第三节 无机非金属材料
学习目标 重点难点
1.知道无机非金属材料,结合实例认识无机非金属材料组成、性能与应用的联系。 2.了解新型无机非金属材料的种类和性能。 重点 1.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。 2.普通玻璃的主要成分。
难点 硅的制备工艺。
新知探究(一)——硅酸盐材料
1.无机非金属材料
组成元素 含有硅、氧等元素
分类 传统无机非金属材料、新型无机非金属材料
性能 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
2.硅酸盐材料——传统无机非金属材料
(1)硅酸盐的结构
在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧 结构,Si在中心,O在四面体的4个顶角,许多这样的四面体通过顶角的O相互连接,即每个Si结合4个O,每个O结合2个Si。
(2)硅酸盐的特性
硅氧四面体结构的特殊性,决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐 等特点。
3.常见的硅酸盐材料
项目 陶瓷 玻璃 水泥
主要 成分 成分复杂 、 和 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
生产原料 黏土(含水的铝硅酸盐) 主要原料: 辅助原料:适量的石膏
主要设备 陶瓷窑 玻璃窑 水泥回转窑
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维 大量用于建筑和水利工程
[微点拨]
①陶瓷分为陶和瓷。
②普通玻璃生产涉及两主反应为
SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑;
SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑。
③生产水泥时加入适量石膏是调节水泥的硬化速率。
④碱性溶液不能用磨口试剂瓶存放,原因是玻璃中的SiO2与碱反应生成硅酸盐黏合剂。
[题点多维训练]
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)硅酸盐结构较为复杂,大多难溶于水,化学性质稳定。 ( )
(2)硅氧四面体中,硅原子与氧原子都是以共价键结合。 ( )
(3)水泥与玻璃的共同原料是石灰石,水泥与陶瓷的共同原料是黏土。 ( )
(4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行。 ( )
(5)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化。 ( )
2.(2024·广州高一检测)考古遗迹和历史文物是历史的见证,反映了古代人民丰富多彩的生活。下列文物属于无机非金属材料的是 ( )
A.铜烤炉 B.黄花梨云龙纹条案 C.三彩骑卧驼陶俑 D.山居图扇面
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.(2024·济南高一月考)“九秋风露越窑开,夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句,描绘我国古代精美的青瓷工艺品。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、石灰石和石英砂
C.硅酸盐制品的性质稳定、耐高温
D.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
新知探究(二)——硅和二氧化硅、硅酸盐
1.硅
(1)硅在元素周期表中的位置和存在
硅位于元素周期表第三周期第ⅣA族,正好处于金属与非金属的过渡位置,其单质的导电性介于导体与绝缘体之间,是应用最为广泛的半导体材料。硅在自然界主要以 和 的形式存在。
(2)高纯硅的制备
其中涉及的主要化学反应为
① ;
② ;
③ 。
(3)硅的主要化学性质
①与F2、O2反应的化学方程式分别为Si+2F2SiF4、Si+O2SiO2;
②与HF、NaOH反应的化学方程式分别为Si+4HFSiF4↑+2H2↑、
Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑。
2.二氧化硅
(1)不溶于水,是一种酸性氧化物
①与NaOH反应:
SiO2+2NaOH ;
②与CaO反应:SiO2+CaOCaSiO3。
(2)二氧化硅的特性
与HF反应:SiO2+4HFSiF4↑+2H2O。
(3)二氧化硅可与某些盐反应制备玻璃
SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑;
SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑。
3.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐
(1)硅酸钠易溶于水,其水溶液俗称水玻璃,具有黏结力强、耐高温等特性,常用作黏合剂和防火剂。
(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀,其离子方程式是 。
(3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中,反应的离子方程式是 。
应用化学
随着5G技术的应用,硅光芯片被广为提及,从概念到产品,它的发展速度让人惊叹。硅光芯片作为硅光子技术中的一种,有着非常可观的前景。
CPU的原料是什么,很多人知道是“硅”,其实就是沙子。CPU的制作过程如下:
(1)从沙子中提取二氧化硅:制作CPU的沙子要经过水洗→酸洗→中和→水洗→碱溶→过滤→灼烧等步骤,提取出纯净不含杂质的二氧化硅。
(2)把二氧化硅还原成硅:二氧化硅再进行化学提纯,得到可用于制造半导体材料的硅,学名电子级硅。电子级硅平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。
(3)芯片制作:①硅锭切割(晶圆) ②激光刻蚀
③电镀 ④测试、切割 ⑤封装 ⑥将处理器安装到手机上开机
1.材料中第(1)步的碱溶中SiO2会不会反应,表现SiO2的什么性质
2.材料中第(2)步中发生的反应有哪些 能否根据发生的反应判断C和Si的还原性的强弱
3.SiO2和CO2都属于酸性氧化物,性质是否一样
4.玻璃瓶不能盛放氢氟酸的原因是什么 SiO2能否与其他酸发生反应
[题点多维训练]
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)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的形式存在。 ( )
(2)硅是良好的半导体材料,可以用来生产芯片和硅太阳能电池等。 ( )
(3)SiO2能与NaOH和HF反应,故SiO2为两性氧化物。 ( )
(4)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存,NaOH溶液不能用带玻璃塞的试剂瓶保存。 ( )
(5)H2CO3酸性比H2SiO3的强,故CO2通入Na2SiO3溶液中有白色沉淀生成。 ( )
2.在一定条件下,下列物质不能与二氧化硅反应的是 ( )
①焦炭 ②纯碱 ③碳酸钙 ④氢氟酸 ⑤高氯酸 ⑥氢氧化钾 ⑦氧化钙 ⑧氮气
A.③⑤⑦⑧ B.⑤⑦⑧
C.⑤⑧ D.⑤⑦
