第三节 无机非金属材料
学业要求
核心素养对接
1.了解硅酸盐的性质及组成。
2.认识硅、二氧化硅的性质、用途。
3.了解几种重要无机非金属材料的生产及用途。
1.通过对硅酸盐结构的了解培养学生宏观辨识与微观探析的能力。
2.通过对几种重要无机非金属材料的生产及用途学习，培养学生科学精神与社会责任。
[知 识 梳 理]
知识点一 硅酸盐材料
如上图，常见的无机非金属材料有玻璃、陶瓷、水泥，它们究竟有什么样的性质呢？
1．硅酸盐
(1)性质：硅酸盐性质稳定，熔点较高，多数难溶于水。
(2)表示方法：硅酸盐的组成比较复杂，常用氧化物的形式表示。例如 ：硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，钠长石(NaAlSi3O8)可表示为Na2O·Al2O3·6SiO2。
(3)最简单的硅酸盐——Na2SiO3
2．传统的无机非金属材料——硅酸盐产品
玻璃
水泥
陶瓷
主要原料
纯碱、石灰石、石英
石灰石、黏土
黏土
主要设备
玻璃熔炉
水泥回转窑
陶瓷窑
主要反应
SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑、
SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑
主要成分
普通玻璃Na2SiO3、
CaSiO3、SiO2
硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
硅酸盐
知识点二 新型无机非金属材料
请结合本节内容，完成对上图物质的学习。
硅和二氧化硅
1．硅
(1)周期表中位置
位于元素周期表第三周期、第ⅣA族的硅元素，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。
(2)自然界存在
硅在自然界主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。
(3)硅的制备与提纯
工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅。例如，可以将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。
SiO2＋2CSi＋2CO↑。
(4)用途
高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。利用其半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片，以及太阳能光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。
(5) 化学性质
①常温下，硅的化学性质不活泼，只与F2、HF(氢氟酸)、强碱(如NaOH)溶液反应。
Si＋2F2===SiF4，Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑， 见课后题
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
②加热条件下和某些非金属单质(如O2、Cl2)发生反应。
Si＋O2SiO2。
2．二氧化硅
(1)存在：SiO2广泛存在于自然界中，是沙子、石英的主要成分。纯净的SiO2又称水晶。
(2)物理性质
状态
颜色
熔点
硬度
水溶性
晶体
无色
高
大
不溶
(3)化学性质
①具有酸性氧化物的通性：
a．常温下SiO2与强碱溶液反应生成盐和水：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；
b．高温下SiO2与碱性氧化物反应生成盐：SiO2＋CaOCaSiO3。
②弱氧化性：SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑。
③特性：与氢氟酸(HF)反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。此反应常被用来刻蚀玻璃。
3．光导纤维 主要成分：SiO2。
4．新型陶瓷
5．碳钠米材料
微判断
(1)因为硅的化学性质不活泼，所以在自然界中有游离态的硅存在( )
(2)SiO2是酸性氧化物，所以SiO2能与H2O反应生成硅酸( )
(3)因为SiO2能导电，所以SiO2能用于制造光导纤维( )
(4)熔融NaOH可用石英坩埚盛放( )
(5)SiO2晶体是由SiO2分子直接组成的( )
(6)光导纤维在强碱条件下易发生“断路”( )
(7)硅酸钠可以改写为Na2O·SiO2，故硅酸钠是混合物，含有Na2O和SiO2( )
(8)硅酸钠俗称水玻璃，是一种防火剂( )
(9)硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质( )
(10)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石( )
(11)光电池可以将光能直接转化为电能( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)× (8)× (9)√
(10)√ (11)√
微训练
1．玻璃、陶瓷和水泥是重要的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有的元素是( )
A．氮 B．硫
C．硅 D．氯
