人教版 (2019)必修 第二册第五章 化工生产中的重要非金属元素第三节 无机非金属材料导学案

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5.3 无机非金属材料——同步学习必备知识
5.3 无机非金属材料

一、硅酸盐材料

二、新型硅酸盐材料


【例1】
1．“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

1.玻璃、水泥、陶瓷等均为混合物。
2.生产水泥与陶瓷的共同原料是黏土，生产水泥与玻璃的共同原料是石灰石。
3.生产玻璃涉及的两个主要化学反应：
Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。

2．下列物质不属于硅酸盐的是
A．粘土 B．石英 C．Al2Si2O5（OH）4 D．Mg2SiO4
3．下列关于硅酸盐材料的说法错误的是
A．生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷
B．生产陶瓷的主要原料是黏土
C．普通玻璃的主要成分只有SiO2
D．普通硅酸盐水泥的生产以石灰石和黏土为主要原料
4．昆仑玉的成分可简单看作Ca2Mg5Si8O22(OH)2，则用氧化物的形式可表示为
A．CaO·MgO·SiO2·H2O
B．2CaO·5MgO·8SiO2·H2O
C．2CaO·MgO·SiO2·H2O
D．5CaO·2MgO·8SiO2·H2O

【例2】
5．单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。科学家预计，到2011年一个电脑芯片上将会集成10亿个晶体管，其功能远比我们想象的要大的多，这对硅的纯度要求很高．用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为：
①SiO2+2CSi+2CO↑    ②Si+2Cl2SiCl4    ③SiCl4+2H2Si+4HCl，
下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是
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
【例3】
6．近年来科学家制造出大量的新物质，对下列三种物质的相关说法错误的是



石墨烯：从石墨中分离出来，是最薄、最坚硬的纳米材料
石墨炔：平面网状结构的全碳分子，具有优良的化学稳定性
纳米碳管：具有优良的场发射性能，制作成阴极显示管、储氢材料

A．石墨烯具有良好的导电性
B．上述三种物质与金刚石互为同素异形体
C．石墨炔孔径略大于H2分子的直径，可作H2的提纯薄膜
D．上述三种物质与浓硫酸都能发生反应，但反应产物不同

注意区分硅和二氧化硅的用途
(1)硅作半导体材料，利用的是其导电性，其传导的是电。
(2)二氧化硅作光导纤维，利用的是其传导信号几乎不减弱的优异性能，其传导的是光或信号。

7．下列物质不与二氧化硅反应的是
A．烧碱 B．氢氟酸 C．硝酸 D．生石灰
8．光导纤维成为信息社会必不可少的高技术材料，下列物质用于制造光导纤维的是（    ）
A．二氧化硅 B．大理石 C．铝合金 D．金刚石
9．下列说法错误的是
A．硅是制造太阳能电池的常用材料
B．二氧化硅是制造光导纤维的材料
C．常温下硅性质活泼，可以与氯气、强酸、强碱溶液等起反应
D．水玻璃可用作木材防火剂
10．我国及美国、日本等国家都已研制出了一种陶瓷柴油机，这种柴油机的发动机部件的受热面是用一种耐高温且不易传热的材料来制造的，这种材料是
A．普通硅酸盐陶瓷 B．氮化硅陶瓷 C．光导纤维 D．玻璃钢