3.(2024·西安高一期末)无论是传统的还是新型的无机非金属材料,硅元素都占有非常重要的地位。由于硅在太阳能发电中的重要作用,有些科学家称硅是“二十一世纪的能源”。下列关于硅说法正确的是 ( )
A.自然界中硅单质的含量居各元素的第二位
B.高纯度的硅是制半导体的重要材料
C.水泥、玻璃、陶瓷、光导纤维都是传统的硅酸盐工业产品
D.石英砂属于天然的硅酸盐产品
4.由粗SiO2制备纯SiO2的流程如图所示,下列说法不正确的是 ( )
粗SiO2XYSiO2
A.SiO2是酸性氧化物
B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4H2SiO3↓+Na2SO4
C.步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代
D.若在实验室中完成步骤Ⅲ,一般在蒸发皿中进行
5.写出用SiO2制H2SiO3的有关化学方程式: 。
新知探究(三)——新型无机非金属材料
1.高纯硅和光导纤维
(1)高纯硅广泛应用于信息技术(如硅晶片是生产芯片的基础材料)和新能源技术(如硅太阳能电池)等领域。
(2)光导纤维
可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大,抗干扰性能好,传输的信号不易衰减,能有效提高通信效率。
[微点拨] 光导纤维能传输光,不能导电。
2.新型陶瓷
(1)组成:不再限于传统的硅酸盐体系。
(2)特性和功能:在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
(3)碳化硅(SiC)俗称金刚砂,具有类似金刚石的结构,可用作砂纸和砂轮的磨料,具有优异的高温抗氧化性能,可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
(4)常见的类型:高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷。
3.碳纳米材料
富勒烯 由 构成的一系列笼形分子的总称,如C60,可以制碳纳米材料
碳纳 米管 可以看成是由 卷成的管状物,具有纳米尺度的直径,比表面积大,有相当高的 和优良的 性能,可用于生产复合材料、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,电阻率低、热导率高,具有很高的强度。作为一种具有优异性能的新型材料,石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入
[题点多维训练]
1.(1)将下列左栏中的物质与右栏中对应的性质、用途用线连起来:
(2)填写下列物质主要化学成分的化学式。
①刚玉: ;②石英钟: ;
③硅太阳能电池: ;
④水晶镜片: ;⑤水玻璃: 。
2.碳纳米管是继富勒烯(C60)以后发现的又一种碳单质,以下有关碳纳米管与富勒烯(C60)的说法错误的是 ( )
A.它们的物理性质有较大差异
B.在常温下它们的化学性质都稳定
C.它们是不同的碳单质
D.它们分别完全燃烧后生成物不同
3.在“天问一号”探测器成功发射的背后,很多化学新材料扮演了重要角色。下列有关说法不正确的是 ( )
A.探测器使用的铝硅封装外壳属于合金材料
B.探测器上太阳能电池板所用的晶体硅与光导纤维成分相同
C.探测器使用的陶瓷绝缘材料属于无机非金属材料
D.探测器外壳用的SiC增强铝基复合材料密度小、强度高、刚性好
4.如何解释在半导体工业中有这样一句行话:“从沙滩到用户”
。
第三节 无机非金属材料
新知探究(一)
2.(1)四面体 (2)腐蚀 3.Na2SiO3 CaSiO3 SiO2 纯碱、石灰石、石英砂 黏土、石灰石
[题点多维训练]
1.(1)√ (2)√ (3)√ (4)√ (5)√
2.选C 铜烤炉属于金属制品,故A错误;黄花梨云龙纹条案属于木材,主要成分为纤维素,故B错误;三彩骑卧驼陶俑属于陶瓷制品,属于无机非金属材料,故C正确;山居图扇面主要成分为纤维素,不属于无机非金属材料,故D错误。
3.选A 氧化铁为红棕色固体,瓷器的青色不可能来自氧化铁, A错误;秦兵马俑是陶制品,陶制品是由黏土或含有黏土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的, B正确;陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物,陶瓷的主要成分是硅酸盐,与水泥、玻璃等同属硅酸盐产品, C正确;陶瓷的主要成分是硅酸盐,硅酸盐的化学性质不活泼,具有不与酸或碱反应、抗氧化的特点, D正确。
4.选C 陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品,A错误;制水泥的主要原料为黏土、石灰石,辅助原料为石膏,B错误;沙子的主要成分为二氧化硅,不属于硅酸盐,D错误。
新知探究(二)
1.(1)硅酸盐 氧化物
(2)①SiO2+2CSi(粗)+2CO↑
②Si+3HClSiHCl3+H2
③SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl
2.(1)①Na2SiO3+H2O
3.(2)Si+2H+H2SiO3↓
(3)Si+CO2+H2OH2SiO3↓+C
[应用化学]
1.提示:SiO2属于酸性氧化物,能够与碱反应生成硅酸盐和水。
2.提示:SiO2+2CSi+2CO↑,Si+3HClSiHCl3+H2,SiHCl3+H2Si+3HCl;反应SiO2+2CSi+2CO↑是在高温条件下进行的,不能作为还原性强弱判断的依据。
3.提示:不一样。SiO2不能与水反应,CO2与水反应生成碳酸。
4.提示:SiO2常温下与氢氟酸发生反应:SiO2+4HFSiF4↑+2H2O。SiO2不能与除氢氟酸之外的其他酸反应。
[题点多维训练]
1.(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)√ 2.C
3.选B Si元素在自然界中以化合态存在,硅元素在地壳中的含量排第二位,故A错误。硅在元素周期表中处于金属和非金属之间,导致硅单质的性质介于二者之间,所以硅是制半导体的重要材料,故B正确。光导纤维由SiO2制成,不属于硅酸盐工业产品,故C错误。石英砂的主要成分为SiO2,不属于硅酸盐产品,故D错误。
4.选D 步骤Ⅲ为固体灼烧,应在坩埚中进行,D错误。
5.SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O、
Na2SiO3+H2SO4Na2SO4+H2SiO3↓(合理即可)
新知探究(三)
1.(2)二氧化硅 3.碳原子 石墨片层 强度 电学
[题点多维训练]
1.(1)①—c ②—a ③—e ④—b ⑤—d
(2)①Al2O3 ②SiO2 ③Si ④SiO2 ⑤Na2SiO3
2.选D 碳纳米管与C60是不同的碳单质,完全燃烧都生成CO2。
3.选B 铝硅封装外壳中含铝单质和硅单质,属于合金材料,故A正确;光导纤维的主要成分是二氧化硅,与晶体硅成分不同,故B错误;陶瓷绝缘材料属于无机非金属材料,故C正确;SiC增强铝基复合材料可用于制造探测器外壳,具有密度小、强度高、刚性好的特点,D项正确。
4.粗硅制备的原料为来自沙滩的沙子,沙子的成分为SiO2,粗硅提纯得到纯硅,广泛用于制备半导体材料、芯片
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第三节
无机非金属材料