解析 玻璃、陶瓷、水泥属于传统的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有硅元素和氧元素，故选项C正确。
答案 C
2．下列关于硅及二氧化硅的化学性质的化学方程式书写错误的是( )
A．硅与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
B．硅与烧碱溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
C．硅与盐酸反应：Si＋4HCl===SiCl4＋2H2↑
D．二氧化硅在高温下被C还原：SiO2＋2CSi＋2CO↑
解析 常温下，硅能与氢氟酸、烧碱溶液反应，但不与盐酸反应。加热或高温条件下能与C、Cl2、O2等发生反应，化学方程式分别为Si＋CSiC、Si＋2Cl2SiCl4、Si＋O2SiO2。
答案 C
3．下列关于硅、硅酸盐的说法正确的是________(填序号)。
①硅广泛存在于自然界中，天然单质硅叫硅石。
②硅的导电性介于导体与绝缘体之间。
③硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应。
④水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐材料。
⑤高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维。
解析 ①硅在自然界中只有化合态，没有游离态，硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，硅石的主要成分是SiO2，①不正确；②正确；③硅在常温下能与F2、HF和强碱溶液反应，③不正确；④水晶的成分是SiO2，④不正确；⑤SiO2用于制光导纤维而不是硅，⑤不正确。
答案 ②
微思考
1．制造玻璃时发生以下反应：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑。该反应能否说明H2SiO3的酸性比H2CO3强？为什么？
提示 不能。SiO2与Na2CO3反应，是在高温下，且生成的产物是CO2气体，可以脱离反应体系，并不能说明H2SiO3酸性强于H2CO3。
2．单质硅在常温下化学性质不活泼，所以硅在自然界中以游离态存在，这种说法是否正确？
提示 错误。硅是一种亲氧元素，在自然界中总是与氧相互化合，以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在。所以自然界中无游离态的硅存在。
学习任务1 硅及其化合物的特性和制备
工业制备高纯硅的原理示意图
其中涉及的主要化学反应为：
①SiO2＋2CSi＋2CO↑
②Si＋3HClSiHCl3＋H2
③SiHCl3＋H2Si＋3HCl
1．硅及其化合物特性
(1)Si、SiO2都能与氢氟酸反应。
(2)常见单质中能与NaOH溶液反应产生H2的有金属Al，非金属Si。
(3)粗硅制备时，要隔绝空气，在电炉中进行，且生成的是CO而不是CO2。
(4)硅酸是不溶于水的弱酸。
2．硅单质的化学性质
(1)在常温下，能与F2、氢氟酸和强碱溶液反应
①与氟气反应：Si＋2F2===SiF4
②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
③与NaOH溶液反应
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
(2)加热和高温时，能与O2、Cl2、C等反应
①与O2反应：Si＋O2SiO2
②与Cl2反应：Si＋2Cl2SiCl4
③与C反应：Si＋CSiC
3．硅的制备
硅单质是由其氧化物制得的，主要分为两个阶段：
(1)粗硅的制备：2C＋SiO2Si(粗硅)＋2CO↑
(2)纯硅的制备：Si(粗硅)＋2Cl2SiCl4、SiCl4＋2H2Si(纯硅)＋4HCl。
【例题1】 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：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
下列说法正确的是( )
A．步骤①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑
B．步骤①②③中每生成或反应1 mol Si，转移4 mol电子
C．二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应
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
解析 A项，产物应为CO，错误；B项，第②、③步中转移2 mol电子，错误；C项，硅可与氢氟酸反应生成四氟化硅和氢气，错误；D项，根据物质的沸点不同可用蒸馏的方法进行分离，正确。
答案 D
变式训练1 下列关于硅的说法中，错误的是（双选）( )
A．硅是非金属元素，它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体
B．单质硅和金刚石结构相似，但比金刚石硬度大，熔点高
C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应
D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应
