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第21讲
无机非金属材料
1.掌握 元素的单质及其重要化合物的性质及应用。
2.掌握无机非金属材料的性质和用途。
01
考点一 硅和二氧化硅
02
考点二 无机非金属材料
03
经典真题·明考向
04
作业手册
答案速查【听】
答案速查【作】
考点一
硅和二氧化硅
1.硅元素在周期表中的位置
硅元素位于元素周期表第____周期、第_____族,处于金属与非金属的
过渡位置。
三
ⅣA
2.硅单质
高
大
（粗）
3.二氧化硅
高
大
光导纤维
4.硅酸
难
弱
5.高纯硅的制备流程
反应①:_____________________________。
反应②:________________________。
反应③:_________________________。
【对点自测】
判断正误（正确的打“√”,错误的打“×”）
（1）硅在自然界中只以化合态的形式存在( )
√
（2）晶体硅熔点高、硬度大,故可用于制作半导体材料 ( )
×
[解析] 硅元素在元素周期表中位于金属和非金属元素的过渡位置，其
单质的导电性介于导体与绝缘体之间，因此晶体硅可用于制作半导体
材料，错误。
（3）以下转化均能实现: ( )
×
[解析] 二氧化硅与盐酸不反应，错误。
（4）常温下,既能与 溶液反应又能与氢氟酸反应,故属于两性
氧化物( )
×
[解析] 二氧化硅不能与盐酸反应,只能与氢氟酸反应,不是两性氧化物，
错误。
（5） 晶体中存在若干硅氧四面体结构（ ）( )
√
[解析] 是共价晶体,不存在分子, 晶体中每个硅原子和四个
氧原子通过共价键相连，形成硅氧四面体结构，正确。
（6）将通入 溶液中,产生胶状沉淀,则酸性:
( )
√
（7） 具有导电性,故可用于制作光导纤维和光电池 ( )
×
[解析] 二氧化硅可用于制作光导纤维与其具有导光性有关, 不导电，
用于制作光电池的是硅单质，错误。
（8） 均能一步转化( )
×
[解析] 不能与水反应一步转化为硅酸，错误。
题组一 硅
1.[2024·湖北部分学校模拟] 清华团队研制出新款忆阻器存算一体芯片，
相关成果发表于《科学》。下列不可用作芯片材料的是( )
A.硅单质 B.碳化硅 C.二氧化硅 D.砷化镓
√
[解析] 硅元素处于金属和非金属的分界线位置，其单质的导电性介于
导体和绝缘体之间，因此硅单质具有良好的半导体性能，可用作芯片
材料，A不符合题意；
碳化硅具有优异的高温抗氧化性能，是一种耐高温半导体材料，可用
作芯片材料，B不符合题意；
二氧化硅可用于制造光导纤维，不属于半导体材料，不可用作芯片材
料，C符合题意；
砷化镓具有良好的半导体性能，是一种化合物半导体材料，可用作芯
片材料，D不符合题意。
2.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）硅在元素周期表中的位置是_________________。
第三周期第ⅣA族
[解析] 硅在元素周期表中的位置是第三周期第ⅣA族。
（2）工业上生产粗硅的反应有
（粗） ；
。
若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为 ，则参加反应的C和
的物质的量之比为_____。
[解析] 根据反应（粗） ，
，生成 需 、 ，
生成 需 、，若产品中与 的物质的量之
比为，则参加反应的C和的物质的量之比为 。
（3）工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅：
①若反应 Ⅰ 为（粗） ，写出反应 Ⅱ
的化学方程式：_ ____________________________________。
（纯）
②假设每一轮次制备 纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应
Ⅰ 中的利用率为，反应 Ⅱ 中的利用率为 ，则在第
二轮次的生产中，需要补充投入和 的物质的量之比是_____。
[解析] 反应生成纯硅需补充 ，需补充
，补充与的物质的量之比约为 。
【规律小结】
碳、硅单质的特殊性
（1）一般情况下,非金属单质为绝缘体,但硅为半导体。
（2）的还原性强于C,但C在高温下能还原出
。
（3）非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂,且无氢气放出,
但硅与强碱溶液反应只作还原剂,且放出氢气:
。
（4）非金属单质一般不与非氧化性酸反应,但硅能跟氢氟酸反应:
。
题组二 二氧化硅
3.[2024·浙江义乌五校联考] 下列有关 的说法正确的是( )
A. 属于酸性氧化物
B.工业上用焦炭还原石英砂制得高纯硅
C. 可用来制作手机芯片
D.可以在石英坩埚中熔融碳酸钠
√
[解析] 二氧化硅与反应生成硅酸钠和水， 是酸性氧化物，
故A正确；
工业上用焦炭还原石英砂制得的是粗硅，故B错误；
用作芯片的原料是纯硅，故C错误；
加热时碳酸钠与 反应生成硅酸钠，不能用石英坩埚熔融碳酸钠，
故D错误。
4.二氧化硅又称硅石，是制备硅及其化合物的重要原料，部分转化过
程如图所示。
回答下列问题：
（1）碳元素和硅元素都位于周期表的第_____族，非金属性较强的是
___（填元素符号）。工业上制备粗硅的反应：
，该反应能否比较碳和硅元素的非金属性强
弱 ____（填“能”或“否”）。利用上述转化关系，再写出一种能比较碳
和硅元素的非金属性强弱的化学方程式：________________________
____________________。
ⅣA
C
否
[解析] 碳元素和硅元素都位于元素周期表的第ⅣA族，同主族元素从
上到下，非金属性逐渐减弱，非金属性较强的是C。
工业上制备粗硅的反应： ,该反应在高温下产
生 气体，促使反应发生，制备粗硅的反应不能比较出碳和硅元素的
非金属性强弱。
将 通入硅酸盐溶液中，可制取出比碳酸酸性弱的硅酸，就可证明
非金属性 ，其反应的化学方程式为
。
（2）光导纤维是一种良好的通信材料，其成分是_____（填化学式），
高纯硅是制造半导体芯片的基础原材料，由上述转化关系可知，工业
上利用氢气制备高纯硅的化学方程式为_______________________。
[解析] 可用来制作光导纤维；工业上利用氢气和四氯化硅来制备
高纯硅，其化学方程式为 。
（3） 溶液需要盛放在有橡胶塞的试剂瓶中，原因是__________
______________________（用化学方程式表示，下同），利用 溶液
可以在玻璃表面写字作画，原因是___________________________。
[解析] 玻璃中的成分能和 发生反应，产生具有黏性的硅酸
钠，使玻璃塞粘在瓶口不能被打开，其反应的化学方程式是
；和 反应的化学方程式为
。
（4） 是一种新型无机非金属材料，是半导体领域未来代替硅基芯
片的一种新型原材料， 属于______（填“离子”或“共价”）化合物。
共价
[解析] 是由两种不同的非金属元素通过共价键连接构成的共价化
合物。
【易错警示】
二氧化硅性质的特殊性
多数酸性氧化物的共性 二氧化硅的特性
非金属氧化物的熔点、沸 点一般较低 的熔点、沸点很高
酸性氧化物一般与水反应 生成相应酸 不溶于水，不与水反应
酸性氧化物一般不与酸发 生反应
多数酸性氧化物的共性 二氧化硅的特性
“较强酸制较弱酸”是复分 解反应的一般规律，如 酸性强于 以下反应不能比较酸性的强弱：
；
续表
考点二
无机非金属材料
一、硅酸盐材料
1.硅酸钠
（1）硅酸盐大多数不溶于水，硅酸钠是白色、可溶于水的粉末状固
体，其水溶液俗称________，有黏性，水溶液显碱性。
水玻璃
（2）硅酸钠能与酸性比硅酸强的酸反应，写出相应的化学方程式。
与盐酸反应：__________________________________。
与少量 水溶液反应：_______________________________________