学习目标 重点难点 1.知道无机非金属材料,结合实例认识无机非金属材料组成、性能与应用的联系。 2.了解新型无机非金属材料的种类和性能。 重点 1.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。
2.普通玻璃的主要成分。
难点 硅的制备工艺。
目录
新知探究(一)——化硅酸盐材料
新知探究(二)——硅和二氧化硅、硅酸盐
课时跟踪检测
新知探究(三)——新型无机非金属材料
新知探究(一)
硅酸盐材料
1.无机非金属材料
组成元素 含有硅、氧等元素
分类 传统无机非金属材料、新型无机非金属材料
性能 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
2.硅酸盐材料——传统无机非金属材料
(1)硅酸盐的结构
在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧 结构,Si在中心,O在四面体的4个顶角,许多这样的四面体通过顶角的O相互连接,即每个Si结合4个O,每个O结合2个Si。
四面体
(2)硅酸盐的特性
硅氧四面体结构的特殊性,决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐 等特点。
腐蚀
3.常见的硅酸盐材料
项目 陶瓷 玻璃 水泥
主要成分 成分复杂 ________、_______ 和_____ 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
生产原料 黏土(含水的铝硅酸盐) 主要原料:____________
辅助原料:适量的石膏
Na2SiO3
CaSiO3
SiO2
纯碱、石灰石、
石英砂
黏土、石灰石
主要设备 陶瓷窑 玻璃窑 水泥回转窑
用途 建筑材料、绝缘材料、日用器皿、 卫生洁具等 建筑材料、光学仪器、 各种器皿、制造玻璃纤维 大量用于建筑和水利工程
续表
[微点拨]
①陶瓷分为陶和瓷。
②普通玻璃生产涉及两主反应为
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑;
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑。
③生产水泥时加入适量石膏是调节水泥的硬化速率。
④碱性溶液不能用磨口试剂瓶存放,原因是玻璃中的SiO2与碱反应生成硅酸盐黏合剂。
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)硅酸盐结构较为复杂,大多难溶于水,化学性质稳定。( )
(2)硅氧四面体中,硅原子与氧原子都是以共价键结合。 ( )
(3)水泥与玻璃的共同原料是石灰石,水泥与陶瓷的共同原料是黏土。 ( )
(4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行。 ( )
(5)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化。 ( )
[题点多维训练]
√
√
√
√
√
2.(2024·广州高一检测)考古遗迹和历史文物是历史的见证,反映了古代人民丰富多彩的生活。下列文物属于无机非金属材料的是 ( )
A.铜烤炉 B.黄花梨云龙纹条案 C.三彩骑卧驼陶俑 D.山居图扇面
√
解析:铜烤炉属于金属制品,故A错误;黄花梨云龙纹条案属于木材,主要成分为纤维素,故B错误;三彩骑卧驼陶俑属于陶瓷制品,属于无机非金属材料,故C正确;山居图扇面主要成分为纤维素,不属于无机非金属材料,故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
√
解析:氧化铁为红棕色固体,瓷器的青色不可能来自氧化铁, A错误;秦兵马俑是陶制品,陶制品是由黏土或含有黏土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的, B正确;陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物,陶瓷的主要成分是硅酸盐,与水泥、玻璃等同属硅酸盐产品, C正确;陶瓷的主要成分是硅酸盐,硅酸盐的化学性质不活泼,具有不与酸或碱反应、抗氧化的特点, D正确。
4.(2024·济南高一月考)“九秋风露越窑开,夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句,描绘我国古代精美的青瓷工艺品。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、石灰石和石英砂
C.硅酸盐制品的性质稳定、耐高温
D.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
√
解析:陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品,A错误;制水泥的主要原料为黏土、石灰石,辅助原料为石膏,B错误;沙子的主要成分为二氧化硅,不属于硅酸盐,D错误。
新知探究(二)
硅和二氧化硅、硅酸盐
1.硅
(1)硅在元素周期表中的位置和存在
硅位于元素周期表第三周期第ⅣA族,正好处于金属与非金属的过渡位置,其单质的导电性介于导体与绝缘体之间,是应用最为广泛的半导体材料。硅在自然界主要以 和 的形式存在。
硅酸盐
氧化物
(2)高纯硅的制备
其中涉及的主要化学反应为
① ;
② ;
③ 。
(3)硅的主要化学性质
①与F2、O2反应的化学方程式分别为Si+2F2===SiF4、
Si+O2 SiO2;
②与HF、NaOH反应的化学方程式分别为Si+4HF===SiF4↑+2H2↑、Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
2.二氧化硅
(1)不溶于水,是一种酸性氧化物
①与NaOH反应:SiO2+2NaOH=== ;
②与CaO反应:SiO2+CaO CaSiO3。
(2)二氧化硅的特性与HF反应:SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。
(3)二氧化硅可与某些盐反应制备玻璃
SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑;
SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑。
Na2SiO3+H2O
3.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐
(1)硅酸钠易溶于水,其水溶液俗称水玻璃,具有黏结力强、耐高温等特性,常用作黏合剂和防火剂。
(2)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀,其离子方程式是
。
(3)少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中,反应的离子方程式是
。
Si+2H+===H2SiO3↓
Si+CO2+H2O===H2SiO3↓+C
应用化学
随着5G技术的应用,硅光芯片被广为提及,从概念到产品,它的发展速度让人惊叹。硅光芯片作为硅光子技术中的一种,有着非常可观的前景。
CPU的原料是什么,很多人知道是“硅”,其实就是沙子。CPU的制作过程如下:
(1)从沙子中提取二氧化硅:制作CPU的沙子要经过水洗→酸洗→中和→水洗→碱溶→过滤→灼烧等步骤,提取出纯净不含杂质的二氧化硅。
(2)把二氧化硅还原成硅:二氧化硅再进行化学提纯,得到可用于制造半导体材料的硅,学名电子级硅。电子级硅平均每一百万个硅原子中最多只有一个杂质原子。
