸性氧化物，能够与水反应生成相应的酸 B．常温下，硅的化学性质稳定，所以自然界中的硅大部分以游离态存在 C．除去SiO2中混有的CaCO3可加入适量的稀盐酸 D．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应 考点二 硅的制取方法 【例2】高纯硅是半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有一种工艺流程示意图如图。下列说法正确的是 A．常温下，硅的化学性质稳定，所以自然界中的硅主要以游离态的形式存在 B．二氧化硅能与氢氟酸反应，又能与氢氧化钠溶液反应，所以是两性氧化物 C．生成粗硅的化学方程式为，杂质主要有和等 D．已知C与在同一主族，由于，用类比法得知 归纳总结 在设计制备纯硅的实验题中，常遇到的知识点有： (1)高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅： SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑ (2)粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3： Si＋3HClSiHCl3＋H2 (3)粗硅与干燥Cl2反应制得SiCl4： Si(粗)＋2Cl2SiCl4 (4)SiHCl3与过量H2在高温下反应制得纯硅： SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl (5)SiCl4与过量H2在高温下反应制得纯硅： SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl (6)SiO2＋2Mg2MgO＋Si (7)SiHCl3、SiCl4能与水发生反应： SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑　SiCl4＋3H2O===H2SiO3↓＋4HCl (8)SiH4在空气中易自燃： SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O 【变式2-1】实验室用还原(沸点：31.85℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法正确的是 A．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓硫酸、冰水 B．实验时，应先加热管式炉，再打开活塞K C．为鉴定制得的硅中是否含有微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、KSCN溶液 D．该实验中制备氢气的装置也可用于实验室制 【变式2-2】高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。可以按下列两种方法制备： 下列说法错误的是 A．流程中HCl、H2和Cl2均可以循环利用 B．反应①、②、③、④、⑤均为氧化还原反应 C．反应①中还原剂和氧化剂的物质的量之比为 D．③中发生反应的化学方程式为 考点三 无机非金属材料的组成性质及应用 【例3】我国在探索太空方面取得世界瞩目的成绩，这些成绩都离不开化学材料的开发与应用。下列说法错误的是 A．碳纳米管材料属于胶体 B．硅、锗可以用作半导体材料 C．稀土金属被称为“冶金工业的维生素” D．镁铝合金用来制造飞机外壳是因其密度小、强度高 归纳总结 硅酸盐改写成氧化物形式的方法 (1)氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物间以“·”隔开。 (2)各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。 (3)当计量数配置出现分数时应化为整数。如正长石：KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。 【变式3-1】近年来，具有特殊性质的新型无机非金属材料迅速发展，下列说法错误的是 A．氮化硅熔点高、硬度大，可用于制作耐高温轴承 B．碳化硅具有高温抗氧化性能，可作耐高温结构材料 C．碳纳米管有优良的电学性能，可用于生产电池和传感器 D．利用二氧化硅的半导体性能，可以制成光伏电站的太阳能电池 【变式3-2】下列关于硅及其化合物的说法正确的是 A．玻璃、陶瓷、大理石都是硅酸盐产品 B．日本限制出口韩国的高纯度氟化氢可用于玻璃表面的刻蚀 C．华为麒麟芯片的主要成分是二氧化硅 D．近年来玉石市场火热，南阳玉用氧化物形式表示是 基础达标 1．（23-24高一下·广东·期中）元素的存在形式有游离态和化合态两种。下列元素在自然界中只以化合态形式存在的是 A．O B．Si C．S D．N 2．（23-24高一下·湖北·期中）下列关于硅及其化合物的说法不正确的是 A．硅主要以化合态形式存在于自然界中 B．二氧化硅在电子工业中是最重要的半导体材料 C．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 D．二氧化硅可用于生产玻璃 3．（23-24高一下·陕西·阶段练习）下列关于硅的说法正确的是 ①硅在自然界中以游离态和化合态两种形式存在；②水泥是硅酸盐材料；③单质硅是良好的半导体；④氮化硅陶瓷是新型的无机非金属材料；⑤光导纤维属于硅酸盐产品；⑥水玻璃可以用作木材防火材料 A．①②③④ B．②③④⑤ C．①②⑤⑥ D．②③④⑥ 4．关于二氧化硅的叙述正确的是 ①二氧化硅是制造光导纤维的重要原料 ②二氧化硅晶体中，1个硅原子与2个氧原子形成共价键 ③SiO2既能和氢氧化钠溶液反应也能和氢氟酸反应，是两性氧化物 ④将CO2通入Na2SiO3溶液中有胶状沉淀生成，说明碳酸比硅酸酸性强 A．②③ B．③④ C．①④ D．②④ 5．（24-25高一下·河北衡水·开学考试）单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。科学家预计，到2011年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的多，这对硅的纯度要求很高。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为：①SiO2 + 2CSi + 2CO↑   ②Si + 2Cl2SiCl4   ③SiCl4 + 2H2Si + 4HCl，其中反应②属于 A．化合反应 B．分解反应 C．置换反应 D．复分解反应 6．（24-25高一下·湖南永州·期末）下列物质的性质、用途均正确且有因果关系的是 A．熔点低，可用于电解冶炼铝 B．硬度大，可用于生产计算机芯片 C．难溶于水，可用作胃镜检查的内服剂 D．维生素C具有还原性，可用作水果罐头中的抗氧化剂 7．（24-25高一下·四川·期中）材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列说法错误的是 A．碳纳米材料性能卓越，碳纳米管与富勒烯()互为同位素 B．水泥广泛用于建筑，普通硅酸盐水泥的主要原料为黏土和石灰石 C．可用来生产光导纤维 D．普通玻璃的主要成分为、和 8．无机非金属材料的应用在生产生活中应用广泛，下列说法不正确的是 A．山西博物院陈列的元青花瓷的原料有高岭土[]，也可以表示为 B．石英砂、纯碱和石灰石可用于制造普通玻璃 C．古代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土 D．