第4讲 无机非金属材料
【复习目标】
1.了解碳、硅及其化合物的组成和成键特点。
2.了解碳、硅单质及其重要化合物的性质及应用。
3.了解硅的工业制备。
4.了解无机非金属材料的组成、分类及应用。
考点一 碳及其化合物
1.碳族元素
(1)碳、硅、锗、锡、铅均属于第ⅣA族元素,又称碳族元素。
(2)原子结构特点:价层电子排布式为 。
2.碳的单质
(1)碳单质的主要存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯,它们互为 。
(2)碳纳米管、石墨烯都是石墨的特殊存在形式。
(3)金刚石、石墨、C60。
物质 金刚石 石墨 C60
晶体 类型 共价晶体 混合型晶体 分子晶体
晶体 结构
物理 性质 熔点高,硬度大,不导电,导热性好 熔点高,硬度 , 导电 熔点低,不导电
主要 用途 钻石制作、切割工具、钻探机的钻头等 作电极、润滑剂、铅笔芯 广泛应用于超导、医学领域
(4)化学性质——还原性。
与非金属 单质化合 2C+O2(不足)2CO、C+O2(足量)CO2;C+2Cl2CCl4
与氧化 物反应 CuO: (冶炼金属); SiO2: (制取粗硅); H2O: (制取水煤气)
与强氧化 性酸反应 浓硫酸: ; 浓硝酸:
3.碳的氧化物
(1)CO、CO2的性质对比。
项目 CO CO2
物理性质 色 味气体,密度比空气小, 溶于水 色 味气体,密度比空气大,可溶于水(溶解度小)
毒性 毒(易结合 ) 毒(温室效应)
续 表
项目 CO CO2
化 学 性 质 还原性 可燃性,还原氧化铁 —
氧化性 — ①与炽热炭反应;②Mg在CO2中燃烧
与水 反应 — CO2+H2OH2CO3
与碱反应 (石灰水) —
相互 转化 CO2CO
用途 燃料、冶炼金属 灭火、制汽水、植物肥料、化工原料等
(2)CO2在自然界中的循环。
①CO2的主要来源:大量含碳燃料的燃烧。
②自然界消耗CO2的主要反应。
a.溶于江水、海水中:CO2+H2OH2CO3;
b.光合作用将CO2转化为O2;
c.岩石的风化:CaCO3+H2O+CO2 。
[理解·辨析] 判断正误
(1)金刚石和石墨由相同的元素组成,因此它们具有相同的性质。( )
(2)水墨画可长久保存不变色是因为在常温下碳的化学性质不活泼。( )
(3)碳原子有4个价电子,只能形成+4价化合物。( )
(4)低碳环保中的“碳”是指二氧化碳。( )
(5)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应。( )
一、新材料——碳元素的同素异形体
1.新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课题。其结构模型如图所示。
下列有关说法正确的是( )
[A] 石墨烯是一种新型化合物
[B] 氧化石墨烯即石墨烯的氧化物
[C] 二者和石墨都是碳的同素异形体
[D] 氧化石墨烯具有一定的亲水性
2.科学家制造出了大量的新物质,对下列三种物质的相关说法错误的是( )
石墨烯:从石墨中分离出来,是最薄、最坚硬的纳米材料
石墨炔:平面网状结构的全碳分子,具有优良的化学稳定性
碳纳米管:具有优良的场发射性能,制作阴极显像管、储氢材料
[A] 石墨烯具有良好的导电性
[B] 上述三种物质与金刚石互为同素异形体
[C] 石墨炔的孔径略大于H2的直径,因此可作H2的提纯薄膜
[D] 上述三种物质与浓硫酸都能发生反应,但反应产物不同
二、CO2的循环与利用
3.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
4.科技的进步为二氧化碳资源化利用提供了广阔的前景。下列说法错误的是( )
[A] CO2是自然界碳循环中的重要物质
[B] CO2加氢转化为乙烯,CO2被还原
[C] CO2电催化时,在阳极转化为燃料
[D] CO2与环氧丙烷可合成可降解塑料
5.研究CO2在海洋中的转移和归宿,是当今海洋科学研究的前沿领域。
(1)溶于海水的CO2主要以4种无机碳形式存在,其中HC占95%。写出CO2溶于水产生HC的离子方程式: 。
(2)在海洋碳循环中,通过如图所示的途径固碳。
①写出钙化作用的离子方程式: 。
②同位素示踪法证实光合作用释放出的O2只来自H2O。用18O标记物质的光合作用的化学方程式如下,将其补充完整: + (CH2O)x+x18O2+xH2O。
三、碳及其化合物的性质实验
6.(2024·广东惠州一模)某混合气体可能由O2、CO、CO2中的一种或几种组成,为确定其组成,在老师的指导下,化学实验小组的同学对该混合气体的组成进行了如下的探究实验:
【查阅资料】 脱氧剂(还原铁粉)能够吸收氧气和水蒸气。
【实验设计】 用如图所示的装置进行实验(已略去夹持装置)。
【实验步骤】①检查装置气密性;②先通入一定量的氮气之后;③再通入该混合气体,点燃酒精灯。
【实验现象】 步骤③实验过程中,装置A中无明显现象,装置B和F均出现白色沉淀,装置E中黑色粉末变成了红色。
【实验结论】 (1)该混合气体由 组成。
【实验反思】
(2)装置B、C的作用分别是 、 。
(3)步骤②先通入一定量氮气的目的是 。
(4)装置E中氧化铜粉末发生反应的化学方程式为 。
(5)装置F需要处理的尾气主要成分是 ,具体处理方法可以是 。
考点二 硅及无机非金属材料
一、硅及其化合物
1.硅单质
(1)存在:在自然界硅主要以 和 的形式存在,在地壳中含量仅次于 。
(2)性质:常温下不活泼,一般不与其他物质反应,但可以与氟、氢氟酸、碱反应。
反应条件 反应物 化学方程式
常温 F2
HF
NaOH 溶液
加热 O2 Si+O2SiO2
Cl2 Si+2Cl2SiCl4
(3)粗硅的制取:SiO2+2CSi(粗)+2CO↑。
(4)硅单质的用途:良好的半导体材料、硅太阳能电池、计算机芯片。
2.二氧化硅
(1)存在:晶体(石英)和无定形两种。
(2)结构特点。
①Si和O按 比例形成硅氧四面体。
②硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间 结构。每个硅原子与 个氧原子相连,而每个氧原子与 个硅原子相连。
(3)物理性质:熔点 ,硬度 ,难溶于水。
(4)化学性质。
(5)用途: 、光学仪器、电子部件。
3.硅酸和硅酸盐
(1)硅酸。
(2)硅酸盐。
①硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称,是构成地壳岩石的主要成分。
②硅酸钠:硅酸钠水溶液俗称 ,溶液呈碱性,是无色黏稠液体,常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。
③硅酸盐的氧化物形式书写: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。如,石棉(CaMg3Si4O12)用氧化物的形式表示为 。
二、无机非金属材料
1.常见传统无机非金属材料
项目 水泥 玻璃 陶瓷
生产 原料 石灰石、 黏土 纯碱、石灰 石、石英砂 黏土
主要 设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑
组成 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、 硅酸二钙(2CaO·SiO2)、 铝酸三钙(3CaO·Al2O3) CaSiO3、 Na2SiO3、 SiO2 硅酸盐
2.新型无机非金属材料
(1)高温结构陶瓷,如SiC、BN、Si3N4、Al2O3等。
(2)碳纳米材料。
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。
(3)特殊功能的含硅材料。
①碳化硅为共价晶体,具有类似金刚石的结构,可用作磨料。
②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。
[理解·辨析] 判断正误
(1)沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐。( )
(2)石英是良好的半导体材料,可以制成光电池,将光能直接转化成电能。( )