(3)芯片制作:①硅锭切割(晶圆) ②激光刻蚀
③电镀 ④测试、切割 ⑤封装 ⑥将处理器安装到手机上开机
1.材料中第(1)步的碱溶中SiO2会不会反应,表现SiO2的什么性质
提示:SiO2属于酸性氧化物,能够与碱反应生成硅酸盐和水。
2.材料中第(2)步中发生的反应有哪些 能否根据发生的反应判断C和Si的还原性的强弱
提示:SiO2+2C Si+2CO↑,Si+3HCl SiHCl3+H2,SiHCl3+H2 Si+3HCl;反应SiO2+2C Si+2CO↑是在高温条件下进行的,不能作为还原性强弱判断的依据。
3.SiO2和CO2都属于酸性氧化物,性质是否一样
提示:不一样。SiO2不能与水反应,CO2与水反应生成碳酸。
4.玻璃瓶不能盛放氢氟酸的原因是什么 SiO2能否与其他酸发生反应
提示:SiO2常温下与氢氟酸发生反应:SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。SiO2不能与除氢氟酸之外的其他酸反应。
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)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的形式存在。( )
(2)硅是良好的半导体材料,可以用来生产芯片和硅太阳能电池等。( )
(3)SiO2能与NaOH和HF反应,故SiO2为两性氧化物。( )
[题点多维训练]
×
√
×
(4)氢氟酸不能用玻璃试剂瓶保存,NaOH溶液不能用带玻璃塞的试剂瓶保存。 ( )
(5)H2CO3酸性比H2SiO3的强,故CO2通入Na2SiO3溶液中有白色沉淀生成。( )
√
√
√
2.在一定条件下,下列物质不能与二氧化硅反应的是 ( )
①焦炭 ②纯碱 ③碳酸钙 ④氢氟酸 ⑤高氯酸
⑥氢氧化钾 ⑦氧化钙 ⑧氮气
A.③⑤⑦⑧ B.⑤⑦⑧
C.⑤⑧ D.⑤⑦
3.(2024·西安高一期末)无论是传统的还是新型的无机非金属材料,硅元素都占有非常重要的地位。由于硅在太阳能发电中的重要作用,有些科学家称硅是“二十一世纪的能源”。下列关于硅说法正确的是 ( )
A.自然界中硅单质的含量居各元素的第二位
B.高纯度的硅是制半导体的重要材料
C.水泥、玻璃、陶瓷、光导纤维都是传统的硅酸盐工业产品
D.石英砂属于天然的硅酸盐产品
√
解析:Si元素在自然界中以化合态存在,硅元素在地壳中的含量排第二位,故A错误。硅在元素周期表中处于金属和非金属之间,导致硅单质的性质介于二者之间,所以硅是制半导体的重要材料,故B正确。光导纤维由SiO2制成,不属于硅酸盐工业产品,故C错误。石英砂的主要成分为SiO2,不属于硅酸盐产品,故D错误。
4.由粗SiO2制备纯SiO2的流程如图所示,下列说法不正确的是 ( )
A.SiO2是酸性氧化物
B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4
C.步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代
D.若在实验室中完成步骤Ⅲ,一般在蒸发皿中进行
解析:步骤Ⅲ为固体灼烧,应在坩埚中进行,D错误。
√
5.写出用SiO2制H2SiO3的有关化学方程式:
。
SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O、
Na2SiO3+H2SO4===Na2SO4+H2SiO3↓(合理即可)
新知探究(三)
新型无机非金属材料
1.高纯硅和光导纤维
(1)高纯硅广泛应用于信息技术(如硅晶片是生产芯片的基础材料)和新能源技术(如硅太阳能电池)等领域。
(2)光导纤维
可用来生产光导纤维。光导纤维的通信容量大,抗干扰性能好,传输的信号不易衰减,能有效提高通信效率。
[微点拨] 光导纤维能传输光,不能导电。
二氧化硅
2.新型陶瓷
(1)组成:不再限于传统的硅酸盐体系。
(2)特性和功能:在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
(3)碳化硅(SiC)俗称金刚砂,具有类似金刚石的结构,可用作砂纸和砂轮的磨料,具有优异的高温抗氧化性能,可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
(4)常见的类型:高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷。
3.碳纳米材料
富勒烯 由 构成的一系列笼形分子的总称,如C60,可以制碳纳米材料
碳纳 米管 可以看成是由 卷成的管状物,具有纳米尺度的直径,比表面积大,有相当高的 和优良的 性能,可用于生产复合材料、电池和传感器等
碳原子
石墨片层
强度
电学
石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨,电阻率低、热导率高,具有很高的强度。作为一种具有优异性能的新型材料,石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入
续表
1.(1)将下列左栏中的物质与右栏中对应的性质、用途用线连起来:
[题点多维训练]
(2)填写下列物质主要化学成分的化学式。
①刚玉: ;
②石英钟: ;
③硅太阳能电池: ;
④水晶镜片: ;
⑤水玻璃: 。
Al2O3
SiO2
Si
SiO2
Na2SiO3
2.碳纳米管是继富勒烯(C60)以后发现的又一种碳单质,以下有关碳纳米管与富勒烯(C60)的说法错误的是 ( )
A.它们的物理性质有较大差异
B.在常温下它们的化学性质都稳定
C.它们是不同的碳单质
D.它们分别完全燃烧后生成物不同
解析:碳纳米管与C60是不同的碳单质,完全燃烧都生成CO2。
√
3.在“天问一号”探测器成功发射的背后,很多化学新材料扮演了重要角色。下列有关说法不正确的是 ( )
A.探测器使用的铝硅封装外壳属于合金材料
B.探测器上太阳能电池板所用的晶体硅与光导纤维成分相同
C.探测器使用的陶瓷绝缘材料属于无机非金属材料
D.探测器外壳用的SiC增强铝基复合材料密度小、强度高、刚性好
√
解析:铝硅封装外壳中含铝单质和硅单质,属于合金材料,故A正确;光导纤维的主要成分是二氧化硅,与晶体硅成分不同,故B错误;陶瓷绝缘材料属于无机非金属材料,故C正确;SiC增强铝基复合材料可用于制造探测器外壳,具有密度小、强度高、刚性好的特点,D项正确。
4.如何解释在半导体工业中有这样一句行话:“从沙滩到用户”
粗硅制备的原料为来自沙滩的沙子,沙子的成分为SiO2,粗硅提纯得到纯硅,广泛用于制备半导体材料、芯片
。
课时跟踪检测
(选择题第1~9小题,每小题3分,第12小题5分,本检测满分70分)
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1.(2023·山东卷)下列之物具有典型的齐鲁文化特色,据其主要化学成分不能与其他三种归为一类的是 ( )
A.泰山墨玉 B.龙山黑陶
C.齐国刀币 D.淄博琉璃
解析:墨玉、黑陶、琉璃的主要成分属于无机非金属材料,齐国刀币的主要成分为青铜,属于金属材料。
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2.《天工开物》中记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无沙粘土而为之……。凡坯既成,干燥之后,则堆积窑中燃薪举火……。浇水转泑〔音右〕与造砖同法。”下列说法错误的是 ( )
A.“粘土”的主要成分为硅酸盐
