考点14 无机非金属材料（考点归纳）——2023年高中化学学业水平考试专项精讲+测试（人教版2019必修1+必修2）

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考点14  无机非金属材料1．知道传统的无机非金属材料陶瓷、玻璃、水泥的制备原料、成分及其主要应用。2．结合具体实例了解新型无机非金属材料的结构特点、性能及其主要应用。3．了解制备高纯度硅的化学原理。4．能从材料组成的角度对生活中常见的材料进行分类，能根据使用需求选择适当的材料能解释使用注意事项，并能科学合理使用。考点一　传统无机非金属材料——硅酸盐产品1．硅酸盐的结构在硅酸盐中，Si和O构成了___________，每个Si结合____个O，____在中心，____在四面体的4个顶角。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、_____溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。2．无机非金属材料根据组成、性能和应用的不同可分为____________非金属材料和____________非金属材料两种，其中传统无机非金属材料多为硅酸盐材料，通常包括______、______和______三种。 陶瓷玻璃水泥原料__________________________________________及其他辅料设备陶瓷窑玻璃窑水泥回转窑成分 普通玻璃：__________________ 性能__________________________________________________应用生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿和卫生洁具等生产建筑材料、光学仪器、和各种器皿，制造玻璃纤维、用于高强度复合材料等大量用于建筑和水利工程【温馨提示】传统无机非金属材料都是以含硅物质为原料，经过高温发生复杂的物理、化学变化制成，产品都为硅酸盐。考点二　新型无机非金属材料1．硅的存在及高纯硅的制备(1)存在：硅是一种亲氧元素，在被氧气气氛包围的地球上，主要以____________和______ ______ (如水晶、玛瑙)等形式存在，______游离态的单质硅，单质硅可以通过人工方法制得。(2)高纯硅的制备(1)制取粗硅：__________________。(2)粗硅提纯：①______________________________；②______________________________。 2．几种新型无机非金属材料(1)硅和二氧化硅①高纯硅半导体制造芯片和硅太阳能电池。②二氧化硅通信容量大、抗干扰性好、通信效率高光导纤维(2)新型陶瓷新型材料成分性能主要应用[来源:学科网]金刚砂碳化硅(SiC)硬度大、耐高温、抗氧化磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料高温结构陶瓷碳化硅、氮化硅、金属氧化物耐高温、抗氧化、耐腐蚀用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等压电陶瓷钛酸盐、锆酸盐等能实现机械能和电能的相互转化用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等透明陶瓷氧化铝、氧化钇等透明陶瓷；氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷 临界温度下具有超导性用于电力、交通、医疗领域等(3)碳纳米材料新型材料结构特点主要性能主要应用富勒烯碳原子构成的一系列笼形分子 工业材料，应用于电化学，催化剂，化妆品，抗癌药物等碳纳米管石墨片层卷成的直径纳米级的管状物比表面积大，具有高的强度和优良的电学性质生产复合材料、电池和传感器等石墨烯一个碳原子直径厚度的单层石墨电阻率低、热导率高、具有很高的强度应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面3．传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别类别传统无机非金属材料新型无机非金属材料主要成分硅酸盐不一定是硅酸盐主要特性抗腐蚀、耐高温、质脆、经不起热冲击大都强度高、硬度大，耐高温，另外还具有一定的电学特性、光学特性和生物功能等考向一  硅及其制取【例1】下列关于硅的说法不正确的是(　　)A．硅是非金属元素，晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属单质反应【答案】C【解析】硅的化学性质不活泼，但常温下仍能与氟气、氢氟酸、NaOH溶液等发生反应，加热至一定温度时，硅能与氯气、氧气等发生反应。【例2】高纯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，下列说法不正确的是(    )A．硅是地壳中含量第二的元素，主要以石英砂、硅酸盐等形式存在于自然界中B．步骤电弧炉中的化学方程式为：SiO2＋2CSi＋2CO↑C．二氧化硅既能与氢氟酸反应又能与氢氧化钠反应，二氧化硅是典型的酸性氧化物D．