11．硅元素在周期表中的位置是
A．第三周期IVA族 B．第二周期IVA族
C．第二周期VIA族 D．第三周期VIA族
12．下列物质中，不含有硅酸盐的是
A．水玻璃 B．硅芯片 C．黏土 D．普通水泥
13．下列物质中主要成分不是二氧化硅的是
A．干冰 B．水晶 C．玛瑙 D．硅石
14．下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是                  
①硅是构成一些岩石和矿物的基本元素
②水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品
③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维
④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料
A．①② B．②③ C．①④ D．③④
15．关于二氧化硅，下列叙述不正确的是
A．水晶的主要成分是二氧化硅
B．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别
C．二氧化硅不溶于水，也不能跟水起反应生成酸
D．二氧化硅是一种酸性氧化物，它不跟任何酸起反应
16．下列应用利用的是含硅物质的氧化性的是（    ）
A．用硅制造集成电路、晶体管等半导体器件
B．在野外，用硅、消石灰、烧碱的混合物制取氢气
C．金刚砂的制备：
D．单质硅的制备：
17．从石英砂制取高纯硅的主要化学反应如下：
①SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑
②Si(粗)＋2Cl2SiCl4
③SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl
关于上述反应的叙述不正确的是(　　)
A．①③是置换反应，②是化合反应
B．高温下，焦炭与氢气的还原性均强于硅
C．任一反应中，每消耗或生成28 g硅，均转移4 mol电子
D．高温下在炉子里将石英砂、焦炭、氯气、氢气按比例混合就能得到高纯硅
18．硅酸铜钡是当今用最新科学技术合成的一种物质，然而，科学家惊奇地发现，我国秦朝兵马俑用的一种颜料竟也是硅酸铜钡。依据以上事实推测下列关于硅酸铜钡的说法错误的是
A．硅酸铜钡属于硅酸盐 B．硅酸铜钡难溶于水
C．硅酸铜钡难被氧化 D．硅酸铜钡易溶于水
19．《厉害了，我的国》“中国名片”中航天、军事、天文等领域的发展受到世界瞩目。它们与化学有着密切联系。下列说法正确的是
A．“中国天眼”的“眼眶”是钢铁结成的圈梁，属于新型无机非金属材料
B．“复兴号”车厢连接处关键部位使用的增强聚四氟乙烯板属于无机非金属材料
C．“神舟十一号”宇宙飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷是新型无机非金属材料
D．“天宫二号”空间实验室的太阳能电池板的主要材料是二氧化硅
20．近年来，具有特殊性质的新型无机非金属材料迅速发展，下列有关新型无机非金属材料的叙述不正确的是
A．新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的许多缺点
B．碳化硅的硬度大、熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承
C．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，可用于制造发动机，其化学式为Si3N4
D．合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料
21．请回答下列问题：
(1)耐辐照石英玻璃是航天器姿态控制系统的核心元件。石英玻璃的成分是_______(填化学式)，该物质的类别属于_______(填“碱性氧化物”或“酸性氧化物”)，实验室中不能用带玻璃塞的试剂瓶盛放KOH溶液，原因是_______(用离子方程式表示)。
(2)硅在地壳中的含量较高，硅及其化合物的开发由来已久，在现代生活中有广泛应用。
①1810年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、木炭和铁时，得到一种“金属”，这种“金属”可能是____。
②玻璃是常用的硅酸盐材料，生产普通玻璃的主要材料有_______，其制备过程中涉及的主要化学方程式为_______。
22．晶体硅(熔点1410℃)是良好的半导体材料。由粗硅制纯硅的过程如下：
I.高温下用过量的碳还原二氧化硅制得粗硅；
II.粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3(Si＋3HClSiHCl3＋H2)；
III.SiHCl3与过量的H2在1100～1200℃的温度下反应制得纯硅，已知SiHCl3能与水剧烈反应。
(1)第一步用焦炭与石英砂制取粗硅，其反应的化学方程式为_______；上述反应中的氧化剂是_______，还原剂是_______。
(2)粗硅与HCl气体反应完全后，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)实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅装置如图所示(加热和夹持装置略去)：

①装置B中的试剂是_______，装置C中的烧杯需要加热，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是_______。
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_____。
23．已知下列物质有如图所示转化关系，水和部分产物已略去。

①X为不溶于水的坚硬固体，Z无固定熔点，是现代建筑中不可缺少的装饰材料；
②无色气体A是引起温室效应的主要气体；
③B、D均为难溶于水的白色固体；
④高纯度的F是制造电脑芯片的一种非金属单质。
据此回答下列问题：
(1)B的化学式是_______，F的名称是_______。
(2)由X、Y制F的过程中，Y作_______(填“氧化”或“还原”)剂。
(3)转化①的化学方程式为_______。
(4)转化②(A少量)的离子方程式为_______。

