2024届高考化学一轮复习教案 18 第四章 第15讲 无机非金属材料（含解析）
文档属性
| 名称 | 2024届高考化学一轮复习教案 18 第四章 第15讲 无机非金属材料（含解析） |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 1.8MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 化学 | ||
| 更新时间 | 2023-12-12 22:49:17 | ||
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文档简介
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第15讲 无机非金属材料
[课程标准] 1.了解硅酸盐材料及新型无机非金属材料的性质和用途。2.掌握硅和二氧化硅的性质及应用，了解高纯硅的制备。
考点一 硅和二氧化硅
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一、硅单质
1．存在：硅单质主要有晶体和无定形两大类。
2．物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。
3．化学性质
(1)常温下不活泼，一般不与其他物质反应，但可以与氟气、氢氟酸、碱反应，反应的化学方程式分别为：
与氟气：Si＋2F2===SiF4；
与氢氟酸：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；
与碱：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(2)在加热或者点燃的条件下可以与氢气、氧气、氯气等反应，与氧气反应的化学方程式为Si＋O2SiO2。
4．硅的工业制法及提纯
涉及的化学方程式：
①SiO2＋2CSi＋2CO↑；
②Si＋3HClSiHCl3＋H2；
③SiHCl3＋H2Si＋3HCl。
5．用途
(1)良好的半导体材料；
(2)太阳能电池；
(3)计算机芯片。
二、二氧化硅
1．存在
(1)自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。
(2)天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石。
2．物理性质：熔点高，硬度大，难溶于水。
3．化学性质
(1)SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。
(2)在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钙反应的化学方程式为SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。
(3)在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为SiO2＋CaOCaSiO3。
(4)常温下与氢氟酸反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
4．用途：光导纤维、光学仪器等。
[正误辨析]
(1)工业上用焦炭和二氧化硅制取粗硅时生成粗硅和CO2气体( )
(2)Si是半导体材料，可用作太阳能电池( )
(3)SiO2与NaOH溶液反应生成盐和水，也可以和氢氟酸反应，所以SiO2是两性氧化物 ( )
(4)因为热稳定性：CH4>SiH4，所以非金属性：C>Si( )
(5)SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃( )
学生用书?第69页
(6)NaOH溶液不能用玻璃瓶盛放( )
(7)高纯度的二氧化硅广泛用于制作光导纤维，光导纤维遇强碱会“断路”( )
(8)SiO2是H2SiO3的酸酐，所以SiO2和水反应生成H2SiO3( )
答案： (1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)√ (6)× (7)√ (8)×
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硅的制备与提纯
硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：
(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：
①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式：
________________________________________________________________________。
②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出化学反应方程式： _______________________________________________
________________________________________________________________________；
H2还原SiHCl3过程中若混有O2，可能引起的后果是_______________________________。
(2)化学研究性学习小组在探究硅的制取方法时，从资料查阅到下列信息：
Ⅰ.Mg在高温条件下可与SiO2反应；
Ⅱ.金属硅化物与稀H2SO4反应生成硫酸盐和SiH4；
Ⅲ.SiH4在空气中自燃。
他们根据信息进行实验，当用足量稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物时，发现有爆鸣声和火花；然后过滤、洗涤、干燥；最后称量、计算，测得其产率只有预期值的63%左右。
①第Ⅰ步实验发生反应的化学方程式是_______________________________________
________________________________________________________________________。
②用稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物时，产生爆鸣声和火花的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案： (1)①SiHCl3＋H2Si＋3HCl
②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl 高温下，H2遇O2发生爆炸
(2)①2Mg＋SiO22MgO＋Si、2Mg＋SiMg2Si
②硅化镁与稀硫酸反应生成的SiH4可自燃，即发生反应Mg2Si＋2H2SO4===2MgSO4＋SiH4↑，SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O
考点二 无机非金属材料
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一、硅酸盐材料
1．陶瓷
陶瓷以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料，经高温烧结而成的。
2．玻璃
普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2，它是以纯碱、石灰石和石英砂为主要原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化而制得的。玻璃可用于生产建筑材料、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等。
3．水泥
普通硅酸盐水泥的主要原料是黏土和石灰石，二者与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理变化和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再研成细粉得到普通水泥。混凝土是水泥、沙子和碎石等与水混合得到的。
二、新型无机非金属材料
1．新型陶瓷
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．新型陶瓷的种类与用途
材料类型 主要特性 示例 用途
高温结构陶瓷 耐高温、抗氧化、耐磨蚀 碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成 火箭发动机的尾管及燃烧室、汽车发动机、高温电极材料等
压电陶瓷 实现机械能与电能的相互转化 钛酸盐、锆酸盐 滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
学生用书?第70页
透明陶瓷 优异的光学性能，耐高温，绝缘性好 氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导陶瓷 在某一临界温度下电阻为零 可用于电力、交通、医疗等领域
3.碳纳米材料
碳纳米材料是一类新型的无机非金属材料
(1)类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。
(2)用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。
材料类型 性能 用途
碳纳米管 比表面积大，高强度，优良的电学性能 生产复合材料、电池和传感器等
石墨烯 电阻率低，热导率高，具有很高的强度 用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等
[正误辨析]
(1)二氧化硅可用于生产玻璃( )