步骤①②③中HCl和H2可以重复使用，三步反应中Si的化合价均发生了改变【答案】B【解析】A项，硅在地壳中的含量仅次于氧，自然界中都以化合态形式存在，主要以石英砂、硅酸盐等形式存在于自然界中，A正确；B项，步骤电弧炉中高温条件下二氧化硅和碳反应生成粗硅和CO，反应的化学方程式为：SiO2＋2CSi＋2CO↑，B不正确；C项，二氧化硅既能与氢氟酸反应又能与氢氧化钠反应，氢氟酸是唯一一种与二氧化硅反应的酸，这是一个特性，二氧化硅是典型的酸性氧化物，C正确；D项，步骤①②③中HCl和H2可以重复使用，循环反应，三步反应中Si的化合价均发生了改变，分别为降低、升高、降低，D正确；故选B。考向二  二氧化硅【例3】下列关于二氧化硅的叙述中，正确的是(　　)A．二氧化硅不溶于水，也不与水反应生成对应的酸B．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不与任何酸发生反应C．二氧化硅在高温下与碳酸钠发生反应生成硅酸钠，产生CO2，说明硅酸的酸性强于碳酸，这就是用较强的酸制较弱的酸D．二氧化硅和二氧化碳物理性质相似【答案】A【解析】二氧化硅在常温下为固体，熔、沸点高，硬度大，不溶于水及一般溶剂，而二氧化碳在常温下为气体，熔、沸点低，可溶于水形成碳酸。二氧化硅为酸性氧化物，因为二氧化硅可与碱溶液反应生成盐和水。二氧化硅不能与一般的酸反应，但它可与氢氟酸反应，化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。二氧化硅在高温下可与Na2CO3发生反应：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，此反应能发生并不是硅酸的酸性强于碳酸，而是遵循高沸点物质制低沸点物质的原理。【例4】据报道，科学家通过对稻壳进行控制性焚烧热解，从中提取一种叫做生物质纳米结构二氧化硅的超高活性材料，将少量这种材料掺入混凝土中，即可轻易制备出超高强度和超高耐久性能的高性能混凝土。关于二氧化硅下列说法中正确的是(　　)A．二氧化硅溶于水显酸性，所以二氧化硅属于酸性氧化物B．二氧化碳通入硅酸钠溶液中可以得到硅酸C．由CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑可知硅酸的酸性比碳酸强D．二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸【答案】B【解析】A项，二氧化硅是酸性氧化物，但不溶于水，故A错误；B项，碳酸的酸性都强于硅酸，二氧化碳通入硅酸钠溶液中可以得到硅酸沉淀，故B正确；C项，反应只有在高温条件下才能进行，由于CO2是气体，生成后脱离反应体系使反应得以继续进行，但并不能说明硅酸的酸性比碳酸的酸性强，故C错误；D项，二氧化硅能够溶于氢氟酸，而不是不溶于任何酸，故D错误；故选B。考向三  传统硅酸盐材料【例5】“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【答案】C【解析】陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B项错误；硅酸盐制品性质稳定、熔点高，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。【例6】陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“人窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是(    )A．窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化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．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点D．高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物【答案】D【解析】A项，窑变在高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化，窑变是复杂的物理化学变化，故A正确；B项，陶制品主要原料是黏土，经高温烧结而成，故B正确；C项，陶瓷是硅酸盐产品，化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点，故C正确；D项，高品质的瓷器晶莹剔透，属于混合物，故D错误。故选D。考向四  新型无机非金属材料【例7】我国在科技上不断取得重大成果。下列各项中使用的材料不属于无机非金属材料的是(    )应用于5G手机中的石墨烯导热膜用于吊装港珠澳大桥的超高分子量聚乙烯纤维吊绳“嫦娥五号”探测器使用的砷化镓太阳能电池板“神舟十三号”载人飞船使用的石英挠性加速度计ABCD【答案】B【解析】A项，石墨烯由碳元素形成的单质，属于无机非金属材料，故A不选；B项，聚乙烯纤维是有机材料，不属于无机非金属材料，故B选；C项，砷化镓是一种半导体材料，属于无机非金属材料，故C不选；D项，石英成分是SiO2，属于无机非金属材料，故D不选；故选B。