________。
（3）用途：黏合剂（矿物胶），耐火阻燃材料。
2.传统无机非金属材料
（1）传统无机非金属材料主要包括水泥、普通玻璃、陶瓷等硅酸盐
材料。常见硅酸盐材料如下表。
材料 水泥 普通玻璃 陶瓷
生产原料 石灰石、黏土 ______、________、石英砂 黏土
主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑
纯碱
石灰石
（2）普通玻璃的生产
①反应原理
、
__________________________________。
②主要成分：、、 。
二、新型无机非金属材料
1.新型陶瓷
材料类别 主要特性 示例 用途
高温结构 陶瓷 能承受高温， 强度____ 氮化硅 陶瓷 汽轮机叶片、轴承、永
久性模具等
半导体陶 瓷 具有______特 性 二氧化 锡陶瓷 集成电路中的半导体
光学材料 具有______特 性 光导纤维 光缆通讯、医疗、照明
等
高
电学
光学
材料类别 主要特性 示例 用途
生物陶瓷 具有______功 能 氧化铝陶 瓷 人造骨骼、人造关节、
接骨螺钉等
生物
续表
2.碳纳米材料
（1）碳纳米材料是一类新型无机非金属材料，主要包括富勒烯、碳
纳米管、石墨烯等。
（2）三类碳纳米材料的比较
类别 结构特点 主要性能 重要应用或意义
富勒 烯 由________构成的 一系列______分子的 总称， 是富勒烯的 代表物 — 开启碳纳米材料
研究和应用的新时
代
碳原子
笼形
类别 结构特点 主要性能 重要应用或意义
碳纳 米管 由______片层卷成 的管状物，具有 ______尺度的直径 比表面积____， 有相当____的强度 和优良的______性 能 生产复合材料、
电池和传感器等
石墨 烯 只有一个________ 直径厚度的单层石墨 电阻率____、热 导率____，具有很 高的强度 生产光电器件、
超级电容器、电池
和复合材料等
石墨
纳米
大
高
电学
碳原子
低
高
续表
【对点自测】
判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）
（1）氮化硅陶瓷、超导陶瓷、透明陶瓷均是新型无机非金属材料( )
√
（2）合成纤维与光导纤维都是新型无机非金属材料( )
×
[解析] 合成纤维是有机高分子材料，光导纤维是新型无机非金属材料，
错误。
（3）硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中( )
×
[解析] 硅酸钠溶液具有黏性,不能用带玻璃塞的试剂瓶保存，错误。
（4）陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐( )
√
（5）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( )
×
（6）向硅酸钠溶液中通入适量 ，出现白色沉淀，证明碳的非金属
性大于硅( )
√
[解析] 由现象可知生成了硅酸,说明碳酸的酸性大于硅酸,则碳的非金
属性大于硅，正确。
题组一 硅酸盐材料
1.中国饮食文化源远流长。下列与餐具有关的历史文物中，主要材质
属于硅酸盐的是( )
_____________________ __________________
A.战国水晶杯 B.殷商青铜酒爵
________________________ ______________________________
C.元青花盘 D.明朝玛瑙包金兽柄勺
√
[解析] 战国水晶杯的主要成分为 ，A不符合题意；
殷商青铜酒爵的材质是铜合金，属于金属材料，不属于硅酸盐制品，
B不符合题意；
元青花盘是陶瓷材料，主要成分是硅酸盐，属于硅酸盐制品，C符合
题意；
明朝玛瑙包金兽柄勺的主要成分是玛瑙和金，玛瑙的主要成分为二氧
化硅，金属于金属材料，不属于硅酸盐制品，D不符合题意。
2.[2024·福建厦门一中模拟] “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
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
√
[解析] 陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A错误；
纯碱、石灰石和石英砂是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石
灰石，B错误；
硅酸盐制品性质稳定、熔点较高，C正确；
沙子的主要成分是 ，黏土的主要成分是硅酸盐，D错误。
【易错警示】
硅及其化合物用途的易错点
（1）用作半导体材料的是晶体硅而不是，用于制作光导纤维的是
而不是硅，计算机芯片的成分是晶体硅而不是。
（2）水晶、石英、玛瑙、硅石、沙子等的主要成分是，而不是硅
酸盐。
（3）传统无机非金属材料（陶瓷、水泥、普通玻璃）的主要成分是
硅酸盐。
题组二 新型无机非金属材料
3.[2024·重庆三模] 2024年5月3日，我国嫦娥六号探测器成功发射，下
列“嫦娥六号”所使用到的材料中属于新型无机非金属材料的是( )
A.主体框架——钛合金
B.光学望远镜——高致密碳化硅特种陶瓷
C.国旗——高性能芳纶纤维
D.降落伞的绳带——超高分子量聚乙烯纤维
√
[解析] 钛合金属于金属材料，A错误；
高致密碳化硅特种陶瓷属于新型无机非金属材料，B正确；
高性能芳纶纤维属于有机高分子材料，C错误；
超高分子量聚乙烯纤维属于有机高分子材料，D错误。
4.[2024·江苏南通模拟] 石墨烯是一种由碳原子紧密堆积而成的单层蜂
窝状结构的材料，有良好的导电性。碳纳米管是由碳原子构成的多层
同轴圆管，尺寸为纳米量级。下列有关说法正确的是( )
A.石墨烯是有机化合物
B.石墨烯能导电，是电解质
C.碳纳米管具有丁达尔效应
D.石墨烯和碳纳米管互为同素异形体
√
[解析] 石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的材料，不属于有机化
合物，A错误；
石墨烯既不是电解质，也不是非电解质，B错误；
碳纳米管是一种纳米材料，需要分散到分散剂中才可能形成胶体，C错
误；
石墨烯和碳纳米管均是C元素形成的不同的单质，互为同素异形体，D
正确。
【方法技巧】
金属及其合金为金属材料；淀粉、纤维素、蛋白质、天然橡胶为
天然有机高分子材料；合成纤维、塑料、合成橡胶为合成有机高分子
材料；水泥、普通玻璃与陶瓷是三大传统无机非金属材料；二氧化硅、
碳化硅、氮化硅等是新型无机非金属材料。
经典真题·明考向
1.[2023·广东卷] “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
√
[解析] 九霄环佩木古琴主要由木材制成，A错误；
裴李岗文化骨笛由动物骨骼制成，B错误；
商朝后期陶埙属于陶瓷，由硅酸盐材料制成，C正确；
曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成，D错误。
2.[2024·江西卷] 景德镇青花瓷素有“国瓷”的美誉，是以黏土为原料，
用含钴、铁的颜料着色，上釉后一次性高温烧制而成的青蓝色彩瓷。
下列关于青花瓷说法正确的是( )
A.青蓝色是由于生成了单质钴 B.表面的釉属于有机高分子膜
C.主要成分为铝硅酸盐 D.铁元素的存在形式只有
√
[解析] 青花瓷上的青蓝色花纹是由使用了含有氧化钴的“青料”绘制而
成，与单质钴无直接关系，A错误；
釉是一种覆盖在陶瓷表面的物质，通常由无机物质组成，如硅酸盐、
氧化物等，B错误；
青花瓷是一种釉面瓷，其材质属于无机非金属材料，主要成分为铝硅
酸盐，C正确；
青花瓷上的花纹呈现青蓝色，而 呈红棕色，可能存在其他形式
的铁元素，如 ，D错误。
3.[2023·湖北卷] 工业制备高纯硅的主要过程如下：
石英砂粗硅 高纯硅