(2)碳化硅俗称金刚砂，它可用于高温结构陶瓷的制作( )
(3)压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化( )
(4)石墨烯的电阻率低，热导率也低( )
(5)传统的无机非金属材料均为硅酸盐材料( )
答案： (1)√ (2)√ (3)√ (4)× (5)×
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一、传统无机非金属材料
1．(2022·河南焦作一模)下列有关玻璃的说法中正确的是( )
A．普通玻璃的原料是烧碱、石英、石灰石
B．普通玻璃和石英玻璃都属于硅酸盐产品
C．制备普通玻璃时的反应有Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3
D．普通玻璃用于镶嵌建筑物的门窗、墙面，但其不具有保温和防辐射等特征
C [A.制造普通玻璃的主要原料：纯碱、石灰石和石英，A项错误；B.石英玻璃的主要成分是二氧化硅，B项错误；C.制造普通玻璃的主要原料：纯碱、石灰石和石英，则反应有Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3，C项正确；D.普通玻璃具有透光、隔热、隔声、耐磨、耐气候变化的性能，有的还有保温、吸热、防辐射等特征，D项错误。]
2．玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是( )
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
C [陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B项错误；硅酸盐制品性质稳定、熔点高，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。]
二、新型无机非金属材料
3．在20世纪90年代末，科学家发现碳有新的单质形态C60存在。后来人们又相继得到了C70、C76、C84、C90、C94等一些球碳分子。21世纪初，科学家又发现了管状碳分子和洋葱状碳分子，大大丰富了碳元素单质的家族。下列有关碳元素单质的说法错误的是( )
A．金刚石和石墨的熔点肯定比C60高
B．熔点：C60＜C70＜C90
C．球碳分子、管状碳分子和洋葱状碳分子都是分子晶体，都是碳的同素异形体
D．金刚石以非分子形式的粒子存在，属于共价晶体；C60、C70、管状碳分子和洋葱状碳分子以分子形式的粒子存在，属于分子晶体；这些碳单质不互为同素异形体
D [金刚石属于共价晶体，石墨属于混合晶体，C60属于分子晶体，因此金刚石和石墨的熔点肯定要比C60高，故A正确；分子晶体的相对分子质量越大，熔点越高，因此熔点：C60＜C70＜C90，故B正确；球碳分子、管状碳分子和洋葱状碳分子都是碳元素形成的不同单质，所以均为碳的同素异形体，故C正确；金刚石属于共价晶体，不存在分子，C60、C70、管状碳分子和洋葱状碳分子都是分子晶体，以分子形式存在，都是碳元素形成的不同单质，互为同素异形体，故D错误。]
4．(2022·全国高三专题练习)硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。
(1)新型陶瓷Si3N4的熔点高、硬度大、化学性质稳定。工业上可以采用化学气相沉积法，在H2的保护下，使SiCl4与N2反应生成Si3N4沉积在石墨表面，写出该反应的化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)一种工业用硅(含少量钾、钠、铁、铜的氧化物)，已知硅的熔点是1 420 ℃，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。一种合成氮化硅的主要工艺流程如下：
学生用书?第71页
①净化N2和H2时，铜屑的作用是__________________________________________，
硅胶的作用是____________________________________________________________。
②在氮化炉中发生反应3SiO2(s)＋2N2(g)===Si3N4(s)＋3O2(g) ΔH＝－727.5 kJ·mol－1，开始时，严格控制氮气的流速以控制温度的原因是________________________________
________________________________________________________________________；
体系中要通入适量的氢气是为了____________________________________________
________________________________________________________________________。
③X可能是________(填“盐酸”“硝酸”“硫酸”或“氢氟酸”)。
解析： (1)根据原子个数守恒可写出化学方程式3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl。(2)①由于氧气和水蒸气都能腐蚀氮化硅，而氮气和氢气中含有水蒸气和氧气，所以铜屑的作用是除去氧气，硅胶的作用是除去水蒸气。②因为该反应是放热反应，如果温度过高，局部过热，会导致硅熔化成团，阻碍与N2的接触；通入氢气能将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去。③由于工业用硅中含有铜的氧化物，在反应中氧化铜能被还原生成铜，因此要除去铜应该选择硝酸，盐酸和硫酸不能溶解铜，氢氟酸能腐蚀氮化硅。
答案： (1)3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl (2)①除去原料气中的氧气 除去生成的水蒸气 ②该反应是放热反应，防止局部过热，导致硅熔化成团，阻碍与N2的接触 将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去(或将整个体系中空气排尽) ③硝酸
真题演练 明确考向
1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)(2022·浙江卷8A)晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，常用于制造光导纤维( )
(2)(2022·广东卷2B)飞船返回舱表层材料中的玻璃纤维属于天然有机高分子( )
(3)(2022·广东卷12A)用焦炭和石英砂制取粗硅，SiO2可制作光导纤维( )
(4)(2022·河北卷3A)制造5G芯片的氮化铝晶圆属于无机非金属材料( )
(5)(2022·湖南卷2D)石灰石是制造玻璃和水泥的主要原料之一( )
(6)(2022·江苏卷7B)单晶硅熔点高，所以可用作半导体材料( )
(7)(2022·辽宁卷1A)冰壶主材料花岗岩属于无机非金属材料( )
(8)(2022·辽宁卷1B)火炬“飞扬”使用的碳纤维属于有机高分子材料( )
答案： (1)× (2)× (3)√ (4)√ (5)√ (6)× (7)√ (8)×
2．(2022·河北卷)定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是( )
A．传统陶瓷是典型的绝缘材料
B．陶瓷主要成分为MgO和SiO2
C．陶瓷烧制的过程为物理变化
D．白瓷的白色是因铁含量较高
A [A.陶瓷是良好的绝缘体，传统陶瓷是典型的绝缘材料，常用于高压变压器的开关外包装和器件，A正确；B.陶瓷的主要成分为硅酸盐，而不是SiO2和MgO，B错误；C.陶瓷烧制过程发生复杂化学反应，有新物质生成，属于化学变化，C错误；D.由于Fe2＋、Fe3＋和铁的氧化物均有颜色，故陶瓷中含铁量越多，陶瓷的颜色越深，白瓷的白色是因为铁含量较低甚至几乎不含铁，D错误。]
3．(2022·广东卷)广东一直是我国对外交流的重要窗口，馆藏文物是其历史见证。下列文物主要由硅酸盐制成的是( )
文物
选项 A.南宋鎏金饰品 B.蒜头纹银盒 C.广彩瓷咖啡杯 D.铜镀金钟座
C [A.鎏金饰品是用金汞合金制成的金泥涂饰器物的表面，经过烘烤，汞蒸发而金固结于器物上的一种传统工艺，其中不含硅酸盐，故A项不符合题意；B.蒜头纹银盒中主要成分为金属银，其中不含硅酸盐，故B项不符合题意；C.广彩瓷咖啡杯主要由陶瓷制成，其主要成分为硅酸盐，故C项符合题意；D.铜镀金钟座是铜和金等制得，其中不含硅酸盐，故D项不符合题意。]
4.(2021·浙江1月选考，21)铝硅酸盐型分子筛中有许多笼状空穴和通道(如图)，其骨架的基本结构单元是硅氧四面体和铝氧四面体，化学组成可表示为
Ma[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O(M代表金属离子)。
下列推测不正确的是( )
A．常采用水玻璃、偏铝酸钠在强酸溶液中反应后结晶制得分子筛
B．若a＝x/2，则M为二价阳离子
C．调节y/x(硅铝比)的值，可以改变分子筛骨架的热稳定性
D．分子筛中的笼状空穴和通道，可用于筛分分子
A [A.偏铝酸钠在强酸性溶液中不能稳定存在，容易形成Al3＋，不可以利用偏铝酸钠在强酸性溶液中制备分子筛，A错误；B.设M的化合价为m，则根据正负化合价代数和为0计算，m×＋x×(－1)＝0，解得m＝＋2，B正确；C.调节硅铝比可以改变分子筛的空间结构，从而改变分子筛的热稳定性，C正确；D.调节硅铝比可以调节分子筛的孔径，根据分子筛孔径的大小可以筛分不同大小的分子，D正确。]
5．(全国卷Ⅱ，26节选)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：
回答下列问题：
(1)在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是