(3)二氧化硅不与强酸反应,可用石英器皿盛放氢氟酸。( )
(4)碳化硅俗称金刚砂,它可用于高温结构陶瓷的制作。( )
(5)压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化。( )
(6)石墨烯的电阻率低,热导率也低。( )
(7)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。( )
(8)盛放氢氧化钠溶液的磨口瓶应该用橡胶塞。( )
(9)因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳,所以硅酸酸性比碳酸强。( )
(10)“超轻海绵”使用的石墨烯是新型无机非金属材料。( )
一、硅及其重要化合物转化
1.(2024·陕西安康高新中学质检)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)可用于制作计算机芯片和太阳能电池的是 (填化学式,下同),光导纤维的主要成分是 。
(2)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃,该反应的化学方程式为 。
(3)工业上可利用水玻璃和盐酸反应制备硅酸凝胶,进一步脱水处理可得到硅胶,写出水玻璃和盐酸反应的离子方程式: 。
(4)高纯度单晶硅可以按下列方法制备:SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)。写出步骤①的化学方程式: 。该反应中C是 剂,此反应 (填“能”或“不能”)说明非金属性C>Si。若要证明C和Si的非金属性强弱,请设计实验并预测实验现象: 。
二、高纯硅的制备
2.工业制备高纯硅的主要过程如图所示:
石英砂粗硅SiHCl3高纯硅
下列说法错误的是( )
[A] 制备粗硅的反应体现了碳元素的非金属性比硅元素的强
[B] 石英晶体中不存在分子
[C] 原料气HCl和H2应充分去除水和氧气
[D] 流程中HCl、H2可以循环使用
3.晶体硅是一种重要的非金属原料,科学家最新研制的利用氯化氢和氢气生产高纯硅的主要步骤如下。
①粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3:Si(粗)+3HClSiHCl3+H2;
②经过纯化的SiHCl3与过量H2在1 100 ℃下反应制得纯硅。
回答下列问题。
(1)粗硅与HCl气体反应完全后,经冷凝得到 SiHCl3(沸点为36.5 ℃),只含有少量SiCl4(沸点为57.6 ℃)和HCl(沸点为-84.7 ℃),提纯 SiHCl3 的方法为 。
(2)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置已略去)。
①在加热D装置前应先打开A装置中分液漏斗的活塞,目的是 。
②C装置中烧瓶需要加热,采用的方法是 。
三、传统无机非金属材料的分类和应用
4.下列关于硅酸盐材料的叙述正确的是( )
[A] 陶瓷和水泥都会用黏土和石灰石为主要原料
[B] 生产玻璃和水泥均会发生复杂的物理和化学变化
[C] 普通玻璃的主要成分为Na2SiO3和CaSiO3
[D] 生产玻璃的主要原料是纯碱、生石灰和石英砂
5.世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋、混凝土、7 000多块铝板和1 200多块玻璃等建成。
(1)铝板易被烧碱腐蚀,玻璃易被氢氟酸腐蚀,原因分别为 、 (用化学 方程式表示)。
(2)生产硅酸盐水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是 。制备普通玻璃的主要反应的化学方程式为 (任写一个)。
(3)石英玻璃化学稳定性强、膨胀系数小,是一种特殊玻璃,石英玻璃的主要成分是 (填化学式)。
(4)要将NaOH高温熔化,下列坩埚中可选用的是 (填字母)。
A.普通玻璃坩埚 B.石英玻璃坩埚
C.氧化铝坩埚 D.铁坩埚
四、新型无机非金属材料的性质和应用
6.(2025·四川高考适应性考试)化学是新材料发展的基础,下列生产或应用中所用到的主要物质不属于无机非金属材料的是( )
[A] 芯片制造所用的硅晶片
[B] 潜艇降噪所用的橡胶消声瓦
[C] 耐高温陶瓷生产所用的碳化硅
[D] 通信信号传输所用的光导纤维
7.氮化硅可用作高温结构陶瓷复合材料,在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。由石英砂合成氮化硅粉末的路线如图所示。
其中—NH2中各元素的化合价与NH3相同。
请回答下列问题。
(1)石英砂不能与碱性物质共同存放,以NaOH为例,用化学方程式表示其原因:
。
(2)图示①～⑤的变化中,属于氧化还原反应的是 (填序号)。
(3)在反应⑤中,3 mol Si(NH2)4在高温下加热可得1 mol氮化硅粉末和8 mol A气体,则氮化硅的化学式为 。
(4)在高温下,SiCl4在B和C两种气体的气氛中也能反应生成氮化硅,B和C两种气体在一定条件下化合生成A。写出SiCl4与B和C两种气体反应的化学方程式: 。
1.判断正误。
(1)(2024·广东卷)制作日晷圆盘的石材,属于无机非金属材料。( )
(2)(2024·广东卷)基于石英晶体振荡特性计时的石英表,其中石英的成分为SiC。( )
(3)(2024·河北卷)透雕白玉璧主要成分是硅酸盐。( )
(4)(2024·河北卷)青花釉里红瓷盖罐主要成分是硫酸钙。( )
(5)(2023·河北卷)氢氧化钠溶液保存在带磨口玻璃塞的细口瓶中。( )
(6)(2023·天津卷)SiO2可用于制造光导纤维。( )
(7)(2022·河北卷)CaF2与浓硫酸糊状混合物可用于刻蚀玻璃。( )
(8)(2022·辽宁卷)冰壶主材料花岗岩属于无机非金属材料。( )
(9)(2022·河北卷)制造5G芯片的氮化铝晶圆属于无机非金属材料。( )
2.(2024·黑吉辽卷,1)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
3.(2023·广东卷,1)“高山流水觅知音”。下列中国古乐器中,主要由硅酸盐材料制成的是( )
[A] 九霄环佩木古琴 [B] 裴李岗文化骨笛
[C] 商朝后期陶埙 [D] 曾侯乙青铜编钟
4.(2023·湖北卷,3)工业制备高纯硅的主要过程如下:
石英砂粗硅SiHCl3高纯硅
下列说法错误的是( )
[A] 制备粗硅的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑
[B] 1 mol Si含Si—Si的数目约为4×6.02×1023
[C] 原料气HCl和H2应充分去除水和氧气
[D] 生成SiHCl3的反应为熵减过程
5.(2022·河北卷,1)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SiO2和MgO
[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
第4讲 无机非金属材料
考点一 碳及其化合物
必备知识整合
1.(2)ns2np2
2.(1)同素异形体 (3)小 易 (4)C+2CuO2Cu+CO2↑ 2C+SiO2Si+2CO↑ C+H2O(g)H2+CO C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O C+4HNO3(浓)CO2↑+4NO2↑+2H2O
3.(1)无 无 难 无 无 有 血红蛋白 无
Ca(OH)2+CO2CaCO3↓+H2O (2)②Ca(HCO3)2
[理解·辨析] (1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)×
关键能力提升
1.D 石墨烯是碳的单质,A错误;氧化石墨烯中含有C、H、O三种元素,既不是石墨烯的氧化物,也不是碳的同素异形体,B、C错误;由于氧化石墨烯结构中含有羟基和羧基等亲水基团,所以它具有一定的亲水性,D正确。