现代信息社会用于传递信号的光纤的主要成分为硅 9．（24-25高一下·四川绵阳·期末）下列无机非金属材料不属于硅酸盐材料的是 A．玻璃 B．金刚砂 C．陶瓷 D．水泥 10．（23-24高一下·山西太原·阶段练习）近年来，具有特殊性质的新型无机非金属材料迅速发展，下列有关新型无机非金属材料的叙述错误的是 A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，可用于制造发动机部件，其化学式为Si3N4 B．利用二氧化硅的半导体性能，可以制成太阳能电池 C．水泥和普通玻璃的制取都要用石灰石做原料 D．富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，属于新型无机非金属材料 综合应用 11．（23-24高一下·广西南宁·阶段练习）用硅的氧化物可以制取硅单质，主要步骤及化学反应如下： ①粗硅制取：。 ②纯硅制取：、。 下列说法正确的是 A．步骤①的反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为 B．步骤②涉及的反应中硅元素均被还原 C．可用石英坩埚灼烧熔融固体 D．Si、都能与氢氟酸、NaOH溶液反应 12．下列关于硅的说法中，不正确的是 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．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料 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 13．下列有关硅及其化合物的说法正确的是 A．硅酸盐化学性质稳定，是由于其结构中存在硅氧四面体 B．实验室用带玻璃塞的试剂瓶保存NaOH溶液 C．是酸性氧化物，能够与水反应生成 D．硅的化学性质稳定，在自然界中大部分以游离态存在 14．（25-26高一上·全国·随堂练习）下列关于我国古代陶瓷制作的说法正确的是 A．陶瓷制作过程中只发生物理变化 B．陶瓷的主要成分是碳酸钙 C．高温烧制是陶瓷制作的关键步骤 D．陶瓷制品在常温下化学性质不稳定 15．（24-25高一下·河北·期末）根据所给物品：①传统陶瓷  ②计算机芯片  ③玻璃  ④光导纤维，判断下列叙述错误的是 A．含有硅单质的只有② B．含有二氧化硅的只有③ C．含有硅酸盐的只有①③ D．硅氧四面体结构决定了硅酸盐材料大多硬度大、耐高温 16．（24-25高一下·浙江·期中）下列有关无机非金属材料说法不正确的是 A．压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化 B．石灰石是制造玻璃和水泥的主要原料之一 C．碳化硅俗称金刚砂，它可用于高温结构陶瓷的制作 D．石墨烯的电阻率低，热导率也低 拓展培优 17．（25-26高二上·湖南长沙·月考）工业上制备高纯硅和氮化镓的原理如下： ①； ②； ③； ④。 下列叙述错误的是 A．反应①中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2 B．反应②和反应③互为可逆反应 C．上述反应都既是氧化还原反应又是置换反应 D．上述反应中，HCl和H2可以循环利用 18．（23-24高一下·重庆·期中）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 19．（24-25高一下·河北衡水·期中）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)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，该反应的化学方程式为 。 (2)氮化硅是一种新型陶瓷材料，可通过如下反应制得，请用单线桥表示该反应电子转移的方向与数目 。 (3)高纯硅用于制作光伏电池，如图是一种生产高纯硅的工艺流程图： 电弧炉中高温生成粗硅，反应的化学方程式为 。若电弧炉中焦炭过量，还会有生成，石英砂和焦炭生成的反应中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为 。 (4)用溶液浸泡过的棉花不易燃烧，体现的用途是可作 剂的原料。 (5)许多人喜欢佩戴玉石饰品，玉石的主要成分基本都属于硅酸盐，硅酸盐可以写成氧化物的形式，和田玉可表示为 。 (6)硅与碳位于同一主族，下列事实能说明碳的非金属性强于硅的是 。 a.焦炭与二氧化硅高温反应制取粗硅： b.通入溶液中产生硅酸沉淀： c.石灰石和石英高温制玻璃： 20．（24-25高一下·安徽池州·期中）材料与生活，生产息息相关，目前使用的材料主要有：金属材料、传统无机非金属材料，新型无机非金属材料，高分子材料，复合材料等。 (1)在人体器官受到损伤时，需要使用一种新型无机非金属材料来植入体内，这种材料是 （填序号）。 A．高温结构陶瓷    B．生物陶瓷    C．导电陶瓷 (2)玻璃是重要的建筑和装饰材料，有些玻璃的花纹是利用氢氟酸对普通玻璃中二氧化硅的腐蚀作用而形成的，写出该反应的化学方程式 。 (3)在“双碳”目标影响下，光伏产业迎来“高光时刻”，高纯硅是光伏发电技术中重要的基础原料。制备高纯硅的主要工艺流程如图所示： ①反应Ⅱ的化学方程式为 。 ②整个过程中必须严格控制无水无氧。在有氧环境下，除了有不安全因素外，还可能使产品中混有杂质 。 (4)许多人喜欢佩戴玉石饰品，玉石的主要成分基本都属于硅酸盐，例如和田玉可表示为复杂氧化物形式，我国成功发射的嫦娥一号探月卫星发现月球上主要矿石有辉石、斜长石和橄榄石等，其中斜长石可写成氧化物形式为： 。 (5)用海边的石英砂（含氯化钠。氧化铝等杂质）制备二氧化硅粗产品的工艺流程如图所示： ①将洗净的石英砂研磨成粉末，目的是 。 ②在以上流程中，能否将盐酸改为NaOH溶液，请说明理由： 。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $ 第五章 化工生产中的重要非金属元素 第三节 无机非金属材料 教学目标 1．了解硅酸盐制品的生产原料及主要成分。 2．了解新型无机非金属材料的性质，感受科学技术的重大应用。 3．了解硅及其重要化合物的基本性质。 4．归纳总结常见无机间的转化及应用。 重点和难点 重点：玻璃、水泥、硅、二氧化硅、新型陶瓷等无机非金属材料的主要性能和用途 难点：玻璃、水泥、硅、二氧化硅、新型陶瓷等无机非金属材料的主要性能和用途 ◆知识点一 硅酸盐材料——传统无机非金属材料 无机非金属材料一般含有硅、氧元素，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。 1．硅酸盐的结构 在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接。其结构示意图为。 2．硅酸盐材料 产品 原料 主要设备 主要成分 用途 陶瓷 黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐) —— 硅酸盐 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 玻璃 (普通) 纯碱、石灰石、石英砂 玻璃窑 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 建筑材料、光学仪器、各种器皿、高强度复合材料等 水泥 石灰石、黏土、适量石膏 水泥 回转窑 硅酸盐 建筑和水利工程 3．