课程14无机非金属材料 【寒假辅导班】 高中化学人教版（2019）必修第二册 学案

这是一份课程14无机非金属材料 【寒假辅导班】 高中化学人教版（2019）必修第二册 学案，共9页。学案主要包含了新型无机非金属材料等内容，欢迎下载使用。
1.了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品的工业生产。
2.了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。
3.知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强关注社会的意识和责任感。
一、传统无机非金属材料——硅酸盐材料
1.硅酸盐及其结构
（1）硅酸盐的概念
硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。它们种类繁多、组成各异、结构复杂，在自然界中广泛存在。
（2）硅酸盐的结构
在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图所示。每个Si结合4个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。
（3）硅酸盐的特性：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、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。
2.常见的硅酸盐材料
3.硅酸钠(俗名泡花碱)
（1）硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，常用作黏合剂和防火剂。
（2）硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是SiOeq \\al(2－,3)＋2H＋===H2SiO3↓。
（3）少量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是SiOeq \\al(2－,3)＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋COeq \\al(2－,3)。
二、新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
（1）硅的存在与性质
①硅在自然界主要以硅酸盐和氧化物的形式存在；
②单质硅是应用最为广泛的半导体材料；
③高温下，硅能与氧气反应生成SiO2，与氯气反应生成SiCl4。
（2）工业制备高纯硅的原理
eq \x(石英砂)eq \(――――――→,\s\up7(1 800～2 000 ℃),\s\d5(①焦炭))eq \x(粗硅)eq \(――→,\s\up7(300 ℃),\s\d5(②HCl))eq \x(SiHCl3)eq \(―――→,\s\up7(1 100 ℃),\s\d5(③H2))eq \x(高纯硅)
①SiO2＋2Ceq \(===========,\s\up7(1 800～2 000 ℃))Si＋2CO↑；
②Si＋3HCleq \(=====,\s\up7(300 ℃))SiHCl3＋H2；
③SiHCl3＋H2eq \(=====,\s\up7(1 100 ℃))Si＋3HCl。
上述反应共同的反应类型是氧化还原反应(或置换反应)，反应①中焦炭的作用是还原剂，反应③中氢气的作用是还原剂。
（3）二氧化硅的性质
①二氧化硅硬度大、熔点高，不溶于水；
②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；
③具有氧化性：SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up7(高温))Si＋2CO↑；
④特性：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
2.新型陶瓷
（1）新型陶瓷与传统陶瓷相比，在成分上有很大的变化，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
（2）常见新型陶瓷及其用途(连线)
（3）高温结构陶瓷——碳化硅(SiC)
碳化硅俗称金刚砂，它是由碳原子和硅原子通过共价键连接而形成，与金刚石的结构类似，具有硬度大和优异的高温抗氧化性能。
3.碳纳米材料
（1）富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，如C50、C60、C70、C120等，其代表物是C60。
（2）碳纳米管是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，具有高强度和优良的电学性能。
（3）石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。

一、单选题
1．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
2．有关高温结构陶瓷和光导纤维说法不正确的是
A．高温结构陶瓷弥补了金属材料的弱点，但是硬度却远远低于金属材料
B．氮化硅陶瓷是一种重要的结构材料，具有超硬性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀，可用于制造火箭发动机
C．光导纤维是一种能高质量传导光的玻璃纤维
D．光导纤维的抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听
3．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是
A．水玻璃是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀
B．水玻璃在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C．木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧
D．水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质
4．下列关于硅的说法中，不正确的是