________________________________________________________________________，
还可使用________代替硝酸。
(2)沉淀A的主要成分是________，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析： (1)水泥熟料中的CaO和铁、铝、镁等金属的氧化物均能溶于盐酸，加入硝酸能将水泥样品中可能含有的Fe2＋氧化为Fe3＋，为了不引入新杂质，还可用H2O2代替硝酸。(2)根据图示流程可知，不溶于盐酸和硝酸的沉淀A为SiO2(或H2SiO3)，SiO2(或H2SiO3)能溶于弱酸氢氟酸，生成SiF4和H2O。
答案： (1)将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋ H2O2
(2)SiO2(或H2SiO3) SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(或H2SiO3＋4HF===SiF4↑＋3H2O)
课时精练(十五) 无机非金属材料
(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)
1．文物是传承文化的重要载体，下列主要成分不是硅酸盐的文物是( )
A.简牍 B.陶彩绘女舞俑 C.霁红釉瓷碗 D.梅瓶
A [简牍主要成分为植物纤维，A符合题意；陶彩绘女舞俑，为陶制品，为硅酸盐材料，B不符合题意；霁红釉瓷碗，材料为陶瓷，为硅酸盐材料，C不符合题意；梅瓶是瓷器，为硅酸盐材料，D不符合题意。]
2．(2022·上海三模)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，下列说法中错误的是( )
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
A [A.石墨烯属于碳单质，是能够导热的非金属材料，A错误；B.石墨烯是碳的单质，B正确；C.石墨烯属于碳单质，碳单质具有良好的导电性，可以导电，C正确；D.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．(2022·河南省濮阳市高三模拟)2022年2月在北京举办的冬季奥运会中，使用了许多功能各异的材料，下列有关材料的描述中不正确的是( )
A．陶瓷、玻璃、水泥属于传统的无机非金属材料
B．石墨烯、富勒烯和碳纳米管属于新型有机非金属材料
C．硅是应用最为广泛的半导体材料
D．通讯中使用的光导纤维，主要成分为SiO2
B [玻璃、陶瓷、水泥的主要成分是硅酸盐类，都属于传统的无机非金属材料，A正确；碳纳米管、富勒烯和石墨烯都是新型无机非金属材料，B不正确；晶体硅导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最广泛的良好的半导体材料，C正确；光导纤维的主要成分是二氧化硅，D正确。]
4．下列有关硅材料的说法正确的是( )
A．光纤的主要成分是高纯度的单质硅
B．金刚砂的主要成分是二氧化硅
C．28 g硅含有6.02×1023个电子
D．28Si、29Si、30Si是不同的核素
D [光纤的主要成分是二氧化硅，A错误；金刚砂的主要成分是碳化硅，B错误；28 g硅的物质的量是1 mol，其中含有14×6.02×1023个电子，C错误；28Si、29Si、30Si的质子数相同，但中子数不同，是不同的核素，且互为同位素，D正确。]
5．生产生活中的各种“玻璃”的说法正确的是( )
A．钢化玻璃和普通玻璃成分不相同，但都属于硅酸盐产品
B．有机玻璃的主要成分聚甲基丙烯酸甲酯属于天然有机高分子材料
C.“水玻璃”的主要成分是硅酸钠的水溶液，可用作矿物胶
D．石英玻璃熔点高、硬度大，可制作加热NaOH、Na2CO3等固体的仪器
C [钢化玻璃是将普通玻璃高温后骤降温度得到，二者成分相同，都属于硅酸盐产品，A错误；有机玻璃属于有机合成高分子材料，B错误；“水玻璃”的主要成分是硅酸钠的水溶液，可用作矿物胶，C正确；石英玻璃主要成分是二氧化硅，属于酸性氧化物，会与NaOH、Na2CO3等碱性物质发生反应，所以不能制作加热NaOH、Na2CO3等固体的仪器，D错误。]
6．《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无砂粘土而为之”，“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”，“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。下列说法错误的是( )
A．粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
B．“燃薪举火”使粘土发生复杂的物理和化学变化
C．沙子和粘土的主要成分均为硅酸盐
D．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦
C [制作砖瓦和陶瓷的主要原料是粘土，故A正确；粘土的主要成分均为硅酸盐，灼烧使粘土发生复杂的物理和化学变化，故B正确；沙子的主要成分是二氧化硅，粘土的主要成分为硅酸盐，故C错误；浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法，所以烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦，故D正确。]
7．高纯度晶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”。可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
下列说法不正确的是( )
A．步骤①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑
B．步骤①中每生成1 mol Si转移4 mol电子
C．高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
D．SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点67.6 ℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3
A [二氧化硅高温下与C反应生成CO气体，即步骤①的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，故A错误；步骤①中Si的化合价降低4，则每生成1 mol Si转移电子数为4 mol，故B正确；高纯硅是半导体材料，是制造集成电路、太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料，故C正确；沸点相差30 ℃以上的两种液体可以采用蒸馏(或分馏)的方法分离，故D正确。]
8．水玻璃(Na2SiO3溶液)广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。如图是用稻壳灰(SiO2：65%～70%、C：30%～35%)制取水玻璃的工艺流程：
下列说法正确的是( )
A．原材料稻壳灰价格低廉，且副产品活性炭有较高的经济价值
B．操作A与操作B完全相同
C．该流程中硅元素的化合价发生改变
D．反应器中发生的复分解反应为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
A [稻壳灰来源广泛价格低廉，活性炭具有吸附性，有较高的经济价值，A正确；操作A为过滤，操作B为蒸发浓缩，是两种不同的操作，B错误；二氧化硅中，硅元素的化合价是＋4价，硅酸钠中，硅元素的化合价是＋4价，所以该流程中硅元素的化合价没有发生改变，C错误；复分解反应是指由两种化合物相互交换成分，生成另外两种新的化合物的反应，反应SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O不属于复分解反应，D错误。]
9．(2022·江苏模拟预测)“十四五”工作报告强调，中国将加速建设新能源供给消化吸纳体系。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，我国的煤炭资源储量优于石油
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
D [A.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说法正确；B.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，化合价下降，发生了还原反应，B说法正确；C.晶硅中掺杂第ⅢA族与第ⅤA族元素，形成PN结，在接通电源或受光的激发，自由电子可向空穴方向移动(单向移动) (见图)，
C说法正确；D.氟化氢可与玻璃容器中二氧化硅发生反应，故D说法错误。]
10．(2022·天津市和平区三模)制造芯片用到高纯硅，用SiHCl3(沸点：31.85 ℃，SiHCl3遇水会剧烈反应，易自燃)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)，下列说法不正确的是( )
A．整个实验的关键是控温、检查装置气密性和排尽装置中的空气
B．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓H2SO4、温度高于32 ℃的温水
C．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
D．尾气处理可直接通入NaOH溶液中
