2.课时跟踪检测练 13.第五章 无机非金属材料-【满分思维】2025-2026学年高中化学必修第二册（人教版）

本讲义聚焦无机非金属材料核心知识点，系统梳理硅酸盐材料（陶瓷、玻璃等）的成分与性质，晶体硅制备流程（SiO₂→粗硅→高纯硅）的反应原理，以及新型材料（石墨烯、氮化硅等）的应用，构建从传统到现代的知识学习支架。 该资料通过题组训练与延伸思考结合，如文物成分分析培养科学思维，晶体硅制备流程推理提升科学探究能力，联系传统工艺与现代科技体现科学态度。课中辅助教师系统教学，课后帮助学生巩固知识、查漏补缺。

七　无机非金属材料 (40分钟　60分) 题组过关·夯基础 题组一:硅酸盐材料 1.(2分)文物见证历史,化学创造文明。东北三省出土的下列文物据其主要成分不能与其他三项归为一类的是 (　　) A.金代六曲葵花鎏金银盏 B.北燕鸭形玻璃注 C.汉代白玉耳杯 D.新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐 【解析】选A。金代六曲葵花鎏金银盏是合金制品,属于金属材料;北燕鸭形玻璃注是玻璃制品,属于硅酸盐材料;汉代白玉耳杯是玉制品,属于硅酸盐材料;新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐是陶制品,属于硅酸盐材料;综上A选项材质与其他三项材质不同,不能归为一类,答案选A。 【补偿训练】下列物质不属于硅酸盐的是 (　　) A.黏土　　　　 B.石英　 C.Al2Si2O5(OH)4 D.Mg2SiO4 【解析】选B。硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称,黏土、Al2Si2O5(OH)4、Mg2SiO4均是硅酸盐,石英是二氧化硅,属于酸性氧化物。 2.(2分)《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无沙黏土而为之”,“凡坯既成,干燥之后则堆积窑中,燃薪举火”,“浇水转釉(主要为青色)与造砖同法”。下列说法错误的是 (　　) A.沙子和黏土的主要成分为硅酸盐 B.“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化 C.烧制后自然冷却成红瓦,浇水冷却成青瓦 D.黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料 【解析】选A。沙子的主要成分为SiO2,是氧化物,不属于硅酸盐,A项错误;“燃薪举火”是使成型的黏土器皿发生复杂的物理、化学变化而制成陶器,B项正确;烧制过程中铁的化合物被氧化为氧化铁,得到红瓦,若浇水则发生氧化还原反应得到氧化亚铁而成为青瓦,C项正确;制作砖瓦和陶瓷的主要原料是黏土,D项正确。 3.(2分)蕲春管窑镇被湖北省命名为“湖北省陶器之乡”,其管窑手工制陶技艺是湖北省第一批非物质文化遗产。下列说法中错误的是 (　　) A.陶瓷的主要原料是黏土和石灰石 B.陶瓷烧制过程中发生了化学变化 C.新型超导陶瓷可应用于磁悬浮技术 D.高温结构陶瓷可应用于火箭发动机 【解析】选A。A.生产陶瓷的主要原料是黏土,A错误;B.陶瓷烧制过程中发生了复杂的物理及化学变化,B正确;C.新型超导陶瓷具有超导性,可应用于磁悬浮技术,C正确;D.高温结构陶瓷具有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能,可用于火箭发动机,D正确。 [延伸思考] 制备陶瓷和普通水泥都需要以黏土为原料,黏土的主要成分是铝硅酸盐。某种黏土的主要成分为Al2Si2O5(OH)4,将其表示为氧化物的形式为aAl2O3·bSiO2·cH2O,则a∶b∶c=______________。  提示:1∶2∶2。该黏土的主要成分为Al2Si2O5(OH)4,将其表示为氧化物的形式为Al2O3·2SiO2·2H2O,则a∶b∶c=1∶2∶2。 题组二:晶体硅的制备方法 4.(4分)信息技术离不开芯片,现代芯片离不开高纯度的硅,制造芯片的高纯硅(Si)可以用下述方法制取(反应条件略)。下列说法不正确的是 (　　) A.SiO2和SiCl4中Si的化合价均为+4 B.反应①、②、③均为氧化还原反应 C.SiO2和CO都属于酸性氧化物,均能与NaOH溶液反应 D.利用产物的沸点不同实现由粗硅到高纯硅的提纯 【解析】选C。SiO2中氧元素-2价,Si为+4价,SiCl4中Cl为-1价,Si为+4价,A正确;反应①SiO2被C还原、反应②Si被Cl2氧化、反应③SiCl4被H2还原,均为氧化还原反应,B正确;SiO2属于酸性氧化物,能与NaOH溶液反应,CO属于不成盐氧化物,C错误;SiCl4常温下是气体,沸点低易从粗硅杂质中分离,产物HCl易挥发,从高纯硅中分离,均是利用产物的沸点不同,实现由粗硅到高纯硅的提纯,D正确。 [延伸思考] 上述流程②③需在无氧条件下进行。