解析 硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属；硅原子与碳原子最外层电子数相同，晶体结构相似，但硅晶体比金刚石的硬度小，熔点低；硅的化学性质不活泼，常温能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应，加热至一定温度时，硅还能与氯气、氧气等非金属发生反应。
答案 BC
学习任务2 (核心素养)硅酸盐的组成和性质
一、知识要点
1．表示方法
(1)化学式法：如硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)等。此法一般用于组成比较简单的硅酸盐。
(2)氧化物法：一般用于组成比较复杂的硅酸盐。
①各氧化物的排列顺序：较活泼金属氧化物→较不活泼金属氧化物→SiO2→H2O。
②氧化物化学式之间用“·”隔开。
③氧化物前系数配置原则：除氧元素外，其他元素均表示成化合价相同的氧化物，并按前后原子个数守恒原则配置系数。
④系数出现分数时化为整数。
如石棉：Mg3Ca(SiO3)4→CaO·3MgO·4SiO2。
2．性质
(1)多数硅酸盐难溶于水，常见易溶于水的硅酸盐有Na2SiO3、K2SiO3等。
(2)一般硅酸盐熔点高，化学性质稳定，耐高温，难分解。
(3)硅酸酸性弱，且不溶于水，所以硅酸盐能与酸反应。
3．硅酸钠
(1)物理性质：可溶于水，水溶液俗称“水玻璃”。“水玻璃”具有很强的黏合性，是建筑行业常用的黏合剂。
(2)化学性质：易与酸反应。
与强酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
与CO2反应：CO2不足，Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓；CO2过量，Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===2NaHCO3＋H2SiO3↓。
二、核心素养
硅酸盐表示方法?培养学生宏观辨识与微观探析能力
硅酸盐的性质?提高学生证据推理与模型认知水平
【素养解题】
[典例示范] 矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中的一部分生成的。此处所指的风化作用是指矿物与水和CO2作用的过程。例如，钾长石(KAlSi3O8)风化生成高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，此反应的离子方程式为2KAlSi3O8＋2H2CO3＋5H2O===2K＋＋2HCO＋4H2SiO3＋Al2Si2O5(OH)4。
(1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式：
①KAlSi3O8________________________________________________________。
②Al2Si2O5(OH)4__________________________________________________。
(2)这个反应能够发生的原因是_________________________________________
_________________________________________________________。
[解题思路]
审题意
①改写成氧化物形式。
②解释反应发生原因。
知识支持
硅酸盐由于组成比较复杂，通常用二氧化硅和金属氧化物的形式表示其组成，改写时的规律为：
例如：钠长石NaAlSi3O8不能写成Na2O·Al2O3·3SiO2，应写成Na2O·Al2O3·6SiO2。
细分析
(1)将复杂硅酸盐化学式改写成氧化物时，只需将除O以外所有的元素写出其常见氧化物，并用“·”将它们合并起来，但需注意各种原子个数比符合原来的组成比。在某种(或几种)氧化物前加合适的系数。
①KAlSi3O8：K2O·Al2O3·6SiO2；
②Al2Si2O5(OH)4：Al2O3·2SiO2·2H2O。
(2)分析反应前后物质的种类，可知属于酸与盐发生的复分解反应，是由于酸性：H2CO3>H2SiO3，发生了较强的酸制取较弱的酸的反应。
得答案
(1)①K2O·Al2O3·6SiO2 ②Al2O3·2SiO2·2H2O (2)较强的酸能制取较弱的酸
三、对点训练
1．熔融氢氧化钠应选用( )
A．石英坩埚 B．普通玻璃坩埚
C．生铁坩埚 D．陶瓷坩埚
解析 烧碱与二氧化硅反应。
答案 C
2．下列说法不正确的是( )
A．水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐产品
B．大多数硅酸盐的性质稳定
C．透闪石的化学成分为Ca2Mg5Si8O22(OH)2，将其写成氧化物的形式为2CaO·5MgO·8SiO2·H2O
D．新型陶瓷材料包括高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等
解析 水晶饰物的主要成分为SiO2，不是硅酸盐产品，A项错误。
答案 A
3．绿柱石又称绿宝石，其主要成分为BenAl2[Si6O18]，也可以用二氧化硅和金属氧化物的形式表示，则n为( )
A．1 B．2
C．3 D．4
解析 BenAl2[Si6O18]写成氧化物形式为nBeO·Al2O3·6SiO2，则由氧原子个数知：n＋3＋6×2＝18，n＝3。
答案 C