特种玻璃 在玻璃中加入的元素或物质 玻璃特性 用途 含铅原料 光学玻璃：透光性好，折射率高 制造眼镜、照相机和光学仪器的透镜 硼酸盐 耐化学腐蚀、耐温度急剧变化 制造可用于实验室使用的玻璃仪器 金属氧化物或盐 彩色玻璃 用于建筑和装饰 【拓展】 由原料和玻璃的成分及反应条件“熔融”，可知反应的化学方程式为SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。 归纳总结 (1)水泥、玻璃与陶瓷是三大传统无机非金属材料；碳化硅、氮化硅等是新型无机非金属材料。 (2)玻璃中含有二氧化硅，因此氢氟酸可用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不能用玻璃瓶而用塑料瓶。 (3)硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐是硅酸钠，其水溶液称为泡花碱或水玻璃，但却是盐溶液。 (4)H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以有Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但高温下Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑也能发生，原因可从两个方面解释：①硅酸盐比碳酸盐稳定；②从化学平衡角度，由高沸点难挥发固体SiO2制得低沸点易挥发的CO2气体。 (5)氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构，切不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。 即学即练 1．下列关于无机非金属材料说法正确的是 A．用含铝的原料可以制作透光性好，折射率高的光学玻璃 B．硅酸盐中Si和O构成了硅氧平面三角形结构 C．使用石膏可以有效调节水泥的凝固速率，再磨成细粉就是普通水泥 D．硅元素在自然界大多以硅离子的形态存在，造就了许多物品 【答案】C 【解析】A．含铝原料可用于制作光学玻璃，但铝硅酸盐玻璃的折射率通常不高（约1.5-1.6），而高折射率光学玻璃多含铅、钡等元素，并非主要依赖铝，因此“折射率高”的说法不准确，A错误； B．硅酸盐中Si和O形成硅氧四面体结构，而非平面三角形；平面三角形结构常见于硼酸盐，B错误； C．在水泥熟料中加入适量石膏共同磨细，可以制成普通水泥并调节其凝固速率，C正确； D．硅元素在自然界主要以二氧化硅（SiO2）和硅酸盐形式存在，硅离子（Si4+）不稳定且不存在于自然界，D错误； 故选C。 2．硅元素在材料领域中扮演着重要角色。下列叙述正确的是 A．石英晶体的主要成分为硅 B．硅酸钠可用作黏合剂 C．半导体材料的成分是二氧化硅 D．光导纤维的成分是硅单质 【答案】B 【解析】A．石英晶体的主要成分是二氧化硅，A错误； B．硅酸钠具有黏合性，工业上广泛用作黏合剂，如粘接陶瓷或木材，B正确； C．半导体材料，如芯片是以单质硅为基础，二氧化硅是绝缘材料，C错误； D．光导纤维是利用二氧化硅的光学特性传输信号，单质硅不具备此功能，D错误； 故选B。 3．华人科学家高锟以及两名美国科学家因在光纤和半导体领域上的开创性研究而获得诺贝尔物理学奖。下列有关硅及其化合物的说法错误的是 ①硅是制造光导纤维的材料    ②二氧化硅的熔点比二氧化碳高 ③水玻璃可用作黏合剂和防火剂    ④二氧化硅是制取粗硅的原料 ⑤石英玻璃、玛瑙、水泥和瓷器都是硅酸盐制品 ⑥硅在自然界主要以硅酸盐和氧化物的形式存在 ⑦实验室盛放碱液的试剂瓶应使用橡胶塞，而不用玻璃塞 A．①⑤ B．②③⑥ C．②④⑥⑦ D．①③④⑤⑦ 【答案】A 【解析】 ①光导纤维材料是二氧化硅，错误； ②二氧化硅是共价晶体，沸点比分子晶体二氧化碳高，正确； ③水玻璃是硅酸钠水溶液，可用作黏合剂和防火剂，正确； ④二氧化硅是制取粗硅的原料，方程式为：，正确； ⑤石英玻璃和玛瑙的主要成分是，属于氧化物，而非硅酸盐；水泥和瓷器是硅酸盐制品，错误； ⑥硅在自然界主要以硅酸盐和的形式存在，正确； ⑦实验室盛放碱液的试剂瓶应使用橡胶塞，而不用玻璃塞，因为二氧化硅与强碱可以反应，方程式为：，正确； 故选A。 ◆知识点二 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)硅的导电性 硅处于金属与非金属的过渡位置，其单质导电性介于导体与绝缘体之间，是重要的半导体材料。 (3)单质硅的制备 (4)硅和二氧化硅的用途 2．新型陶瓷 (1)新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。 (2)碳化硅(SiC)俗称金刚砂，碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还耐高温，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。 (3)常见类型(了解) ①高温结构陶瓷，如碳化硅、氮化硅等。 ②压电陶瓷，如钛酸盐和锆酸盐。 ③透明陶瓷，如Al2O3、氧化钇等氧化物。 ④超导陶瓷在某一临界温度下电阻为零。 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、电池和传感器等 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、电池和复合材料等 拓展内容 (1)金刚砂(SiC)具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸、砂轮磨料。 (2)硅钢(含硅4%)具有很高的导磁性，主要用作变压器铁芯。 (3)硅橡胶：既耐高温又耐低温，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料等。 (4)人工制造的分子筛(具有均匀微孔结构的铝硅酸盐)，主要用作吸附剂和催化剂。 即学即练 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 【答案】C 【解析】A．硅是非金属元素，其晶体单质呈灰黑色，具有金属光泽，描述正确，A不符合题意。 B．单质硅与金刚石均为原子晶体，结构相似，但因硅原子半径更大、键能较弱，故硬度、熔点低于金刚石，描述正确，B不符合题意。 C．硅常温下化学性质较稳定，但并非与任何物质都不反应。例如，硅可与氢氟酸（HF）反应生成SiF4和H2，也可与强碱（如NaOH）反应，故该说法错误，C符合题意。 D．硅在高温下能与氯气、氧气等非金属发生反应，如生成SiCl4或SiO2，描述正确，D不符合题意。 故选C。 2．二氧化硅()是一种用途极广的无机化合物。下列生产中不以为原料的是 A．高炉炼铁 B．制光导纤维 C．工业制玻璃 D．工业冶炼硅 【答案】A 【解析】A．高炉炼铁中，铁矿石（含Fe2O3或Fe3O4）是主要原料，焦炭作为还原剂，石灰石用于去除杂质SiO2（生成硅酸钙），但SiO2本身并非炼铁所需原料，而是作为杂质被处理，A符合题意； B．光导纤维直接以SiO2为原料，B不符合题意； C．工业制玻璃中，SiO2与Na2CO3、CaCO3反应生成硅酸盐，是必要原料，C不符合题意； D．工业冶炼硅通过SiO2与碳高温还原反应制得粗硅，需使用SiO2，D不符合题意； 故选A。 3．近年来，具有特殊性质的新型无机非金属材料迅速发展，下列有关新型无机非金属材料的叙述正确的是 A．氮化硅陶瓷是一种新型硅酸盐材料，可用于制造发动机部件，其化学式为Si3N4 B．利用二氧化硅的半导体性能，可以制成太阳能电池 C．