第三节 无机非金属材料
课后篇巩固提升
夯实基础·轻松达标
1.NaOH、KOH等碱溶液可以贮存在下列哪种试剂瓶中 ( )
答案B
解析碱可以与玻璃中的SiO2反应,因此碱液只能贮存在带橡胶塞的细口瓶中。
2.下列物质中属于硅酸盐材料的是( )
①水泥 ②玻璃 ③陶瓷 ④水晶
A.只有①③ B.②④
C.只有②③ D.①②③
答案D
3.硅被誉为无机非金属材料的主角。下列物品用到硅单质的是( )
A.陶瓷餐具 B.石英钟表
C.计算机芯片 D.光导纤维
答案C
解析硅是半导体材料,可用于制造计算机芯片;石英钟表、光导纤维都以SiO2作原料制成。
4.下列关于硅及其化合物的说法,不正确的是( )
A.晶体硅可用作半导体材料
B.硅的氧化物都可用作光导纤维的材料
C.碳化硅可用作砂纸、砂轮的磨料
D.生产玻璃和水泥的原料中都有石灰石
答案B
解析硅的单质有晶体硅和无定形硅两种,晶体硅才可用作半导体材料。硅的氧化物中,晶体二氧化硅可用作光导纤维的材料。
5.下列叙述中,正确的是( )
A.自然界中存在大量的单质硅
B.石英、水晶的主要成分都是二氧化硅
C.二氧化硅的化学性质活泼,能跟酸或碱溶液发生化学反应
D.自然界中硅元素都存在于石英中
答案B
解析自然界中硅元素含量很高,但都以化合态形式存在,A项错误;硅元素是亲氧元素,主要以氧化物和硅酸盐的形式存在,D项错误;二氧化硅的化学性质稳定,C项错误。
6.材料与化学密切相关,表中对应关系错误的是( )
选项
材料
主要化学成分
A
刚玉、金刚石
三氧化二铝
B
大理石、石灰石
碳酸钙
C
普通水泥、普通玻璃
硅酸盐
D
沙子、石英
二氧化硅
答案A
解析刚玉的主要成分是Al2O3,金刚石的成分是C,A项错误;大理石、石灰石的主要成分都是CaCO3,B项正确;普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英为原料,经混合、粉碎,在玻璃熔炉中熔融而得到的硅酸盐产品,普通水泥是以黏土和石灰石为主要原料,经研磨、混合后在水泥回转窑中煅烧,再加入适量石膏而得到的硅酸盐产品,C项正确;沙子和石英的主要成分都是SiO2,D项正确。
7.下列有关硅及其化合物的说法正确的是( )
A.晶体硅具有金属光泽,可以导电,属于金属材料
B.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形式存在
C.SiO2是一种酸性氧化物,能够与水反应生成相应的酸
D.除去SiO2中混有的CaCO3可加入适量的稀盐酸
答案D
解析A项,晶体硅虽然具有金属光泽,但它属于非金属单质,其导电性介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料。B项,虽然常温下硅的化学性质稳定,但在自然界中没有游离态的硅,它主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。C项,SiO2不同于其他酸性氧化物,它不溶于水,也不与水反应。D项,SiO2不溶于稀盐酸,可用稀盐酸除去SiO2中混有的CaCO3,化学方程式为CaCO3+2HClCaCl2+CO2↑+H2O。
8.(1)想一想,为什么可将陶瓷、玻璃、水泥归纳在一起,然后从以下所给的4个词中选出一个与它们同类的物质( )
A.光导纤维 B.有机陶瓷
C.人造纤维 D.砖瓦
(2)下列物质中,属于新型无机非金属材料的是( )
A.钢化玻璃 B.碳化硼陶瓷
C.光导纤维 D.硼酸盐玻璃
答案(1)D (2)BC
解析(1)传统的无机非金属材料主要是指硅酸盐材料,如玻璃、水泥、陶瓷,砖瓦是陶瓷中的一种,所以选D。
(2)新型无机非金属材料的品种较多,如高温结构陶瓷和光导纤维等,其中氮化硅陶瓷、碳化硼陶瓷等属于高温结构陶瓷,所以选B、C。
提升能力·跨越等级
1.下面关于硅的叙述中,正确的是( )
A.硅的非金属性比碳的强,只有在高温下才能与氢气发生化合反应
B.硅是构成矿物和岩石的主要元素,硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位
C.硅的化学性质不活泼,在自然界中可以以游离态存在
D.硅在电子工业中,是重要的半导体材料
答案D
解析硅的非金属性比碳的弱,A项错;硅在地壳中的含量在所有的元素中居第二位,排名前四位的元素是O、Si、Al、Fe,所以B项错;硅在自然界中是以化合态存在的,所以C项也错。