下列说法错误的是( )
A.制备粗硅的反应方程式为
B.含键的数目约为
C.原料气和 应充分去除水和氧气
D.生成 的反应为熵减过程
√
[解析] 和C在高温下发生反应生成和 ，因此制备粗硅的反应
方程式为 ，A正确；
在晶体硅中，每个与其周围的4个形成共价键三维骨架结构，因此，
平均每个 形成2个共价键，含键的数目约为
，B错误；
石英砂粗硅 高纯硅
和水蒸气反应，极易溶于水，硅和氧气反应生成的 成为
杂质且不易除去， 在高温下遇到氧气能发生反应生成水，且其易燃
易爆，因此原料气和 应充分去除水和氧气，C正确；
，该反应是气体分子数减少的反应，因此，
生成 的反应为熵减过程，D正确。
石英砂粗硅 高纯硅
4.[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.陶瓷主要成分为和
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
[解析] 传统陶瓷主要成分为硅酸盐，属于绝缘材料，A正确，B错误；
陶瓷是以黏土为主要原料，经高温烧结而成，烧制过程中有新物质生
成，存在化学变化，C错误；
白瓷中铁元素含量较少，铁元素含量越多，瓷器颜色一般越深，D错误。
√
1.[2024·河北卷] 燕赵大地历史悠久，文化灿烂。对下列河北博物院馆
藏文物的说法错误的是( )
战国宫门
青铜铺首
西汉透雕
白玉璧
五代彩绘
石质浮雕
元青花釉里
红瓷盖罐
A.青铜铺首主要成分是铜锡合金
B.透雕白玉璧主要成分是硅酸盐
C.石质浮雕主要成分是碳酸钙
D.青花釉里红瓷盖罐主要成分是硫酸钙
[解析] 青铜铺首是青铜器，青铜的主要成分是铜锡合金，A正确；
透雕白玉璧是玉石，玉石的主要成分是硅酸盐，B正确；
石质浮雕是汉白玉，汉白玉的主要成分是碳酸钙，C正确；
青花釉里红瓷盖罐是陶瓷，陶瓷的主要成分是硅酸盐，D错误。
√
2.晶体硅（熔点为）是良好的半导体材料。由石英砂 制
纯硅过程如下：
（粗）（纯） （纯）
下列叙述错误的是( )
A.生成粗硅的化学方程式为
B.上述流程中的化学反应均为氧化还原反应
C.气态 中混有杂质元素的氯化物，提纯的方法是冷凝成液态后蒸馏
D.还原 时，生成的两种产物分别为固态和气态，容易分离
√
[解析] 和焦炭在高温下反应生成和 ，化学方程式为
，A错误；
转化为粗 ，硅元素的化合价从价降低到0价，（粗）转化为
，硅元素的化合价从0价升高到价，（纯）转化为（纯），
硅元素的化合价从 价降低到0价，题述流程中的化学反应均为氧化
还原反应，B正确；
（粗）（纯） （纯）
四氯化硅沸点低，通过冰水装置冷却能使四氯化硅冷却为液体，气态
中混有杂质元素的氯化物，提纯的方法是冷凝成液态后蒸馏，C
正确；
还原 时，生成的两种产物分别为硅和氯化氢，硅为固态，氯化
氢为气态，容易分离，D正确。
（粗）（纯） （纯）
3.下列有关新型无机非金属材料的叙述，不正确的是( )
A.氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、光导纤维等属于新型无机非金属材料
B.碳化硅的硬度大、熔点高，可用作砂纸和砂轮的磨料及耐高温材料
C.碳纳米管具有纳米尺度的直径，可用于生产复合材料、电池和传感
器等
D.石墨烯具有熔点高、硬度大等特性，可用于电力、交通、医疗等领域
√
[解析] 石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，具有电阻率低、
热导率高、强度高等特性，在光电器件、超级电容器、电池和复合材
料等领域应用较广。
4.高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。由石英砂
（主要成分为 ）制备高纯硅的工艺流程如图所示。其中，氯化时
主要生成（沸点）和少量（沸点 ），分离是将
液态混合物中的 提纯。
下列叙述正确的是( )
A.高温还原工序的主要反应的化学方程式为
B.氯化工序是利用盐酸与粗硅发生反应，气态产物与固体杂质分离
C.分离工序中提纯 采用的方法是蒸馏
D.还原工序中的 可用高纯碳单质代替
√
[解析] 石英砂的主要成分是二氧化硅，在高温还原反应中生成粗硅和
，通入与反应生成和，利用蒸馏法分离出 ，最
后用还原 得到高纯硅。
石英砂的主要成分是二氧化硅，在高温还原反应中生成粗硅和，反
应为 ，A错误；
氯化工序是利用氯化氢气体与粗硅发生反应，不能用盐酸，盐酸是水
溶液，会导致产物水解，B错误；
（沸点）和 （沸点）沸点不同，提纯 采
用的方法是蒸馏，C正确；
还原工序中的不能用高纯碳单质代替，否则会导致 中含有杂质，
D错误。
Exercise
作业手册
考点一 硅和二氧化硅
1.[2024·黑龙江哈尔滨三中检测] 碳、硅及其化合物在生活、生产、航
空、航天、信息和新能源等领域有着广泛的用途。下列性质与用途对
应关系不正确的是 ( )
A.硅具有半导体性能，可以用于生产人造卫星的太阳能电池板
B.二氧化硅熔点高，可以用石英坩埚加热石灰石
C.硅酸盐化学性质稳定，可以用于生产餐具
D.石墨烯电阻率低，可以用于生产超级电容器
√
[解析] 晶体硅是良好的半导体材料，可以用于生产人造卫星的太阳能
电池板，A正确；
二氧化硅能与石灰石共热反应生成硅酸钙和二氧化碳，B错误；
因为硅酸盐化学性质稳定，故可以用于生产餐具，C正确；
石墨烯电阻率低、热导率高，可用于制作超级电容器，D正确。
2.下列硅元素及其化合物的有关说法正确的是( )
A.既能与 溶液反应,又能与氢氟酸反应,故为两性氧化物
B.高温下能与固体反应生成和 ,说明硅酸酸性
强于碳酸
C.因为玻璃中含有 ,所以不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛装碱性溶液
D. 均能一步转化
√
[解析] 虽然既能与溶液反应，又能与氢氟酸反应，但
属于酸性氧化物，A项错误；
高温下能与 固体反应生成和 ,二氧化碳气体逸
出，会促进反应进行，并不能说明硅酸酸性强于碳酸，B项错误；
会与碱性溶液反应，C项正确；
不能直接一步转化，D项错误。
3.[2024·福建龙岩一中模拟] “中国芯”的发展离不开高纯硅。从石英砂
（主要成分为 ）制取高纯硅涉及的主要反应用流程图表示如下：
下列说法不正确的是( )
A.反应①中氧化剂和还原剂的物质的量之比为
B.上述流程中，和 可以循环利用
C.从基本反应类型角度，反应①②③均为置换反应
D.从能量变化角度，由反应②③推测，反应③是放热反应
√
[解析] ①中与C反应生成和，氧化剂是 ，还原剂是C，据
得失电子守恒可知，和C的物质的量之比为 ，A正确；
②中消耗生成，③中消耗生成，故流程中和 可以循
环利用，B正确；
反应①②③均符合“单质化合物 新单质 新化合物”，故均属于置
换反应，C正确；
反应②在下，粗硅与反应生成 和，反应③在
下，与反应生成高纯硅和 ，则推测反应③为吸热
反应，D错误。
4.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
使用曾引起一场计算机的“革命”，可以按下列方法制备：
（粗） （纯）
下列说法不正确的是( )
A.步骤①的化学方程式为
B.步骤①中每生成，转移 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.（沸点为）中含有少量的（沸点为 ），通过蒸馏
（或分馏）可提纯
√
[解析] 二氧化硅在高温下与C反应
生成 ，即步骤①的化学方程式为
，故A错误；
步骤①中 元素的化合价降低4价，每生成转移 电子，故
B正确；
高纯硅是半导体，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；
二者沸点相差较大，可以采用蒸馏（或分馏）的方法分离，故D正确。
（粗） （纯）
5.[2024·辽宁十校联合体调研] 实验室用还原（沸点： ）
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