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中高温下反应制备高纯硅，且SiHCl3遇水发生反应SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl。A项，SiHCl3的沸点为31.85 ℃，且易自燃，因而整个实验的关键是控温、检查装置气密性和排尽装置中的空气，故A正确；B项，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；C项，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，防止氢气不纯加热易爆炸，故C正确；D项，SiHCl3与氢气在1 100～1 200 ℃反应制备高纯硅，因而处理尾气时，应该在通入NaOH溶液前加上防倒吸装置，故D错误。]
11．(2022·浙江省选考模拟)硅胶吸附剂的结构示意图如图所示，常用作干燥剂。在其中添加CoCl2可使其指示吸水量的多少来决定硅胶是否失效，原理如下：CoCl2(蓝色)===CoCl2·6H2O(粉红色)，失效的硅胶可加热再生，下列说法错误的是( )
A．当硅胶变粉红色说明硅胶失效了
B．SiO2是酸性氧化物，硅胶可干燥HF和Cl2等酸性气体
C．失效的硅胶再生时加热的温度不宜过高
D．当硅胶遇到大量的水分子时，与硅羟基形成了过多氢键从而失去吸附力
B [由题中信息可知，硅胶吸水后，会变成粉红色的CoCl2·6H2O，故变成粉红色后则说明硅胶失效了，A正确；二氧化硅可以和HF反应，故硅胶不能干燥HF，B错误；温度过高会因显色剂逐步氧化而失去显色作用，C正确；由硅胶结构可知，硅胶用作干燥剂，是通过硅羟基和水分子之间形成氢键而达到吸水的目的，故当硅胶遇到大量的水分子时，与硅羟基形成了过多氢键从而失去吸附力，D正确。]
12．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
B [利用NaOH溶液实现“碳捕获”吸收器中，NaOH溶液用喷淋方式加入，增大反应物之间的接触面积，充分吸收二氧化碳，环节a中，氧化钙与水反应生成氢氧化钙，碳酸钠与氢氧化钙反应生成碳酸钙沉淀和氢氧化钠，Na2CO3发生反应的化学方程式为Na2CO3＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋2NaOH，CaCO3需从溶液中过滤出来再高温煅烧，生成的CO2循环使用。A项，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；B项，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；C项，NaOH和CaO在流程中既有消耗，也有生成，可循环利用，C正确；D项，Na2CO3可以和CO2反应，因此可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液，D正确。]
13．硅是构成矿物和岩石的主要成分，单质硅及其化合物具有广泛的用途。某些硅酸盐具有筛选分子的功能，一种硅酸盐的组成为：M2O·R2O3·2SiO2·nH2O，已知元素M、R均位于元素周期表的第3周期。两元素原子的质子数之和为24。
(1)该硅酸盐中同周期元素原子半径由大到小的顺序为____________________；
(2)常温下，不能与R单质发生反应的是________(填字母)；
A．CuCl2溶液 ．Fe2O3
C．浓硫酸 ．Na2CO3溶液
(3)写出M、R两种元素的最高价氧化物对应的水化物反应的离子方程式_________
________________________________________________________________________。
(4)氮化硅(Si3N4)陶瓷材料硬度大、熔点高。Si3N4晶体中只有极性共价键，则氮元素的化合价为________。
(5)C3N4的结构与Si3N4相似。请比较二者熔点高低并说明理由： __________________
________________________________________________________________________。
(6)可由下列反应制得Si3N4，配平该反应并标出电子转移的数目和方向：
________SiO2＋________C＋________N2________Si3N4＋________CO
(7)如果上述反应在10 L的密闭容器中进行，一段时间后测得气体密度增加了2.8 g/L，则制得的Si3N4质量为________。
解析： 一种硅酸盐的组成为：M2O·R2O3·2SiO2·nH2O，已知元素M、R均位于元素周期表的第3周期，两元素原子的质子数之和为24，M为＋1价，R为＋3价，则说明M为Na，R为Al。(1)该硅酸盐中同周期元素是Na、Al、Si，根据同周期从左向右原子半径逐渐减小，则原子半径由大到小的顺序为r(Na)＞r(Al)＞r(Si)；(2)常温下，铝与氯化铜反应生成氯化铝和铜单质，铝与氧化铁常温不反应，铝常温下与浓硫酸发生钝化反应，铝常温下与碳酸钠不反应，因此不能与R单质发生反应的是BD；(3)M、R两种元素的最高价氧化物对应的水化物分别为氢氧化钠和氢氧化铝，两者反应的离子方程式OH－＋Al(OH)3===AlO＋2H2O；(4)Si3N4晶体中只有极性共价键，氮非金属性比硅强，硅为＋4价，根据化合物为电中性，则氮元素的化合价为－3；(5)氮化硅(Si3N4)陶瓷材料硬度大、熔点高。C3N4的结构与Si3N4相似，说明两者都是共价晶体，碳原子半径比硅原子半径小，键长短，键能大，则C3N4熔点比Si3N4熔点高；(6)碳化合价由0价变为＋2价，氮化合价由0价变为－3价，则碳升高2个价态，Si3N4降低12个价态，因此碳系数配6，Si3N4系数配1，根据硅和氮守恒配SiO2系数为3，N2系数为2，再根据碳守恒配CO系数为6，则为3SiO2＋6C＋2N21Si3N4＋6CO，其电子转移为 (或)；(7)根据反应方程式3SiO2＋6C＋2N2Si3N4＋6CO分析得到气体质量增加112 g，则生成1 mol Si3N4即140 g，如果上述反应在10 L的密闭容器中进行，一段时间后测得气体密度增加了2.8 g/L，则气体质量增加了28 g，则制得的Si3N4质量为＝35 g。
答案： (1)r(Na)＞r(Al)＞r(Si) (2)BD
(3)OH－＋Al(OH)3===AlO＋2H2O (4)－3
(5)C3N4熔点比Si3N4熔点高，原因为两者都是共价晶体，碳原子半径比硅原子半径小，键长短，键能大，因此C3N4熔点比Si3N4熔点高
(6)3SiO2＋6C＋2N2Si3N得到4×3e－4＋6C失去6×2e－O
(或3SiO2＋6C＋2N212e－Si3N4＋6CO) (7)35 g
14．Ⅰ.高纯度单晶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”。它可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
(1)写出步骤①的化学方程式： _____________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)步骤②经过冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点－84.7 ℃)，提纯SiHCl3的主要化学操作的名称是________；SiHCl3和SiCl4一样，遇水可发生剧烈水解，已知SiHCl3水解会生成两种气态产物，试写出其水解的化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
Ⅱ.白炭黑(SiO2·H2O)广泛应用于橡胶、涂料、印刷等行业，可用蛇纹石[主要成分为Mg6(Si4O10)(OH)8]来制取，其主要工艺流程如图所示：
(3)蛇纹石用氧化物形式可表示为__________________________________________。
(4)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：
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________
(任举两种)。
(5)过滤Ⅰ得到的滤液的主要成分是____________________________________________。
(6)滤液与盐酸反应的主要离子方程式为_____________________________________
________________________________________________________________________。
(7)洗涤时，如何证明产品已洗涤干净？ ____________________________________
________________________________________________________________________。
解析： (2)SiHCl3(沸点33.0 ℃)、SiCl4(沸点57.6 ℃)、HCl(沸点－84.7 ℃)，他们的沸点不同，根据沸点的不同实现物质分离的方法为蒸馏或分馏；SiHCl3水解生成硅酸、氢气和氯化氢，反应方程式为：SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl↑；(3)用氧化物形式表示复杂硅酸盐的化学式时，应先用金属性强弱顺序书写氧化物，中间用“·”隔开，再写非金属氧化物，H2O放在最后，因此Mg6Si4O10(OH)8用氧化物形式表示为6MgO·4SiO2·4H2O。
答案： Ⅰ.(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑ (2)蒸馏(或分馏) SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl↑ Ⅱ.(3)6MgO·4SiO2·4H2O (4)适当升高温度 连续搅拌(或适当延长停留时间、选择合适的氢氧化钠浓度等) (5)水玻璃(或硅酸钠溶液或硅酸钠和氢氧化钠溶液) (6)SiO＋2H＋===H2SiO3↓ (7)取少许最后一次洗涤液，滴入1～2滴AgNO3溶液，若不出现白色浑浊，表示已洗涤干净