2.下列叙述正确的是( )
A.CO2和SiO2都是酸性氧化物,所以两者物理性质相似
B.因为CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑,所以硅酸的酸性比碳酸的强
C.CO2和SiO2都能与碳反应,且都作氧化剂
D.SiO2晶体熔、沸点高,硬度大,故可用于制作光导纤维
答案C
解析CO2的熔、沸点低,可溶于水,SiO2的熔、沸点高,硬度大,不溶于水,两者是酸性氧化物和其物理性质没有因果关系,A项错;CaCO3和SiO2反应是SiO2的特殊性质,不能说明H2CO3的酸性比H2SiO3的弱,B项错;SiO2晶体在光学方面的特性,决定了其可制作光导纤维,D项错。
3.下列有关说法正确的是( )
A.CO2与水反应生成碳酸,是酸性氧化物;SiO2不能与水反应生成硅酸(H2SiO3),不是酸性氧化物
B.NaOH溶液不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶盛放
C.除去二氧化硅中少量的碳酸钙杂质应选用水
D.粗硅制备时,发生的反应为C+SiO2Si+CO2↑
答案B
解析A项,酸性氧化物是能与碱反应生成盐和水的氧化物,虽然SiO2不能与水反应生成硅酸,但SiO2能与NaOH溶液反应生成硅酸钠和水,所以SiO2是酸性氧化物,错误;B项,玻璃的成分中含二氧化硅,碱性试剂都不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶盛放,正确;C项,二氧化硅和碳酸钙都不溶于水,不能用水除去二氧化硅中少量的碳酸钙杂质,错误;D项,粗硅制备时的反应原理是2C+SiO2Si+2CO↑,需在高温条件下反应,且产物中生成的是CO,而不是CO2,错误。
4.下列说法中不正确的是( )
A.普通玻璃质地透明,但属于混合物
B.普通玻璃与钢化玻璃的化学成分相同
C.氧化铝陶瓷可用来制作压电地震仪
D.高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料
答案C
解析普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2,属于混合物;钢化玻璃是把普通玻璃放入电炉里加热,使它软化,然后急速冷却制成的,因此其化学成分与普通玻璃相同,只是机械强度是普通玻璃的4~6倍,不易破碎;氧化铝陶瓷属于生物陶瓷,主要用于制造人工器官,如假牙、关节等,压电陶瓷用于制作压电地震仪。
5.(2019全国Ⅰ)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
答案A
解析氧化铁显红棕色,因此瓷器的青色不是来自氧化铁,A项错误;陶瓷是以黏土(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,其化学性质稳定,不与酸、碱和氧气等反应,B、C、D三项正确。
6.下列表述正确的是( )
①化学家采用玛瑙研钵研磨固体物质,玛瑙的主要成分是硅酸盐
②三峡大坝使用了大量水泥,水泥是硅酸盐材料
③夏天到了,游客佩戴由添加氧化亚铜的二氧化硅玻璃制作的变色眼镜来保护眼睛
④太阳能电池可采用硅材料制作,该应用有利于环保、节能
A.①② B.①③ C.②③④ D.只有②④
答案D
解析①玛瑙的主要成分是SiO2,③变色眼镜中添加的是AgBr。
7.氮化硅(Si3N4)是一种重要的结构陶瓷材料,属于新型功能性陶瓷产品,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定,工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1 300 ℃时反应获得。
(1)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强,除氢氟酸外,它不与其他无机酸反应。试推测该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式: 。?
(2)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下,加强热发生反应,可得较高纯度的氮化硅及氯化氢,反应的化学方程式为 。?