C.为鉴定制得的硅中是否含微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双
氧水、硫氰化钾溶液
D.该实验中制备氢气的装置也可用于稀氢氧化钠溶液与氯化铵固体反
应制备氨
√
[解析] 本题制备高纯硅，反应 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，会对后续实验产生
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 气体，因此在Ⅲ中应加热
水，A错误；
实验时应先通入氢气，目的是
排尽装置中的空气，防止发生
危险，B错误；
硅单质不与盐酸反应，铁与盐酸反应生成 ，被氧化成
，与 溶液反应，溶液变红色，可以鉴定是否含有铁单质，
C正确；
用稀 溶液制备氨，需要加热，装置Ⅰ中没有加热装置，且 固
体易溶于水，不能用启普发生器发生反应，因此不能制备氨，D错误。
考点二 无机非金属材料
6.下列文物中主要由无机非金属材料制成的是( )
A
B
C
D
A.青铜三足承盘香熏 B.青瓷莲瓣纹托盏
C.三国生活图木漆盘 D.青铜铙
√
[解析] 青铜三足承盘香熏主要材料是青铜，属于合金，A不选；
青瓷莲瓣纹托盏属于瓷制品，由无机非金属材料制成，B选；
三国生活图木漆盘属于木胎制品，由有机高分子材料制成，C不选；
青铜铙属于金属制品，D不选。
7.[2024·湖南永州模拟] 我国很早就开始生产陶器和瓷器，并在民间广
泛使用。明朝宋应星编写的《天工开物·陶埏》中记载：“水火既济而
土合。万室之国，日勤千人而不足，民用亦繁矣哉。”下列说法错误的
是( )
A.陶瓷是传统的无机非金属材料，与光导纤维的主要成分相同
B.制作传统陶瓷的主要原料为黏土
C.陶瓷材料在高温下不易被氧化，并对酸、碱具有良好的抗腐蚀能力
D.唐三彩陶器的黄色、褐色主要是因为添加了着色剂——氧化铁
√
[解析] 光导纤维的主要成分为二氧化硅，与陶瓷的主要成分硅酸盐不
同，A项错误；
制作传统陶瓷的主要原料是黏土，B项正确；
陶瓷的主要成分是硅酸盐，性质稳定，高温下不易被氧化，并对酸、
碱具有较好的抗腐蚀能力，C项正确；
唐三彩陶器的黄色、褐色主要是因为添加了不同量的氧化铁，D项正确。
8.[2024·湖北武汉调研] “中国制造”走进了充满科技与浪漫的巴黎奥运
会。下列属于新型无机非金属材料的是( )
A.足球内胆中植入的芯片
B.乒乓球的比赛用球所采用的 树脂
C.“ ”手环所采用的硅橡胶
D.我国运动员领奖服所利用的再生纤维
√
[解析] 足球内胆中植入的芯片是硅单质，属于新型无机非金属材料，
A符合题意；
乒乓球的比赛用球所采用的 树脂，属于有机高分子材料，B不符
合题意；
“ ”手环所采用的硅橡胶，属于有机高分子材料，C不符合
题意；
我国运动员领奖服所利用的再生纤维，属于有机高分子材料，D不符
合题意。
9.氮化硅 是一种重要的结构陶
瓷材料。用石英砂和原料气
（含和少量）制备 的操作
下列叙述不正确的是( )
A.“还原”步骤中焦炭主要被氧化为
B.“高温氮化”中主要反应的化学方程式为
C.“操作 ”可将原料气通过灼热的铜粉
D.“稀酸 ”可选用稀硝酸或稀硫酸
流程如下（粗硅中含少量、 的单质及其化合物）：
√
[解析] 焦炭与石英砂发生反应 ，焦炭被氧化
成，A正确；
“高温氮化”是与氮气化合生成 ，化学方程式为
，B正确；
原料气中含有和少量的 ，氧气能与反应生成，不与反
应，操作 可以将原料气通过灼热的铜粉，得到纯净氮气，C正确；
粗硅中含有少量和，即 中含有少量和，、与稀硝
酸反应，得到可溶于水的 和，稀硝酸可以除去
中和，但 不溶于稀硫酸，故不能用稀硫酸，D错误。
考点三 无机非金属材料综合考查
10.电脑和手机等电子产品产业蓬勃发展，推动了高纯硅的生产与应用。
工业上用“西门子法”以硅石 为原料制备冶金级高纯硅的工艺流
程如下：
[解析] 以硅石为原料，经过与镁反应生成硅、和 ，
得到粗硅，加入稀硫酸、过滤，弃去废液，经氧化后得到 ，
与 热解，得到冶金级高纯硅。
请回答下列问题：
（1）硅元素在元素周期表中的位置为_________________。
第三周期第ⅣA族
[解析] 硅元素为14号元素，在元素周期表中的位置为第三周期第ⅣA族。
（2）“还原”过程需在高温下进行，该反应的生成物除硅和 外，还
可能有_______。
[解析] 与金属镁高温还原得和 ，另外过量的镁可与生成的
硅反应生成 。
（3）加快“酸浸”速率的方法有__________________________________
__________________________（写两种）。
将粗硅粉碎、适当加热、适当提高酸的浓度、搅拌等（任写两种）
[解析] 根据反应速率的影响因素可知，加快“酸浸”速率的方法有将粗
硅粉碎、适当升温、适当增大硫酸的浓度、搅拌等。
（4）“氧化”过程发生的主要反应中还原产物为___________。
（已知：中元素为 价）。
、
[解析] “氧化”过程发生的主要反应为 ，根据
题给条件知中元素为价，元素为价，元素为 价，
故中价的元素得电子后生成和 ，二者均为还原产物。
（5）在还原炉中与加热到 发生“热解”反应即
制取冶金级高纯硅，还原炉中发生反应的化学方程式为____________
______________________。上述工艺生产中循环利用的物质有_______。
、
[解析] 根据反应流程知“热解”过程所得产物为高纯硅和氯化氢气体，
该反应的化学方程式为 ；
根据流程图可知循环利用的物质有和 。
11.[2024·山西忻州名校联考] Ⅰ .晶体硅是一种重要的非金属材料，制
备纯硅的主要步骤如下：
①高温下用碳单质还原二氧化硅制得粗硅；
②粗硅与干燥气体在反应制得和 ；
与过量在 反应制得纯硅。
（1）第②步制备 反应的化学方程式为______________________
___。
（2）整个制备过程必须严格控制无水无氧。 遇水剧烈反应生成
、 和另一种物质，写出配平的化学方程式：_____________
___________________________。
[解析] 中元素为价，中元素为价， 遇水剧
烈反应生成、和 ，反应的化学方程式为
。
Ⅱ.粗硅与氯气反应也可生成四氯化硅（反应温度 ），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：
.四氯化硅极易与水反应；
.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；
.有关物质的物理性质见下表：
物质
沸点/ 57.6 12.8 - 315 -
熔点/ - - -
升华温度/ - - 180 300 162
（3）写出装置A中发生反应的离子方程式：______________________
_________________________。
[解析] 装置A用于制取，利用 和浓盐酸共热制取。
（4）装置A中 管的作用是__________________________；装置C中的
试剂是________；装置中的 瓶需要冷却的理由是____________。
平衡压强，使液体顺利流下
浓硫酸
使冷凝
[解析] 装置A中 管可以平衡压强，使液体能顺利流下；装置C中由浓
硫酸吸收氯气中的水蒸气，干燥气体；装置中的 瓶收集四氯化硅，
为使 冷凝，该装置需要冷却。
（5）装置中 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，除铁元素外还可能含有的杂质
元素是______（填写元素符号）。
、
[解析] 中收集的粗产物中混有、、、 ，精馏得
时先汽化，除去，、、 均留在瓶中，精馏
后的残留物中含有杂质元素、、 。
快速核答案
第21讲 无机非金属材料
考点一 硅和二氧化硅
夯实必备知识
1.三 ⅣA
2.高 大 （粗）
3.高 大
光导纤维
4.难 弱
5.