这种说法是否正确? 提示:正确。为防止粗硅与氧气发生副反应和氢气与氧气高温发生爆炸,所以流程②③均需在无氧条件下进行。 5.(4分)“中国芯”的发展离不开高纯硅。从石英砂(主要成分为SiO2)制取高纯硅用流程图表示如下: 其中涉及的主要反应:①SiO2+2CSi(粗硅)+2CO↑,②Si+3HClSiHCl3+H2,③SiHCl3+H2 Si(高纯硅)+3HCl,下列说法正确的是 (　　) A.上述反应①②③均为置换反应 B.反应①中氧化剂和还原剂的物质的量之比为2∶1 C.上述流程中可以循环的物质只有H2 D.反应③中:H2的还原性强于HCl 【解析】选A。由方程式可知,反应①②③均为有单质参加和单质生成的置换反应,故A正确;由方程式可知,反应①中硅元素化合价降低被还原,二氧化硅是反应的氧化剂,碳元素的化合价升高被氧化,碳是反应的还原剂,则反应①中氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2,故B错误;由方程式可知,上述流程中可以循环的物质为氢气和氯化氢气体,故C错误;反应③中,Cl的化合价没有变化,无法比较H2和HCl的还原性,故D错误。 [延伸思考] 流程中的三个反应均是氧化还原反应,这种说法是否正确? 提示:正确。三个反应均有元素化合价的变化,而有元素化合价变化的反应为氧化还原反应,故①②③均为氧化还原反应。 题组三:新型无机非金属材料 6.(2分)石墨烯是单层碳原子排列成的蜂窝状六角形平面晶体,具有重要的应用前景。中科院科学家研发出一条以碳化硅为原料制备高品质石墨烯材料的途径,过程如图所示。下列相关认识正确的是 (　　) A.石墨烯属于新型高分子化合物 B.碳化硅是一种硬度很高的合金 C.上述制备途径属于物理剥离过程 D.石墨烯与C60互为同素异形体 【解析】选D。石墨烯属于单质而不是新型高分子化合物,选项A错误;碳化硅属于非金属材料,不属于合金,选项B错误;由碳化硅生产石墨有新物质生成,属于化学反应,选项C错误;石墨烯与C60是由碳元素组成的不同单质,互为同素异形体,选项D正确。 【补偿训练】历史表明没有新材料的出现,就没有科技和生产发展的突破。信息高速公路的建立在于寻找新的信息材料。下列材料可作信息材料的是 (　　) A.铜线　 B.碳化硅陶瓷 C.玻璃 D.光导纤维 【解析】选D。二氧化硅是制造光导纤维的材料,光导纤维可以传导光信号,即可作信息材料,故选D。 7.(2分)下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的 是 (　　) ①门窗玻璃　 ②水晶镜片 ③石英钟表 ④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池 ⑥光导纤维 ⑦计算机芯片 A.①②③④⑥ B.全部 C.⑤⑦ D.①②⑥⑦ 【解析】选A。玻璃的主要成分为硅酸钠、硅酸钙和SiO2,水晶、石英、玛瑙、光导纤维的主要成分是SiO2;硅太阳能电池、计算机芯片是由硅单质组成的。 8.(2分)下列有关新型无机非金属材料的说法,错误的是 (　　) A.人造骨头、人造血管属于生物陶瓷,生物陶瓷属于新型无机非金属材料 B.石墨烯作为新型无机非金属材料,已经在动力电池中大量使用 C.氧化铝陶瓷是一种高温结构材料,可用来制造高温炉管,但氧化铝陶瓷不属于新型无机非金属材料 D.宇宙飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分可能是氮化硅陶瓷,氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料 【解析】选C。A.生物陶瓷属于新型无机非金属材料,故A正确;B.石墨烯为碳的一种单质,是一种新型无机非金属材料,已经在动力电池中大量使用,故B正确;C.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料,是高温结构材料,故C错误;D.氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料,是高温结构材料,故D正确。 【补偿训练】现代社会的发展与进步离不开材料,下列有关说法不正确的是 (　　) A.碳化硅是一种新型陶瓷材料,具有耐高温耐磨的特点 B.晶体硅是一种半导体材料,常用于制造光导纤维 C.硬铝是一种铝合金,是制造飞机和飞船的理想材料 D.石墨烯是一种新型无机非金属材料,具有高电导率的特点 【解析】选B。碳化硅陶瓷属于新型无机非金属材料,故A正确;晶体硅是良好的半导体材料,常用于制造芯片,常用于制造光导纤维的是二氧化硅,故B错误;硬铝密度小,强度大,是制造飞机和飞船的理想材料,故C正确;石墨烯是一种新型无机非金属材料,具有优良的导电、导热性,故D正确。 综合应用·拓思维 9.(2分)“龙芯一号”的问世填补了我国电脑芯片制造史上的一项空白。