2.D 石墨烯从石墨中分离出来,作为电导体,具有良好的导电性,A正确;题述三种物质均为碳的单质,与金刚石互为同素异形体,B正确;石墨炔的孔径略大于H2的直径,可以容纳H2,则石墨炔是理想的H2提纯薄膜,C正确;题述三种物质都是碳的单质,在加热条件下与浓硫酸都能发生反应,且反应产物相同,D错误。
3.B NaOH溶液喷成雾状,可增大反应物接触面积,提高CO2吸收率,A正确;环节a为Na2CO3和Ca(OH)2反应生成CaCO3,需将溶液过滤得到CaCO3,故基本操作不是蒸发结晶,B错误;NaOH和CaO在流程中既有消耗,也有生成,可循环利用,C正确;Na2CO3溶液可以和CO2反应,因此可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液,D正确。
4.C 含碳燃料燃烧以及动植物呼吸都会产生二氧化碳,植物光合作用消耗二氧化碳,所以CO2是自然界碳循环中的重要物质,A正确;CO2加氢转化为乙烯,碳元素的化合价降低,CO2得电子,被还原,B正确;CO2中碳元素为+4价,只能发生得电子的还原反应,CO2在阴极得电子转化为燃料,C错误;CO2与环氧丙烷反应可合成聚碳酸酯,聚碳酸酯易降解,D正确。
5.(1)CO2+H2OH2CO3、H2CO3H++HC
(2)①2HC+Ca2+CaCO3↓+CO2↑+H2O
②xCO2 2xO
6.【答案】 (1)CO、CO2
(2)检验CO2气体 除去CO2气体
(3)排尽装置中原有的空气
(4)CO+CuOCu+CO2
(5)CO 点燃(或收集)
【解析】 (1)根据资料,脱氧剂(还原铁粉)能够吸收氧气和水蒸气,如果该气体中含有氧气,氧气和还原铁粉会反应生成红棕色的氧化铁,而步骤③实验中装置A无明显现象,说明该气体中不含氧气;因为二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊,所以步骤③中装置B出现白色沉淀,说明该气体中含有二氧化碳;气体经过装置C,二氧化碳被除去,再经过浓硫酸干燥,气体进入装置E,实验过程中装置F内的澄清石灰水中出现白色沉淀,装置E中黑色的氧化铜变成光亮的红色物质,说明反应中生成了二氧化碳和铜,因为一氧化碳和氧化铜在加热条件下能反应生成铜和二氧化碳,所以该气体中还含有一氧化碳。故该气体由CO和CO2组成。(2)二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊,装置B的作用为检验二氧化碳气体;氢氧化钠溶液能和二氧化碳反应,故装置C的作用是除去CO2气体。(3)因为装置内含有空气,空气中含有氧气和二氧化碳等气体,如果不除去空气,会影响氧气和二氧化碳的检验,所以步骤②通入一定量氮气的目的是排尽装置中原有的空气。(5)一氧化碳有毒,会污染空气,一氧化碳具有可燃性,可以通过点燃或收集的方式处理。
考点二 硅及无机非金属材料
必备知识整合
一、1.(1)氧化物 硅酸盐 氧 (2)Si+2F2SiF4 Si+4HFSiF4↑+2H2↑ Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑
2.(2)①1∶2 ②网状 4 2 (3)高 大 (4)Na2SiO3+H2O CaSiO3 Na2SiO3+CO2↑ SiO2+4HFSiF4↑+2H2O (5)光导纤维
3.(1)不 弱 Na2CO3+H2SiO3↓ H2SiO3SiO2+H2O Na2SiO3+2HCl2NaCl+H2SiO3↓ (2)②水玻璃 ③CaO·3MgO·4SiO2
[理解·辨析] (1)× (2)× (3)× (4)√ (5)√ (6)× (7)× (8)√ (9)× (10)√
关键能力提升
1.【答案】 (1)Si SiO2
(2)SiO2+4HFSiF4↑+2H2O
(3)2H++SiH2SiO3(胶体)
(4)SiO2+2CSi+2CO↑ 还原 不能 将二氧化碳气体通入硅酸钠溶液中产生硅酸
沉淀
【解析】 (1)可用于制作计算机芯片和太阳能电池的是Si,光导纤维的主要成分是SiO2。(2)二氧化硅能和氢氟酸反应生成四氟化硅和水,该反应的化学方程式为SiO2+4HFSiF4↑+2H2O。(3)工业上可利用水玻璃和盐酸反应制备硅酸凝胶,反应的离子方程式为2H++SiH2SiO3(胶体)。(4)步骤①是高温下二氧化硅和焦炭反应生成硅和CO,反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑,该反应中C失去电子,作还原剂,该反应不是在溶液中进行的置换反应,此反应不能说明非金属性C>Si。将二氧化碳气体通入硅酸钠溶液中产生硅酸沉淀,可证明C的非金属性强于Si。
2.A 在高温下焦炭和二氧化硅反应生成硅和一氧化碳,粗硅和氯化氢反应生成SiHCl3,然后在高温下氢气和SiHCl3反应生成纯硅。制备粗硅的反应不是在溶液中进行的置换反应,不能体现C的非金属性比Si的强,A错误;二氧化硅是由硅原子和氧原子构成的共价晶体,不存在分子,因此石英晶体中不存在分子,B正确;高温下水蒸气能和焦炭反应,氢气和氧气容易发生爆炸,所以原料气HCl和H2应充分去除水和氧气,C正确;流程中第二步反应产生氢气,第三步反应产生氯化氢,因此HCl、H2可以循环使用,D正确。
3.(1)蒸馏 (2)①排出装置内的空气,以防爆炸 ②水浴加热
4.B 陶瓷的烧制不需要石灰石,故A错误;生产玻璃和水泥均会发生复杂的物理和化学变化,故B正确;工业上用石灰石、纯碱、石英砂在玻璃熔炉中熔融制得玻璃,普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3 和SiO2,故C、D错误。
5.【答案】 (1)2Al+2NaOH+6H2O2Na[Al(OH)4]+3H2↑ SiO2+4HFSiF4↑+2H2O
(2)石灰石 SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑(或 SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑)
(3)SiO2 (4)D
【解析】 (2)生产硅酸盐水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料为石灰石;制备普通玻璃的主要反应的化学方程式有SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑、SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑。(4)普通玻璃坩埚和石英玻璃坩埚中的二氧化硅能够与熔融的氢氧化钠反应,故A、B不符合题意;氧化铝坩埚中的氧化铝能够与熔融的氢氧化钠反应,故C不符合题意;铁与熔融的氢氧化钠不反应,故D符合题意。
6.B 芯片制造所用的硅晶片是单质硅,属于无机非金属材料,A不符合题意;橡胶是一种高分子有机化合物,B符合题意;碳化硅属于无机非金属材料,C不符合题意;光导纤维主要成分是二氧化硅,属于无机非金属材料,D不符合题意。
7.【答案】 (1)SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O
(2)①② (3)Si3N4
(4)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl
【解析】 (2)反应①是石英砂与焦炭发生氧化还原反应,反应②是硅单质与Cl2发生氧化还原反应。(3)氮化硅的化学式可通过题目信息运用元素守恒定律推得,3Si(NH2)4Si3N4+8NH3↑。(4)结合题给信息推知,SiCl4与N2、H2反应可得到Si3N4和HCl。
真题验收
1.【答案】 (1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)× (6)√ (7)√ (8)√ (9)√