【对点自测】
（1）√ （2）× （3）× （4）× （5）√ （6）√ （7）×
（8）×
提升关键能力
题组一 硅
1.C
2.（1）第三周期第ⅣA族 （2）
（3）①（纯） ②
题组二 二氧化硅
3.A
4.（1）ⅣA C 否
（2）
（3）
（4）共价
考点二 无机非金属材料
夯实必备知识
一、硅酸盐材料
1.（1）水玻璃 （2）
2.（1）纯碱 石灰石 （2）
二、新型无机非金属材料
1.高 电学 光学 生物
2. （2）碳原子 笼形 石墨 纳米 大 高 电学 碳原子 低 高
【对点自测】
（1）√ （2）× （3）× （4）√ （5）× （6）√
提升关键能力
题组一 硅酸盐材料
1.C 2.C
题组二 新型无机非金属材料
3.B 4.D
经典真题·明考向
1.C 2.C 3.B 4.A
教师备用习题
1.D 2.A 3.D 4.C
作业手册
考点一 硅和二氧化硅
1.B 2.C 3.D 4.A 5.C
考点二 无机非金属材料
6.B 7.A 8.A 9.D
考点三 无机非金属材料综合考查
10.（1）第三周期第ⅣA族 （2） （3）将粗硅粉碎、适当加
热、适当提高酸的浓度、搅拌等（任写两种） （4）、
（5） 、
11.（1）
（2）
（3）
（4）平衡压强，使液体顺利流下 浓硫酸 使冷凝 （5）、第21讲 无机非金属材料
考点一
● 夯实必备知识
1.三 ⅣA
2.高 大 Na2SiO3 2C+SiO2Si(粗)+2CO↑
3.高 大 Na2SiO3+H2O CaSiO3 Na2SiO3+CO2↑
SiO2+4HFSiF4↑+2H2O 光导纤维
4.难 弱 H2SiO3↓+Na2CO3 H2SiO3SiO2+H2O Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl
5.SiO2+2CSi+2CO↑
Si+3HClSiHCl3+H2
SiHCl3+H2Si+3HCl
【对点自测】
(1)√ (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)√ (7)× (8)×
[解析] (2)硅元素在元素周期表中位于金属和非金属元素的过渡位置,其单质的导电性介于导体与绝缘体之间,因此晶体硅可用于制作半导体材料,错误。
(3)二氧化硅与盐酸不反应,错误。
(4)二氧化硅不能与盐酸反应,只能与氢氟酸反应,不是两性氧化物,错误。
(5)SiO2是共价晶体,不存在SiO2分子,SiO2晶体中每个硅原子和四个氧原子通过共价键相连,形成硅氧四面体结构,正确。
(7)二氧化硅可用于制作光导纤维与其具有导光性有关,SiO2不导电,用于制作光电池的是硅单质,错误。
(8)SiO2不能与水反应一步转化为硅酸,错误。
● 提升关键能力
题组一
1.C [解析] 硅元素处于金属和非金属的分界线位置,其单质的导电性介于导体和绝缘体之间,因此硅单质具有良好的半导体性能,可用作芯片材料,A不符合题意;碳化硅具有优异的高温抗氧化性能,是一种耐高温半导体材料,可用作芯片材料,B不符合题意;二氧化硅可用于制造光导纤维,不属于半导体材料,不可用作芯片材料,C符合题意;砷化镓具有良好的半导体性能,是一种化合物半导体材料,可用作芯片材料,D不符合题意。
2.(1)第三周期第ⅣA族 (2)5∶2
(3)①SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl
②5∶1
[解析] (1)硅在元素周期表中的位置是第三周期第ⅣA族。(2)根据反应SiO2+2CSi(粗)+2CO↑,SiO2+3CSiC+2CO↑,生成1 mol Si需2 mol C、1 mol SiO2,生成1 mol SiC需3 mol C、1 mol SiO2,若产品中Si与SiC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5∶2。(3)②反应生成1 mol纯硅需补充HCl: mol,需补充H2: mol,补充HCl与H2的物质的量之比约为5∶1。
题组二
3.A [解析] 二氧化硅与NaOH反应生成硅酸钠和水,SiO2是酸性氧化物,故A正确;工业上用焦炭还原石英砂制得的是粗硅,故B错误;用作芯片的原料是纯硅,故C错误;加热时碳酸钠与SiO2反应生成硅酸钠,不能用石英坩埚熔融碳酸钠,故D错误。
4.(1)ⅣA C 否 Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3↓
(2)SiO2 SiCl4+2H2Si+4HCl
(3)2NaOH+SiO2Na2SiO3+H2O SiO2+4HFSiF4↑+2H2O
(4)共价
[解析] (1)碳元素和硅元素都位于元素周期表的第ⅣA族,同主族元素从上到下,非金属性逐渐减弱,非金属性较强的是C。工业上制备粗硅的反应:SiO2+2CSi+2CO↑,该反应在高温下产生CO气体,促使反应发生,制备粗硅的反应不能比较出碳和硅元素的非金属性强弱。将CO2通入硅酸盐溶液中,可制取出比碳酸酸性弱的硅酸,就可证明非金属性C>Si,其反应的化学方程式为Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3↓。(2)SiO2可用来制作光导纤维;工业上利用氢气和四氯化硅来制备高纯硅,其化学方程式为SiCl4+2H2Si+4HCl。(3)玻璃中的成分SiO2能和NaOH发生反应,产生具有黏性的硅酸钠,使玻璃塞粘在瓶口不能被打开,其反应的化学方程式是2NaOH+SiO2Na2SiO3+H2O;HF和SiO2反应的化学方程式为SiO2+4HFSiF4↑+2H2O。(4)SiC是由两种不同的非金属元素通过共价键连接构成的共价化合物。
考点二
● 夯实必备知识
一、1.(1)水玻璃
(2)Na2SiO3+2HCl2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3+H2O+CO2Na2CO3+H2SiO3↓
2.(1)纯碱 石灰石
(2)①Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑
二、1.高 电学 光学 生物
2.(2)碳原子 笼形 石墨 纳米 大 高 电学 碳原子 低 高
【对点自测】
(1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)√
[解析] (2)合成纤维是有机高分子材料,光导纤维是新型无机非金属材料,错误。
(3)硅酸钠溶液具有黏性,不能用带玻璃塞的试剂瓶保存,错误。
(6)由现象可知生成了硅酸,说明碳酸的酸性大于硅酸,则碳的非金属性大于硅,正确。
● 提升关键能力
题组一
1.C [解析] 战国水晶杯的主要成分为SiO2,A不符合题意;殷商青铜酒爵的材质是铜合金,属于金属材料,不属于硅酸盐制品,B不符合题意;元青花盘是陶瓷材料,主要成分是硅酸盐,属于硅酸盐制品,C符合题意;明朝玛瑙包金兽柄勺的主要成分是玛瑙和金,玛瑙的主要成分为二氧化硅,金属于金属材料,不属于硅酸盐制品,D不符合题意。
2.C [解析] 陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品,A错误;纯碱、石灰石和石英砂是制玻璃的原料,而制水泥的原料是黏土和石灰石,B错误;硅酸盐制品性质稳定、熔点较高,C正确;沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸盐,D错误。
题组二
3.B [解析] 钛合金属于金属材料,A错误;高致密碳化硅特种陶瓷属于新型无机非金属材料,B正确;高性能芳纶纤维属于有机高分子材料,C错误;超高分子量聚乙烯纤维属于有机高分子材料,D错误。
4.D [解析] 石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构的材料,不属于有机化合物,A错误;石墨烯既不是电解质,也不是非电解质,B错误;碳纳米管是一种纳米材料,需要分散到分散剂中才可能形成胶体,C错误;石墨烯和碳纳米管均是C元素形成的不同的单质,互为同素异形体,D正确。
经典真题·明考向