B.“燃薪举火”仅使黏土发生复杂的物理变化
C.硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分
D.“粘土”是制作砖瓦等的主要原料
解析:“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化,B项错误。
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3.(2024·辽宁大连高一期中)化学与环境、材料、信息、能源关系密切,推动着人类社会的进步和发展。下列说法不正确的是 ( )
A.“天问一号”所用的太阳能电池帆板,其主要材料是硅
B.中国空间站使用石墨烯存储器,所用材料石墨烯属于无机非金属材料
C.SO2可用来漂白纸浆,也能作食品添加剂
D.5G技术中使用的通信光缆不与任何酸碱反应
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解析:SO2虽然有毒,但食品中添加适量的二氧化硫可以起到防腐、抗氧化等作用,在一定范围内可以用作食品添加剂,C正确;光缆主要成分为二氧化硅,常温下,二氧化硅与氢氟酸、氢氧化钠反应,D错误。
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4.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 ③SiC是一种新型硅酸盐材料 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氮化硅的化学式为Si3N4,其可用于制作坩埚、切削刀具
A.②③⑥ B.①③⑤
C.②④⑥ D.①③④⑤
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解析:硅单质可用于制造半导体,SiO2具有良好的光学特性,是制造光导纤维的材料,①错误;SiO2常温下是固体,其熔点高于CO2,②正确;SiC属于新型陶瓷,不属于硅酸盐材料,③错误;SiO2与焦炭反应生成粗硅和CO,即SiO2是制取粗硅的原料,④正确;石英玻璃、玛瑙的主要成分是SiO2,不是硅酸盐制品,⑤错误;氮化硅具有硬度大、耐高温等特性,可制作坩埚、切削刀具,⑥正确。
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5.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”。它可以按下列方法制备,下列说法正确的是 ( )
A.步骤①的化学方程式为SiO2+C Si(粗)+CO2↑
B.步骤①②③中每生成或消耗1 mol Si,转移4 mol电子
C.步骤①所发生的化学反应不能说明碳的非金属性比硅强
D.二氧化硅能与氢氟酸反应,而硅不能与氢氟酸反应
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解析:高温下SiO2与C反应生成CO和Si,步骤①的化学方程式为SiO2+2C Si(粗)+2CO↑,A项错误。步骤①中硅元素从+4价降为0价,生成1 mol Si转移4 mol电子;步骤②中硅元素由0价升为+2价,消耗1 mol Si转移2 mol电子;步骤③中硅元素由+2价降为0价,生成1 mol Si转移2 mol电子,B项错误。非金属性是指非金属元素的单质在化学反应中得电子的能力,故步骤①所发生的反应不能说明碳的非金属性比硅强,C项正确。SiO2、Si均能与氢氟酸反应生成SiF4,D项错误。
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6.硅是带来人类文明的重要元素之一,科学家也提出硅是“21世纪的能源”。这主要是由于硅及其化合物对社会发展所起的巨大促进作用。下列关于硅及其化合物的说法中错误的是 ( )
A.传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
B.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”
C.高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点
D.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐
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解析:无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两大类,传统无机非金属材料的主要成分是硅酸盐,如玻璃、水泥、陶瓷等,新型无机非金属材料的主要成分不是硅酸盐,D错误。
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7.科学家用金属钠还原CCl4和SiCl4制得一种一维SiC纳米棒,相关反应的化学方程式为8Na+CCl4+SiCl4===SiC+8NaCl。下列说法不正确的是 ( )
A.SiC和SiO2中Si元素的化合价相同
B.上述反应中SiC既是氧化产物又是还原产物
C.SiO2制备单质Si、单质Si制备SiCl4均涉及氧化还原反应
D.一维SiC纳米棒中的粒子比表面积大,对微小粒子有较强的吸附能力
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解析:SiC和SiO2中Si元素的化合价均为+4价,A项正确;SiC是还原产物,NaCl是氧化产物,B项错误;SiO2制备单质Si需加入还原剂,单质Si制备SiCl4需加入氧化剂,C项正确;一维SiC粒子比表面积大,对微小粒子有较强的吸附能力,D项正确。
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8.石墨烯目前是世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它是一种透明、良好的导体;石墨烯是由碳原子构成的单层二维蜂窝状晶格结构(如图所示)的一种碳单质新材料,它是构建富勒烯、碳纳米管的基本单元。利用石墨烯可制造晶体管、太阳能电池板等。下列有关石墨烯的说法不正确的是 ( )
A.石墨烯具有优良的导电、导热性能
B.石墨烯是一种新型的无机非金属材料
C.石墨烯与富勒烯的结构相同
D.石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是由碳元素组成的
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解析:石墨烯具有良好的导热、导电性能,故A不符合题意;石墨烯是新型的无机非金属材料,故B不符合题意;石墨烯为单层结构,而富勒烯为球环状结构,故C符合题意;石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是碳元素的单质,互为同素异形体,故D不符合题意。
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9.科学家发现了纯碳新材料“碳纳米泡沫”,每个泡沫含有约4 000个碳原子,直径约为6~9 nm,在低于-183 ℃时,泡沫具有永久磁性。下列叙述正确的是 ( )
A.“碳纳米泡沫”与石墨互为同素异形体
B.把“碳纳米泡沫”分散到适当的溶剂中,不能产生丁达尔效应
C.“碳纳米泡沫”是一种新型的含碳化合物