【例8】下列关于无机非金属材料的说法中不正确的是(　　)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【答案】D【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。1．下列含硅制品中，主要成分为硅单质的是(    )A．水晶镜片 B．玛瑙手镯 C．陶瓷餐具 D．计算机芯片2．下列关于硅及其化合物的说法不正确的是（   ）A．二氧化硅熔点低于晶体硅B．玻璃、陶瓷和水泥都是传统硅酸盐材料C．自然界中硅元素多以化合态存在D．高温下用纯碱和二氧化硅可制得硅酸钠3．硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅及其化合物的叙述错误的是(   )A．氮化硅陶瓷是一种高温结构陶瓷，其化学式为Si3N4B．高纯硅可以制成计算机、通信设备等的芯片C．硅可以用来生产新型无机非金属材料——光导纤维D．二氧化硅为立体网状结构，每个硅原子结合4个氧原子4．下列说法中错误的是(    )A．陶瓷、玻璃、水泥、水晶饰品等，都是硅酸盐产品B．光导纤维被称为信息高速公路的骨架，其主要成分是二氧化硅C．水玻璃可以作为粘合剂、木材防火剂D．“中国天眼”的镜片材料为SiC，属于新型无机非金属材料5．含硅元素的物质有很多用途，下列说法错误的是(    )A．硅胶多孔、吸水能力强，可用作袋装食品的干燥剂B．陶瓷、水晶、水泥、玛瑙等均属于硅酸盐材料C．高压输电线使用的陶瓷绝缘材料属于硅酸盐材料D．高温结构陶瓷具有耐高温、抗氧化等性能，可应用于火箭发动机等6．下列关于无机非金属材料的说法错误的是(    )A．工业生产陶瓷、玻璃和水泥的原料中都含有黏土B．工业上用二氧化硅生产光导纤维C．碳化硅中碳原子与硅原子通过共价键连接，耐高温、硬度大D．富勒烯、石墨烯都由碳原子构成，它们的结构不同，物理性质不同7．材料是人类生活的物质基础。下列关于材料的说法正确的是(    )A．陶瓷、玻璃和水晶都属于传统非金属材料B．中国天眼FAST用到的高性能的碳化硅材料属于新型陶瓷C．中国航天飞船外壳用到的是特种镁合金，属于新型无机非金属材料D．太阳能电池可将光能转化为电能，主要成分为二氧化硅8．下列关于材料的说法错误的是(    )A．碳纳米管是一种含有碳元素的化合物，属于新型无机非金属材料B．钛合金密度小、硬度大、熔点高，可用于制造飞机、火箭C．三峡大坝的建设使用了大量的水泥，水泥属于硅酸盐材料D．不锈钢的抗腐蚀性能良好，可用于制作医疗器械9．化学与生活、生产、科技密切相关。下列说法错误的有(    )A．工业生产玻璃、水泥、漂白粉，均需要用石灰石为原料B．光导纤维的主要材料是SiO2C．单质硅可用于制取通信芯片D．“”飞机身使用的复合材料之一碳纤维，属于新型无机非金属材料10．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)下列物质不属于硅酸盐的是________。A．陶瓷      B．玻璃    C．水泥     D．生石灰(2)SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为__________________，工艺师常用________(填物质名称)来雕刻玻璃。(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作________。Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得，高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是________。A．普通玻璃坩埚  B．石英玻璃坩埚  C．氧化铝坩埚   D．铁坩埚(4)工业上常利用反应2C＋SiO2Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中所含元素化合价升高的物质是________(填化学式，下同)，氧化剂是________。11．I.非金属材料及其化合物是无机非金属材料的主要成分，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)计算机芯片和太阳能电池的主要成分是_______ (填化学式， 下同)；光导纤维的主要成分是_______；工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，其原理为_______(填化学方程式)。Ⅱ.高纯度单晶硅的制备方法：某同学从资料中查知：SiCl4的熔点为- 70 ℃，沸点为57.6 ℃，在潮湿的空气中与水发生反应而变质。该同学设计了如图装置制取纯硅(装置中的热源及夹持装置均已略去)。(2)盛装稀硫酸的仪器的名称为_______ ；已知：步骤①生成的另一产物为CO，写出步骤①中反应的化学方程式： ________________。(3)装置A中发生反应的离子方程式为________________。(4)已知：SiCl4在潮湿的空气中能与水发生反应生成氯化氢。为防止空气污染，含有SiCl4的尾气可通入盛有_______(填试剂名称)的烧杯中。(5)同学甲认为用该装置进行实验，可能会导致实验失败，为保证制备纯硅实验的成功，你认为该装置应进行的改进措施是________________________。