1.C [解析] 九霄环佩木古琴主要由木材制成,A错误;裴李岗文化骨笛由动物骨骼制成,B错误;商朝后期陶埙属于陶瓷,由硅酸盐材料制成,C正确;曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成,D错误。
2.C [解析] 青花瓷上的青蓝色花纹是由使用了含有氧化钴的“青料”绘制而成,与单质钴无直接关系,A错误;釉是一种覆盖在陶瓷表面的物质,通常由无机物质组成,如硅酸盐、氧化物等,B错误;青花瓷是一种釉面瓷,其材质属于无机非金属材料,主要成分为铝硅酸盐,C正确;青花瓷上的花纹呈现青蓝色,而Fe2O3呈红棕色,可能存在其他形式的铁元素,如FeO,D错误。
3.B [解析] 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形成共价键三维骨架结构,因此,平均每个Si形成2个共价键,1 mol Si含Si—Si键的数目约为2×6.02×1023,B错误; SiHCl3和水蒸气反应,HCl极易溶于水,硅和氧气反应生成的SiO2成为杂质且不易除去,H2在高温下遇到氧气能发生反应生成水,且其易燃易爆,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。
4.A [解析] 传统陶瓷主要成分为硅酸盐,属于绝缘材料,A正确,B错误;陶瓷是以黏土为主要原料,经高温烧结而成,烧制过程中有新物质生成,存在化学变化,C错误;白瓷中铁元素含量较少,铁元素含量越多,瓷器颜色一般越深,D错误。第21讲 无机非金属材料
1.B [解析] 晶体硅是良好的半导体材料,可以用于生产人造卫星的太阳能电池板,A正确;二氧化硅能与石灰石共热反应生成硅酸钙和二氧化碳,B错误;因为硅酸盐化学性质稳定,故可以用于生产餐具,C正确;石墨烯电阻率低、热导率高,可用于制作超级电容器,D正确。
2.C [解析] SiO2虽然既能与NaOH溶液反应,又能与氢氟酸反应,但SiO2属于酸性氧化物,A项错误;高温下SiO2能与Na2CO3固体反应生成Na2SiO3和CO2,二氧化碳气体逸出,会促进反应进行,并不能说明硅酸酸性强于碳酸,B项错误;SiO2会与碱性溶液反应,C项正确;SiO2→H2SiO3不能直接一步转化,D项错误。
3.D [解析] ①中SiO2与C反应生成Si和CO,氧化剂是SiO2,还原剂是C,据得失电子守恒可知,SiO2和C的物质的量之比为1∶2,A正确;②中消耗HCl生成H2,③中消耗H2生成HCl,故流程中HCl和H2可以循环利用,B正确;反应①②③均符合“单质+化合物→新单质+新化合物”,故均属于置换反应,C正确;反应②在300 ℃下,粗硅与HCl反应生成H2和SiHCl3,反应③在1100 ℃下,SiHCl3与H2反应生成高纯硅和HCl,则推测反应③为吸热反应,D错误。
4.A [解析] 二氧化硅在高温下与C反应生成CO,即步骤①的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑,故A错误;步骤①中Si元素的化合价降低4价,每生成1 mol Si转移4 mol电子,故B正确;高纯硅是半导体,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;二者沸点相差较大,可以采用蒸馏(或分馏)的方法分离,故D正确。
5.C [解析] 本题制备高纯硅,反应H2+SiHCl3Si+3HCl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,会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Ⅲ中应加热水,A错误;实验时应先通入氢气,目的是排尽装置中的空气,防止发生危险,B错误;硅单质不与盐酸反应,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;用稀NaOH溶液制备氨,需要加热,装置Ⅰ中没有加热装置,且NH4Cl固体易溶于水,不能用启普发生器发生反应,因此不能制备氨,D错误。
6.B [解析] 青铜三足承盘香熏主要材料是青铜,属于合金,A不选;青瓷莲瓣纹托盏属于瓷制品,由无机非金属材料制成,B选;三国生活图木漆盘属于木胎制品,由有机高分子材料制成,C不选;青铜铙属于金属制品,D不选。
7.A [解析] 光导纤维的主要成分为二氧化硅,与陶瓷的主要成分硅酸盐不同,A项错误;制作传统陶瓷的主要原料是黏土,B项正确;陶瓷的主要成分是硅酸盐,性质稳定,高温下不易被氧化,并对酸、碱具有较好的抗腐蚀能力,C项正确;唐三彩陶器的黄色、褐色主要是因为添加了不同量的氧化铁,D项正确。
8.A [解析] 足球内胆中植入的芯片是硅单质,属于新型无机非金属材料,A符合题意;乒乓球的比赛用球所采用的ABS树脂,属于有机高分子材料,B不符合题意;“PARIS 2024”手环所采用的硅橡胶,属于有机高分子材料,C不符合题意;我国运动员领奖服所利用的再生纤维,属于有机高分子材料,D不符合题意。
9.D [解析] 焦炭与石英砂发生反应SiO2+2CSi+2CO↑,焦炭被氧化成CO,A正确;“高温氮化”是Si与氮气化合生成Si3N4,化学方程式为3Si+2N2Si3N4,B正确;原料气中含有N2和少量的O2,氧气能与Cu反应生成CuO,N2不与Cu反应,操作X可以将原料气通过灼热的铜粉,得到纯净氮气,C正确;粗硅中含有少量Fe和Cu,即Si3N4中含有少量Fe和Cu,Fe、Cu与稀硝酸反应,得到可溶于水的Fe(NO3)3和Cu(NO3)2,稀硝酸可以除去Si3N4中Fe和Cu,但Cu不溶于稀硫酸,故不能用稀硫酸,D错误。
10.(1)第三周期第ⅣA族 (2)Mg2Si
(3)将粗硅粉碎、适当加热、适当提高酸的浓度、搅拌等(任写两种)
(4)H2、SiHCl3
(5)SiHCl3+H2Si+3HCl H2、HCl
[解析] 以硅石(SiO2)为原料,经过与镁反应生成硅、MgO和Mg2Si,得到粗硅,加入稀硫酸、过滤,弃去废液,经HCl氧化后得到SiHCl3,SiHCl3与H2热解,得到冶金级高纯硅。(1)硅元素为14号元素,在元素周期表中的位置为第三周期第ⅣA族。(2)SiO2与金属镁高温还原得Si和MgO,另外过量的镁可与生成的硅反应生成Mg2Si。(3)根据反应速率的影响因素可知,加快“酸浸”速率的方法有将粗硅粉碎、适当升温、适当增大硫酸的浓度、搅拌等。(4)“氧化”过程发生的主要反应为Si+3HClSiHCl3+H2,根据题给条件知SiHCl3中Si元素为+4价,H元素为-1价,Cl元素为-1价,故HCl中+1价的H元素得电子后生成SiHCl3和H2,二者均为还原产物。(5)根据反应流程知“热解”过程所得产物为高纯硅和氯化氢气体,该反应的化学方程式为SiHCl3+H2Si+3HCl;根据流程图可知循环利用的物质有H2和HCl。
11.(1)Si+3HClSiHCl3+H2
(2)SiHCl3+3H2OH2SiO3↓+H2↑+3HCl
(3)MnO2+4H++2Cl-Mn2++Cl2↑+2H2O
(4)平衡压强,使液体顺利流下 浓硫酸 使SiCl4冷凝
(5)Al、P
[解析] (2)SiHCl3中H元素为-1价,H2O中H元素为+1价,SiHCl3遇水剧烈反应生成 H2SiO3、HCl 和H2,反应的化学方程式为SiHCl3+3H2OH2SiO3↓+H2↑+3HCl。(3)装置A用于制取Cl2,利用MnO2和浓盐酸共热制取。(4)装置A中g管可以平衡压强,使液体能顺利流下;装置C中由浓硫酸吸收氯气中的水蒸气,干燥气体;装置 E 中的 h 瓶收集四氯化硅,为使SiCl4冷凝,该装置需要冷却。(5)E中收集的粗产物中混有BCl3、AlCl3、FeCl3、PCl5,精馏得SiCl4时BCl3先汽化,除去BCl3,AlCl3、FeCl3、PCl5均留在瓶中,精馏后的残留物中含有杂质元素Fe、Al、P。第21讲 无机非金属材料
1.掌握Si元素的单质及其重要化合物的性质及应用。
2.掌握无机非金属材料的性质和用途。
考点一 硅和二氧化硅
1.硅元素在周期表中的位置
硅元素位于元素周期表第 周期、第
族,处于金属与非金属的过渡位置。
2.硅单质
3.二氧化硅
4.硅酸
5.高纯硅的制备流程
反应①: 。
反应②: 。
反应③: 。
【对点自测】
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)硅在自然界中只以化合态的形式存在 ( )