D.“碳纳米泡沫”和金刚石的性质相同
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解析: “碳纳米泡沫”属于碳单质,与石墨互为同素异形体,故A项正确,C项错误;“碳纳米泡沫”的直径约为6~9 nm,分散到适当的溶剂中形成胶体,能产生丁达尔效应,故B项错误;“碳纳米泡沫”和金刚石是两种不同的物质,二者化学性质相同,物理性质不同,故D项错误。
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10.(10分)氮化硅陶瓷因其熔点高,对于金属及氧化物熔体具有相当的高温稳定性,越来越多地被应用于热工的各个领域,如陶瓷烧成棚板、辊棒,以及高温轴承、涡轮叶片等。
(1)下列关于氮化硅陶瓷的说法正确的是 (填字母)。
A.硅粉合成氮化硅的反应属于氧化还原反应
B.氮化硅陶瓷属于硅酸盐
C.氮化硅陶瓷可用于制造磨刀材料
D.太阳能光伏产业的主体材料为氮化硅
AC
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解析:Si与N2反应前后,N、Si元素的化合价发生变化,故属于氧化还原反应,A正确;氮化硅属于新型高温结构陶瓷,不属于硅酸盐,B错误;根据氮化硅的性能,可用于制造磨刀材料,C正确;太阳能光伏产业的主体材料为硅,D错误。
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(2)在烧结氮化硅陶瓷的过程中,二氧化硅、碳、氮气以物质的量之比3∶6∶2反应生成两种化合物。
①该反应的化学方程式为 。
②该反应中氧化剂与还原剂的质量比为 。
3SiO2+2N2+6C Si3N4+6CO
7∶9
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解析:①硅原子最外层有4个电子,氮原子最外层有5个电子,在氮化硅中硅显+4价,氮显-3价,根据化合物中化合价代数和等于零的原则,可得氮化硅的化学式为Si3N4。烧结Si3N4陶瓷的反应物为SiO2、N2、C,生成物为Si3N4和另一种化合物,则有3SiO2+2N2+6C Si3N4+另一种化合物,根据原子守恒可得另一种化合物为CO,故反应的化学方程式为3SiO2+2N2+6C Si3N4+6CO。②根据反应3SiO2+2N2+6C Si3N4+6CO,氮元素的价态降低,N2为氧化剂,碳元素的价态升高,C单质为还原剂,其质量比为(2 mol×28 g·mol-1)∶(6 mol×12 g·mol-1)=7∶9。
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11.(12分)硅是带来人类文明的重要元素之一,在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)工业上生产粗硅的反应:SiO2+2C Si(粗)+2CO↑;SiO2+3C
SiC+2CO↑。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为1∶1,则参加反应的C和SiO2的物质的量之比为 。
解析:若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为1∶1,将两方程式叠加,可知参加反应的C和SiO2的物质的量之比为5∶2。
5∶2
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(2)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅:
①若反应Ⅰ为Si(粗)+3HCl SiHCl3+H2,则反应Ⅱ的化学方程式为 。
解析:由流程图可知反应Ⅱ是SiHCl3和H2反应生成纯硅和HCl,因此反应的化学方程式为SiHCl3+H2 Si(纯)+3HCl。
SiHCl3+H2 Si(纯)+3HCl
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②整个制备过程中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,写出该反应的化学方程式:
。
解析:方程式中已知物质:SiHCl3+H2O―→H2SiO3+HCl,由原子守恒可知另一种物质为H2,因此反应的化学方程式为SiHCl3+3H2O===H2SiO3+3HCl+H2↑。
SiHCl3+3H2O===H2SiO3+3HCl+H2↑
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③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的物质的量之比约为 。
5∶1
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解析:由反应Ⅰ、Ⅱ的化学方程式,可知制备1 mol纯硅的循环反应过程需3 mol HCl,循环反应生成3 mol HCl,但每一次循环HCl的利用率是90%,因此需要增加mol HCl,同理,循环生产中需要1 mol H2,过程中只产生1 mol H2,但H2的利用率为93.75%,因此需增加mol H2,所以补充投入HCl和H2的物质的量之比为∶=5∶1。
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高阶思维训练(选做题)
12.氮化硅(Si3N4)是一种具有耐高温、耐磨蚀等优异性能的新型陶瓷。工业上可用如下反应来制取氮化硅:3SiO2+6X+2N2 Si3N4+6CO。下列说法错误的是( )
A.氮化硅陶瓷可用于火箭的涂层
B.物质X为C
C.上述反应中X为还原剂
D.上述反应中,每生成1 mol Si3N4,N2得到6 mol电子
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解析:氮化硅耐高温、耐磨蚀,可用于火箭的涂层,A项正确;根据原子守恒可得X为C,作还原剂,B、C项正确;题述反应中,每生成1 mol Si3N4,N2得到电子的物质的量为2 mol×2×[0-(-3)]=12 mol,D项错误。
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13.(16分)“中国芯”的发展离不开单晶硅,四氯化硅是制备高纯硅的原料。某化学小组拟在实验室中用图Ⅰ所示装置探究四氯化硅的制备和应用(夹持装置已省略)。
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已知:①Si+3HCl SiHCl3+H2,Si+2Cl2 SiCl4。
②SiCl4遇水剧烈反应,其熔、沸点分别为-70.0 ℃、57.6 ℃。
请回答下列问题:
(1)装置A中盛有浓盐酸的仪器的名称是 。
(2)写出装置A中发生反应的离子方程式:
。
分液漏斗
2Mn+10Cl-+16H+===2Mn2++5Cl2↑+8H2O
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(3)若拆去装置B,可能产生的后果是_________________________
。
解析:若拆去装置B,就不能除去氯气中的HCl,HCl会和Si反应生成SiHCl3和H2,会使产品纯度降低,且Cl2和H2混合共热易发生爆炸。
HCl和Si反应生成SiHCl3和
H2,会使产品纯度降低,且Cl2和H2混合共热易发生爆炸