用硝酸与氢氟酸的混合液制作芯片的刻蚀液,发生的反应为Si+4HNO3+6HF===H2SiF6+4NO2↑+4H2O。下列有关叙述正确的是 (　　) A.电脑芯片的主要成分为SiO2,SiO2具有良好的光学性能 B.实验室中,可用玻璃仪器密封保存氢氟酸 C.高纯Si可以用焦炭还原SiO2制备 D.在该反应中,Si作还原剂,被氧化为H2SiF6 【解析】选D。A.硅具有良好的半导体性能,电脑芯片的主要成分为硅,不是二氧化硅,A错误;B.氢氟酸能与玻璃中的二氧化硅反应,所以不能用玻璃仪器密封保存氢氟酸,B错误;C.粗Si可以用焦炭还原SiO2制备,粗硅进一步提炼可以得到高纯硅,C错误;D.在该反应中硅元素化合价升高,则Si作还原剂发生氧化反应,被氧化为H2SiF6,D正确。 10.(4分)氮化硅(Si3N4)因其在高温和高频条件下的优异性能,成为现代微电子领域的重要材料。工业上用石英砂和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流程如下(已知:粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物;常温下Si3N4除与氢氟酸反应外不与其他酸反应),下列叙述不正确的是 (　　) A.“还原”时焦炭主要被氧化为CO2 B.“高温氮化”反应的化学方程式为3Si+2N2Si3N4 C.“操作X”为将原料气通过灼热的铜粉 D.“稀酸Y”可选用稀硝酸 【解析】选A。石英砂为SiO2,SiO2与焦炭在高温下发生反应:SiO2+2CSi+2CO↑,粗硅与氮气反应生成Si3N4,还含有Fe、Cu的单质及化合物,经过酸洗而除去,得到纯净的Si3N4。 “还原”时焦炭主要被氧化为CO,A错误;“高温氮化”反应为硅与氮气反应生成Si3N4,化学方程式为3Si+2N2Si3N4,B正确;原料气含有N2和少量O2,通过灼热的铜粉除去氧气得到氮气,故“操作X”为将原料气通过灼热的铜粉,C正确;“酸洗”目的是除去Si3N4中含有的Fe、Cu的单质及化合物,Fe、Cu的单质及化合物可以与稀硝酸反应而溶解,而Si3N4与稀硝酸不反应,故“稀酸Y”可选用稀硝酸,D正确。 11.(4分) 中国高新芯片加速推出,彰显了不同凡响的中国风采、中国力量,而制造芯片用到高纯硅,用SiHCl3(沸点:31.85 ℃,SiHCl3遇水会剧烈反应,除生成H2SiO3、HCl外,还生成一种气体a)与过量H2在1 100~1 200℃反应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),下列说法错误的是 (　　) A.实验时,先打开装有稀硫酸仪器的活塞,收集尾气验纯,再预热装置Ⅳ石英管 B.装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓H2SO4、温度高于32℃的温水 C.a气体为H2 D.Ⅰ装置可用于二氧化锰固体与浓盐酸反应制备氯气 【解析】选D。由实验装置可知,Ⅰ中Zn与稀硫酸反应生成氢气,Ⅱ中浓硫酸干燥氢气,Ⅲ中汽化的SiHCl3与过量H2混合,Ⅳ中高温下反应生成硅,且SiHCl3遇水发生反应:SiHCl3+3H2O===H2SiO3+H2↑+3HCl。实验时应先打开装有稀硫酸仪器的活塞制取氢气,用氢气将装置内的空气排出,收集尾气验纯,再预热装置Ⅳ石英管,防止氢气不纯加热时发生爆炸,故A正确;装置Ⅱ中浓H2SO4可干燥氢气,Ⅲ中盛装温度高于32℃的温水,目的是使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化,与氢气反应,故B正确;SiHCl3 遇水剧烈反应的化学方程式为SiHCl3+3H2O===H2SiO3+H2↑+3HCl,所以a为氢气,故C正确;浓盐酸与二氧化锰反应需要加热,故D错误。 12.(15分)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)下列物质不属于硅酸盐材料的是__________。(填字母)(2分)  A.陶瓷 　　B.玻璃　　C.水泥　　D.生石灰 (2)SiO2是玻璃的主要成分之一,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分)  (3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧,说明Na2SiO3可用作______________________。Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得,高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是______________________。(填字母)(3分)  A.普通玻璃坩埚 B.石英玻璃坩埚 C.氧化铝坩埚 D.铁坩埚 (4)根据如图所示装置回答以下问题。 