(2)晶体硅熔点高、硬度大,故可用于制作半导体材料 ( )
(3)以下转化均能实现:SiO2SiCl4Si ( )
(4)常温下,SiO2既能与NaOH溶液反应又能与氢氟酸反应,故属于两性氧化物 ( )
(5)SiO2晶体中存在若干硅氧四面体结构 ()( )
(6)将SO2通入Na2SiO3溶液中,产生胶状沉淀,则酸性:H2SO3>H2SiO3 ( )
(7)SiO2具有导电性,故可用于制作光导纤维和光电池 ( )
(8)Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→Si均能一步转化 ( )
题组一 硅
1.[2024·湖北部分学校模拟] 清华团队研制出新款忆阻器存算一体芯片,相关成果发表于《科学》。下列不可用作芯片材料的是 ( )
A.硅单质 B.碳化硅 C.二氧化硅 D.砷化镓
2.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)硅在元素周期表中的位置是 。
(2)工业上生产粗硅的反应有
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 。
(3)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅:
若反应Ⅰ为Si(粗)+3HClSiHCl3+H2,写出反应Ⅱ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,需要补充投入HCl和H2的物质的量之比是 。
规律小结
碳、硅单质的特殊性
(1)一般情况下,非金属单质为绝缘体,但硅为半导体。
(2)Si的还原性强于C,但C在高温下能还原出Si:SiO2+2CSi+2CO↑。
(3)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂,且无氢气放出,但硅与强碱溶液反应只作还原剂,且放出氢气: Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2↑。
(4)非金属单质一般不与非氧化性酸反应,但硅能跟氢氟酸反应:Si+4HFSiF4↑+2H2↑。
题组二 二氧化硅
3.[2024·浙江义乌五校联考] 下列有关SiO2的说法正确的是 ( )
A.SiO2属于酸性氧化物
B.工业上用焦炭还原石英砂制得高纯硅
C.SiO2可用来制作手机芯片
D.可以在石英坩埚中熔融碳酸钠
4.二氧化硅又称硅石,是制备硅及其化合物的重要原料,部分转化过程如图所示。
回答下列问题:
(1)碳元素和硅元素都位于周期表的第 族,非金属性较强的是 (填元素符号)。工业上制备粗硅的反应:SiO2+2CSi+2CO↑,该反应能否比较碳和硅元素的非金属性强弱 (填“能”或“否”)。利用上述转化关系,再写出一种能比较碳和硅元素的非金属性强弱的化学方程式: 。
(2)光导纤维是一种良好的通信材料,其成分是 (填化学式),高纯硅是制造半导体芯片的基础原材料,由上述转化关系可知,工业上利用氢气制备高纯硅的化学方程式为 。
(3)NaOH溶液需要盛放在有橡胶塞的试剂瓶中,原因是 (用化学方程式表示,下同),利用HF溶液可以在玻璃表面写字作画,原因是 。
(4)SiC是一种新型无机非金属材料,是半导体领域未来代替硅基芯片的一种新型原材料,SiC属于 (填“离子”或“共价”)化合物。
易错警示
二氧化硅性质的特殊性
多数酸性氧化物的共性 二氧化硅的特性
非金属氧化物的熔点、沸点一般较低 SiO2的熔点、沸点很高
酸性氧化物一般与水反应生成相应酸 SiO2不溶于水,不与水反应
酸性氧化物一般不与酸发生反应 SiO2+4HFSiF4↑+2H2O
“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一般规律,如H2CO3酸性强于H2SiO3: Na2SiO3+ CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3↓ 以下反应不能比较酸性的强弱:Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑;CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑
考点二 无机非金属材料
一、硅酸盐材料
1.硅酸钠
(1)硅酸盐大多数不溶于水,硅酸钠是白色、可溶于水的粉末状固体,其水溶液俗称 ,有黏性,水溶液显碱性。
(2)硅酸钠能与酸性比硅酸强的酸反应,写出相应的化学方程式。
与盐酸反应: 。
与少量CO2水溶液反应: 。
(3)用途:黏合剂(矿物胶),耐火阻燃材料。
2.传统无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料主要包括水泥、普通玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。常见硅酸盐材料如下表。
材料 水泥 普通玻璃 陶瓷
生产原料 石灰石、黏土 、 、 石英砂 黏土
主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑
(2)普通玻璃的生产
①反应原理
CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑、 。
②主要成分:SiO2、CaSiO3、Na2SiO3。
二、新型无机非金属材料
1.新型陶瓷
材料类别 主要特性 示例 用途
高温结构陶瓷 能承受高温,强度 氮化硅陶瓷 汽轮机叶片、轴承、永久性模具等
半导体 陶瓷 具有 特性 二氧化锡陶瓷 集成电路中的半导体
光学材料 具有 特性 光导纤维 光缆通讯、医疗、照明等
生物陶瓷 具有 功能 氧化铝陶瓷 人造骨骼、人造关节、接骨螺钉等
2.碳纳米材料
(1)碳纳米材料是一类新型无机非金属材料,主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。
(2)三类碳纳米材料的比较
类别 结构特点 主要性能 重要应用或意义
富勒 烯 由 构成的一系列 分子的总称,C60是富勒烯的代表物 — 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 尺度的直径 比表面积 ,有相当 的强度和优良的 性能 生产复合材料、电池和传感器等
石墨 烯 只有一个 直径厚度的单层石墨 电阻率 、热导率 , 具有很高的强度 生产光电器件、超级电容器、电池和复合材料等
【对点自测】
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)氮化硅陶瓷、超导陶瓷、透明陶瓷均是新型无机非金属材料 ( )
(2)合成纤维与光导纤维都是新型无机非金属材料 ( )
(3)硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中 ( )
(4)陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐 ( )
(5)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 ( )
(6)向硅酸钠溶液中通入适量CO2,出现白色沉淀,证明碳的非金属性大于硅 ( )
题组一 硅酸盐材料
1.中国饮食文化源远流长。下列与餐具有关的历史文物中,主要材质属于硅酸盐的是 ( )
A.战国水晶杯 B.殷商青铜酒爵
C.元青花盘 D.明朝玛瑙包金兽柄勺
2.[2024·福建厦门一中模拟] “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
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
易错警示
硅及其化合物用途的易错点
(1)用作半导体材料的是晶体硅而不是SiO2,用于制作光导纤维的是SiO2而不是硅,计算机芯片的成分是晶体硅而不是SiO2。
(2)水晶、石英、玛瑙、硅石、沙子等的主要成分是SiO2,而不是硅酸盐。
(3)传统无机非金属材料(陶瓷、水泥、普通玻璃)的主要成分是硅酸盐。