4．将足量CO2气体通入水玻璃中，然后蒸干，再在高温条件下充分反应，最后所得固体物质是( )
A．Na2SiO3 B．Na2CO3、Na2SiO3
C．Na2CO3、SiO2 D．SiO2
解析 足量CO2与水玻璃反应生成NaHCO3和H2SiO3，在高温条件下H2SiO3分解生成SiO2和H2O，NaHCO3分解生成Na2CO3、CO2和H2O，SiO2又与Na2CO3反应生成Na2SiO3和CO2，根据各物质量的关系知最后得到的固体物质是Na2SiO3，A项正确。
答案 A
5．下列关于无机非金属材料的说法不正确的是( )
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．新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点，具有极大强度
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
解析 新型无机非金属材料不但克服了传统无机非金属材料易碎、强度不够等缺点，并且具有特殊结构、特殊功能；新型无机非金属材料的主要成分并不一定是硅酸盐，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。
答案 D
[学 考 练]
1．下列关于玻璃的叙述正确的是( )
A．玻璃是硅酸盐产品，有固定的熔点
B．玻璃是由几种成分熔化在一起而形成的晶体
C．玻璃的成分及各成分的比例固定不变
D．玻璃生产中所涉及的两个主要反应均有CO2生成
解析 玻璃不是晶体，没有固定的熔点，A、B项错误；玻璃的种类较多，不同玻璃的成分及各成分的比例不同，C项错误；玻璃生产中所涉及的两个主要反应为CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑、Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，均有CO2生成，D项正确。
答案 D
2．下列说法正确的是（双选）( )
A．石英玻璃、玛瑙、水泥和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品
B．红宝石、珍珠、水晶、钻石等装饰品的主要成分都是硅酸盐
C．氢氟酸能够雕刻玻璃
D．硅酸具有酸的通性，不能使石蕊溶液变红
解析 石英玻璃、玛瑙的成分是SiO2，不属于盐，A不正确；红宝石的主要成分为三氧化二铝 、珍珠的主要成分为CaCO3、水晶的主要成分为SiO2、钻石为碳单质，均不属于硅酸盐，B不正确；氢氟酸能与玻璃的成分之一SiO2发生反应：4HF＋SiO2===SiF4↑＋2H2O，C正确；硅酸具有酸的通性，例如能与碱反应，但其难溶于水，不能使石蕊溶液变色，D正确。
答案 CD
3．下列关于硅酸及其盐的叙述不正确的是( )
A．硅酸是一种弱酸，可由其酸性氧化物SiO2与水化合而制得
B．硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，黏土的主要成分是硅酸盐
C．硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，具有黏合性
D．高岭石的化学式为Al2Si2O5(OH)4，可以表示为Al2O3·2SiO2·2H2O
解析 SiO2与水不反应，A项错误。
答案 A
4．下列有关硅及其化合物的说法正确的是( )
A．陶瓷、玻璃、水泥容器都能贮存氢氟酸
B．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在具有磨口玻璃塞的试剂瓶中
C．用SiO2制取硅酸，应先使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
解析 陶瓷、玻璃、水泥的主要成分都是硅酸盐，其含有的SiO2能与氢氟酸反应，A项错误；硅酸钠是一种黏合剂，能将玻璃塞和瓶体粘在一起，不便于打开，B项错误；D项中的反应能发生是因为生成的CO2气体不断逸出，不能说明硅酸的酸性强于碳酸。
答案 C
5．下列溶液中①硅酸钠溶液 ②氢氟酸 ③氢氧化钠溶液
④氯化钠溶液，可以盛放在玻璃试剂瓶中，但不能用磨口玻璃塞的是( )
A．①③ B．②④
C．②③ D．①④
解析 氢氟酸腐蚀玻璃，不能用玻璃试剂瓶。氯化钠溶液可以用玻璃试剂瓶和磨口玻璃塞，硅酸钠是一种黏合剂，可以用玻璃试剂瓶，不能用磨口玻璃塞。氢氧化钠与玻璃中的主要成分SiO2反应生成硅酸钠，因此也不能用磨口玻璃塞。
答案 A
6．硅酸钠的水溶液俗称水玻璃。下列关于水玻璃的说法中，正确的是(双选)( )
A．水玻璃是一种纯净物
B．水玻璃可做木材防火剂
C．水玻璃与盐酸反应所得的胶状物是二氧化硅
D．滴有酚酞的水玻璃呈红色，说明水玻璃呈碱性
解析 水玻璃是Na2SiO3的水溶液，是一种混合物；由于Na2SiO3的热稳定性极好，又不能燃烧，所以常用做木材防火剂；Na2SiO3溶液中滴入盐酸发生反应：Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3(胶体)＋2NaCl；Na2SiO3溶液能使无色酚酞溶液变红色，说明水玻璃显碱性。
答案 BD
7．兵马俑中所用颜料成分大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜为＋2价)，下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是( )