学生用书?第72页
第15讲 无机非金属材料
[课程标准] 1.了解硅酸盐材料及新型无机非金属材料的性质和用途。2.掌握硅和二氧化硅的性质及应用，了解高纯硅的制备。
考点一 硅和二氧化硅
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一、硅单质
1．存在：硅单质主要有晶体和无定形两大类。
2．物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。
3．化学性质
(1)常温下不活泼，一般不与其他物质反应，但可以与氟气、氢氟酸、碱反应，反应的化学方程式分别为：
与氟气：Si＋2F2===SiF4；
与氢氟酸：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；
与碱：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(2)在加热或者点燃的条件下可以与氢气、氧气、氯气等反应，与氧气反应的化学方程式为Si＋O2SiO2。
4．硅的工业制法及提纯
涉及的化学方程式：
①SiO2＋2CSi＋2CO↑；
②Si＋3HClSiHCl3＋H2；
③SiHCl3＋H2Si＋3HCl。
5．用途
(1)良好的半导体材料；
(2)太阳能电池；
(3)计算机芯片。
二、二氧化硅
1．存在
(1)自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。
(2)天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石。
2．物理性质：熔点高，硬度大，难溶于水。
3．化学性质
(1)SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。
(2)在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钙反应的化学方程式为SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。
(3)在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为SiO2＋CaOCaSiO3。
(4)常温下与氢氟酸反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
4．用途：光导纤维、光学仪器等。
[正误辨析]
(1)工业上用焦炭和二氧化硅制取粗硅时生成粗硅和CO2气体( )
(2)Si是半导体材料，可用作太阳能电池( )
(3)SiO2与NaOH溶液反应生成盐和水，也可以和氢氟酸反应，所以SiO2是两性氧化物 ( )
(4)因为热稳定性：CH4>SiH4，所以非金属性：C>Si( )
(5)SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃( )
学生用书?第69页
(6)NaOH溶液不能用玻璃瓶盛放( )
(7)高纯度的二氧化硅广泛用于制作光导纤维，光导纤维遇强碱会“断路”( )
(8)SiO2是H2SiO3的酸酐，所以SiO2和水反应生成H2SiO3( )
答案： (1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)√ (6)× (7)√ (8)×
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硅的制备与提纯
硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：
(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：
①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式：
________________________________________________________________________。
②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出化学反应方程式： _______________________________________________
________________________________________________________________________；
H2还原SiHCl3过程中若混有O2，可能引起的后果是_______________________________。
(2)化学研究性学习小组在探究硅的制取方法时，从资料查阅到下列信息：
Ⅰ.Mg在高温条件下可与SiO2反应；
Ⅱ.金属硅化物与稀H2SO4反应生成硫酸盐和SiH4；
Ⅲ.SiH4在空气中自燃。
他们根据信息进行实验，当用足量稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物时，发现有爆鸣声和火花；然后过滤、洗涤、干燥；最后称量、计算，测得其产率只有预期值的63%左右。
①第Ⅰ步实验发生反应的化学方程式是_______________________________________
________________________________________________________________________。
②用稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物时，产生爆鸣声和火花的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案： (1)①SiHCl3＋H2Si＋3HCl
②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl 高温下，H2遇O2发生爆炸
(2)①2Mg＋SiO22MgO＋Si、2Mg＋SiMg2Si
②硅化镁与稀硫酸反应生成的SiH4可自燃，即发生反应Mg2Si＋2H2SO4===2MgSO4＋SiH4↑，SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O
考点二 无机非金属材料
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一、硅酸盐材料
1．陶瓷
陶瓷以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料，经高温烧结而成的。
2．玻璃
普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2，它是以纯碱、石灰石和石英砂为主要原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化而制得的。玻璃可用于生产建筑材料、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等。
3．水泥
普通硅酸盐水泥的主要原料是黏土和石灰石，二者与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理变化和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再研成细粉得到普通水泥。混凝土是水泥、沙子和碎石等与水混合得到的。
二、新型无机非金属材料
1．新型陶瓷
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．新型陶瓷的种类与用途
材料类型 主要特性 示例 用途
高温结构陶瓷 耐高温、抗氧化、耐磨蚀 碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成 火箭发动机的尾管及燃烧室、汽车发动机、高温电极材料等
压电陶瓷 实现机械能与电能的相互转化 钛酸盐、锆酸盐 滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等
学生用书?第70页
透明陶瓷 优异的光学性能，耐高温，绝缘性好 氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导陶瓷 在某一临界温度下电阻为零 可用于电力、交通、医疗等领域
3.碳纳米材料
碳纳米材料是一类新型的无机非金属材料
(1)类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。
(2)用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。
材料类型 性能 用途
碳纳米管 比表面积大，高强度，优良的电学性能 生产复合材料、电池和传感器等
石墨烯 电阻率低，热导率高，具有很高的强度 用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等
[正误辨析]
(1)二氧化硅可用于生产玻璃( )
(2)碳化硅俗称金刚砂，它可用于高温结构陶瓷的制作( )
(3)压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化( )
(4)石墨烯的电阻率低，热导率也低( )
(5)传统的无机非金属材料均为硅酸盐材料( )
答案： (1)√ (2)√ (3)√ (4)× (5)×
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一、传统无机非金属材料