若要用此装置证明酸性:HNO3>H2CO3>H2SiO3,从以下所给物质中选出甲同学设计的实验所用到的物质:①稀硝酸　②稀盐酸　③碳酸钙　④Na2SiO3溶液　⑤SiO2。试剂A与C分别为______________________(填序号);试管中发生反应的离子方程式为________。  有同学认为此实验不能说明酸性强弱,你认为原因是____。(7分)  【解析】(1)陶瓷、玻璃、水泥都是硅酸盐材料,生石灰是氧化钙,不属于硅酸盐,答案选D;(2)二氧化硅是酸性氧化物,与碱反应生成盐和水,与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O;(3)硅酸钠是矿物胶,不燃烧,而将硅酸钠浸泡棉花就阻隔了棉花与空气中氧气的直接接触,可用作防火剂的原料;普通玻璃坩埚、石英玻璃坩埚都含有二氧化硅,能够与纯碱反应,氧化铝也能与纯碱发生反应(生成偏铝酸钠和二氧化碳),铁和碳酸钠在高温下不会反应,所以高温熔融纯碱时可选用的是铁坩埚;(4)证明酸性:HNO3>H2CO3>H2SiO3,试剂A、B、C分别为稀硝酸、碳酸钙和硅酸钠溶液;试管中发生反应的离子方程式为CO2+H2O+Si===H2SiO3↓+C;有同学认为此实验不能说明酸性强弱,原因是硝酸具有挥发性,也会和硅酸钠反应生成硅酸。 答案:(1)D　(2)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O　氢氟酸　(3)防火剂　D　　 (4)①、④　CO2+H2O+Si===H2SiO3↓+C　硝酸有挥发性,也会和硅酸钠反应生成硅酸 迁移创新·提素能 13.(15分)单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质),粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度为450~500 ℃),四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。 相关信息如下: a.四氯化硅接触水会发生化学反应; b.硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物; c.有关物质的物理常数见下表: 物质 SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5 沸点/℃ 57.7 12.8 - 315 - 熔点/℃ -68.7 -107.2 - - - 升华温度/℃ - - 180 300 162 请回答下列问题: (1)写出装置A中发生反应的化学方程式:____________________________, D中发生的主要反应的化学方程式:____________________________________。(4分)  (2)A中g管的作用是___________________, 装置C中的试剂是__________,作用是________。(5分)  (3)装置E中的h瓶需要冷却的理由是__________________________。(2分)  (4)装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏(类似多次蒸馏)得到高纯度四氯化硅,精馏后的残留物中,除铁元素外可能还含有的杂质元素是__________(填写元素符号)。(2分)  (5)过量的氯气可以用石灰乳来处理,请写出该反应的化学方程式:____。(2分)  【解析】(1)装置A制备氯气,实验室利用浓盐酸和二氧化锰加热制备氯气,则其中发生反应的化学方程式为MnO2+4HCl(浓)MnCl2+Cl2↑+2H2O,D中发生Si与氯气的反应生成四氯化硅,则D中发生的主要反应的化学方程式为2Cl2+SiSiCl4。(2)A中g管可以使内外压强相等,便于液体顺利流下;生成的氯气中混有氯化氢和水蒸气,首先利用饱和食盐水除去氯化氢,最后干燥氯气,则装置C中的试剂是浓硫酸,作用是干燥氯气。(3)根据表中数据可知四氯化硅沸点较低,因此装置E中的h瓶需要冷却的理由是冷凝收集四氯化硅。(4)根据表中数据可知,BCl3的沸点较低,蒸出四氯化硅时,BCl3也被蒸出,则精馏后的残留物中,除铁元素外可能还含有的杂质元素是Al、P。(5)过量的氯气可以用石灰乳来处理,该反应的化学方程式为2Cl2+2Ca(OH)2===CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O。 答案:(1)MnO2+4HCl(浓)MnCl2+Cl2↑+2H2O　2Cl2+SiSiCl4　(2)平衡气压,便于浓盐酸顺利滴下　浓硫酸　干燥氯气 (3)四氯化硅沸点较低,需要冷凝收集 (4)Al、P (5)2Cl2+2Ca(OH)2===CaCl2+Ca(ClO)2+2H2O - 12 - 学科网（北京）股份有限公司 $