碳化硅的硬度大、熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承 D．富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，属于有机材料 【答案】C 【解析】A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，可用于制造发动机部件，其化学式为Si3N4，不属于硅酸盐，故A错误； B．利用硅的半导体性能，可以制成太阳能电池，故B错误； C．碳化硅是新型无机非金属材料，硬度大、熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承，故C正确； D．富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，是碳单质，不是有机材料，故D错误； 选C。 1．高纯硅的制备流程图 石英砂粗硅SiHCl3高纯硅 2．含硅物质的主要化学性质拓展归纳 【注意】(1)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存，氢氟酸能腐蚀玻璃，可用于玻璃制品蚀刻花纹。 (2)强碱溶液不能用玻璃塞试剂瓶保存，应用橡胶塞。 (3)水玻璃在空气中变质生成沉淀。 实践应用 1．由制备高纯硅的工业流程如图所示： 下列说法错误的是 A．与纯硅都是硬度大，熔、沸点高的物质 B．X为气体 C．反应②产生的与反应③产生的HCl可以循环使用 D．反应①②③均为在高温或较高温度下进行的氧化还原反应 【答案】B 【分析】该流程以为原料制备高纯硅：首先在高温下，与焦炭反应生成粗硅和；接着粗硅与在下反应生成和；最后与在左右反应生成纯硅和，其中和可循环使用。 【解析】A．（石英晶体）和纯硅（晶体硅）均为原子晶体，都具有硬度大、熔点高和沸点高的特点，A 正确； B．在高温下，与焦炭反应生成的是气体，而非（因过量焦炭会与进一步反应生成），所以 X 为，B 错误； C．反应②产生的可作为反应③的反应物，反应③产生的可作为反应②的反应物，二者均可循环使用，C 正确； D．反应①（）、反应②（）、反应③（）均有元素化合价发生变化，且都在高温或较高温度下进行，属于氧化还原反应，D 正确； 故答案选B。 2．下列说法正确的是 A．二氧化硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B．传统陶瓷和新型陶瓷的主要成分都是硅酸盐 C．碳纳米管和足球烯(C60)的物理性质有较大差异 D．硅氧四面体结构(如上图)中，每个Si结合4个O，每个O结合1个Si 【答案】C 【解析】A．晶体硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料，故A错误； B．传统陶瓷的主要成分都是硅酸盐，新型陶瓷的主要成分为氧化物、硅酸盐和氮化物等，故B错误； C．碳纳米管和足球烯(C60)是碳元素的同素异形体，物理性质有较大差异，故C正确； D．硅氧四面体结构(如上图)中，每个Si结合4个O，每个O结合2个Si，故D错误； 答案选C。 3．下列关于硅元素及其化合物的有关说法错误的是 A．将CO2通入Na2SiO3溶液中有胶状沉淀生成，说明碳酸酸性比硅酸强 B．SiO2能与氢氧化钠溶液和氢氟酸反应，所以SiO2是两性氧化物 C．盛放NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞，而不用玻璃塞 D．Si是良好的半导体材料，是将太阳能转换为电能的常用材料 【答案】B 【解析】A．将CO2通入Na2SiO3溶液中有胶状沉淀生成，说明碳酸能制得硅酸，因此碳酸酸性比硅酸强，A正确； B．与氢氟酸反应生成四氟化硅和氢气，没有盐生成，它不是碱性氧化物，所以SiO2不是两性氧化物，B错误； C．二氧化硅能与氢氧化钠反应，盛放NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞，而不用玻璃塞，C正确； D．Si是良好的半导体材料，是将太阳能转换为电能的常用材料，D正确； 故答案选B。 考点一 硅和二氧化硅的特性 【例1】下列关于硅的说法中，不正确的是 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．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料 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、碳等非金属单质反应 【答案】C 【解析】A．硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属，故A正确； B．硅既有金属性，又有非金属性，其导电性也介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，故B正确； C．硅的化学性质不活泼(尤其是在常温下)，但常温下仍能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应，故C错误； D．加热至一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属发生反应，故D正确； 故选：C。 归纳总结 熟记硅及其化合物的特殊性质 (1)硅单质的特殊性 ①Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑； ②非金属单质一般不跟非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑； ③非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。 (2)含硅化合物的特殊性 ①SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3； ②酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2能跟HF反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O； ③无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水； ④因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入少量CO2能发生下列反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑也能发生。 【变式1-1】下列对晶体硅的有关叙述正确的是 A．晶体硅是生产芯片的基础材料 B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应 C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵，没有被广泛使用 D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电 【答案】A 【解析】A．硅作为良好的半导体材料，广泛应用于集成电路（芯片）和太阳能电池等领域，A正确； B．虽然硅化学性质较稳定，但常温下仍可与氢氟酸或强碱反应，B错误； C．尽管高纯度硅的提炼工艺复杂，但已实现工业化生产并广泛用于半导体行业，C错误； D．硅虽有金属光泽，但属于非金属材料，且导电性为半导体特性，不属于金属材料，D错误； 故选A。 