1．(2022·河南焦作一模)下列有关玻璃的说法中正确的是( )
A．普通玻璃的原料是烧碱、石英、石灰石
B．普通玻璃和石英玻璃都属于硅酸盐产品
C．制备普通玻璃时的反应有Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3
D．普通玻璃用于镶嵌建筑物的门窗、墙面，但其不具有保温和防辐射等特征
C [A.制造普通玻璃的主要原料：纯碱、石灰石和石英，A项错误；B.石英玻璃的主要成分是二氧化硅，B项错误；C.制造普通玻璃的主要原料：纯碱、石灰石和石英，则反应有Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3，C项正确；D.普通玻璃具有透光、隔热、隔声、耐磨、耐气候变化的性能，有的还有保温、吸热、防辐射等特征，D项错误。]
2．玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是( )
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
C [陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B项错误；硅酸盐制品性质稳定、熔点高，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。]
二、新型无机非金属材料
3．在20世纪90年代末，科学家发现碳有新的单质形态C60存在。后来人们又相继得到了C70、C76、C84、C90、C94等一些球碳分子。21世纪初，科学家又发现了管状碳分子和洋葱状碳分子，大大丰富了碳元素单质的家族。下列有关碳元素单质的说法错误的是( )
A．金刚石和石墨的熔点肯定比C60高
B．熔点：C60＜C70＜C90
C．球碳分子、管状碳分子和洋葱状碳分子都是分子晶体，都是碳的同素异形体
D．金刚石以非分子形式的粒子存在，属于共价晶体；C60、C70、管状碳分子和洋葱状碳分子以分子形式的粒子存在，属于分子晶体；这些碳单质不互为同素异形体
D [金刚石属于共价晶体，石墨属于混合晶体，C60属于分子晶体，因此金刚石和石墨的熔点肯定要比C60高，故A正确；分子晶体的相对分子质量越大，熔点越高，因此熔点：C60＜C70＜C90，故B正确；球碳分子、管状碳分子和洋葱状碳分子都是碳元素形成的不同单质，所以均为碳的同素异形体，故C正确；金刚石属于共价晶体，不存在分子，C60、C70、管状碳分子和洋葱状碳分子都是分子晶体，以分子形式存在，都是碳元素形成的不同单质，互为同素异形体，故D错误。]
4．(2022·全国高三专题练习)硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。
(1)新型陶瓷Si3N4的熔点高、硬度大、化学性质稳定。工业上可以采用化学气相沉积法，在H2的保护下，使SiCl4与N2反应生成Si3N4沉积在石墨表面，写出该反应的化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)一种工业用硅(含少量钾、钠、铁、铜的氧化物)，已知硅的熔点是1 420 ℃，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。一种合成氮化硅的主要工艺流程如下：
学生用书?第71页
①净化N2和H2时，铜屑的作用是__________________________________________，
硅胶的作用是____________________________________________________________。
②在氮化炉中发生反应3SiO2(s)＋2N2(g)===Si3N4(s)＋3O2(g) ΔH＝－727.5 kJ·mol－1，开始时，严格控制氮气的流速以控制温度的原因是________________________________
________________________________________________________________________；
体系中要通入适量的氢气是为了____________________________________________
________________________________________________________________________。
③X可能是________(填“盐酸”“硝酸”“硫酸”或“氢氟酸”)。
解析： (1)根据原子个数守恒可写出化学方程式3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl。(2)①由于氧气和水蒸气都能腐蚀氮化硅，而氮气和氢气中含有水蒸气和氧气，所以铜屑的作用是除去氧气，硅胶的作用是除去水蒸气。②因为该反应是放热反应，如果温度过高，局部过热，会导致硅熔化成团，阻碍与N2的接触；通入氢气能将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去。③由于工业用硅中含有铜的氧化物，在反应中氧化铜能被还原生成铜，因此要除去铜应该选择硝酸，盐酸和硫酸不能溶解铜，氢氟酸能腐蚀氮化硅。
答案： (1)3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl (2)①除去原料气中的氧气 除去生成的水蒸气 ②该反应是放热反应，防止局部过热，导致硅熔化成团，阻碍与N2的接触 将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去(或将整个体系中空气排尽) ③硝酸
真题演练 明确考向
1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”
(1)(2022·浙江卷8A)晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，常用于制造光导纤维( )
(2)(2022·广东卷2B)飞船返回舱表层材料中的玻璃纤维属于天然有机高分子( )
(3)(2022·广东卷12A)用焦炭和石英砂制取粗硅，SiO2可制作光导纤维( )
(4)(2022·河北卷3A)制造5G芯片的氮化铝晶圆属于无机非金属材料( )
(5)(2022·湖南卷2D)石灰石是制造玻璃和水泥的主要原料之一( )
(6)(2022·江苏卷7B)单晶硅熔点高，所以可用作半导体材料( )
(7)(2022·辽宁卷1A)冰壶主材料花岗岩属于无机非金属材料( )
(8)(2022·辽宁卷1B)火炬“飞扬”使用的碳纤维属于有机高分子材料( )
答案： (1)× (2)× (3)√ (4)√ (5)√ (6)× (7)√ (8)×
2．(2022·河北卷)定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是( )
A．传统陶瓷是典型的绝缘材料
B．陶瓷主要成分为MgO和SiO2
C．陶瓷烧制的过程为物理变化
D．白瓷的白色是因铁含量较高
A [A.陶瓷是良好的绝缘体，传统陶瓷是典型的绝缘材料，常用于高压变压器的开关外包装和器件，A正确；B.陶瓷的主要成分为硅酸盐，而不是SiO2和MgO，B错误；C.陶瓷烧制过程发生复杂化学反应，有新物质生成，属于化学变化，C错误；D.由于Fe2＋、Fe3＋和铁的氧化物均有颜色，故陶瓷中含铁量越多，陶瓷的颜色越深，白瓷的白色是因为铁含量较低甚至几乎不含铁，D错误。]
3．(2022·广东卷)广东一直是我国对外交流的重要窗口，馆藏文物是其历史见证。下列文物主要由硅酸盐制成的是( )
文物
选项 A.南宋鎏金饰品 B.蒜头纹银盒 C.广彩瓷咖啡杯 D.铜镀金钟座
C [A.鎏金饰品是用金汞合金制成的金泥涂饰器物的表面，经过烘烤，汞蒸发而金固结于器物上的一种传统工艺，其中不含硅酸盐，故A项不符合题意；B.蒜头纹银盒中主要成分为金属银，其中不含硅酸盐，故B项不符合题意；C.广彩瓷咖啡杯主要由陶瓷制成，其主要成分为硅酸盐，故C项符合题意；D.铜镀金钟座是铜和金等制得，其中不含硅酸盐，故D项不符合题意。]
4.(2021·浙江1月选考，21)铝硅酸盐型分子筛中有许多笼状空穴和通道(如图)，其骨架的基本结构单元是硅氧四面体和铝氧四面体，化学组成可表示为
Ma[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O(M代表金属离子)。
下列推测不正确的是( )
A．常采用水玻璃、偏铝酸钠在强酸溶液中反应后结晶制得分子筛
B．若a＝x/2，则M为二价阳离子
C．调节y/x(硅铝比)的值，可以改变分子筛骨架的热稳定性
D．分子筛中的笼状空穴和通道，可用于筛分分子
A [A.偏铝酸钠在强酸性溶液中不能稳定存在，容易形成Al3＋，不可以利用偏铝酸钠在强酸性溶液中制备分子筛，A错误；B.设M的化合价为m，则根据正负化合价代数和为0计算，m×＋x×(－1)＝0，解得m＝＋2，B正确；C.调节硅铝比可以改变分子筛的空间结构，从而改变分子筛的热稳定性，C正确；D.调节硅铝比可以调节分子筛的孔径，根据分子筛孔径的大小可以筛分不同大小的分子，D正确。]
5．(全国卷Ⅱ，26节选)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：
回答下列问题：
(1)在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是
________________________________________________________________________，
还可使用________代替硝酸。
(2)沉淀A的主要成分是________，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析： (1)水泥熟料中的CaO和铁、铝、镁等金属的氧化物均能溶于盐酸，加入硝酸能将水泥样品中可能含有的Fe2＋氧化为Fe3＋，为了不引入新杂质，还可用H2O2代替硝酸。(2)根据图示流程可知，不溶于盐酸和硝酸的沉淀A为SiO2(或H2SiO3)，SiO2(或H2SiO3)能溶于弱酸氢氟酸，生成SiF4和H2O。