题组二 新型无机非金属材料
3.[2024·重庆三模] 2024年5月3日,我国嫦娥六号探测器成功发射,下列“嫦娥六号”所使用到的材料中属于新型无机非金属材料的是 ( )
A.主体框架——钛合金
B.光学望远镜——高致密碳化硅特种陶瓷
C.国旗——高性能芳纶纤维
D.降落伞的绳带——超高分子量聚乙烯纤维
4.[2024·江苏南通模拟] 石墨烯是一种由碳原子紧密堆积而成的单层蜂窝状结构的材料,有良好的导电性。碳纳米管是由碳原子构成的多层同轴圆管,尺寸为纳米量级。下列有关说法正确的是 ( )
A.石墨烯是有机化合物
B.石墨烯能导电,是电解质
C.碳纳米管具有丁达尔效应
D.石墨烯和碳纳米管互为同素异形体
方法技巧
金属及其合金为金属材料;淀粉、纤维素、蛋白质、天然橡胶为天然有机高分子材料;合成纤维、塑料、合成橡胶为合成有机高分子材料;水泥、普通玻璃与陶瓷是三大传统无机非金属材料;二氧化硅、碳化硅、氮化硅等是新型无机非金属材料。
经典真题·明考向
1.[2023·广东卷] “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
2.[2024·江西卷] 景德镇青花瓷素有“国瓷”的美誉,是以黏土为原料,用含钴、铁的颜料着色,上釉后一次性高温烧制而成的青蓝色彩瓷。下列关于青花瓷说法正确的是 ( )
A.青蓝色是由于生成了单质钴
B.表面的釉属于有机高分子膜
C.主要成分为铝硅酸盐
D.铁元素的存在形式只有Fe2O3
3.[2023·湖北卷] 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.制备粗硅的反应方程式为SiO2+2CSi+2CO↑
B.1 mol Si含Si—Si键的数目约为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
4.[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21讲 无机非金属材料
考点一 硅和二氧化硅
1.[2024·黑龙江哈尔滨三中检测] 碳、硅及其化合物在生活、生产、航空、航天、信息和新能源等领域有着广泛的用途。下列性质与用途对应关系不正确的是 ( )
A.硅具有半导体性能,可以用于生产人造卫星的太阳能电池板
B.二氧化硅熔点高,可以用石英坩埚加热石灰石
C.硅酸盐化学性质稳定,可以用于生产餐具
D.石墨烯电阻率低,可以用于生产超级电容器
2.下列硅元素及其化合物的有关说法正确的是 ( )
A.SiO2既能与NaOH溶液反应,又能与氢氟酸反应,故为两性氧化物
B.高温下SiO2能与Na2CO3固体反应生成Na2SiO3和CO2,说明硅酸酸性强于碳酸
C.因为玻璃中含有SiO2,所以不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛装碱性溶液
D.Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→Si均能一步转化
3.[2024·福建龙岩一中模拟] “中国芯”的发展离不开高纯硅。从石英砂(主要成分为SiO2)制取高纯硅涉及的主要反应用流程图表示如下:
下列说法不正确的是 ( )
A.反应①中氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2
B.上述流程中,HCl和H2可以循环利用
C.从基本反应类型角度,反应①②③均为置换反应
D.从能量变化角度,由反应②③推测,反应③是放热反应
4.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一场计算机的“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(沸点为31.8 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点为57.6 ℃),通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3
5.[2024·辽宁十校联合体调研] 实验室用H2还原SiHCl3(沸点:31.8 ℃)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微量铁单质,需要用到的试剂为盐酸、双氧水、硫氰化钾溶液
D.该实验中制备氢气的装置也可用于稀氢氧化钠溶液与氯化铵固体反应制备氨
考点二 无机非金属材料
6.下列文物中主要由无机非金属材料制成的是 ( )
A B C D
A.青铜三足承盘香熏 B.青瓷莲瓣纹托盏 C.三国生活图木漆盘 D.青铜铙
7.[2024·湖南永州模拟] 我国很早就开始生产陶器和瓷器,并在民间广泛使用。明朝宋应星编写的《天工开物·陶埏》中记载:“水火既济而土合。万室之国,日勤千人而不足,民用亦繁矣哉。”下列说法错误的是 ( )
A.陶瓷是传统的无机非金属材料,与光导纤维的主要成分相同
B.制作传统陶瓷的主要原料为黏土
C.陶瓷材料在高温下不易被氧化,并对酸、碱具有良好的抗腐蚀能力
D.唐三彩陶器的黄色、褐色主要是因为添加了着色剂——氧化铁
8.[2024·湖北武汉调研] “中国制造”走进了充满科技与浪漫的巴黎奥运会。下列属于新型无机非金属材料的是 ( )
A.足球内胆中植入的芯片 B.乒乓球的比赛用球所采用的ABS树脂
C.“PARIS 2024”手环所采用的硅橡胶 D.我国运动员领奖服所利用的再生纤维
9.氮化硅(Si3N4)是一种重要的结构陶瓷材料。用石英砂和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流程如下(粗硅中含少量Fe、Cu的单质及其化合物):
下列叙述不正确的是 ( )
A.“还原”步骤中焦炭主要被氧化为CO
B.“高温氮化”中主要反应的化学方程式为3Si+2N2Si3N4
C.“操作X”可将原料气通过灼热的铜粉
D.“稀酸Y”可选用稀硝酸或稀硫酸
考点三 无机非金属材料综合考查
10.电脑和手机等电子产品产业蓬勃发展,推动了高纯硅的生产与应用。工业上用“西门子法”以硅石(SiO2)为原料制备冶金级高纯硅的工艺流程如下:
请回答下列问题:
(1)硅元素在元素周期表中的位置为 。
(2)“还原”过程需在高温下进行,该反应的生成物除硅和MgO外,还可能有 。
(3)加快“酸浸”速率的方法有 (写两种)。
(4)“氧化”过程发生的主要反应中还原产物为 。(已知:SiHCl3中Si元素为+4价)。
(5)在还原炉中H2与SiHCl3加热到1000~1100 ℃发生“热解”反应即制取冶金级高纯硅,还原炉中发生反应的化学方程式为 。上述工艺生产中循环利用的物质有 。
11.[2024·山西忻州名校联考] Ⅰ.晶体硅是一种重要的非金属材料,制备纯硅的主要步骤如下:
①高温下用碳单质还原二氧化硅制得粗硅;
②粗硅与干燥HCl气体在300 ℃反应制得SiHCl3和H2;
③SiHCl3与过量H2在1000~1100 ℃反应制得纯硅。
(1)第②步制备SiHCl3反应的化学方程式为 。
(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,写出配平的化学方程式: 。
Ⅱ.粗硅与氯气反应也可生成四氯化硅(反应温度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.四氯化硅极易与水反应;
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.有关物质的物理性质见下表:
物质 SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5
沸点/℃ 57.6 12.8 - 315 -
熔点/℃ -70.0 -107.2 - - -
升华温度/℃ - - 180 300 162
(3)写出装置A中发生反应的离子方程式: 。
(4)装置A中g管的作用是 ;装置C中的试剂是 ;装置E中的h瓶需要冷却的理由是 。
(5)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,除铁元素外还可能含有的杂质元素是 (填写元素符号)。