【解析】 (1)制作日晷圆盘的石材主要为大理石,属于无机非金属材料,正确。(2)基于石英晶体振荡特性计时的石英表,其中石英的成分为SiO2,错误。(3)透雕白玉璧是玉石,玉石的主要成分是硅酸盐,正确。(4)青花釉里红瓷盖罐是陶瓷,陶瓷的主要成分是硅酸盐,错误。(5)氢氧化钠能与玻璃中的二氧化硅反应生成硅酸钠,Na2SiO3水溶液有黏性,会使玻璃塞无法拔出,故少量氢氧化钠溶液保存在带橡胶塞的细口试剂瓶中,错误。(6)SiO2具有良好的光学特性,可用于制造光导纤维,正确。(7)氢氟酸能与二氧化硅反应生成氟化硅和水,氟化钙与浓硫酸反应生成硫酸钙和氟化氢,则糊状混合物中的氢氟酸能与玻璃中的二氧化硅反应,可用于刻蚀玻璃,正确。(8)花岗岩的主要成分是石英、云母、长石等矿物,属于无机非金属材料,正确。(9)氮化铝是一种高温结构陶瓷,属于新型的无机非金属材料,正确。
2.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,属于含有微量元素的钙镁硅酸盐材料;新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐是陶器,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。
3.C 九霄环佩木古琴主要由木材制得,A不符合题意;裴李岗文化骨笛由动物骨骼制成,B不符合题意;商朝后期陶埙属于陶瓷,由硅酸盐材料制成,C符合题意;曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成,D不符合题意。
4.B SiO2和C在高温下发生反应生成Si和CO,因此,制备粗硅的反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑,A正确;在晶体硅中,每个Si与其周围的4个Si形成共价键并形成空间立体网状结构,因此,平均每个Si形成2个共价键,1 mol Si含Si—Si的数目约为2×6.02×1023,B错误;HCl易与水形成盐酸,在一定的条件下氧气可以将HCl氧化,H2在高温下遇到氧气能发生反应生成水,且其易燃易爆,其与SiHCl3在高温下反应生成硅和HCl,因此,原料气HCl和H2应充分去除水和氧气,C正确;Si+3HClSiHCl3+H2,该反应是气体分子数减少的反应,因此,生成SiHCl3的反应为熵减过程,D正确。
5.A 传统陶瓷是典型的绝缘材料,A正确;陶瓷的主要成分为硅酸盐,而不是SiO2和MgO,B错误;陶瓷烧制过程,有新物质生成,属于化学变化,C错误;由于Fe2+、Fe3+和铁的氧化物均有颜色,故陶瓷中铁含量越多,陶瓷的颜色越深,白瓷的白色是因为铁含量较低,D错误。
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无机非金属材料
第4讲
1.了解碳、硅及其化合物的组成和成键特点。
2.了解碳、硅单质及其重要化合物的性质及应用。
3.了解硅的工业制备。
4.了解无机非金属材料的组成、分类及应用。
1.碳族元素
(1)碳、硅、锗、锡、铅均属于第ⅣA族元素,又称碳族元素。
(2)原子结构特点:价层电子排布式为 。
2.碳的单质
(1)碳单质的主要存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯,它们互为
。
(2)碳纳米管、石墨烯都是石墨的特殊存在形式。
ns2np2
同素异形体
(3)金刚石、石墨、C60。
物质 金刚石 石墨 C60
晶体 类型 共价晶体 混合型晶体 分子晶体
晶体 结构
物理 性质 熔点高,硬度大,不导电,导热性好 熔点高,硬度 , 导电 熔点低,不导电
主要 用途 钻石制作、切割工具、钻探机的钻头等 作电极、润滑剂、铅笔芯 广泛应用于超导、医学领域
小
易
(4)化学性质——还原性。
3.碳的氧化物
(1)CO、CO2的性质对比。
项目 CO CO2
物理性质 色 味气体,密度比空气小, 溶于水 色 味气体,密度比空气大,可溶于水(溶解度小)
毒性 毒(易结合 ) 毒(温室效应)
无
无
难
无
无
有
血红蛋白
无
(2)CO2在自然界中的循环。
①CO2的主要来源:大量含碳燃料的燃烧。
②自然界消耗CO2的主要反应。
Ca(HCO3)2
[理解·辨析] 判断正误
(1)金刚石和石墨由相同的元素组成,因此它们具有相同的性质。( )
(2)水墨画可长久保存不变色是因为在常温下碳的化学性质不活泼。( )
(3)碳原子有4个价电子,只能形成+4价化合物。( )
(4)低碳环保中的“碳”是指二氧化碳。( )
(5)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应。( )
×
√
×
√
×
一、新材料——碳元素的同素异形体
1.新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课题。其结构模型如图所示。
下列有关说法正确的是( )
[A] 石墨烯是一种新型化合物
[B] 氧化石墨烯即石墨烯的氧化物
[C] 二者和石墨都是碳的同素异形体
[D] 氧化石墨烯具有一定的亲水性
D
【解析】 石墨烯是碳的单质,A错误;氧化石墨烯中含有C、H、O三种元素,既不是石墨烯的氧化物,也不是碳的同素异形体,B、C错误;由于氧化石墨烯结构中含有羟基和羧基等亲水基团,所以它具有一定的亲水性,D正确。
2.科学家制造出了大量的新物质,对下列三种物质的相关说法错误的是( )
石墨烯:从石墨中分离出来,是最薄、最坚硬的纳米材料
石墨炔:平面网状结构的全碳分子,具有优良的化学稳定性
碳纳米管:具有优良的场发射性能,制作阴极显像管、储氢材料
[A] 石墨烯具有良好的导电性
[B] 上述三种物质与金刚石互为同素异形体
[C] 石墨炔的孔径略大于H2的直径,因此可作H2的提纯薄膜
[D] 上述三种物质与浓硫酸都能发生反应,但反应产物不同
D
【解析】 石墨烯从石墨中分离出来,作为电导体,具有良好的导电性,A正确;题述三种物质均为碳的单质,与金刚石互为同素异形体,B正确;石墨炔的孔径略大于H2的直径,可以容纳H2,则石墨炔是理想的H2提纯薄膜,C正确;题述三种物质都是碳的单质,在加热条件下与浓硫酸都能发生反应,且反应产物相同,D错误。
二、CO2的循环与利用
3.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
【解析】 NaOH溶液喷成雾状,可增大反应物接触面积,提高CO2吸收率,
A正确;环节a为Na2CO3和Ca(OH)2反应生成CaCO3,需将溶液过滤得到CaCO3,故基本操作不是蒸发结晶,B错误;NaOH和CaO在流程中既有消耗,也有生成,可循环利用,C正确;Na2CO3溶液可以和CO2反应,因此可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液,D正确。
4.科技的进步为二氧化碳资源化利用提供了广阔的前景。下列说法错误的是( )
[A] CO2是自然界碳循环中的重要物质
[B] CO2加氢转化为乙烯,CO2被还原
[C] CO2电催化时,在阳极转化为燃料
[D] CO2与环氧丙烷可合成可降解塑料
C
【解析】 含碳燃料燃烧以及动植物呼吸都会产生二氧化碳,植物光合作用消耗二氧化碳,所以CO2是自然界碳循环中的重要物质,A正确;CO2加氢转化为乙烯,碳元素的化合价降低,CO2得电子,被还原,B正确;CO2中碳元素为+4价,只能发生得电子的还原反应,CO2在阴极得电子转化为燃料,C错误;CO2与环氧丙烷反应可合成聚碳酸酯,聚碳酸酯易降解,D正确。
5.研究CO2在海洋中的转移和归宿,是当今海洋科学研究的前沿领域。
(2)在海洋碳循环中,通过如图所示的途径固碳。
①写出钙化作用的离子方程式: 。
②同位素示踪法证实光合作用释放出的O2只来自H2O。用18O标记物质的光合作用的化学方程式如下,将其补充完整:
xCO2
三、碳及其化合物的性质实验
6.(2024·广东惠州一模)某混合气体可能由O2、CO、CO2中的一种或几种组成,为确定其组成,在老师的指导下,化学实验小组的同学对该混合气体的组成进行了如下的探究实验:
【查阅资料】 脱氧剂(还原铁粉)能够吸收氧气和水蒸气。
【实验设计】 用如图所示的装置进行实验(已略去夹持装置)。
【实验步骤】①检查装置气密性;②先通入一定量的氮气之后;③再通入该混合气体,点燃酒精灯。
【实验现象】 步骤③实验过程中,装置A中无明显现象,装置B和F均出现白色沉淀,装置E中黑色粉末变成了红色。
【实验结论】 (1)该混合气体由 组成。
CO、CO2