答案： (1)将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋ H2O2
(2)SiO2(或H2SiO3) SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(或H2SiO3＋4HF===SiF4↑＋3H2O)
课时精练(十五) 无机非金属材料
(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)
1．文物是传承文化的重要载体，下列主要成分不是硅酸盐的文物是( )
A.简牍 B.陶彩绘女舞俑 C.霁红釉瓷碗 D.梅瓶
A [简牍主要成分为植物纤维，A符合题意；陶彩绘女舞俑，为陶制品，为硅酸盐材料，B不符合题意；霁红釉瓷碗，材料为陶瓷，为硅酸盐材料，C不符合题意；梅瓶是瓷器，为硅酸盐材料，D不符合题意。]
2．(2022·上海三模)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，下列说法中错误的是( )
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
A [A.石墨烯属于碳单质，是能够导热的非金属材料，A错误；B.石墨烯是碳的单质，B正确；C.石墨烯属于碳单质，碳单质具有良好的导电性，可以导电，C正确；D.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．(2022·河南省濮阳市高三模拟)2022年2月在北京举办的冬季奥运会中，使用了许多功能各异的材料，下列有关材料的描述中不正确的是( )
A．陶瓷、玻璃、水泥属于传统的无机非金属材料
B．石墨烯、富勒烯和碳纳米管属于新型有机非金属材料
C．硅是应用最为广泛的半导体材料
D．通讯中使用的光导纤维，主要成分为SiO2
B [玻璃、陶瓷、水泥的主要成分是硅酸盐类，都属于传统的无机非金属材料，A正确；碳纳米管、富勒烯和石墨烯都是新型无机非金属材料，B不正确；晶体硅导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最广泛的良好的半导体材料，C正确；光导纤维的主要成分是二氧化硅，D正确。]
4．下列有关硅材料的说法正确的是( )
A．光纤的主要成分是高纯度的单质硅
B．金刚砂的主要成分是二氧化硅
C．28 g硅含有6.02×1023个电子
D．28Si、29Si、30Si是不同的核素
D [光纤的主要成分是二氧化硅，A错误；金刚砂的主要成分是碳化硅，B错误；28 g硅的物质的量是1 mol，其中含有14×6.02×1023个电子，C错误；28Si、29Si、30Si的质子数相同，但中子数不同，是不同的核素，且互为同位素，D正确。]
5．生产生活中的各种“玻璃”的说法正确的是( )
A．钢化玻璃和普通玻璃成分不相同，但都属于硅酸盐产品
B．有机玻璃的主要成分聚甲基丙烯酸甲酯属于天然有机高分子材料
C.“水玻璃”的主要成分是硅酸钠的水溶液，可用作矿物胶
D．石英玻璃熔点高、硬度大，可制作加热NaOH、Na2CO3等固体的仪器
C [钢化玻璃是将普通玻璃高温后骤降温度得到，二者成分相同，都属于硅酸盐产品，A错误；有机玻璃属于有机合成高分子材料，B错误；“水玻璃”的主要成分是硅酸钠的水溶液，可用作矿物胶，C正确；石英玻璃主要成分是二氧化硅，属于酸性氧化物，会与NaOH、Na2CO3等碱性物质发生反应，所以不能制作加热NaOH、Na2CO3等固体的仪器，D错误。]
6．《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无砂粘土而为之”，“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”，“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。下列说法错误的是( )
A．粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
B．“燃薪举火”使粘土发生复杂的物理和化学变化
C．沙子和粘土的主要成分均为硅酸盐
D．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦
C [制作砖瓦和陶瓷的主要原料是粘土，故A正确；粘土的主要成分均为硅酸盐，灼烧使粘土发生复杂的物理和化学变化，故B正确；沙子的主要成分是二氧化硅，粘土的主要成分为硅酸盐，故C错误；浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法，所以烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦，故D正确。]
7．高纯度晶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”。可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
下列说法不正确的是( )
A．步骤①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑
B．步骤①中每生成1 mol Si转移4 mol电子
C．高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
D．SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点67.6 ℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3
A [二氧化硅高温下与C反应生成CO气体，即步骤①的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，故A错误；步骤①中Si的化合价降低4，则每生成1 mol Si转移电子数为4 mol，故B正确；高纯硅是半导体材料，是制造集成电路、太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料，故C正确；沸点相差30 ℃以上的两种液体可以采用蒸馏(或分馏)的方法分离，故D正确。]
8．水玻璃(Na2SiO3溶液)广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。如图是用稻壳灰(SiO2：65%～70%、C：30%～35%)制取水玻璃的工艺流程：
下列说法正确的是( )
A．原材料稻壳灰价格低廉，且副产品活性炭有较高的经济价值
B．操作A与操作B完全相同
C．该流程中硅元素的化合价发生改变
D．反应器中发生的复分解反应为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
A [稻壳灰来源广泛价格低廉，活性炭具有吸附性，有较高的经济价值，A正确；操作A为过滤，操作B为蒸发浓缩，是两种不同的操作，B错误；二氧化硅中，硅元素的化合价是＋4价，硅酸钠中，硅元素的化合价是＋4价，所以该流程中硅元素的化合价没有发生改变，C错误；复分解反应是指由两种化合物相互交换成分，生成另外两种新的化合物的反应，反应SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O不属于复分解反应，D错误。]
9．(2022·江苏模拟预测)“十四五”工作报告强调，中国将加速建设新能源供给消化吸纳体系。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，我国的煤炭资源储量优于石油
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
D [A.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说法正确；B.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，化合价下降，发生了还原反应，B说法正确；C.晶硅中掺杂第ⅢA族与第ⅤA族元素，形成PN结，在接通电源或受光的激发，自由电子可向空穴方向移动(单向移动) (见图)，
C说法正确；D.氟化氢可与玻璃容器中二氧化硅发生反应，故D说法错误。]
10．(2022·天津市和平区三模)制造芯片用到高纯硅，用SiHCl3(沸点：31.85 ℃，SiHCl3遇水会剧烈反应，易自燃)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)，下列说法不正确的是( )
A．整个实验的关键是控温、检查装置气密性和排尽装置中的空气
B．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓H2SO4、温度高于32 ℃的温水
C．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
D．尾气处理可直接通入NaOH溶液中
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中高温下反应制备高纯硅，且SiHCl3遇水发生反应SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl。A项，SiHCl3的沸点为31.85 ℃，且易自燃，因而整个实验的关键是控温、检查装置气密性和排尽装置中的空气，故A正确；B项，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；C项，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，防止氢气不纯加热易爆炸，故C正确；D项，SiHCl3与氢气在1 100～1 200 ℃反应制备高纯硅，因而处理尾气时，应该在通入NaOH溶液前加上防倒吸装置，故D错误。]