答案(1)Si3N4+12HF3SiF4↑+4NH3↑
(2)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl
解析(1)根据题目信息可知,Si3N4与氢氟酸反应,因Si3N4中硅元素化合价为+4价,氮元素化合价为-3价,故其生成物应为SiF4和NH3。
(2)根据质量守恒,SiCl4与N2、H2在高温下反应时,除生成Si3N4外,另一种生成物为HCl。
8.某研究性学习小组进行了“实验室制Si”的研究,他们以课本为基础,查阅资料得到以下可供参考的信息:
①工业上在高温时用C还原SiO2可制得Si;
②Mg在点燃的条件下按质量比8∶5与SiO2反应生成一种白色固体化合物和另一种硅化物;
③金属硅化物与稀硫酸反应生成硫酸盐与SiH4;
④Si和SiO2均不能与稀硫酸反应;
⑤SiH4在空气中自燃。
他们的研究报告中记载着“……选用合适的物质在适合的条件下充分反应;再用足量稀硫酸溶解固体产物;然后过滤、洗涤、干燥、最后称量……在稀硫酸溶解固体产物时,发现有爆鸣声和火花,其产率也只有预期的63%左右。”请回答下列问题:
(1)该小组“实验室制Si”的化学方程式是 。?
(2)写出②的化学方程式: 。?
(3)你估计“在稀硫酸溶解固体产物时,发现有爆鸣声和火花”的原因是什么?请用必要的文字和化学方程式予以说明:?? 。?
答案(1)2C+SiO2Si+2CO↑
(2)SiO2+4Mg2MgO+Mg2Si
(3)SiH4能自燃,而有爆鸣声和火花就是由SiH4的自燃引起的,SiH4+2O2SiO2+2H2O
解析还原性弱的碳能制还原性强的硅是由于反应为高温下的气相反应,其化学方程式为2C+SiO2Si+2CO↑,镁和SiO2按8∶5的质量比反应,产物中有MgO,根据质量守恒推知另一种产物为Mg2Si,所以总反应为SiO2+4Mg2MgO+Mg2Si。向其中加入稀硫酸时,产生的气体为SiH4,其在空气中能够自燃,即SiH4+2O2SiO2+2H2O。
贴近生活·拓展创新
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:
石英砂粗硅SiHCl3(粗)SiHCl3(纯)高纯硅
①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式: 。?
②H2还原SiHCl3过程中若混入O2,可能引起的后果是 。?
(2)下列有关硅材料的说法正确的是 (填字母)。?
A.碳化硅化学性质稳定,可用于生产砂纸、砂轮等
B.含硅4%的钢具有很高的导磁性,主要用作变压器铁芯
C.高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通信材料——光导纤维
D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的,其熔点很高
答案(1)①SiHCl3+H2Si+3HCl
②高温下H2与O2混合发生爆炸 (2)ABC
解析(1)①H2还原SiHCl3可制备Si,化学方程式为SiHCl3+H2Si+3HCl。
②用H2还原SiHCl3过程中若混入O2,则高温下H2与O2反应易发生爆炸。
(2)A项,碳化硅硬度很大,可用于生产砂纸、砂轮等;B项,含硅4%的钢具有很高的导磁性,主要用作变压器铁芯;C项,高纯度的SiO2可以制造光导纤维;D项,普通玻璃是由石英(SiO2)、石灰石、纯碱在高温下反应制得的,其主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,所以没有固定的熔点。
课件32张PPT。第三节 无机非金属材料知识铺垫新知预习自主测试1.金属材料包括纯金属和它们的合金。日常使用的金属材料大多数属于合金。
2.碳、硅的核电荷数分别是6和14,其原子结构示意图分别为
3.CO2是一种酸性氧化物,它和足量NaOH溶液反应的化学方程式为2NaOH+CO2 === Na2CO3+H2O。
4.地壳中含量最多的两种元素是O、Si,二者形成的化合物为SiO2,对应的酸为H2SiO3。知识铺垫新知预习自主测试一、硅酸盐材料
1.无机非金属材料
(1)组成元素:多含硅、氧等元素。
(2)性能:一般具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点,以及特殊的光学、电学等性能。
(3)应用:广泛应用于航空、航天、信息、医疗和新能源等领域。知识铺垫新知预习自主测试2.传统无机非金属材料(多为硅酸盐材料)
(1)硅酸盐的结构与性能
①硅酸盐的结构:在硅酸盐中,Si和O构成了硅氧四面体,如下图所示。
硅氧四面体的结构示意图