【解析】 (1)根据资料,脱氧剂(还原铁粉)能够吸收氧气和水蒸气,如果该气体中含有氧气,氧气和还原铁粉会反应生成红棕色的氧化铁,而步骤③实验中装置A无明显现象,说明该气体中不含氧气;因为二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊,所以步骤③中装置B出现白色沉淀,说明该气体中含有二氧化碳;气体经过装置C,二氧化碳被除去,再经过浓硫酸干燥,气体进入装置E,实验过程中装置F内的澄清石灰水中出现白色沉淀,装置E中黑色的氧化铜变成光亮的红色物质,说明反应中生成了二氧化碳和铜,因为一氧化碳和氧化铜在加热条件下能反应生成铜和二氧化碳,所以该气体中还含有一氧化碳。故该气体由CO和CO2组成。
【实验反思】
(2)装置B、C的作用分别是 、 。
检验CO2气体
除去CO2气体
【解析】 (2)二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊,装置B的作用为检验二氧化碳气体;氢氧化钠溶液能和二氧化碳反应,故装置C的作用是除去CO2气体。
(3)步骤②先通入一定量氮气的目的是 。
排尽装置中原有的空气
【解析】 (3)因为装置内含有空气,空气中含有氧气和二氧化碳等气体,如果不除去空气,会影响氧气和二氧化碳的检验,所以步骤②通入一定量氮气的目的是排尽装置中原有的空气。
(4)装置E中氧化铜粉末发生反应的化学方程式为 。
(5)装置F需要处理的尾气主要成分是 ,具体处理方法可以是 。
CO
点燃(或收集)
【解析】 (5)一氧化碳有毒,会污染空气,一氧化碳具有可燃性,可以通过点燃或收集的方式处理。
一、硅及其化合物
1.硅单质
(1)存在:在自然界硅主要以 和 的形式存在,在地壳中含量仅次于 。
氧化物
硅酸盐
氧
(2)性质:常温下不活泼,一般不与其他物质反应,但可以与氟、氢氟酸、碱反应。
(4)硅单质的用途:良好的半导体材料、硅太阳能电池、计算机芯片。
2.二氧化硅
(1)存在:晶体(石英)和无定形两种。
(2)结构特点。
①Si和O按 比例形成硅氧四面体。
1∶2
②硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间 结构。每个硅原子与
个氧原子相连,而每个氧原子与 个硅原子相连。
网状
4
2
(3)物理性质:熔点 ,硬度 ,难溶于水。
高
大
(4)化学性质。
Na2SiO3+H2O
CaSiO3
Na2SiO3+CO2↑
(5)用途: 、光学仪器、电子部件。
光导纤维
3.硅酸和硅酸盐
(1)硅酸。
不
弱
Na2CO3+H2SiO3↓
(2)硅酸盐。
①硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称,是构成地壳岩石的主要成分。
②硅酸钠:硅酸钠水溶液俗称 ,溶液呈碱性,是无色黏稠液体,常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。
③硅酸盐的氧化物形式书写: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。如,石棉(CaMg3Si4O12)用氧化物的形式表示为 。
水玻璃
CaO·3MgO·4SiO2
二、无机非金属材料
1.常见传统无机非金属材料
项目 水泥 玻璃 陶瓷
生产原料 石灰石、 黏土 纯碱、石灰 石、石英砂 黏土
主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑
组成 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、 硅酸二钙(2CaO·SiO2)、 铝酸三钙(3CaO·Al2O3) CaSiO3、 Na2SiO3、 SiO2 硅酸盐
2.新型无机非金属材料
(1)高温结构陶瓷,如SiC、BN、Si3N4、Al2O3等。
(2)碳纳米材料。
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。
(3)特殊功能的含硅材料。
①碳化硅为共价晶体,具有类似金刚石的结构,可用作磨料。
②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。
[理解·辨析] 判断正误
(1)沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐。( )
(2)石英是良好的半导体材料,可以制成光电池,将光能直接转化成电能。
( )
(3)二氧化硅不与强酸反应,可用石英器皿盛放氢氟酸。( )
(4)碳化硅俗称金刚砂,它可用于高温结构陶瓷的制作。( )
(5)压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化。( )
×
×
√
×
√
(6)石墨烯的电阻率低,热导率也低。( )
(7)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。( )
(8)盛放氢氧化钠溶液的磨口瓶应该用橡胶塞。( )
(9)因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳,所以硅酸酸性比碳酸强。
( )
(10)“超轻海绵”使用的石墨烯是新型无机非金属材料。( )
×
×
√
×
√
一、硅及其重要化合物转化
1.(2024·陕西安康高新中学质检)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)可用于制作计算机芯片和太阳能电池的是 (填化学式,下同),光导纤维的主要成分是 。
Si
SiO2
【解析】 (1)可用于制作计算机芯片和太阳能电池的是Si,光导纤维的主要成分是SiO2。
(2)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃,该反应的化学方程式为
。
(3)工业上可利用水玻璃和盐酸反应制备硅酸凝胶,进一步脱水处理可得到硅胶,写出水玻璃和盐酸反应的离子方程式: 。
还原
不能
将二氧化碳气体通入
硅酸钠溶液中产生硅酸沉淀
二、高纯硅的制备
2.工业制备高纯硅的主要过程如图所示:
下列说法错误的是( )
[A] 制备粗硅的反应体现了碳元素的非金属性比硅元素的强
[B] 石英晶体中不存在分子
[C] 原料气HCl和H2应充分去除水和氧气
[D] 流程中HCl、H2可以循环使用
A
【解析】 在高温下焦炭和二氧化硅反应生成硅和一氧化碳,粗硅和氯化氢反应生成SiHCl3,然后在高温下氢气和SiHCl3反应生成纯硅。制备粗硅的反应不是在溶液中进行的置换反应,不能体现C的非金属性比Si的强,A错误;二氧化硅是由硅原子和氧原子构成的共价晶体,不存在分子,因此石英晶体中不存在分子,B正确;高温下水蒸气能和焦炭反应,氢气和氧气容易发生爆炸,所以原料气HCl和H2应充分去除水和氧气,C正确;流程中第二步反应产生氢气,第三步反应产生氯化氢,因此HCl、H2可以循环使用,D正确。
3.晶体硅是一种重要的非金属原料,科学家最新研制的利用氯化氢和氢气生产高纯硅的主要步骤如下。
②经过纯化的SiHCl3与过量H2在1 100 ℃下反应制得纯硅。
回答下列问题。
(1)粗硅与HCl气体反应完全后,经冷凝得到 SiHCl3(沸点为36.5 ℃),只含有少量SiCl4(沸点为57.6 ℃)和HCl(沸点为-84.7 ℃),提纯 SiHCl3 的方法为
。
蒸馏
(2)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置已
略去)。
①在加热D装置前应先打开A装置中分液漏斗的活塞,目的是
。
②C装置中烧瓶需要加热,采用的方法是 。
排出装置内的空气,以防爆炸
水浴加热
三、传统无机非金属材料的分类和应用
4.下列关于硅酸盐材料的叙述正确的是( )
[A] 陶瓷和水泥都会用黏土和石灰石为主要原料
[B] 生产玻璃和水泥均会发生复杂的物理和化学变化
[C] 普通玻璃的主要成分为Na2SiO3和CaSiO3
[D] 生产玻璃的主要原料是纯碱、生石灰和石英砂
B