11．(2022·浙江省选考模拟)硅胶吸附剂的结构示意图如图所示，常用作干燥剂。在其中添加CoCl2可使其指示吸水量的多少来决定硅胶是否失效，原理如下：CoCl2(蓝色)===CoCl2·6H2O(粉红色)，失效的硅胶可加热再生，下列说法错误的是( )
A．当硅胶变粉红色说明硅胶失效了
B．SiO2是酸性氧化物，硅胶可干燥HF和Cl2等酸性气体
C．失效的硅胶再生时加热的温度不宜过高
D．当硅胶遇到大量的水分子时，与硅羟基形成了过多氢键从而失去吸附力
B [由题中信息可知，硅胶吸水后，会变成粉红色的CoCl2·6H2O，故变成粉红色后则说明硅胶失效了，A正确；二氧化硅可以和HF反应，故硅胶不能干燥HF，B错误；温度过高会因显色剂逐步氧化而失去显色作用，C正确；由硅胶结构可知，硅胶用作干燥剂，是通过硅羟基和水分子之间形成氢键而达到吸水的目的，故当硅胶遇到大量的水分子时，与硅羟基形成了过多氢键从而失去吸附力，D正确。]
12．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
B [利用NaOH溶液实现“碳捕获”吸收器中，NaOH溶液用喷淋方式加入，增大反应物之间的接触面积，充分吸收二氧化碳，环节a中，氧化钙与水反应生成氢氧化钙，碳酸钠与氢氧化钙反应生成碳酸钙沉淀和氢氧化钠，Na2CO3发生反应的化学方程式为Na2CO3＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋2NaOH，CaCO3需从溶液中过滤出来再高温煅烧，生成的CO2循环使用。A项，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；B项，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；C项，NaOH和CaO在流程中既有消耗，也有生成，可循环利用，C正确；D项，Na2CO3可以和CO2反应，因此可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液，D正确。]
13．硅是构成矿物和岩石的主要成分，单质硅及其化合物具有广泛的用途。某些硅酸盐具有筛选分子的功能，一种硅酸盐的组成为：M2O·R2O3·2SiO2·nH2O，已知元素M、R均位于元素周期表的第3周期。两元素原子的质子数之和为24。
(1)该硅酸盐中同周期元素原子半径由大到小的顺序为____________________；
(2)常温下，不能与R单质发生反应的是________(填字母)；
A．CuCl2溶液 ．Fe2O3
C．浓硫酸 ．Na2CO3溶液
(3)写出M、R两种元素的最高价氧化物对应的水化物反应的离子方程式_________
________________________________________________________________________。
(4)氮化硅(Si3N4)陶瓷材料硬度大、熔点高。Si3N4晶体中只有极性共价键，则氮元素的化合价为________。
(5)C3N4的结构与Si3N4相似。请比较二者熔点高低并说明理由： __________________
________________________________________________________________________。
(6)可由下列反应制得Si3N4，配平该反应并标出电子转移的数目和方向：
________SiO2＋________C＋________N2________Si3N4＋________CO
(7)如果上述反应在10 L的密闭容器中进行，一段时间后测得气体密度增加了2.8 g/L，则制得的Si3N4质量为________。
解析： 一种硅酸盐的组成为：M2O·R2O3·2SiO2·nH2O，已知元素M、R均位于元素周期表的第3周期，两元素原子的质子数之和为24，M为＋1价，R为＋3价，则说明M为Na，R为Al。(1)该硅酸盐中同周期元素是Na、Al、Si，根据同周期从左向右原子半径逐渐减小，则原子半径由大到小的顺序为r(Na)＞r(Al)＞r(Si)；(2)常温下，铝与氯化铜反应生成氯化铝和铜单质，铝与氧化铁常温不反应，铝常温下与浓硫酸发生钝化反应，铝常温下与碳酸钠不反应，因此不能与R单质发生反应的是BD；(3)M、R两种元素的最高价氧化物对应的水化物分别为氢氧化钠和氢氧化铝，两者反应的离子方程式OH－＋Al(OH)3===AlO＋2H2O；(4)Si3N4晶体中只有极性共价键，氮非金属性比硅强，硅为＋4价，根据化合物为电中性，则氮元素的化合价为－3；(5)氮化硅(Si3N4)陶瓷材料硬度大、熔点高。C3N4的结构与Si3N4相似，说明两者都是共价晶体，碳原子半径比硅原子半径小，键长短，键能大，则C3N4熔点比Si3N4熔点高；(6)碳化合价由0价变为＋2价，氮化合价由0价变为－3价，则碳升高2个价态，Si3N4降低12个价态，因此碳系数配6，Si3N4系数配1，根据硅和氮守恒配SiO2系数为3，N2系数为2，再根据碳守恒配CO系数为6，则为3SiO2＋6C＋2N21Si3N4＋6CO，其电子转移为 (或)；(7)根据反应方程式3SiO2＋6C＋2N2Si3N4＋6CO分析得到气体质量增加112 g，则生成1 mol Si3N4即140 g，如果上述反应在10 L的密闭容器中进行，一段时间后测得气体密度增加了2.8 g/L，则气体质量增加了28 g，则制得的Si3N4质量为＝35 g。
答案： (1)r(Na)＞r(Al)＞r(Si) (2)BD
(3)OH－＋Al(OH)3===AlO＋2H2O (4)－3
(5)C3N4熔点比Si3N4熔点高，原因为两者都是共价晶体，碳原子半径比硅原子半径小，键长短，键能大，因此C3N4熔点比Si3N4熔点高
(6)3SiO2＋6C＋2N2Si3N得到4×3e－4＋6C失去6×2e－O
(或3SiO2＋6C＋2N212e－Si3N4＋6CO) (7)35 g
14．Ⅰ.高纯度单晶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”。它可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
(1)写出步骤①的化学方程式： _____________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)步骤②经过冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点－84.7 ℃)，提纯SiHCl3的主要化学操作的名称是________；SiHCl3和SiCl4一样，遇水可发生剧烈水解，已知SiHCl3水解会生成两种气态产物，试写出其水解的化学方程式：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
Ⅱ.白炭黑(SiO2·H2O)广泛应用于橡胶、涂料、印刷等行业，可用蛇纹石[主要成分为Mg6(Si4O10)(OH)8]来制取，其主要工艺流程如图所示：
(3)蛇纹石用氧化物形式可表示为__________________________________________。
(4)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：
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________
(任举两种)。
(5)过滤Ⅰ得到的滤液的主要成分是____________________________________________。
(6)滤液与盐酸反应的主要离子方程式为_____________________________________
________________________________________________________________________。
(7)洗涤时，如何证明产品已洗涤干净？ ____________________________________
________________________________________________________________________。
解析： (2)SiHCl3(沸点33.0 ℃)、SiCl4(沸点57.6 ℃)、HCl(沸点－84.7 ℃)，他们的沸点不同，根据沸点的不同实现物质分离的方法为蒸馏或分馏；SiHCl3水解生成硅酸、氢气和氯化氢，反应方程式为：SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl↑；(3)用氧化物形式表示复杂硅酸盐的化学式时，应先用金属性强弱顺序书写氧化物，中间用“·”隔开，再写非金属氧化物，H2O放在最后，因此Mg6Si4O10(OH)8用氧化物形式表示为6MgO·4SiO2·4H2O。
答案： Ⅰ.(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑ (2)蒸馏(或分馏) SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl↑ Ⅱ.(3)6MgO·4SiO2·4H2O (4)适当升高温度 连续搅拌(或适当延长停留时间、选择合适的氢氧化钠浓度等) (5)水玻璃(或硅酸钠溶液或硅酸钠和氢氧化钠溶液) (6)SiO＋2H＋===H2SiO3↓ (7)取少许最后一次洗涤液，滴入1～2滴AgNO3溶液，若不出现白色浑浊，表示已洗涤干净
学生用书?第72页
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