A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2
B．性质稳定，不易脱色
C．易溶于强酸溶液和强碱溶液
D．x等于6
解析 硅酸铜钡中各元素化合价：a u i2 x，由化合物中各元素正负化合价代数和等于零得：2＋2＋4×2－2x＝0，x＝6。化学式为BaCuSi2O6用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2，因兵马俑至今仍保留蓝紫色，说明它性质稳定，不易脱色。硅酸盐除了钾盐、钠盐一般都不溶于水，BaO·CuO·2SiO2与强碱溶液不反应，与强酸反应，最后仍有不溶的SiO2存在。
答案 C
8．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
解析 陶瓷餐具的成分为硅酸盐，石英和光导纤维的主要成分是二氧化硅。
答案 C
9．下列关于无机非金属材料的说法中，不正确的是( )
A．高纯硅可用于制造半导体材料
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，它是生物陶瓷
C．氮化硅陶瓷属于新型无机非金属材料，可用于制造陶瓷发动机的受热面
D．二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆
解析 光导纤维不具有导电性，D不正确。
答案 D
10．白玉的化学式可用CaxMgySipO22(OH)2表示(也可用Ca、Mg、Si、H的氧化物的组合形式表示)。
(1)取8.10 g白玉粉末灼烧至恒重，固体质量减少了0.18 g，则白玉的摩尔质量为________。
(2)另取4.05 g白玉粉末加入100 mL 1 mol·L－1的盐酸中充分溶解，最终得到不溶氧化物2.40 g。过滤后，向滤液中加入足量的铁屑，得到标准状况下的气体336 mL。则：
①p＝________。
②白玉的化学式为______________________________________________________
(用氧化物的组合形式表示)。
解析 (1)由白玉的化学式CaxMgySipO22(OH)2可知，1 mol该物质在灼烧时发生反应生成1 mol水。n(H2O)＝m/M＝0.18 g÷18 g·mol－1＝0.01 mol，所以白玉的物质的量也是0.01 mol。故白玉的摩尔质量为8.10 g÷0.01 mol＝810 g·mol－1。(2)n(白玉)＝4.05 g÷810 g·mol－1＝0.005 mol，其中SiO2的物质的量为2.40 g÷60 g·mol－1＝0.04 mol。因此1 mol白玉中含有Si的物质的量为0.04 mol÷0.005 mol×1 mol＝8 mol，即p＝8。由方程式Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑可知，n(H2)＝0.336 L÷22.4 L·mol－1＝0.015 mol，因此与白玉反应后过量的HCl的物质的量为0.03 mol，则白玉消耗的HCl的物质的量为1 mol·L－1×0.1 L－0.03 mol＝0.07 mol，故1 mol白玉参加反应需要消耗的HCl的物质的量为0.07 mol÷0.005 mol×1 mol＝14 mol。由于该化合物中Ca、Mg元素的化合价都是＋2，所以与盐酸反应时每个金属阳离子都要结合2个Cl－，故n(Ca2＋)＋n(Mg2＋)＝14 mol÷2＝7 mol，即x＋y＝7，再结合相对分子质量40x＋24y＋28×8＋16×22＋17×2＝810，两式联立求解，可得x＝2，y＝5。所以白玉的化学式为Ca2Mg5Si8O22(OH)2，用氧化物的组合形式表示为2CaO·5MgO·8SiO2·H2O。
答案 (1)810 g·mol－1
(2)8 2CaO·5MgO·8SiO2·H2O
[能 力 练]
11．A、B、C、D、E五种物质中均含有同一种非金属元素，它们能发生如图所示的转化关系，该元素(用R表示)的单质能与NaOH溶液反应生成盐(Na2RO3)和氢气。
请回答下列问题。
(1)写出各物质的化学式：A________；B__________；
C________；D________；E________。
(2)写出反应①的化学方程式：_______________________________，
该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为________。
(3)写出反应④的离子方程式：__________________________________________
______________________________________________________________。
(4)写出反应⑤的离子方程式：_______________________________________
______________________________________________________________。
(5)H2CO3的酸性强于E的，请用离子方程式予以证明：
______________________________________________________________。
解析 解答本题的“突破口(1)”是非金属元素R的单质能与NaOH溶液反应生成盐(Na2RO3)和氢气，说明是硅及其化合物之间的转化。“突破口(2)”是反应条件“高温”，A在高温条件下，能与焦炭、CaCO3发生反应，则A为SiO2。从而推知B为CaSiO3，C为Na2SiO3，D为Si，E为H2SiO3。