【变式1-2】下列有关硅及其化合物的说法正确的是 A．SiO2是一种酸性氧化物，能够与水反应生成相应的酸 B．常温下，硅的化学性质稳定，所以自然界中的硅大部分以游离态存在 C．除去SiO2中混有的CaCO3可加入适量的稀盐酸 D．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应 【答案】C 【解析】A．SiO2是酸性氧化物，但不溶于水，无法与水反应生成硅酸，A错误； B．硅在自然界中均以化合态（如SiO2、硅酸盐）存在，无游离态，B错误； C．稀盐酸与CaCO3反应生成可溶物，而SiO2不反应，过滤后可除去CaCO3，C正确； D．粗硅提纯需经过Si→SiHCl3→Si等步骤，涉及化合价变化，属于氧化还原反应，D错误； 故选C。 考点二 硅的制取方法 【例2】高纯硅是半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有一种工艺流程示意图如图。下列说法正确的是 A．常温下，硅的化学性质稳定，所以自然界中的硅主要以游离态的形式存在 B．二氧化硅能与氢氟酸反应，又能与氢氧化钠溶液反应，所以是两性氧化物 C．生成粗硅的化学方程式为，杂质主要有和等 D．已知C与在同一主族，由于，用类比法得知 【答案】C 【分析】工业上用石英砂和过量焦炭在电弧炉中高温加热生成粗硅，在流化床反应器中粗硅与HCl反应生成SiHCl3等，还原炉中氢气还原SiHCl3得到高纯硅。 【解析】A．硅原子最外层有4个电子，不易得失电子，常温下硅的化学性质相对稳定，但硅是亲氧元素，自然界中以化合态存在，主要以硅酸盐和氧化物形式存在，A错误； B．二氧化硅与氢氟酸反应生成四氟化硅和水，四氟化硅不是盐，所以二氧化硅不是两性氧化物，B错误； C．电弧炉中生成粗硅的化学方程式为，副反应为，故杂质主要有SiO2、SiC等，C正确； D．SiO2化学性质稳定，不溶于水、不与水反应，无法类比CO2生成H2SiO3，D错误； 故选C。 归纳总结 在设计制备纯硅的实验题中，常遇到的知识点有： (1)高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅： SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑ (2)粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3： Si＋3HClSiHCl3＋H2 (3)粗硅与干燥Cl2反应制得SiCl4： Si(粗)＋2Cl2SiCl4 (4)SiHCl3与过量H2在高温下反应制得纯硅： SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl (5)SiCl4与过量H2在高温下反应制得纯硅： SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl (6)SiO2＋2Mg2MgO＋Si (7)SiHCl3、SiCl4能与水发生反应： SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑　SiCl4＋3H2O===H2SiO3↓＋4HCl (8)SiH4在空气中易自燃： SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O 【变式2-1】实验室用还原(沸点：31.85℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法正确的是 A．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓硫酸、冰水 B．实验时，应先加热管式炉，再打开活塞K C．为鉴定制得的硅中是否含有微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、KSCN溶液 D．该实验中制备氢气的装置也可用于实验室制 【答案】C 【分析】Ⅰ为氢气的发生装置，Ⅱ为干燥装置，浓硫酸是常用的干燥剂，装置Ⅲ需水浴加热，目的是使SiHCl3汽化，与氢气充分混合；装置Ⅳ不能采用普通玻璃管的原因是温度太高，普通玻璃管易熔化；保证实验成功的关键是：装置要严密；控制好温度等，以此解答该题； 【解析】A．本题制备高纯硅，反应应在装置Ⅳ中进行，装置Ⅰ的目的是制备氢气，氢气中含有水蒸气，对后续实验产生干扰，必须除去，因此装置Ⅱ的作用是除去氢气中的水蒸气，即装置Ⅱ中盛放浓硫酸，装置Ⅲ的作用是提供SiHCl3气体，因此在水浴中加热，不能使用冰水，A错误； B．实验时应先通入氢气，目的是排出装置中的空气，防止氢气不纯，在加热时爆炸，B错误； C．铁与盐酸反应生成Fe2+，Fe2+被H2O2氧化成Fe3+，Fe3+与KSCN溶液反应，溶液变红色，可以鉴定是否含有铁单质，C正确； D．实验室制备SO2，用亚硫酸钠与浓硫酸反应，亚硫酸钠易溶于水，不能用启普发生器发生反应，因此不能用于浓硫酸与亚硫酸钠反应制备SO2，D错误； 故选C。 【变式2-2】高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。可以按下列两种方法制备： 下列说法错误的是 A．流程中HCl、H2和Cl2均可以循环利用 B．反应①、②、③、④、⑤均为氧化还原反应 C．反应①中还原剂和氧化剂的物质的量之比为 D．③中发生反应的化学方程式为 【答案】A 【分析】由图知，SiO2与C在1800~2000℃下发生反应①，化学反应方程式为，粗硅和Cl2发生反应②，化学反应方程式为，四氯化硅和氢气发生反应④，化学反应方程式为；粗硅和HCl在300℃下发生反应③，化学反应方程式为，在1100℃下与氢气发生反应⑤，化学反应方程式为，据此回答。 【解析】A．流程中HCl和H2可以循环利用，Cl2只有消耗，没有生成，不可以循环利用，故A错误； B．反应①、②、③、④、⑤中元素的化合价均发生改变，故反应①、②、③、④、⑤均为氧化还原反应，故B正确； C．反应①化学反应方程式为，还原剂为C，氧化剂为SiO2，还原剂和氧化剂的物质的量之比为2：1，故C正确； D．粗硅和HCl在300℃下发生反应③，化学反应方程式为，故D正确； 故选A。 考点三 无机非金属材料的组成性质及应用 【例3】我国在探索太空方面取得世界瞩目的成绩，这些成绩都离不开化学材料的开发与应用。下列说法错误的是 A．碳纳米管材料属于胶体 B．硅、锗可以用作半导体材料 C．稀土金属被称为“冶金工业的维生素” D．镁铝合金用来制造飞机外壳是因其密度小、强度高 【答案】A 【解析】A．碳纳米管材料是纯净物，不属于胶体，A错误； B．硅和锗都是性能优良的半导体材料，B正确； C．稀土金属具有优良的特性，可显著改善金属的机械性能、耐腐蚀性等，所以被形象地称为“冶金工业的维生素”，C正确； D．镁铝合金具有密度小、强度高的优良性能，常用于制造飞机外壳，D正确； 故选A。 归纳总结 硅酸盐改写成氧化物形式的方法 (1)氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物间以“·”隔开。 (2)各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。 (3)当计量数配置出现分数时应化为整数。如正长石：KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。 【变式3-1】近年来，具有特殊性质的新型无机非金属材料迅速发展，下列说法错误的是 A．