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(4)有同学最初将E、F、G装置设计成图Ⅱ所示装置,图Ⅱ所示装置的主要缺点有_____________________________________________
。
解析:若用图Ⅱ所示装置代替E、F、G装置,将会有SiCl4在a中液化,a中压强减小,烧碱溶液倒吸入a中,烧碱溶液中的水与SiCl4发生剧烈反应。
SiCl4在a中液化,a中压强减小,烧碱溶液倒吸入a中,
烧碱溶液中的水与SiCl4发生剧烈反应
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(5)利用SiCl4和NH3在高温下反应可制备新型无机非金属材料Si3N4。写出该反应的化学方程式: 。
利用尾气制备盐酸,宜选择下列装置中的 (填标号)。
3SiCl4+4NH3
Si3N4+12HCl
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解析:NH3与SiCl4反应生成Si3N4和HCl,反应的化学方程式为3SiCl4+4NH3 Si3N4+12HCl。制备盐酸需要用水吸收HCl,HCl易溶于水,吸收HCl时要防止发生倒吸现象,所以c装置符合要求。课时跟踪检测(八) 无机非金属材料
(选择题第1~9小题,每小题3分,第12小题5分,本检测满分70分)
1.(2023·山东卷)下列之物具有典型的齐鲁文化特色,据其主要化学成分不能与其他三种归为一类的是 ( )
A.泰山墨玉 B.龙山黑陶
C.齐国刀币 D.淄博琉璃
2.《天工开物》中记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无沙粘土而为之……。凡坯既成,干燥之后,则堆积窑中燃薪举火……。浇水转泑〔音右〕与造砖同法。”下列说法错误的是 ( )
A.“粘土”的主要成分为硅酸盐
B.“燃薪举火”仅使黏土发生复杂的物理变化
C.硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分
D.“粘土”是制作砖瓦等的主要原料
3.(2024·辽宁大连高一期中)化学与环境、材料、信息、能源关系密切,推动着人类社会的进步和发展。下列说法不正确的是 ( )
A.“天问一号”所用的太阳能电池帆板,其主要材料是硅
B.中国空间站使用石墨烯存储器,所用材料石墨烯属于无机非金属材料
C.SO2可用来漂白纸浆,也能作食品添加剂
D.5G技术中使用的通信光缆不与任何酸碱反应
4.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 ③SiC是一种新型硅酸盐材料 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氮化硅的化学式为Si3N4,其可用于制作坩埚、切削刀具
A.②③⑥ B.①③⑤ C.②④⑥ D.①③④⑤
5.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”。它可以按下列方法制备,下列说法正确的是 ( )
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
A.步骤①的化学方程式为SiO2+CSi(粗)+CO2↑
B.步骤①②③中每生成或消耗1 mol Si,转移4 mol电子
C.步骤①所发生的化学反应不能说明碳的非金属性比硅强
D.二氧化硅能与氢氟酸反应,而硅不能与氢氟酸反应
6.硅是带来人类文明的重要元素之一,科学家也提出硅是“21世纪的能源”。这主要是由于硅及其化合物对社会发展所起的巨大促进作用。下列关于硅及其化合物的说法中错误的是 ( )
A.传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
B.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”
C.高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点
D.传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐
7.科学家用金属钠还原CCl4和SiCl4制得一种一维SiC纳米棒,相关反应的化学方程式为8Na+CCl4+SiCl4SiC+8NaCl。下列说法不正确的是 ( )
A.SiC和SiO2中Si元素的化合价相同
B.上述反应中SiC既是氧化产物又是还原产物
C.SiO2制备单质Si、单质Si制备SiCl4均涉及氧化还原反应
D.一维SiC纳米棒中的粒子比表面积大,对微小粒子有较强的吸附能力
8.石墨烯目前是世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它是一种透明、良好的导体;石墨烯是由碳原子构成的单层二维蜂窝状晶格结构(如图所示)的一种碳单质新材料,它是构建富勒烯、碳纳米管的基本单元。利用石墨烯可制造晶体管、太阳能电池板等。下列有关石墨烯的说法不正确的是 ( )
A.石墨烯具有优良的导电、导热性能
B.石墨烯是一种新型的无机非金属材料
C.石墨烯与富勒烯的结构相同
D.石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是由碳元素组成的
9.科学家发现了纯碳新材料“碳纳米泡沫”,每个泡沫含有约4 000个碳原子,直径约为6~9 nm,在低于-183 ℃时,泡沫具有永久磁性。下列叙述正确的是 ( )
A.“碳纳米泡沫”与石墨互为同素异形体
B.把“碳纳米泡沫”分散到适当的溶剂中,不能产生丁达尔效应
C.“碳纳米泡沫”是一种新型的含碳化合物
D.“碳纳米泡沫”和金刚石的性质相同
10.(10分)氮化硅陶瓷因其熔点高,对于金属及氧化物熔体具有相当的高温稳定性,越来越多地被应用于热工的各个领域,如陶瓷烧成棚板、辊棒,以及高温轴承、涡轮叶片等。
(1)下列关于氮化硅陶瓷的说法正确的是 (填字母)。
A.硅粉合成氮化硅的反应属于氧化还原反应
B.氮化硅陶瓷属于硅酸盐
C.氮化硅陶瓷可用于制造磨刀材料
D.太阳能光伏产业的主体材料为氮化硅
(2)在烧结氮化硅陶瓷的过程中,二氧化硅、碳、氮气以物质的量之比3∶6∶2反应生成两种化合物。
①该反应的化学方程式为 。
②该反应中氧化剂与还原剂的质量比为 。
11. (12分)硅是带来人类文明的重要元素之一,在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)工业上生产粗硅的反应:SiO2+2CSi(粗)+2CO↑;SiO2+3CSiC+2CO↑。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为1∶1,则参加反应的C和SiO2的物质的量之比为 。
(2)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅:
①若反应Ⅰ为Si(粗)+3HClSiHCl3+H2,则反应Ⅱ的化学方程式为 。
②整个制备过程中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,写出该反应的化学方程式: 。
③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的物质的量之比约为 。
高阶思维训练(选做题)
12.氮化硅(Si3N4)是一种具有耐高温、耐磨蚀等优异性能的新型陶瓷。工业上可用如下反应来制取氮化硅:3SiO2+6X+2N2Si3N4+6CO。下列说法错误的是 ( )