②硅酸盐材料的性质:多数具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。知识铺垫新知预习自主测试(2)三种常见硅酸盐产品 知识铺垫新知预习自主测试【微思考】生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂(主要成分为SiO2),而玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,那么在生产过程中发生了怎样的反应?试写出反应的化学方程式。知识铺垫新知预习自主测试(3)特种玻璃 知识铺垫新知预习自主测试二、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
(1)单质硅的性质
硅单质的导电性介于导体和绝缘体之间,是应用最为广泛的 半导体材料。
(2)自然界中的硅元素
主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。知识铺垫新知预习自主测试(3)晶体硅的制备 知识铺垫新知预习自主测试(4)硅和二氧化硅的用途
①晶体硅:制芯片、硅太阳能电池等。
②二氧化硅晶体:生产光导纤维。
2.新型陶瓷
(1)碳化硅(SiC,俗称金刚砂)
①结构:碳原子和硅原子通过共价键连接,具有类似金刚石的结构。
②性质和用途:知识铺垫新知预习自主测试(2)新型陶瓷 知识铺垫新知预习自主测试知识铺垫新知预习自主测试3.碳纳米材料 知识铺垫新知预习自主测试知识铺垫新知预习自主测试1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)硅元素在自然界中既有化合态,又有游离态。( )
(2)硅酸盐中,Si与其周围距离最近的4个O构成正四面体结构。( )
(3)利用石英坩埚可熔融NaOH固体。( )
(4)水泥、玻璃、陶瓷都属于传统的无机非金属材料。( )
(5)富勒烯、碳纳米管和石墨烯的主要成分都是碳单质。( )
(6)硅是制备光导纤维和光电池的材料。( )
(7)汉代烧制出的“明如镜、声如磬”的瓷器,其主要原料为黏土。( )
答案:(1)× (2)√ (3)× (4)√ (5)√ (6)×
(7)√知识铺垫新知预习自主测试2.下列物质中,属于新型无机非金属材料的是( )
A.有色玻璃 B.碳化硅陶瓷
C.石英玻璃 D.钢化玻璃
答案:B
解析:有色玻璃、钢化玻璃主要成分与普通玻璃相同,属于传统无机非金属材料;石英玻璃主要成分是二氧化硅,也属于传统无机非金属材料。知识铺垫新知预习自主测试3.有关材料用途的说法中不正确的是( )
A.氧化铝陶瓷可用作高压钠灯的灯管
B.氮化硅陶瓷可用作陶瓷发动机的材料
C.光导纤维可用作遥测遥控、照明等
D.氧化铝陶瓷可用作半导体材料
答案:D
解析:氧化铝陶瓷属于高温结构陶瓷,它具有高熔点、高硬度等特性,可制成透明陶瓷,但不能作为半导体材料,A项正确、D项错误;氮化硅陶瓷具有超强硬度、耐磨损、抗冷热冲击而不破裂、耐高温、不易传热、抗腐蚀、高温时抗氧化等特性,可用作发动机材料,B项正确;光导纤维传导光的能力非常强,可用于医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等,C项正确。任务素养脉络晶体硅的制备
问题探究
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。随堂检测任务素养脉络(2)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅:
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:SiHCl3+3H2O === H2SiO3↓+3HCl+H2↑。随堂检测任务素养脉络素能应用
典例在无机非金属材料中,硅一直扮演着主要的角色。制备纯硅的主要步骤如下:
①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅;
②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3:
③SiHCl3与过量H2在1 000~1 100 ℃反应制得纯硅。随堂检测任务素养脉络请回答下列问题:
(1)第①步制备粗硅反应的化学方程式为 。?
(2)粗硅与HCl反应完全后,经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点-84.7 ℃),提纯SiHCl3采用的方法为 。?
(3)从基本反应类型角度分类,步骤③中发生的反应属于 。?
(4)为鉴定产品硅中是否含微量铁单质,将试样用稀盐酸溶解,取上层清液后需再加入的试剂是 (填写字母代号)。?