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．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，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反应
D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应
5．下列说法正确的是
A．CO2和SiO2都能跟水反应生成相应的酸
B．CO2和SiO2都不能与任何酸反应
C．CO2和SiO2都能与NaOH溶液反应
D．石英的主要成分都是SiO2，SiO2可作制太阳能电池的材料
6．下列溶液的存放不能使用磨口玻璃塞的是
①氢氟酸 ②NaHSO4 ③KNO3 ④石灰水 ⑤CuSO4 ⑥NaOH ⑦Na2CO3
A．④⑧⑦B．①④⑥⑦C．①③⑤D．①④⑥
7．下列说法正确的是
A．因为HF与SiO2反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记
B．下列转化在一定条件下能够实现：SiO2SiCl4 Si
C．SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物
D．Si和SiO2都用于制造光导纤维
8．根据下列实验操作、现象和所得到的结论均正确的是
A．AB．BC．CD．D
9．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)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。
(2)工业上常利用反应制备硅单质，该反应中氧化剂是 。
(3)根据如图所示装置回答以下问题。
若要用此装置证明酸性：，从以下所给物质中选出甲同学设计的实验所用到的物质：①稀 ②稀盐酸 ③碳酸钙 ④溶液 ⑤SiO2。试剂A与C分别为 、 (填序号)；试管中发生反应的离子方程式为 。有同学认为此实验不能说明酸性强弱，你认为原因是 。
10．高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有多种路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下：
(1)工业上用石英砂和过量焦炭在电弧炉中高温加热生成粗硅，当有1mlC参与反应时，该反应转移的电子数是 。
(2)还原炉中发生的化学反应方程式为 。
(3)上述工艺生产中循环使用的物质除Si、SiHCl3外，还有 。
(4)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，该反应的化学方程式为 。
(5)工业上可利用水玻璃和盐酸反应制备硅酸凝胶，进一步脱水处理可得到硅胶，写出水玻璃和盐酸反应的离子方程式： 。
(6)关于硅及其相关化合物的叙述正确的是 。
A．自然界中存在天然游离的硅单质
B．已知C与Si的最高正价都是正四价，由于CO2＋H2O=H2CO3，用类比法得知，SiO2＋H2O=H2SiO3
C．Na[AlSi3O8]用氧化物形式表示为Na2O·Al2O3·6SiO2
D．硅元素在金属与非金属的分界线处，因此具有弱导电性，一般可用于作为半导体材料
E．SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物
F．玻璃、水泥、陶瓷都是传统的硅酸盐产品
参考答案：
1．A
【分析】陶瓷是以天然粘土以及各种天然矿物为主要原料经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料的各种制品。陶瓷的传统概念是指所有以黏土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。
【详解】A项、氧化铁为棕红色固体，瓷器的青色不可能来自氧化铁，故A错误；
B项、秦兵马俑是陶制品，陶制品是由粘土或含有粘土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的，故B正确；
C项、陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物，陶瓷的主要成分是硅酸盐，与水泥、玻璃等同属硅酸盐产品，故C正确；
D项、陶瓷的主要成分是硅酸盐，硅酸盐的化学性质不活泼，具有不与酸或碱反应、抗氧化的特点，故D正确。
故选A。
【点睛】本题考查物质的性质，侧重分析与应用能力的考查，注意化学与生活的联系，把握物质性质、反应与用途为解答的关键。
2．A
【详解】A．高温结构陶瓷属于原子晶体，硬度大于金属材料，故A错误；
B．Si3N4属于原子晶体，具有高强度、低密度、耐高温等优点，则能替代合金钢，用于制造汽车发动机的新型耐高温结构材料，故B正确；
C．二氧化硅晶体具有导光性，光导纤维的主要成分是二氧化硅，是一种能高质量传导光的玻璃纤维，故C正确；
D．光导纤维的主要成分是二氧化硅，是一种能高质量传导光的玻璃纤维，抗干扰性能好，通信质量高，并且能防窃听，故D正确；
故选：A。
3．D
【详解】A.水玻璃是硅酸钠的一种水溶液，是一种矿物胶，既不易燃烧，也不易腐蚀，故A正确；
B.水玻璃在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料，故B正确；
C. 水玻璃是硅酸钠的一种水溶液，不燃烧，具有防腐性，故C正确；
D.硅酸的酸性弱于碳酸，在空气中发生反应：Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3(胶体)+Na2CO3，故D错误；
答案选D。
4．C
【详解】A．硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属，故A正确；
B．硅既有金属性，又有非金属性，其导电性也介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，故B正确；
C．硅的化学性质不活泼(尤其是在常温下)，但常温下仍能与氟气、氢氟酸和NaOH溶液等发生反应，故C错误；
D．加热至一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属发生反应，故D正确。
答案选C。
5．C
【详解】A．CO2与水反应生成碳酸，SiO2不能与水反应，故A错误；