A.氮化硅陶瓷可用于火箭的涂层
B.物质X为C
C.上述反应中X为还原剂
D.上述反应中,每生成1 mol Si3N4,N2得到6 mol电子
13. (16分)“中国芯”的发展离不开单晶硅,四氯化硅是制备高纯硅的原料。某化学小组拟在实验室中用图Ⅰ所示装置探究四氯化硅的制备和应用(夹持装置已省略)。
已知:①Si+3HClSiHCl3+H2,Si+2Cl2SiCl4。
②SiCl4遇水剧烈反应,其熔、沸点分别为-70.0 ℃、57.6 ℃。
请回答下列问题:
(1)装置A中盛有浓盐酸的仪器的名称是 。
(2)写出装置A中发生反应的离子方程式: 。
(3)若拆去装置B,可能产生的后果是 。
(4)有同学最初将E、F、G装置设计成图Ⅱ所示装置,图Ⅱ所示装置的主要缺点有 。
(5)利用SiCl4和NH3在高温下反应可制备新型无机非金属材料Si3N4。写出该反应的化学方程式:
。
利用尾气制备盐酸,宜选择下列装置中的 (填标号)。
课时跟踪检测(八)
1.选C 墨玉、黑陶、琉璃的主要成分属于无机非金属材料,齐国刀币的主要成分为青铜,属于金属材料。
2.选B “燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化,B项错误。
3.选D SO2虽然有毒,但食品中添加适量的二氧化硫可以起到防腐、抗氧化等作用,在一定范围内可以用作食品添加剂,C正确;光缆主要成分为二氧化硅,常温下,二氧化硅与氢氟酸、氢氧化钠反应,D错误。
4.选B 硅单质可用于制造半导体,SiO2具有良好的光学特性,是制造光导纤维的材料,①错误;SiO2常温下是固体,其熔点高于CO2,②正确;SiC属于新型陶瓷,不属于硅酸盐材料,③错误;SiO2与焦炭反应生成粗硅和CO,即SiO2是制取粗硅的原料,④正确;石英玻璃、玛瑙的主要成分是SiO2,不是硅酸盐制品,⑤错误;氮化硅具有硬度大、耐高温等特性,可制作坩埚、切削刀具,⑥正确。
5.选C 高温下SiO2与C反应生成CO和Si,步骤①的化学方程式为SiO2+2CSi(粗)+2CO↑,A项错误。步骤①中硅元素从+4价降为0价,生成1 mol Si转移4 mol电子;步骤②中硅元素由0价升为+2价,消耗1 mol Si转移2 mol电子;步骤③中硅元素由+2价降为0价,生成1 mol Si转移2 mol电子,B项错误。非金属性是指非金属元素的单质在化学反应中得电子的能力,故步骤①所发生的反应不能说明碳的非金属性比硅强,C项正确。SiO2、Si均能与氢氟酸反应生成SiF4,D项错误。
6.选D 无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两大类,传统无机非金属材料的主要成分是硅酸盐,如玻璃、水泥、陶瓷等,新型无机非金属材料的主要成分不是硅酸盐,D错误。
7.选B SiC和SiO2中Si元素的化合价均为+4价,A项正确;SiC是还原产物,NaCl是氧化产物,B项错误;SiO2制备单质Si需加入还原剂,单质Si制备SiCl4需加入氧化剂,C项正确;一维SiC粒子比表面积大,对微小粒子有较强的吸附能力,D项正确。
8.选C 石墨烯具有良好的导热、导电性能,故A不符合题意;石墨烯是新型的无机非金属材料,故B不符合题意;石墨烯为单层结构,而富勒烯为球环状结构,故C符合题意;石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是碳元素的单质,互为同素异形体,故D不符合题意。
9.选A “碳纳米泡沫”属于碳单质,与石墨互为同素异形体,故A项正确,C项错误;“碳纳米泡沫”的直径约为6~9 nm,分散到适当的溶剂中形成胶体,能产生丁达尔效应,故B项错误;“碳纳米泡沫”和金刚石是两种不同的物质,二者化学性质相同,物理性质不同,故D项错误。
10.解析:(1)Si与N2反应前后,N、Si元素的化合价发生变化,故属于氧化还原反应,A正确;氮化硅属于新型高温结构陶瓷,不属于硅酸盐,B错误;根据氮化硅的性能,可用于制造磨刀材料,C正确;太阳能光伏产业的主体材料为硅,D错误。(2)①硅原子最外层有4个电子,氮原子最外层有5个电子,在氮化硅中硅显+4价,氮显-3价,根据化合物中化合价代数和等于零的原则,可得氮化硅的化学式为Si3N4。烧结Si3N4陶瓷的反应物为SiO2、N2、C,生成物为Si3N4和另一种化合物,则有3SiO2+2N2+6CSi3N4+另一种化合物,根据原子守恒可得另一种化合物为CO,故反应的化学方程式为3SiO2+2N2+6CSi3N4+6CO。②根据反应3SiO2+2N2+6CSi3N4+6CO,氮元素的价态降低,N2为氧化剂,碳元素的价态升高,C单质为还原剂,其质量比为(2 mol×28 g·mol-1)∶(6 mol×12 g·mol-1)=7∶9。
答案:(1)AC (2)①3SiO2+2N2+6CSi3N4+6CO ②7∶9
11.解析:(1)若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为1∶1,将两方程式叠加,可知参加反应的C和SiO2的物质的量之比为5∶2。
(2)①由流程图可知反应Ⅱ是SiHCl3和H2反应生成纯硅和HCl,因此反应的化学方程式为SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl。
②方程式中已知物质:SiHCl3+H2OH2SiO3+HCl,由原子守恒可知另一种物质为H2,因此反应的化学方程式为SiHCl3+3H2OH2SiO3+3HCl+H2↑。
③由反应Ⅰ、Ⅱ的化学方程式,可知制备1 mol纯硅的循环反应过程需3 mol HCl,循环反应生成3 mol HCl,但每一次循环HCl的利用率是90%,因此需要增加mol HCl,同理,循环生产中需要1 mol H2,过程中只产生1 mol H2,但H2的利用率为93.75%,因此需增加mol H2,所以补充投入HCl和H2的物质的量之比为∶=5∶1。
答案:(1)5∶2
(2)①SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl
②SiHCl3+3H2OH2SiO3+3HCl+H2↑ ③5∶1
12.选D 氮化硅耐高温、耐磨蚀,可用于火箭的涂层,A项正确;根据原子守恒可得X为C,作还原剂,B、C项正确;题述反应中,每生成1 mol Si3N4,N2得到电子的物质的量为2 mol×2×[0-(-3)]=12 mol,D项错误。
13.解析:(3)若拆去装置B,就不能除去氯气中的HCl,HCl会和Si反应生成SiHCl3和H2,会使产品纯度降低,且Cl2和H2混合共热易发生爆炸。(4)若用图Ⅱ所示装置代替E、F、G装置,将会有SiCl4在a中液化,a中压强减小,烧碱溶液倒吸入a中,烧碱溶液中的水与SiCl4发生剧烈反应。(5)NH3与SiCl4反应生成Si3N4和HCl,反应的化学方程式为3SiCl4+4NH3Si3N4+12HCl。制备盐酸需要用水吸收HCl,HCl易溶于水,吸收HCl时要防止发生倒吸现象,所以c装置符合要求。
答案:(1)分液漏斗
(2)2Mn+10Cl-+16H+2Mn2++5Cl2↑+8H2O
(3)HCl和Si反应生成SiHCl3和H2,会使产品纯度降低,且Cl2和H2混合共热易发生爆炸
(4)SiCl4在a中液化,a中压强减小,烧碱溶液倒吸入a中,烧碱溶液中的水与SiCl4发生剧烈反应
(5)3SiCl4+4NH3Si3N4+12HCl c
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