【解析】 陶瓷的烧制不需要石灰石,故A错误;生产玻璃和水泥均会发生复杂的物理和化学变化,故B正确;工业上用石灰石、纯碱、石英砂在玻璃熔炉中熔融制得玻璃,普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3 和SiO2,故C、D错误。
5.世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋、混凝土、7 000多块铝板和1 200多块玻璃等建成。
(1)铝板易被烧碱腐蚀,玻璃易被氢氟酸腐蚀,原因分别为
、
(用化学方程式表示)。
(2)生产硅酸盐水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是 。制备普通玻璃的主要反应的化学方程式为
(任写一个)。
石灰石
(3)石英玻璃化学稳定性强、膨胀系数小,是一种特殊玻璃,石英玻璃的主要成分是 (填化学式)。
SiO2
(4)要将NaOH高温熔化,下列坩埚中可选用的是 (填字母)。
A.普通玻璃坩埚 B.石英玻璃坩埚
C.氧化铝坩埚 D.铁坩埚
D
【解析】 (4)普通玻璃坩埚和石英玻璃坩埚中的二氧化硅能够与熔融的氢氧化钠反应,故A、B不符合题意;氧化铝坩埚中的氧化铝能够与熔融的氢氧化钠反应,故C不符合题意;铁与熔融的氢氧化钠不反应,故D符合题意。
四、新型无机非金属材料的性质和应用
6.(2025·四川高考适应性考试)化学是新材料发展的基础,下列生产或应用中所用到的主要物质不属于无机非金属材料的是( )
[A] 芯片制造所用的硅晶片
[B] 潜艇降噪所用的橡胶消声瓦
[C] 耐高温陶瓷生产所用的碳化硅
[D] 通信信号传输所用的光导纤维
B
【解析】 芯片制造所用的硅晶片是单质硅,属于无机非金属材料,A不符合题意;橡胶是一种高分子有机化合物,B符合题意;碳化硅属于无机非金属材料,C不符合题意;光导纤维主要成分是二氧化硅,属于无机非金属材料,D不符合题意。
7.氮化硅可用作高温结构陶瓷复合材料,在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。由石英砂合成氮化硅粉末的路线如图所示。
其中—NH2中各元素的化合价与NH3相同。
请回答下列问题。
(1)石英砂不能与碱性物质共同存放,以NaOH为例,用化学方程式表示其原因:
。
(2)图示①~⑤的变化中,属于氧化还原反应的是 (填序号)。
①②
【解析】 (2)反应①是石英砂与焦炭发生氧化还原反应,反应②是硅单质与Cl2发生氧化还原反应。
(3)在反应⑤中,3 mol Si(NH2)4在高温下加热可得1 mol氮化硅粉末和8 mol A气体,则氮化硅的化学式为 。
Si3N4
(4)在高温下,SiCl4在B和C两种气体的气氛中也能反应生成氮化硅,B和C两种气体在一定条件下化合生成A。写出SiCl4与B和C两种气体反应的化学方程式: 。
【解析】 (4)结合题给信息推知,SiCl4与N2、H2反应可得到Si3N4和HCl。
1.判断正误。
(1)(2024·广东卷)制作日晷圆盘的石材,属于无机非金属材料。( )
√
【解析】 (1)制作日晷圆盘的石材主要为大理石,属于无机非金属材料,正确。
(2)(2024·广东卷)基于石英晶体振荡特性计时的石英表,其中石英的成分为SiC。( )
【解析】 (2)基于石英晶体振荡特性计时的石英表,其中石英的成分为SiO2,错误。
×
(3)(2024·河北卷)透雕白玉璧主要成分是硅酸盐。( )
√
【解析】 (3)透雕白玉璧是玉石,玉石的主要成分是硅酸盐,正确。
(4)(2024·河北卷)青花釉里红瓷盖罐主要成分是硫酸钙。( )
【解析】 (4)青花釉里红瓷盖罐是陶瓷,陶瓷的主要成分是硅酸盐,错误。
×
(5)(2023·河北卷)氢氧化钠溶液保存在带磨口玻璃塞的细口瓶中。( )
×
【解析】 (5)氢氧化钠能与玻璃中的二氧化硅反应生成硅酸钠,Na2SiO3水溶液有黏性,会使玻璃塞无法拔出,故少量氢氧化钠溶液保存在带橡胶塞的细口试剂瓶中,错误。
(6)(2023·天津卷)SiO2可用于制造光导纤维。( )
√
【解析】 (6)SiO2具有良好的光学特性,可用于制造光导纤维,正确。
(7)(2022·河北卷)CaF2与浓硫酸糊状混合物可用于刻蚀玻璃。( )
【解析】 (7)氢氟酸能与二氧化硅反应生成氟化硅和水,氟化钙与浓硫酸反应生成硫酸钙和氟化氢,则糊状混合物中的氢氟酸能与玻璃中的二氧化硅反应,可用于刻蚀玻璃,正确。
√
(8)(2022·辽宁卷)冰壶主材料花岗岩属于无机非金属材料。( )
√
【解析】 (8)花岗岩的主要成分是石英、云母、长石等矿物,属于无机非金属材料,正确。
(9)(2022·河北卷)制造5G芯片的氮化铝晶圆属于无机非金属材料。( )
【解析】 (9)氮化铝是一种高温结构陶瓷,属于新型的无机非金属材料,正确。
√
2.(2024·黑吉辽卷,1)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
A
【解析】 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,属于含有微量元素的钙镁硅酸盐材料;新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐是陶器,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。
3.(2023·广东卷,1)“高山流水觅知音”。下列中国古乐器中,主要由硅酸盐材料制成的是( )
C
[A] 九霄环佩木古琴 [B] 裴李岗文化骨笛
[C] 商朝后期陶埙 [D] 曾侯乙青铜编钟
【解析】 九霄环佩木古琴主要由木材制得,A不符合题意;裴李岗文化骨笛由动物骨骼制成,B不符合题意;商朝后期陶埙属于陶瓷,由硅酸盐材料制成,C符合题意;曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成,D不符合题意。
4.(2023·湖北卷,3)工业制备高纯硅的主要过程如下:
[B] 1 mol Si含Si—Si的数目约为4×6.02×1023
[C] 原料气HCl和H2应充分去除水和氧气
[D] 生成SiHCl3的反应为熵减过程
B
5.(2022·河北卷,1)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SiO2和MgO
[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
【解析】 传统陶瓷是典型的绝缘材料,A正确;陶瓷的主要成分为硅酸盐,而不是SiO2和MgO,B错误;陶瓷烧制过程,有新物质生成,属于化学变化,C错误;由于Fe2+、Fe3+和铁的氧化物均有颜色,故陶瓷中铁含量越多,陶瓷的颜色越深,白瓷的白色是因为铁含量较低,D错误。
课时作业18 无机非金属材料
(时间:30分钟 满分:70分)
一、选择题(共9小题,每小题6分,共54分)
1.(2024·甘肃金昌模拟)下列关于无机非金属材料的说法正确的是( )
[A] 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
[B] 硅酸盐中Si和O构成了硅氧四面体,每个Si结合2个O,每个O与4个Si相结合
[C] 石英、计算机芯片、水晶、玛瑙主要成分都是SiO2
[D] 富勒烯与石墨烯用途广泛,它们都是无机非金属材料
D
【解析】 氮化硅陶瓷和光导纤维属于新型无机非金属材料,石英玻璃不属于新型无机非金属材料,A错误;硅酸盐中Si和O构成了硅氧四面体,每个Si结合4个O,每个O与2个Si相结合,B错误;石英、水晶、玛瑙主要成分都是SiO2,计算机芯片的主要成分是Si,C错误;富勒烯与石墨烯属于无机非金属材料,D正确。
2.(2024·重庆江津区期末)下列有关硅及其化合物的说法不正确的是( )
D
【解析】 该反应中SiO2中的Si化合价降低被还原,A正确;Si与NaOH溶液反应生成硅酸钠和氢气,SiO2与NaOH溶液反应生成硅酸钠和水,B正确;二氧化硅无法直接与水反应生成硅酸,因此先让二氧化硅与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液,然后再向硅酸钠溶液通入二氧化碳反应生成硅酸,C正确;酸性强弱的比较需要在没有外界条件干扰的情况下才能比较,该反应的反应条件为高温,干扰了化学反应,且由硅酸钠溶液中通入二氧化碳生成硅酸可知,碳酸酸性强于硅酸,D错误。