B．CO2不能与任何酸反应，SiO2与氢氟酸反应，故B错误；
C．CO2和SiO2都是酸性氧化物，都能与NaOH溶液反应，故C正确；
D．可作制太阳能电池的材料是Si，故D错误。
综上所述，答案为C。
6．B
【详解】①氢氟酸与二氧化硅反应四氟化硅和水，所以HF不能盛放在玻璃瓶中，①符合题意；
②NaHSO4与二氧化硅不反应，可以防止该试剂瓶中，②不符合题意；
③KNO3与二氧化硅不反应，可以防止该试剂瓶中，③不符合题意；
④石灰水中的氢氧化钙溶液显碱性，能和二氧化硅反应，不能盛放在玻璃瓶中，④符合题意；
⑤CuSO4与二氧化硅不反应，可以防止该试剂瓶中，⑤不符合题意；
⑥NaOH与二氧化硅反应生成粘性的硅酸钠，导致玻璃塞和试剂瓶粘结在一起而打不开，所以氢氧化钠溶液不能盛放在带有玻璃塞是玻璃瓶中，⑥符合题意；
⑦Na2CO3水解显碱性，与二氧化硅反应硅酸钠和水，所以Na2CO3不能盛放在玻璃瓶中，⑦符合题意；
故选B。
7．A
【详解】A．HF与SiO2反应，SiO2+HF=SiF4+H2O，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记，故A正确；
B．SiO2只溶于HF，不溶于盐酸，SiO2SiCl4的转化过程不能实现，故B错误；
C．HF与SiO2反应体现的是HF的特性，SiO2与其他的酸不反应，不是两性氧化物，故C错误；
D．Si单质是良好的半导体材料，用于制造晶体管，SiO2用于制造光导纤维，故D错误；
答案选A。
8．A
【详解】A．向Na2SiO3溶液中通入适量CO2气体，发生反应Na2SiO3+CO2+2H2O=H2SiO3↓+Na2CO3，反应原理为强酸制弱酸，则H2CO3的酸性比H2SiO3的酸性强，A正确；
B．将稀盐酸滴入硅酸钠溶液中，充分振荡，有白色沉淀产生，则酸性HCl＞H2SiO3，HCl为无氧酸，无氧酸的酸性与非金属性不成正比关系，则不能得出结论：非金属性Cl＞Si，B不正确；
C．将二氧化硅分别与氢氟酸溶液和氢氧化钠溶液反应，前者发生反应SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O，没有盐生成，SiO2不表现出碱性，后者二氧化硅溶解表现出酸性，所以不能说明二氧化硅为两性氧化物，C不正确；
D．向溶有SO2的BaCl2溶液中通入气体X，出现白色沉淀，此沉淀可能为BaSO3，可能为BaSO4，则气体X可能具有强氧化性，也可能具有碱性(NH3)，D不正确；
故选A。
9．(1) 氢氟酸
(2)
(3) ① ④ 有挥发性，也会和硅酸钠反应生成硅酸
【详解】（1）SiO2与NaOH反应生成Na2SiO3，化学方程式为，SiO2能与HF反应，工业上常用氢氟酸来雕刻玻璃。
（2），该反应中C失电子化合价从0价升高到+2价，Si得电子化合价从+4价降低到0价，因此氧化剂为SiO2。
（3）稀硝酸可与碳酸钙反应生成二氧化碳气体，该反应可证明硝酸酸性强于碳酸，则试剂A为①稀HNO3，试剂B为③碳酸钙，生成的二氧化碳与硅酸钠反应生成硅酸沉淀，可证明碳酸的酸性强于硅酸，则试剂C为④Na2SiO3。试管中二氧化碳与硅酸钠反应生成硅酸，离子方程式为。因为硝酸具有挥发性，可能是挥发出来的硝酸进入试管C与Na2SiO3反应生成了硅酸，故不能证明碳酸酸性强于硅酸。
10．(1)2NA
(2)SiHCl3+H2Si+3HCl
(3)H2、HCl
(4)4HF+SiO2=SiF4↑+2H2O
(5)+2H＋=H2SiO3
(6)CDF
【分析】在电弧炉中石英砂和焦炭反应生成粗硅，粗硅和氯化氢反应生成SiHCl3，然后氢气还原SiHCl3生成高纯硅。
【详解】（1）根据化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，C由0价升高到+2价的CO，当有1 ml C参与反应时，该反应转移的电子数是2NA；
（2）还原炉中用H2还原SiHCl3，生成高纯度的Si单质，发生的化学反应方程式为SiHCl3＋H2Si＋3HCl；
（3）流化床反应器中发生反应：Si＋3HCl=SiHCl3＋H2，还原炉中发生反应：SiHCl3＋H2Si＋3HCl，所以可以循环的物质还有H2、HCl；
（4）氢氟酸来雕刻玻璃，氢氟酸和二氧化硅反应，化学方程式为：4HF+SiO2=SiF4↑+2H2O；
（5）水玻璃和盐酸反应制取硅酸的离子方程式为+2H＋=H2SiO3；
（6）自然界中不存在天然游离的硅单质，硅是以二氧化硅和硅酸盐存在于自然界中，A错误；B.SiO2不溶于水，也不与水反应，B错误；根据氧化物的表示方法，Na[AlSi3O8]用氧化物形式表示为Na2O·Al2O3·6SiO2，C正确；在周期表中，硅元素在金属与非金属的分界线处，一般可用于作为半导体材料，D正确；SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，但SiO2不能与其他酸反应，为酸性氧化物，E错误；玻璃、水泥、陶瓷都是传统的硅酸盐产品，F正确。故选CDF。
陶瓷
普通玻璃
普通水泥
原料
黏土
纯碱、石灰石、石英砂
主要原料：石灰石、黏土
辅助原料：适量的石膏
设备
—
玻璃窑
水泥回转窑
主要
成分
成分复杂
硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)
硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)
特点
抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘
玻璃是非晶体，称为玻璃态物质，无固定熔点，在某一温度范围内软化可加工成制品
具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬
用途
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具
建筑材料、光学仪器、各种器皿、制造玻璃纤维
大量用于建筑和水利工程
选项
实验操作和现象
实验结论
A
向Na2SiO3溶液中通入适量CO2气体，出现白色沉淀
H2CO3的酸性比H2SiO3的酸性强
B
将稀盐酸滴入硅酸钠溶液中，充分振荡，有白色沉淀产生
非金属性：Cl＞Si
C
将二氧化硅分别与氢氟酸溶液和氢氧化钠溶液反应，前者生成气体，后者二氧化硅溶解
二氧化硅为两性氧化物
D
向溶有SO2的BaCl2溶液中通入气体X，出现白色沉淀
气体X一定具有强氧化性