氮化硅熔点高、硬度大，可用于制作耐高温轴承 B．碳化硅具有高温抗氧化性能，可作耐高温结构材料 C．碳纳米管有优良的电学性能，可用于生产电池和传感器 D．利用二氧化硅的半导体性能，可以制成光伏电站的太阳能电池 【答案】D 【解析】A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，耐高温、硬度大，可用于制造发动机部件，A正确； B．碳化硅具有高温抗氧化性能，且硬度大、熔点高，可作耐高温结构材料，B正确； C．碳纳米管比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生成复合材料、电池和传感器等，C正确； D．利用硅的半导体性能，可以制成太阳能电池，D错误； 故选D。 【变式3-2】下列关于硅及其化合物的说法正确的是 A．玻璃、陶瓷、大理石都是硅酸盐产品 B．日本限制出口韩国的高纯度氟化氢可用于玻璃表面的刻蚀 C．华为麒麟芯片的主要成分是二氧化硅 D．近年来玉石市场火热，南阳玉用氧化物形式表示是 【答案】B 【解析】A．大理石主要成分为碳酸钙，不是硅酸盐产品，A错误； B．氟化氢可与SiO2反应，因此高纯度氟化氢可用于玻璃表面的刻蚀，B正确； C．芯片的主要成分为单质硅，C错误； D．南阳玉用氧化物形式表示为CaO·Al2O3·2SiO2，D错误； 故答案选B。 基础达标 1．（23-24高一下·广东·期中）元素的存在形式有游离态和化合态两种。下列元素在自然界中只以化合态形式存在的是 A．O B．Si C．S D．N 【答案】B 【解析】A．氧元素在自然界中既以游离态存在，又能以化合态存在，例如氧气和水，A不符合题意； B．硅元素在自然界中主要以硅酸盐（如地壳中的大多数矿物）和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在，即以化合态形式存在，B符合题意； C．硫单质常常存在于火山喷发口附近和地壳的岩层中，自然界中还存在硫化物、硫酸盐等含硫化合物，因此硫元素在自然界中既以游离态存在，又能以化合态存在，C不符合题意； D．自然界中，氮元素主要以氮气分子的形式存在于空气中，部分氮元素存在于动植物体内的蛋白质中，还有部分氮元素存在于土壤、海洋里的硝酸盐和铵盐中，因此氮元素在自然界中既以游离态存在，又能以化合态存在，D不符合题意； 答案选B。 2．（23-24高一下·湖北·期中）下列关于硅及其化合物的说法不正确的是 A．硅主要以化合态形式存在于自然界中 B．二氧化硅在电子工业中是最重要的半导体材料 C．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 D．二氧化硅可用于生产玻璃 【答案】B 【解析】A．Si是亲氧元素，不能以单质形式存在于自然界中，主要以二氧化硅和硅酸盐形式存在，A正确； B．Si是半导体材料，B错误； C．在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，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，C正确； D．制造玻璃的原料是石英、碳酸钙和碳酸钠，石英是二氧化硅晶体，即二氧化硅可用于制造玻璃，D正确； 故选B。 3．（23-24高一下·陕西·阶段练习）下列关于硅的说法正确的是 ①硅在自然界中以游离态和化合态两种形式存在；②水泥是硅酸盐材料；③单质硅是良好的半导体；④氮化硅陶瓷是新型的无机非金属材料；⑤光导纤维属于硅酸盐产品；⑥水玻璃可以用作木材防火材料 A．①②③④ B．②③④⑤ C．①②⑤⑥ D．②③④⑥ 【答案】D 【解析】①硅是一种亲氧元素，故硅在自然界中只以化合态形式存在，①错误； ②玻璃、水泥和陶瓷都是硅酸盐材料，②正确； ③单质硅是良好的半导体，③正确； ④相对于玻璃、水泥和陶瓷等传统无机非金属材料，氮化硅陶瓷是新型的无机非金属材料，④正确； ⑤光导纤维是SiO2，不属于硅酸盐产品，⑤错误； ⑥水玻璃为硅酸钠的水溶液，可以用作黏合剂、防腐剂和木材防火材料，⑥正确； 综上所述，②③④⑥正确； 故选：D。 4．关于二氧化硅的叙述正确的是 ①二氧化硅是制造光导纤维的重要原料 ②二氧化硅晶体中，1个硅原子与2个氧原子形成共价键 ③SiO2既能和氢氧化钠溶液反应也能和氢氟酸反应，是两性氧化物 ④将CO2通入Na2SiO3溶液中有胶状沉淀生成，说明碳酸比硅酸酸性强 A．②③ B．③④ C．①④ D．②④ 【答案】C 【解析】①二氧化硅能够使光线全反射，因此是制造光导纤维的重要原料，①正确； ②二氧化硅晶体中，1个硅原子与4个氧原子形成共价键，②错误； ③SiO2是酸性氧化物，但却能和氢氟酸反应产生SiF4和H2O，③错误； ④将CO2通入Na2SiO3溶液中有H2SiO3胶状沉淀生成，说明碳酸比硅酸酸性强，④正确； 综上所述可知，说法正确的是①④； 故答案为C。 5．（24-25高一下·河北衡水·开学考试）单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。科学家预计，到2011年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的多，这对硅的纯度要求很高。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为：①SiO2 + 2CSi + 2CO↑   ②Si + 2Cl2SiCl4   ③SiCl4 + 2H2Si + 4HCl，其中反应②属于 A．化合反应 B．分解反应 C．置换反应 D．复分解反应 【答案】A 【解析】②中的反应物是两种，生成物是一种，属于化合反应； 故选A。 6．（24-25高一下·湖南永州·期末）下列物质的性质、用途均正确且有因果关系的是 A．熔点低，可用于电解冶炼铝 B．硬度大，可用于生产计算机芯片 C．难溶于水，可用作胃镜检查的内服剂 D．维生素C具有还原性，可用作水果罐头中的抗氧化剂 【答案】D 【解析】A．熔点高，电解冶炼铝需熔融，工业上通过冰晶石降低其熔点，A错误； B．硬度大，但计算机芯片材料是单质硅，用于光导纤维，B错误； C．虽难溶于水，但遇胃酸（HCl）会生成有毒的，胃镜内服剂应为难溶于酸且无毒的，C错误； D．维生素C的还原性可防止氧化，符合抗氧化剂的作用原理，D正确。 故选D。 7．（24-25高一下·四川·期中）材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列说法错误的是 A．碳纳米材料性能卓越，碳纳米管与富勒烯()互为同位素 B．水泥广泛用于建筑，普通硅酸盐水泥的主要原料为黏土和石灰石 C．可用来生产光导纤维 D．普通玻璃的主要成分为、和 【答案】A 【解析】A．碳纳米管与富勒烯()均为碳元素形成的结构、性质不同的单质，互为同素异形体，A项错误； B．普通水泥的主要成分为硅酸盐，生产原料为黏土和石灰石，B项正确； C．是光导纤维的主要成分，故可用来生产光导纤维，C项正确； D．制玻璃的原料为纯碱、石灰石和，故生成的普通玻璃的主要成分为、和，D项正确； 答案选A。 8．无机非金属材料的应用在生产生活中应用广泛，下列说法不正确的是 A．山西博物院陈列的元青花瓷的原料有高岭土[]，也可以表示为 B．石英砂、纯碱和石灰石可用于制造普通玻璃 C．古代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土 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】D 【解析】A．山西博物院陈列的元青花瓷的原料有高岭土[]，根据硅酸盐的氧化物表示形式，高岭土也可以表示为，A正确； B．