答案 (1)SiO2 CaSiO3 Na2SiO3 Si H2SiO3
(2)SiO2＋2CSi＋2CO↑ 1∶2
(3)Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑
(4)SiO＋Ca2＋===CaSiO3↓
(5)SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO(或SiO＋2CO2＋2H2O===2HCO＋H2SiO3↓)
12．A、B、C、D、E代表的物质为单质或化合物，它们之间的相互转化关系如图所示。A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质，其晶体结构与金刚石相似。
请回答：
(1)单质A的化学式为________，它的最高化合价为________。
(2)B的化学式为________，B和碳反应生成A和E的化学方程式是_______________________________________________________________。
(3)C的化学式为________，D的化学式为________。
解析 这是一道关于元素及其化合物的推断题，其中“A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质”是该题的“题眼”。由该“题眼”可知A是Si。分析题图，结合B能生成C、D、E，可以推出B是SiO2，E是CO，C是CaSiO3，D是Na2SiO3。
答案 (1)Si ＋4
(2)SiO2 SiO2＋2CSi＋2CO↑
(3)CaSiO3 Na2SiO3
13．硅酸钠被列为“我国优先发展的精细化学品”和“今后我国无机化工产品发展重点”之一。如图是用海边的石英砂(含氯化钠、氧化铁等杂质)制备硅酸钠的工艺流程简图：
(1)要将洗出液中的溶质析出，采用的方法是蒸发结晶，则蒸发时用到的主要仪器有___________________________________________________________。
(2)图中加入NaOH溶液，发生反应的离子方程式为__________________
___________________________________________________________。
(3)洗涤石英砂的目的是_____________________________________，
过滤Ⅰ所得残渣为_________________________________________(写化学式)。
解析 (2)NaOH与SiO2反应生成Na2SiO3。(3)石英砂中含有易溶于水的NaCl，故水洗石英砂的目的是除去可溶性的NaCl杂质；氧化铁不溶于NaOH溶液，故过滤Ⅰ得到的残渣为氧化铁。
答案 (1)蒸发皿、玻璃棒、酒精灯
(2)SiO2＋2OH－===SiO＋H2O
(3)除去石英砂表面的氯化钠 Fe2O3
14．晶体硅是一种重要的非金属材料，制备高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HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2
③SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃反应制得纯硅。已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。
请回答下列问题。
(1)第①步制备粗硅的化学反应方程式为_______________________________
________________________________________________________。
(2)粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点－33 ℃)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)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下图(热源及夹持装置略去)
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___________________________________________________________。
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________(填字母)。
a．碘水 b．氯水 c．NaOH溶液 d．KSCN溶液 e．Na2SO3溶液
解析 解决分离沸点不同的液体方法就是分馏；根据题干“SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃”可知道H2的作用之一就是排尽装置内空气，防止SiHCl3自燃，而且H2必须是干燥的，可知B的作用就是干燥H2，所以选用浓H2SO4。由于通入D中应是稳定的SiHCl3与过量H2的气流。所以C装置要加热，并且是水浴加热。由D装置应加热到1 000～1 100 ℃，所以必须用石英管。鉴定是否含铁单质，用稀盐酸溶解后生成Fe2＋，如果选用NaOH会将生成的Si也溶解，所以考虑转化为Fe3＋后再检验，故选b、d。