A.氯水 B.NaOH溶液
C.KSCN溶液 D.Na2SO3溶液随堂检测任务素养脉络答案:(1)SiO2+2C Si+2CO↑
(2)蒸馏(或分馏)
(3)置换反应
(4)AC
解析:(1)高温下用碳还原二氧化硅可制得粗硅,同时生成一氧化碳。
(2)分离沸点不同的液体应用蒸馏(或分馏)的方法。
(3)步骤③中发生反应的化学方程式为SiHCl3+H2 Si+3HCl,属于置换反应。
(4)鉴定产品中是否含铁单质,用稀盐酸溶解后生成Fe2+,因含量少,应将Fe2+转化为Fe3+后再检验,故选AC。随堂检测任务素养脉络变式训练已知:SiHCl3与过量H2在1 000~1 100 ℃反应制得高纯硅,且SiHCl3能与水剧烈反应,在空气中易自燃。用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置均已略去):随堂检测任务素养脉络请回答下列问题:
(1)装置B中的试剂是 ,装置C中的烧瓶需要加热,其目的是 ? 。?
(2)反应一段时间后,装置D中观察到的现象是 ,装置D不能采用普通玻璃管的原因是 ,装置D中发生反应的化学方程式为 。?
(3)为保证制备纯硅实验的成功,操作的关键是检查实验装置的气密性,控制好反应温度以及 。?随堂检测任务素养脉络解析:用Zn、稀硫酸反应制得的H2会混有少量H2O,而SiHCl3能与H2O发生剧烈反应,所以要进行干燥,根据装置应选择液态干燥剂浓硫酸。装置C用水浴加热,使SiHCl3汽化,再和H2进入装置D反应,因为SiHCl3与H2在1 000~1 100 ℃下反应,温度很高,普通玻璃会软化,因此不能使用普通玻璃管。因为SiHCl3在空气中易自燃,实验中还要注意先通一段时间的H2以排尽装置中的空气。答案:(1)浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
(3)排尽装置中的空气随堂检测任务素养脉络随堂检测任务素养脉络随堂检测1.新型无机非金属材料碳化钛(TiC)、碳化硼(B4C3)、氮化硅等称为非氧化物陶瓷,合成这些物质需在高温下进行,在合成工艺中必须注意( )
A.通入充足的氧气
B.可在空气中进行
C.可在氮气氛围中合成
D.通入少量氧气
答案:C
解析:合成这些无机非金属材料的过程中应杜绝氧气的存在,否则会生成相应的氧化物。任务素养脉络随堂检测2.(双选)硅被誉为无机非金属材料的主角。有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”。下列有关说法正确的是( )
A.硅的含量居第二位,在地球上有丰富的单质硅资源,如石英、水晶、玛瑙的主要成分都是单质硅
B.硅相对于氢气而言便于运输、贮存,从安全角度考虑,硅是有开发价值的燃料
C.存放NaOH溶液的试剂瓶不能用玻璃塞
D.硅是一种良好的半导体材料,所以是制造光导纤维的基本原料
答案:BC任务素养脉络随堂检测3.单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。用化学方法可制得高纯度硅,其化学方程式为:
下列对上述三个反应的叙述中,错误的是( )
A.①③为置换反应
B.②为化合反应
C.①②③均为氧化还原反应
D.三个反应的反应物中硅元素均被还原
答案:D
解析:反应①③中硅元素被还原,反应②中硅元素被氧化,D错误。任务素养脉络随堂检测4.氮化硅是一种高温结构陶瓷,它的硬度大、熔点高、化学性质稳定,工业上曾普遍采用高纯硅与氮气在1 300 ℃时反应获得。
(1)根据性质,推测氮化硅陶瓷的用途是 (填序号)。?
①制汽轮机叶片 ②航空航天耐高温材料 ③制永久性模具 ④汽车发动机
(2)画出N的原子结构示意图: ,写出氮化硅的化学式: 。?
(3)高纯硅与纯氮气反应制得氮化硅,请写出反应的化学方程式: 。任务素养脉络随堂检测答案:(1)①②③④
解析:从题给信息可知,氮化硅具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优良性能。由于在化合物中Si元素显+4价,N元素显-3价,故氮化硅的化学式为Si3N4。