参考答案：
1．C
【详解】A．陶瓷是人类最早使用的硅酸盐材料，不是玻璃，A错误；
B．水泥的原料是黏土和石灰石，纯碱、石灰石、石英是制造玻璃的原料，生成玻璃不需要黏土，B错误；
C．硅酸盐性质稳定，熔点较高，所以硅酸盐制品一般具有性质稳定、熔点较高的特点，C正确；
D．沙子主要成分是二氧化硅，为氧化物，不是硅酸盐，D错误；
故答案选C。
2．B
【详解】硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称，黏土、Al2Si2O5（OH）4、Mg2SiO4均是硅酸盐，石英是二氧化硅，属于酸性氧化物，答案选B。
3．C
【详解】A．玻璃、水泥、陶瓷中的主要成分含有硅酸盐，是生活中常见的硅酸盐材料，A正确；
B．黏土经高温烧结可以制得陶瓷，黏土是陶瓷是主要原料，B正确；
C．普通玻璃的主要成分为硅酸钙、硅酸钠和二氧化硅，C错误；
D．普通硅酸盐水泥以石灰石和黏土为原料，二者与其他辅料混合、研磨再进行其他加工制得普通水泥，D正确；
故答案选C。
4．B
【详解】根据硅酸盐改写成氧化物的形式为：活泼金属氧化物•较活泼金属氧化物•二氧化硅•水，同时要遵循原子守恒，Ca2Mg5Si8O22（OH）2可表示为：2CaO•5MgO•8SiO2•H2O，故答案为B。
5．D
【详解】A、置换反应的特点是单质+化合物=单质+化合物，因此①③属于置换反应，故A说法正确；B、②是两种物质生成一种物质，属于化合反应，故B说法正确；C、①②③均有化合价的变化，都属于氧化还原反应，故C说法正确；D、①中Si的化合价由＋4价→0价，化合价降低，被还原，②中Si的化合价由0价→＋4价，化合价升高，被氧化，同理③中Si的化合价降低，被还原，故D说法错误。
6．D
【详解】A．石墨烯作为电导体，它和铜有着一样出色的导电性；因此具有良好的导电性，选项A正确；B．上述三种物质均为碳的单质，与金刚石互为同素异形体，选项B正确；C．碳原子半径大于氢原子，则石墨炔孔径大于H2分子的直径，可以容纳H2分子，则石墨炔是理想的H2提纯薄膜，选项C正确；D．上述三种物质都是是碳的单质，在加热条件与浓硫酸都能发生反应，且反应产物均为二氧化碳，选项D错误。答案为D。
7．C
【详解】A．SiO2和烧碱反应生成硅酸钠和氢气，故A不选；
B．SiO2和氢氟酸反应生成SiF4和水，故B不选；
C．硝酸不与SiO2反应，故C不选；
D．SiO2和生石灰反应生成硅酸钙，故D不选；
故选C。
8．A
【详解】制造光导纤维的主要原料是二氧化硅，故A正确；
答案选A。
9．C
【详解】A．硅可以将光能转化成电能，是制造太阳能电池的常用材料，A项正确；
B．二氧化硅是制造光导纤维的材料，B项正确；
C．硅常温下不与氯气、强酸反应，C项错误；
D．水玻璃是硅酸钠水溶液，可用作木材防火剂，D项正确；
答案选C。
10．B
【详解】陶瓷柴油机是一种新型的无机非金属材料做成的—氮化硅陶瓷，氮化硅陶瓷具有硬度极高、耐磨损、抗腐蚀、抗氧化等一系列优良性能；
答案选B。
11．A
【详解】硅原子核外电子排布为2、8、4，位于第三周期IVA族，A满足题意；
答案选A。
12．B
【分析】硅酸盐指的是硅、氧与其它化学元素结合而成的化合物的总称，据此判断。
【详解】A．水玻璃为硅酸钠的水溶液，A不符合题意；
B．硅芯片由硅单质制成，B符合题意；
C．一般的黏土都由硅酸盐矿物在地球表面风化后形成，含有硅酸盐，C不符合题意；
D．普通水泥为传统的硅酸盐材料，D不符合题意；
故选B。
13．A
【详解】A．干冰为固体CO2，主要成分不是SiO2，选项A符合；
B．水晶主要成分是二氧化硅，选项B不符合；
C．石英中具有彩色环带或层状的称为玛瑙，主要成分是二氧化硅，选项C不符合；
D．硅石的主要成分为二氧化硅，选项D不符合；
答案选A。
14．C
【详解】①硅元素是地壳中大量存在的元素，是许多种岩石和矿物的基本构成元素之一，故①正确；
②水晶主要成分是二氧化硅，不是硅酸盐，故②错误；
③光导纤维的主要成分是二氧化硅，故③错误；
④陶瓷的主要成分是硅酸盐且陶瓷应用极早，故④正确。
综上所述，本题正确答案为C。
15．D
【详解】A．水晶的主要成分为SiO2，A项正确；
B．CO2是由分子构成的，而SiO2是Si和O按1∶2组成的空间立体网状结构的晶体，二者物理性质差别较大，B项正确；
C．SiO2不溶于水，也不与水反应，C项正确；
D．SiO2可以与氢氟酸反应，D项错误；
故选D。
16．D
【详解】A．晶体硅是半导体材料，所以可以用硅制造集成电路、晶体管等半导体器件，利用了Si的物理性质，与硅的氧化性无关，故A错误；
B．Si+Ca (OH)2+2NaOH=Na2SiO3+CaO+2H2↑，反应中Si的化合价升高，则Si作还原剂，体现硅的还原性，故B错误；
C．SiO2+3C2CO↑+SiC反应中只有C也是的化合价变化，C是既是氧化剂，也是还原剂，二氧化硅既不是氧化剂，也不是还原剂，故C错误；
D．SiO2+2CSi+2CO↑，反应中Si的化合价降低，则二氧化硅作氧化剂，具有氧化性，故D正确；
故选D。
【点睛】明确元素化合价的变化是解本题的关键。本题的易错点为C，要注意SiC中硅为+4价，C为-4价。
17．D
【详解】A．①③都是单质与化合物反应，生成单质和化合物的反应，属于置换反应，②是两种反应物生成一种产物的反应，属于化合反应，A正确；
B．在氧化还原反应中，还原剂的还原性强于还原产物，B正确；
C．根据元素化合价的变化，三个反应中，每消耗或生成28 g硅(1 mol)，均转移4 mol电子，C正确；
D．题中的三个反应是在三个不同反应器中发生，若在同一反应器中发生反应，则很难得到高纯硅，D错误；
故选D。
18．D
【详解】根据名称判断，硅酸铜钡为硅酸盐，符合硅酸盐的通性，不溶于水，稳定不易被氧化，综上所述，故选D。
19．C
【详解】A．钢铁属于金属材料，A错误；
B．聚四氟乙烯板属于有机合成高分子材料，B错误；
C．高温结构陶瓷为非金属，且不是硅酸盐，属于新型无机非金属材料，C正确；
D．太阳能电池板的主要材料是硅单质，D错误；
综上所述答案为C。
20．D
【详解】A．传统的无机非金属材料，缺点为质地较脆，经不起热冲击，新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的缺点，能承受高温，强度较高，具有电学特性、光学特性等，A项正确；
B．碳化硅的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承，B项正确；
C．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，可用于制造发动机，其化学式为Si3N4，C项正确；
D．光导纤维属于新型无机非金属材料，但合成纤维属于有机高分子材料，D项错误；
故选D。
21．(1) SiO2 酸性氧化物 SiO2＋2OH-=＋H2O
(2) 含有硅、碳的铁合金 纯碱、石英砂、石灰石 Na2CO3＋SiO2Na2SiO3 ＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑

【详解】（1）石英为二氧化硅，二氧化硅与强碱反应生成硅酸盐和水，属于酸性氧化物，则SiO2与氢氧化钠发生反应SiO2＋2OH-=＋H2O，生成的硅酸钠具有黏性，导致玻璃塞无法打开，故实验室中不能用带玻璃塞的试剂瓶盛放KOH溶液。
（2）石英砂的主要成分是二氧化硅，加热石英砂、木炭和铁时，发生反应：SiO2＋2CSi＋2CO↑，所以在加热石英砂、木炭和铁时，可能得到含有硅、碳的铁合金。
②制造普通玻璃的主要原料是纯碱、石灰石和石英砂，在玻璃窑中加强热时主要发生反应：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3 ＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。
22．(1) SiO2＋2CSi＋2CO↑ SiO2 C
(2)分馏(或蒸馏)
(3) 浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化 有固体生成 在此反应温度下，普通玻璃会软化 SiHCl3 ＋H2Si＋3HCl 排尽装置内的空气

【详解】（1）焦炭与石英砂制取粗硅：SiO2＋2CSi＋2CO↑，SiO2得电子，价态降低，为氧化剂，C失电子，价态升高，为还原剂。
（2）SiHCl3的沸点和所含杂质的沸点相差较大，故可以采用分馏(或蒸馏)的方法。
（3）①SiHCl3能与水剧烈反应，应将制得的H2中的水蒸气除去，故装置B中的试剂是浓硫酸；常温下SiHCl3为液体，反应时应使其汽化后再在D处与H2反应，故装置C的烧瓶需加热；
②H2和汽化后的SiHCl3在装置D中发生反应：SiHCl3 ＋H2Si＋3HCl，故D中观察到的现象是有固体生成，在此反应温度下，普通玻璃会软化，故不能采用普通玻璃管。
③制备流程包含高温下加热氢气，氢气和氧气混合在高温条件下易发生爆炸，因此必须排尽装置内的空气。
23．(1) CaCO3 硅
(2)还原
(3)SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O
(4)CO2＋＋H2O=H2SiO3(胶体)＋

【分析】①X为不溶于水的坚硬固体，Z无固定熔点，是现代建筑中不可缺少的装饰材料，判断为玻璃，说明X为SiO2；
②无色气体A是引起温室效应的主要气体为CO2；
③B、D均为难溶于水的白色固体，流程分析可知B为CaCO3；
④高纯度的F是制造电脑芯片的一种非金属单质为Si；
结合流程分析判断可知X为SiO2，B为CaCO3，C为Na2SiO3，D为H2SiO3，E为Na2CO3，Z为玻璃，Y为C，F为Si；
【详解】（1）由以上分析可知，B的化学式是CaCO3，F为Si名称是硅；
（2）由X、Y制F的过程为SiO2+2C2CO+Si，C做还原剂；
（3）转化①的化学方程式为SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O；
（4）无色气体A是引起温室效应的主要气体，则A为CO2，转化②(A少量)的离子方程式为CO2＋＋H2O=H2SiO3(胶体)＋。