答案 (1)SiO2＋2CSi＋2CO↑
(2)分馏(或蒸馏)
(3)①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化 ②有固体生成 在该反应温度下，普通玻璃管会软化
SiHCl3＋H2Si＋3HCl ③排尽装置内的空气 ④bd
课件44张PPT。第三节 无机非金属材料［知识梳理］知识点一 硅酸盐材料如上图，常见的无机非金属材料有玻璃、陶瓷、水泥，它们究竟有什么样的性质呢？1．硅酸盐(1)性质：硅酸盐性质________，熔点________，多数________溶于水。
(2)表示方法：硅酸盐的组成比较复杂，常用氧化物的形式表示。例如 ：硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，钠长石(NaAlSi3O8)可表示为Na2O·Al2O3·6SiO2。稳定较高难(3)最简单的硅酸盐——Na2SiO3易水玻璃防火剂2．传统的无机非金属材料——硅酸盐产品纯碱石英石灰石黏土玻璃熔炉水泥回转窑Na2SiO3CaSiO3、SiO2硅酸三钙(3CaO·SiO2)、
硅酸二钙(2CaO·SiO2)、
铝酸三钙(3CaO·Al2O3)知识点二 新型无机非金属材料请结合本节内容，完成对上图物质的学习。硅和二氧化硅(1)周期表中位置
位于元素周期表第________周期、第________族的硅元素，正好处于________与________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________材料。
(2)自然界存在
硅在自然界主要以________(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如________、________)的形式存在。三ⅣA金属非金属半导体硅酸盐水晶玛瑙Si＋2CO↑见课后题2SiF44SiF4↑＋2H2↑Na2SiO3＋2H2↑SiO22．二氧化硅(1)存在：SiO2广泛存在于自然界中，是沙子、石英的主要成分。纯净的SiO2又称________。
(2)物理性质水晶无色高大不溶Na2SiO3＋H2OCaSiO3Si(粗)＋2CO↑ 4SiF4↑＋2H2O玻璃SiO2微判断(1)因为硅的化学性质不活泼，所以在自然界中有游离态的硅存在( )
(2)SiO2是酸性氧化物，所以SiO2能与H2O反应生成硅酸( )
(3)因为SiO2能导电，所以SiO2能用于制造光导纤维( )
(4)熔融NaOH可用石英坩埚盛放( )
(5)SiO2晶体是由SiO2分子直接组成的( )
(6)光导纤维在强碱条件下易发生“断路”( )
(7)硅酸钠可以改写为Na2O·SiO2，故硅酸钠是混合物，含有Na2O和SiO2( )×××××√×(8)硅酸钠俗称水玻璃，是一种防火剂( )
(9)硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质( )
(10)普通玻璃和水泥的生产原料均含石灰石( )
(11)光电池可以将光能直接转化为电能( )×√√√微训练1．玻璃、陶瓷和水泥是重要的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有的元素是( )解析 玻璃、陶瓷、水泥属于传统的无机非金属材料，它们的主要成分中都含有硅元素和氧元素，故选项C正确。答案 CA．氮 B．硫 C．硅 D．氯2．下列关于硅及二氧化硅的化学性质的化学方程式书写错误的是( )答案 C3．下列关于硅、硅酸盐的说法正确的是________(填序号)。①硅广泛存在于自然界中，天然单质硅叫硅石。
②硅的导电性介于导体与绝缘体之间。
③硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应。
④水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐材料。
⑤高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维。解析 ①硅在自然界中只有化合态，没有游离态，硅主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，硅石的主要成分是SiO2，①不正确；②正确；③硅在常温下能与F2、HF和强碱溶液反应，③不正确；④水晶的成分是SiO2，④不正确；⑤SiO2用于制光导纤维而不是硅，⑤不正确。答案 ②微思考提示 不能。SiO2与Na2CO3反应，是在高温下，且生成的产物是CO2气体，可以脱离反应体系，并不能说明H2SiO3酸性强于H2CO3。2．单质硅在常温下化学性质不活泼，所以硅在自然界中以游离态存在，这种说法是否正确？提示 错误。硅是一种亲氧元素，在自然界中总是与氧相互化合，以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在。所以自然界中无游离态的硅存在。学习任务1 硅及其化合物的特性和制备工业制备高纯硅的原理示意图1．硅及其化合物特性 (1)Si、SiO2都能与氢氟酸反应。
(2)常见单质中能与NaOH溶液反应产生H2的有金属Al，非金属Si。
(3)粗硅制备时，要隔绝空气，在电炉中进行，且生成的是CO而不是CO2。
(4)硅酸是不溶于水的弱酸。2．硅单质的化学性质(1)在常温下，能与F2、氢氟酸和强碱溶液反应
①与氟气反应：Si＋2F2===SiF4