3.陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是( )
[A] “雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁
[B] 闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成
[C] 陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐
[D] 陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
A
【解析】 “雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关,氧化铁显红棕色,A错误;秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成,B正确;陶瓷以黏土为原料,经高温烧制而成,属于人造材料,主要成分是硅酸盐,C正确;陶瓷主要成分是硅酸盐,硅酸盐中硅元素化合价处于最高价,化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点,D正确。
4.由下列实验事实得出碳元素与硅元素的非金属性强弱比较,结论正确的是( )
[A] SiO2能与HF反应,CO2不能与HF反应,可知碳的非金属性强于硅的
C
【解析】 二氧化硅和氢氟酸的反应具有特殊性,不能用于比较非金属性强弱,A错误;高温下的反应不能说明酸性强弱,也就不能说明非金属性的强弱,
B错误;二氧化碳和硅酸钠反应生成硅酸沉淀,说明碳酸比硅酸酸性强,即可知碳元素的非金属性比硅元素的强,C正确;反应中碳的还原性比硅的强,不能比较非金属性强弱,D错误。
5.(2024·山西太原检测)二氧化碳的过量排放可对海洋生物的生存环境造成很大影响,其原理如图所示。下列叙述错误的是( )
C
6.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[C] 球碳分子、管状碳分子和洋葱状碳分子都不能与O2发生反应
[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;这些碳单质互为同素异形体
C
【解析】 金刚石属于共价晶体,石墨属于混合型晶体,C60属于分子晶体,因此金刚石和石墨的熔点肯定比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C607.(2024·山东聊城模拟)某学习小组拟探究CO2和锌粉反应是否生成CO,已知CO能与银氨溶液反应产生黑色固体。实验装置如图所示:
下列叙述正确的是( )
[A] 装置e的作用是防倒吸
[B] 如图所示装置的活塞K处于关闭状态
[C] 实验结束时,先关闭活塞K,再熄灭酒精灯
[D] b、c、f中的试剂依次为浓硫酸、饱和碳酸氢钠溶液、银氨溶液
B
【解析】 装置e利用二氧化碳的密度大于空气的密度分离二氧化碳和一氧化碳,A错误;启普发生器中的盐酸与碳酸钙未混合,则活塞K处于关闭状态,反应进行时a中盐酸浸没碳酸钙固体,b、c、f中有气泡冒出,B正确;实验结束时,先熄灭酒精灯,继续通二氧化碳,最后再关闭活塞K,C错误;b、c、f中的试剂依次为饱和碳酸氢钠溶液、浓硫酸、银氨溶液,D错误。
8.(2024·广东模拟)以叶蛇纹石[主要成分是O10)(OH)8,含少量Fe2O3、FeO、Al2O3等]为原料提取高纯硅的流程如图:
D
下列说法错误的是( )
[A] 反应2的副产物可作燃料
[B] 反应3和反应4的副产物可循环利用
[C] 反应2、3、4都是氧化还原反应
[D] 上述流程中反应3和反应4可在同一容器中进行
【解析】 如果反应3和反应4在同一容器中进行,不能达到提纯目的,且反应温度不同,应利用反应3除去高熔点的杂质(如SiO2),然后将三氯硅烷蒸馏出来,D错误。
9.(2024·贵州贵阳模拟)如图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程,下列说法正确的是( )
[A] SiO2能与HCl反应
[B] 盛放Na2CO3溶液的试剂瓶能用玻璃塞
[C] 硅胶吸水后可重复再生
[D] 图中所示转化反应都是氧化还原反应
C
【解析】 SiO2能与氢氟酸反应是其特殊性质,不能与HCl反应,A错误;
Na2CO3溶液能与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3,Na2SiO3溶液具有黏性,会使玻璃塞拔不出来,B错误;在图示转化关系中只有第一行的反应是氧化还原反应,其余均不是氧化还原反应,D错误。
二、非选择题(共1小题,共16分)
10.(16分,每空2分)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图所示。
①净化N2和H2时,铜屑的作用是 ,硅胶的作用是
。
除去原料气中的氧气
除去生成的水蒸气
【解析】(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。
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)
【解析】 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。
③X可能是 (填“盐酸”“硝酸”“硫酸”或“氢氟酸”)。
【解析】 ③由于工业用硅中含有铜的氧化物,在反应中铜的氧化物能被还原生成铜,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。
硝酸
(3)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅:
①整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应,写出该反应的化学方程式: 。
②假设每一轮次制备1 mol纯硅,且生产过程中硅元素没有损失,反应Ⅰ中HCl的利用率为90%,反应Ⅱ中H2的利用率为93.75%。则在第二轮次的生产中,补充投入HCl和H2的物质的量之比是 。
5∶1课时作业18 无机非金属材料
(时间:30分钟 满分:70分)
一、选择题(共9小题,每小题6分,共54分)
1.(2024·甘肃金昌模拟)下列关于无机非金属材料的说法正确的是( )
[A] 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
[B] 硅酸盐中Si和O构成了硅氧四面体,每个Si结合2个O,每个O与4个Si相结合
[C] 石英、计算机芯片、水晶、玛瑙主要成分都是SiO2
[D] 富勒烯与石墨烯用途广泛,它们都是无机非金属材料
2.(2024·重庆江津区期末)下列有关硅及其化合物的说法不正确的是( )
[A] 在粗硅的提取中发生反应:2C+SiO22CO↑+Si,硅元素被还原
[B] Si和SiO2均能与NaOH溶液反应生成硅酸钠
[C] 用SiO2制取硅酸,应先让二氧化硅与氢氧化钠溶液反应,然后再通入CO2
[D] 由Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3可知硅酸的酸性强于碳酸
3.陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是( )
[A] “雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁
[B] 闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成
[C] 陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐
[D] 陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
4.由下列实验事实得出碳元素与硅元素的非金属性强弱比较,结论正确的是( )
[A] SiO2能与HF反应,CO2不能与HF反应,可知碳的非金属性强于硅的
[B] 由反应Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑可知,硅的非金属性强于碳的
[C] 由CO2通入Na2SiO3溶液中产生白色沉淀,酸性H2CO3>H2SiO3可知,碳的非金属性强于硅的
[D] 由SiO2+2CSi+2CO↑可知,碳的非金属性强于硅的
5.(2024·山西太原检测)二氧化碳的过量排放可对海洋生物的生存环境造成很大影响,其原理如图所示。下列叙述错误的是( )
[A] 海水酸化能引起HC浓度增大、C浓度减小
[B] 海水酸化能促进CaCO3的溶解,导致珊瑚礁减少
[C] CO2能引起海水酸化,其原理为HCH++C
[D] 使用太阳能、氢能等新能源可改善珊瑚的生存环境
6.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[C] 球碳分子、管状碳分子和洋葱状碳分子都不能与O2发生反应
[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;这些碳单质互为同素异形体
7.(2024·山东聊城模拟)某学习小组拟探究CO2和锌粉反应是否生成CO,已知CO能与银氨溶液反应产生黑色固体。实验装置如图所示:
下列叙述正确的是( )
[A] 装置e的作用是防倒吸
[B] 如图所示装置的活塞K处于关闭状态
[C] 实验结束时,先关闭活塞K,再熄灭酒精灯
[D] b、c、f中的试剂依次为浓硫酸、饱和碳酸氢钠溶液、银氨溶液
8.(2024·广东模拟)以叶蛇纹石[主要成分是O10)(OH)8,含少量Fe2O3、FeO、Al2O3等]为原料提取高纯硅的流程如图:
下列说法错误的是( )
[A] 反应2的副产物可作燃料
[B] 反应3和反应4的副产物可循环利用
[C] 反应2、3、4都是氧化还原反应
[D] 上述流程中反应3和反应4可在同一容器中进行
9.(2024·贵州贵阳模拟)如图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程,下列说法正确的是( )
[A] SiO2能与HCl反应
[B] 盛放Na2CO3溶液的试剂瓶能用玻璃塞
[C] 硅胶吸水后可重复再生
[D] 图中所示转化反应都是氧化还原反应
二、非选择题(共1小题,共16分)
10.(16分,每空2分)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图所示。
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,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”)。
(3)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅:
①整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3 遇水剧烈反应,写出该反应的化学方程式: 。
②假设每一轮次制备1 mol纯硅,且生产过程中硅元素没有损失,反应Ⅰ中HCl的利用率为90%,反应Ⅱ中H2的利用率为93.75%。则在第二轮次的生产中,补充投入HCl和H2的物质的量之比是 。
课时作业18 无机非金属材料
1.D 氮化硅陶瓷和光导纤维属于新型无机非金属材料,石英玻璃不属于新型无机非金属材料,A错误;硅酸盐中Si和O构成了硅氧四面体,每个Si结合4个O,每个O与2个Si相结合,B错误;石英、水晶、玛瑙主要成分都是SiO2,计算机芯片的主要成分是Si,C错误;富勒烯与石墨烯属于无机非金属材料,D正确。
2.D 该反应中SiO2中的Si化合价降低被还原,A正确;Si与NaOH溶液反应生成硅酸钠和氢气,SiO2与NaOH溶液反应生成硅酸钠和水,B正确;二氧化硅无法直接与水反应生成硅酸,因此先让二氧化硅与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液,然后再向硅酸钠溶液通入二氧化碳反应生成硅酸,C正确;酸性强弱的比较需要在没有外界条件干扰的情况下才能比较,该反应的反应条件为高温,干扰了化学反应,且由硅酸钠溶液中通入二氧化碳生成硅酸可知,碳酸酸性强于硅酸,D错误。
3.A “雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关,氧化铁显红棕色,A错误;秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成,B正确;陶瓷以黏土为原料,经高温烧制而成,属于人造材料,主要成分是硅酸盐,C正确;陶瓷主要成分是硅酸盐,硅酸盐中硅元素化合价处于最高价,化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点,D正确。
4.C 二氧化硅和氢氟酸的反应具有特殊性,不能用于比较非金属性强弱,A错误;高温下的反应不能说明酸性强弱,也就不能说明非金属性的强弱,B错误;二氧化碳和硅酸钠反应生成硅酸沉淀,说明碳酸比硅酸酸性强,即可知碳元素的非金属性比硅元素的强,C正确;反应中碳的还原性比硅的强,不能比较非金属性强弱,D错误。
5.C 二氧化碳能引起海水酸化,其原理为 CO2+H2OH2CO3H++HC,C错误。
6.C 金刚石属于共价晶体,石墨属于混合型晶体,C60属于分子晶体,因此金刚石和石墨的熔点肯定比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C607.B 装置e利用二氧化碳的密度大于空气的密度分离二氧化碳和一氧化碳,A错误;启普发生器中的盐酸与碳酸钙未混合,则活塞K处于关闭状态,反应进行时a中盐酸浸没碳酸钙固体,b、c、f中有气泡冒出,B正确;实验结束时,先熄灭酒精灯,继续通二氧化碳,最后再关闭活塞K,C错误;b、c、f中的试剂依次为饱和碳酸氢钠溶液、浓硫酸、银氨溶液,D错误。
8.D 如果反应3和反应4在同一容器中进行,不能达到提纯目的,且反应温度不同,应利用反应3除去高熔点的杂质(如SiO2),然后将三氯硅烷蒸馏出来,D错误。
9.C SiO2能与氢氟酸反应是其特殊性质,不能与HCl反应,A错误;Na2CO3溶液能与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3,Na2SiO3溶液具有黏性,会使玻璃塞拔不出来,B错误;在图示转化关系中只有第一行的反应是氧化还原反应,其余均不是氧化还原反应,D错误。
10.【答案】 (1)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+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
(3)①SiHCl3+3H2OH2SiO3↓+3HCl+H2↑
②5∶1
【解析】 (1)根据题意与守恒关系可写出化学方程式 3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+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,在反应中铜的氧化物能被还原生成铜,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。
(3)①SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和氢气,化学方程式为SiHCl3+3H2OH2SiO3↓+3HCl+H2↑。②粗硅提纯反应为Si(粗)+3HClSiHCl3+H2、SiHCl3+H2 Si+3HCl,反应生成 1 mol纯硅需补充HCl(-3) mol,需补充H2(-1) mol,则补充HCl与H2的物质的量之比为5∶1。
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