石英砂即SiO2、纯碱和石灰石可用于制造普通玻璃，涉及的反应为：SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑，CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑，B正确； C．陶瓷的主要原料为黏土，古代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土，C正确； D．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而不是硅，D错误； 故答案为：D。 9．（24-25高一下·四川绵阳·期末）下列无机非金属材料不属于硅酸盐材料的是 A．玻璃 B．金刚砂 C．陶瓷 D．水泥 【答案】B 【解析】A．玻璃的主要成分是硅酸盐，属于硅酸盐材料，A不符合题意； B．金刚砂（碳化硅，SiC）是碳和硅的共价化合物，不含硅氧四面体结构，不属于硅酸盐材料，B符合题意； C．陶瓷以黏土（含硅酸盐）为原料制成，属于硅酸盐材料，C不符合题意； D．水泥的主要成分是硅酸钙等硅酸盐，属于硅酸盐材料，D不符合题意； 故选B。 10．（23-24高一下·山西太原·阶段练习）近年来，具有特殊性质的新型无机非金属材料迅速发展，下列有关新型无机非金属材料的叙述错误的是 A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，可用于制造发动机部件，其化学式为Si3N4 B．利用二氧化硅的半导体性能，可以制成太阳能电池 C．水泥和普通玻璃的制取都要用石灰石做原料 D．富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，属于新型无机非金属材料 【答案】B 【解析】A．氮化硅化学式为Si3N4，是一种新型无机非金属材料，可用于制造发动机部件，A正确； B．利用硅的半导体性能，可以制成太阳能电池，B错误； C．水泥和普通玻璃均属于硅酸盐材料，硅酸盐水泥和玻璃均以石灰石和黏土为原料的制取，C正确； D．富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，属于新型无机非金属材料，D正确； 答案选B。 综合应用 11．（23-24高一下·广西南宁·阶段练习）用硅的氧化物可以制取硅单质，主要步骤及化学反应如下： ①粗硅制取：。 ②纯硅制取：、。 下列说法正确的是 A．步骤①的反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为 B．步骤②涉及的反应中硅元素均被还原 C．可用石英坩埚灼烧熔融固体 D．Si、都能与氢氟酸、NaOH溶液反应 【答案】D 【解析】A．步骤①的反应中，是氧化剂，C是还原剂，二者的物质的量之比为；故A错误； B．步骤②涉及两个反应，前者硅元素被氧化，后者硅元素被还原；故B错误； C．石英坩埚中含有，高温条件下会与反应生成；故C错误； D．硅、二氧化硅都能与氢氟酸反应生成，都能与NaOH溶液反应生成，故D正确。 答案选D。 12．下列关于硅的说法中，不正确的是 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．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料 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 【答案】C 【解析】A．硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属，故A正确； B．硅既有金属性，又有非金属性，其导电性也介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，故B正确； C．硅的化学性质不活泼(尤其是在常温下)，但常温下仍能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应，故C错误； D．加热至一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属发生反应，故D正确。 答案选C。 13．下列有关硅及其化合物的说法正确的是 A．硅酸盐化学性质稳定，是由于其结构中存在硅氧四面体 B．实验室用带玻璃塞的试剂瓶保存NaOH溶液 C．是酸性氧化物，能够与水反应生成 D．硅的化学性质稳定，在自然界中大部分以游离态存在 【答案】A 【解析】A．硅氧四面体中硅氧键键能大，不容易断裂，硅酸盐化学性质稳定，是由于其结构中存在硅氧四面体，A正确； B．玻璃的成分中有二氧化硅，二氧化硅可以与NaOH反应生成硅酸钠，硅酸钠是一种粘合剂，如果用带玻璃塞的试剂瓶保存NaOH溶液，会将瓶塞和瓶口粘住，因此实验室用带橡胶塞的试剂瓶保存NaOH溶液，B错误； C．SiO2不能与水反应，但可以和碱反应生成盐和水，属于酸性氧化物，C错误； D．硅的化学性质稳定，但是在自然界中以化合态存在，D错误； 故答案选A。 14．（25-26高一上·全国·随堂练习）下列关于我国古代陶瓷制作的说法正确的是 A．陶瓷制作过程中只发生物理变化 B．陶瓷的主要成分是碳酸钙 C．高温烧制是陶瓷制作的关键步骤 D．陶瓷制品在常温下化学性质不稳定 【答案】C 【解析】A．陶瓷制作过程中高温烧制导致黏土发生化学变化（如脱水、分解、形成硅酸盐），并非只有物理变化，A错误； B．陶瓷的主要成分是硅酸盐，而非碳酸钙，B错误； C．高温烧制使黏土中的矿物发生化学变化并形成致密结构，是陶瓷硬化的关键步骤，C正确； D．陶瓷耐腐蚀、抗氧化，常温下化学性质稳定，D错误； 故选C。 15．（24-25高一下·河北·期末）根据所给物品：①传统陶瓷  ②计算机芯片  ③玻璃  ④光导纤维，判断下列叙述错误的是 A．含有硅单质的只有② B．含有二氧化硅的只有③ C．含有硅酸盐的只有①③ D．硅氧四面体结构决定了硅酸盐材料大多硬度大、耐高温 【答案】B 【分析】①传统陶瓷为硅酸盐，②计算机芯片是硅单质，③玻璃是硅酸盐，④光导纤维是二氧化硅，据此解答： 【解析】A．据分析，含硅单质的只有②计算机芯片，A正确； B．据分析，含有二氧化硅还有④光导纤维，B错误； C．据分析，①传统陶瓷和③玻璃含有硅酸盐，C正确； D．硅酸盐的硅氧四面体通过共价键形成稳定结构，赋予材料高硬度和耐高温特性，D正确； 故答案为B。 16．（24-25高一下·浙江·期中）下列有关无机非金属材料说法不正确的是 A．压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化 B．石灰石是制造玻璃和水泥的主要原料之一 C．碳化硅俗称金刚砂，它可用于高温结构陶瓷的制作 D．石墨烯的电阻率低，热导率也低 【答案】D 【解析】A．压电陶瓷具有压电效应，可实现机械能与电能的相互转化，故A正确，不符合题意； B．制造玻璃的原料包括石灰石、石英砂和纯碱，制造水泥的原料包括石灰石和黏土，故B正确，不符合题意； C．碳化硅（）硬度高、耐高温，常用于高温结构陶瓷，故C正确，不符合题意； D．石墨烯电阻率低，但其热导率极高（远超一般材料），故D错误，符合题意； 故选D。 拓展培优 17．（25-26高二上·湖南长沙·月考）工业上制备高纯硅和氮化镓的原理如下： ①； ②； ③； ④。 下列叙述错误的是 A．反应①中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2 B．反应②和反应③互为可逆反应 C．