②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
③与NaOH溶液反应
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑3．硅的制备【例题1】 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：解析 A项，产物应为CO，错误；B项，第②、③步中转移2 mol电子，错误；C项，硅可与氢氟酸反应生成四氟化硅和氢气，错误；D项，根据物质的沸点不同可用蒸馏的方法进行分离，正确。答案 D变式训练1 下列关于硅的说法中，错误的是（双选）( )解析 硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属；硅原子与碳原子最外层电子数相同，晶体结构相似，但硅晶体比金刚石的硬度小，熔点低；硅的化学性质不活泼，常温能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应，加热至一定温度时，硅还能与氯气、氧气等非金属发生反应。答案 BCA．硅是非金属元素，它的晶体单质是灰黑色有金属光泽的固体
B．单质硅和金刚石结构相似，但比金刚石硬度大，熔点高
C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应
D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应一、知识要点1．表示方法
学习任务2 (核心素养)硅酸盐的组成和性质(1)化学式法：如硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)等。此法一般用于组成比较简单的硅酸盐。
(2)氧化物法：一般用于组成比较复杂的硅酸盐。
①各氧化物的排列顺序：较活泼金属氧化物→较不活泼金属氧化物→SiO2→H2O。
②氧化物化学式之间用“·”隔开。
③氧化物前系数配置原则：除氧元素外，其他元素均表示成化合价相同的氧化物，并按前后原子个数守恒原则配置系数。
④系数出现分数时化为整数。如石棉：Mg3Ca(SiO3)4→CaO·3MgO·4SiO2。2．性质(1)多数硅酸盐难溶于水，常见易溶于水的硅酸盐有Na2SiO3、K2SiO3等。
(2)一般硅酸盐熔点高，化学性质稳定，耐高温，难分解。
(3)硅酸酸性弱，且不溶于水，所以硅酸盐能与酸反应。3．硅酸钠(1)物理性质：可溶于水，水溶液俗称“水玻璃”。“水玻璃”具有很强的黏合性，是建筑行业常用的黏合剂。
(2)化学性质：易与酸反应。
与强酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
与CO2反应：CO2不足，Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓；CO2过量，Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===2NaHCO3＋H2SiO3↓。二、核心素养[解题思路]三、对点训练解析 烧碱与二氧化硅反应。答案 C1．熔融氢氧化钠应选用( )A．石英坩埚 B．普通玻璃坩埚
C．生铁坩埚 D．陶瓷坩埚解析 水晶饰物的主要成分为SiO2，不是硅酸盐产品，A项错误。答案 A2．下列说法不正确的是( )A．水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐产品
B．大多数硅酸盐的性质稳定
C．透闪石的化学成分为Ca2Mg5Si8O22(OH)2，将其写成氧化物的形式为2CaO·5MgO·8SiO2·H2O
D．新型陶瓷材料包括高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等解析 BenAl2[Si6O18]写成氧化物形式为nBeO·Al2O3·6SiO2，则由氧原子个数知：n＋3＋6×2＝18，n＝3。答案 C3．绿柱石又称绿宝石，其主要成分为BenAl2[Si6O18]，也可以用二氧化硅和金属氧化物的形式表示，则n为( )A．1 B．2 C．3 D．44．将足量CO2气体通入水玻璃中，然后蒸干，再在高温条件下充分反应，最后所得固体物质是( )答案 AA．Na2SiO3 B．Na2CO3、Na2SiO3
C．Na2CO3、SiO2 D．SiO2解析 足量CO2与水玻璃反应生成NaHCO3和H2SiO3，在高温条件下H2SiO3分解生成SiO2和H2O，NaHCO3分解生成Na2CO3、CO2和H2O，SiO2又与Na2CO3反应生成Na2SiO3和CO2，根据各物质量的关系知最后得到的固体物质是Na2SiO3，A项正确。解析 新型无机非金属材料不但克服了传统无机非金属材料易碎、强度不够等缺点，并且具有特殊结构、特殊功能；新型无机非金属材料的主要成分并不一定是硅酸盐，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。答案 D5．下列关于无机非金属材料的说法不正确的是( )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．新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点，具有极大强度
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