上述反应都既是氧化还原反应又是置换反应 D．上述反应中，HCl和H2可以循环利用 【答案】B 【解析】A．反应①中，是氧化剂（Si从+4价被还原为0价），C是还原剂（从0价被氧化为+2价），1 mol对应2 mol C，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1:2，A正确； B．可逆反应需在相同条件下进行，而反应②（300℃）和反应③（1100℃）条件不同，无法互为可逆反应，B错误； C．4个反应中均有单质参加反应（与化合物反应）、且有单质生成（也有化合物生成），属于置换反应，且均有元素化合价发生变化（单质生成化合物，而化合物中元素生成单质），因此是氧化还原反应，C正确； D．反应②生成的用于反应③，反应③生成的HCl用于反应②，HCl和可循环利用，D正确； 故选B。 18．（23-24高一下·重庆·期中）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 【答案】C 【解析】A．陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A错误； B．水泥的原料是黏土和石灰石，纯碱、石灰石、石英是制造玻璃的原料，B错误； C．硅酸盐制品的化学性质稳定，熔点较高，C正确； D．沙子主要成分为二氧化硅，不是硅酸盐，D错误； 故答案选C。 19．（24-25高一下·河北衡水·期中）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)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，该反应的化学方程式为 。 (2)氮化硅是一种新型陶瓷材料，可通过如下反应制得，请用单线桥表示该反应电子转移的方向与数目 。 (3)高纯硅用于制作光伏电池，如图是一种生产高纯硅的工艺流程图： 电弧炉中高温生成粗硅，反应的化学方程式为 。若电弧炉中焦炭过量，还会有生成，石英砂和焦炭生成的反应中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为 。 (4)用溶液浸泡过的棉花不易燃烧，体现的用途是可作 剂的原料。 (5)许多人喜欢佩戴玉石饰品，玉石的主要成分基本都属于硅酸盐，硅酸盐可以写成氧化物的形式，和田玉可表示为 。 (6)硅与碳位于同一主族，下列事实能说明碳的非金属性强于硅的是 。 a.焦炭与二氧化硅高温反应制取粗硅： b.通入溶液中产生硅酸沉淀： c.石灰石和石英高温制玻璃： 【答案】(1)SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O (2) (3) SiO2+2CSi+2CO↑ 1：2 (4)防火剂 (5)2CaO·5MgO·8SiO2·H2O (6)b 【解析】（1）SiO2与HF反应生成SiF4和H2O，方程式为SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O； （2） 反应中，碳元素从0价升高到+2价、氮元素从0价降低到-3价，则按得失电子数守恒，用单线桥表示该反应电子转移的方向与数目为：； （3）石英砂和过量焦炭在电弧炉中高温加热生成粗硅，反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑；氧化剂（SiO2）和还原剂（C）的物质的量之比为1：2； （4）Na2SiO3溶液浸泡过的棉花不易燃烧，可用作防火剂； （5）和田玉(Ca2Mg5H2Si8O24)可用CaO、MgO、SiO2、H2O来表示，硅酸盐写成氧化物形式时，低价金属氧化物在前，高价金属氧化物在后，若化合价相同，活泼金属氧化物在前，不活泼金属氧化物在后，最后写SiO2·H2O，故为：2CaO·5MgO·8SiO2·H2O； （6）a．焦炭与二氧化硅高温反应制取粗硅：SiO2+2CSi+2CO↑，该反应中C元素化合价上升作还原剂，不能说明碳的非金属性强于硅，a错误； b．非金属性越强，元素最高价氧化物水化物的酸性越强，CO2通入Na2SiO3溶液中产生硅酸沉淀Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3↓，说明碳酸的酸性强于硅酸，说明碳的非金属性强于硅，b正确； c．石灰石和石英高温制玻璃：SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑，该反应与元素的非金属性无关，c错误； 故选b。 20．（24-25高一下·安徽池州·期中）材料与生活，生产息息相关，目前使用的材料主要有：金属材料、传统无机非金属材料，新型无机非金属材料，高分子材料，复合材料等。 (1)在人体器官受到损伤时，需要使用一种新型无机非金属材料来植入体内，这种材料是 （填序号）。 A．高温结构陶瓷    B．生物陶瓷    C．导电陶瓷 (2)玻璃是重要的建筑和装饰材料，有些玻璃的花纹是利用氢氟酸对普通玻璃中二氧化硅的腐蚀作用而形成的，写出该反应的化学方程式 。 (3)在“双碳”目标影响下，光伏产业迎来“高光时刻”，高纯硅是光伏发电技术中重要的基础原料。制备高纯硅的主要工艺流程如图所示： ①反应Ⅱ的化学方程式为 。 ②整个过程中必须严格控制无水无氧。在有氧环境下，除了有不安全因素外，还可能使产品中混有杂质 。 (4)许多人喜欢佩戴玉石饰品，玉石的主要成分基本都属于硅酸盐，例如和田玉可表示为复杂氧化物形式，我国成功发射的嫦娥一号探月卫星发现月球上主要矿石有辉石、斜长石和橄榄石等，其中斜长石可写成氧化物形式为： 。 (5)用海边的石英砂（含氯化钠。氧化铝等杂质）制备二氧化硅粗产品的工艺流程如图所示： ①将洗净的石英砂研磨成粉末，目的是 。 ②在以上流程中，能否将盐酸改为NaOH溶液，请说明理由： 。 【答案】(1)B (2) (3) (4) (5) 增大反应物之间的接触面积，从而增大反应速率，提高生产效率 不能，因二氧化硅能与NaOH溶液反应 【分析】(3) 将粗硅与HCl反应，转变为SiHCl3，目的是使粗硅转变为沸点较低的含硅物质，以便通过分馏的方法获得高纯度的含硅物质，后续通过H2还原的方法获得高纯硅，氯化氢可参与循环； (5)用水洗涤石英砂(含氯化钠、氧化铝等杂质)，以除去石英砂中的可溶性的NaCl杂质；将洗净的石英砂研磨成粉末，目的是增大反应物之间的接触面积，从而增大反应速率，提高生产效率；溶解环节，是加盐酸以除去石英砂中的氧化铝杂质，过滤即得目标产物SiO2； 【解析】（1）高温结构陶瓷：用于高温环境(如航天、发动机部件)，不适合生物医疗；生物陶瓷具有良好的生物相容性、耐腐蚀性和机械强度，常用于人工骨骼、关节或牙齿等医疗植入材料；导电陶瓷：用于电子器件，无生物相容性要求，故选B。 （2）氢氟酸与普通玻璃中二氧化硅反应生成四氟化硅和水：。 （3）①反应Ⅱ是氢气和SiHCl3发生氧化还原反应生成硅单质和氯化氢，其化学方程式为：； ②在有氧环境下，生成的硅单质会被氧气氧化成二氧化硅，会导致产品中混有SiO2； （4）硅酸盐写成氧化物形式时，低价金属氧化物在前，高价金属氧化物在后，若化合价相同，活泼金属氧化物在前，不活泼金属氧化物在后，最后写SiO2，斜长石可写成氧化物形式为； （5）①将洗净的石英砂研磨成粉末，目的是增大反应物之间的接触面积，从而增大反应速率，提高生产效率； ②在以上流程中，盐酸与氧化铝反应、二氧化硅不反应，故能除去氧化铝杂质，盐酸不可改为NaOH溶液，因为二氧化硅是酸性氧化物，可以和氢氧化钠反应。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $