人教版 (2019)必修 第二册第三节 无机非金属材料精品课时训练

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【知识导图】
【重难点精讲】
一、硅单质
1.存在
硅单质主要有晶体和无定形两大类。
2.物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。
3.化学性质
(1)常温下不活泼，一般不与其他物质反应，但可以与氟、氢氟酸、碱反应。反应的化学方程式分别为：
与氟：Si＋2F2===SiF4；
与氢氟酸：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；
与碱：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(2)在加热或者点燃的条件下可以与氢气、氧气、氯气等反应，与氧气反应的化学方程式为Si＋O2eq \(=====,\s\up7(△))SiO2。
4、主要应用：半导体材料→硅芯片、硅太阳能电池
5、高纯硅的制备
涉及的主要化学反应为
(a)SiO2＋2Ceq \(=============,\s\up7(1 800～2 000 ℃))Si＋2CO↑
(b)Si＋3HCleq \(=====,\s\up7(300 ℃))SiHCl3＋H2
(c)SiHCl3＋H2eq \(=====,\s\up7(1 100 ℃))Si＋3HCl
二、二氧化硅
1.存在
自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石。
2.物理性质
熔点高，硬度大，难溶于水。
3.结构
SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。
4.化学性质
SiO2为酸性氧化物，是硅酸的酸酐。
(1)SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。
(2)在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钙反应的化学方程式为SiO2＋CaCO3eq \(=====,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑。
(3)在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为SiO2＋CaOeq \(=====,\s\up7(高温))CaSiO3。
(4)常温下与氢氟酸反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
5、主要应用：光导纤维
三、硅酸、硅酸盐
1.硅酸
(1)物理性质
硅酸的溶解度小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。
(2)化学性质
①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。
②不稳定性：受热易分解，反应的化学方程式为
H2SiO3eq \(=====,\s\up7(△))SiO2＋H2O。
(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)。
(4)用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。
2.硅酸盐
(1)硅酸盐的结构、特点
(2)硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
(2)硅酸钠：硅酸钠溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。
四、无机非金属材料
1.传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。
(1)常见硅酸盐材料比较
(2)玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑。
2.新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。
(1)新型陶瓷
(2)碳纳米材料
（3） 传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别
特别提醒：
1．氢氟酸能腐蚀玻璃并用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，因为SiO2与碱溶液反应生成具有黏性的Na2SiO3。
2．不能依据反应2C＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温))Si＋2CO↑来说明C的还原性比Si强，也不能依据反应SiO2＋Na2CO3eq \(=====,\s\up15(高温))Na2SiO3＋CO2↑来说明SiO2水化物的酸性比H2CO3强。此类反应能进行的原因是因为在高温条件下，生成物中的气体从反应体系中逸出，有利于反应向右进行。
3．SiO2虽然能与NaOH溶液、HF溶液反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物，但与水不能直接反应。
4．C与SiO2反应的产物是CO不是CO2。
5．不要混淆二氧化硅和硅的用途：用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。
【典题精练】
考点1、考查硅及其化合物的性质
1．下列叙述中正确的是( )
A．因为Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温))Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强
B．碳和硅都是ⅣA族的元素，所以二氧化碳和二氧化硅的物理性质相似
C．二氧化硅既溶于氢氧化钠溶液又溶于氢氟酸，所以二氧化硅是两性氧化物
D．二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物，但二氧化硅不能和水反应生成硅酸
名师归纳：硅及其化合物性质“反常”小结
(1)一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。
(2)一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。
(3)Si的还原性强于C，但C在高温下能还原出Si：SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up15(高温))Si＋2CO↑。
(4)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(5)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
(6)一般情况下，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，二氧化硅是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(SiF4不属于盐，故SiO2不是两性氧化物)。
(7)一般情况下，无机酸能溶于水，但硅酸却难溶于水。
(8)一般情况下，较强酸＋较弱酸的盐―→较弱酸＋较强酸的盐(溶液中的反应)。
因碳酸的酸性强于硅酸，所以水玻璃在空气中易变质：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3(胶体)。
但在高温下，可发生反应Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温))Na2SiO3＋CO2↑(CO2离开反应体系促进反应的正向进行)。
(9)一般情况下，金属(Na、K)能置换出水中的氢，但C在高温下也能置换出H2O中的氢：C＋H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))H2＋CO。
(10)一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不与水反应。
考点2、考查硅及其化合物的用途
例2、硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列说法正确的是( )
A.水晶项链是硅酸盐制品
B.硅单质广泛用于光纤通讯
C.利用盐酸刻蚀石英制作艺术品
D.水泥、玻璃、陶瓷属于传统无机非金属材料
名师归纳：(1)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。(2)生产中采用不同的原料和工艺，也可以制得多种具有不同性能和用途的玻璃。例如，利用含有铅的原料可制得光学玻璃；加入硼酸盐制成耐化学腐蚀、耐温度急剧变化的玻璃；加入一些金属氧化物或盐可以得到彩色玻璃。
考点3、考查硅及其化合的制备
例3、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：
①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：_________________________。
②整个制备过程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，写出配平的化学方程式：____________________；H2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，可用于生产耐高温水泥
B．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承
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
E．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
考点4、考查无机非金属材料的有关知识
4．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许多缺点
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
名师归纳：四种新型的无机非金属材料对比
随堂练习：
1.世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博 士考证说：“中国至少在距今3 000年以前，就已经使用玻璃了。”下列有关普通玻璃的说法不正确的是( )
A.制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英
B.玻璃在加热熔化时有固定的熔点
C.普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅
D.盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止 烧碱跟二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起
2.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。下列说法正确的是( )
A.自然界中存在大量的单质硅
B.电弧炉中反应的化学方程式为
C.二氧化硅能与氢氟酸反应,而硅不能与氢氟酸反应
D. (沸点为33.0℃)中含有少量的(沸点为67.6℃),通过蒸馏可提纯
3.下列叙述正确的是( )
A.既能和溶液反应,又能和氢氟酸反应,所以属于两性氧化物
B.因为,所以硅酸的酸性比碳酸强
C.和都能与碳反应,且都作氧化剂
D.和都是由分子构成的化合物,所以两者物理性质相似
4.诺贝尔物理学奖曾授予“光纤之父”英国华裔科学家高锟以及两位美国科学家威拉德•博伊尔和乔治•史密斯。光导纤维的主要成分是二氧化硅,下列关于二氧化硅的说法正确的是( )
A.二氧化硅是酸性氧化物,因此能与水反应生成硅酸
B.因不溶于水,故不是的酸酐
C.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
D.二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应,但能与碳酸钠固体在高温时发生反应
5.下列属于新型无机非金属材料的是( )
①氧化铝陶瓷②氮化硅陶瓷③碳化硅陶瓷 ④氮化铝陶瓷⑤氮化钛陶瓷⑥硼化硅陶瓷
⑦二硅化钥陶瓷
A.全部B.①③④⑤C.①⑤⑥D.①②③
6.金刚砂可由和碳在一定条件下反应制得,在反应方程式为中,下列有关制造金刚砂的说法中正确的是( )
A.该反应中的氧化剂是,还原剂为C
B.该反应说明了C的还原性小于
C.该反应中转移的电子数为
D.该反应中的还原产物是、氧化产物是,其物质的量之比为1:2
7.2018年3月5日，《Nature》连 刊两文报道了21岁的中国留美博士曹原等研究人员 制得了具有超导特性的双层石墨烯新材料。以下对 石墨烯的推测不正确的是（ ）
A.石墨烯性质稳定，不能在氧气中燃烧
B.石墨烯与石墨都具有导电性
C.石墨烯与金刚石互为同素异形体
D.石墨烯与石墨都具有较高的熔点
8.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
D.硅酸盐水泥以石灰石和黏土为主要生产原料
9.山西博物院是太原市地标性建筑之一，下列相关说法正确的是（ ）
A.展柜使用的钢化玻璃，其主要成分只有
B.墙体使用的砖瓦、水泥，都是硅酸盐材料
C.陈列的元青花瓷的原料有高岭土，也可以表示为
D.展示的青铜器上有一层绿色物质可能是碱式碳酸铜，此绿色物质不溶于盐酸
10.下列有关硅的叙述中，正确的是（ ）
A.工业上通常以为原料，用氧化剂与其反应制备单质硅
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
11.关于二氧化硅的叙述不正确的是（ ）
①二氧化硅是制造光导纤维的重要原料
②硅、碳原子最外层都有4个电子，故的物理性质与类似
③既能和氢氧化钠溶液反应也能和氢氟酸反应，是两性氧化物
④将通入溶液中有胶状沉淀生成，说明碳酸比硅酸酸性强
A.②③B.③④C.②④D.①④
12.金刚石、SiC具有优良的耐磨、耐腐蚀特性，应用广泛。
（1）一定条件下，Na与可制备金刚石，反应结束冷却至室温后，回收其中的的实验操作名称为 。推测该反应的类型为 （填字母序号）、
A.分解反应
B.置换反应
C.氧化还原反应
D.离子反应
（2）已知:。在高温电炉中碳和反应可制得，同时生成CO，其粗产品中杂质为Si和
①请写出电炉中所发生反应的化学方程式: 。
每有1 ml SiC生成时，转移电子的物质的量为 。
②现将20.0 g SiC粗产品加入过量的NaOH溶液中充分反应，收集到0.1ml氢气，过滤得siC固体11.4g，将滤液稀释到1L，则硅酸盐的物质的量浓度为 。
（3）下列关于金刚石、SiC和单质Si的说法不正确的是 （填字母序号）
A.金刚石、SiC和单质Si都属于无机非金属材料。
B.金刚石和石墨、晶体硅和无定形硅分别互为同素异形体
C.金刚石和单质硅都是良好的半导体材料
D.金刚石、SiC和Si晶体结构类似
课后作业：
一、选择题（共10题，每题5分，共50分）
1．下列溶液中①碳酸钠溶液 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
2．熔融氢氧化钠反应选用的器皿是( )
A．陶瓷坩埚 B．石英坩埚
C．普通玻璃坩埚 D．生铁坩埚
3．制备硅单质时，主要化学反应如下：
①SiO2(石英砂)＋2C(焦炭)eq \(=====,\s\up7(高温))Si(粗硅)＋2CO↑
②Si(粗硅)＋2Cl2eq \(=====,\s\up7(高温))SiCl4，
③SiCl4＋2H2eq \(=====,\s\up7(高温))Si(纯硅)＋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．①②③均为氧化还原反应
C．②为化合反应
D．三个反应的反应物中硅元素均被还原
4．硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列叙述中，正确的是( )
A．右图是常见于汽车中的小摆件“苹果花”，它的动力是以Si为原料制作的太阳能电池
B．晶体硅主要用途是制造光导纤维
C．硅是地壳中含量最多的元素
D．硅的化学性质很稳定，因此硅在自然界中以游离态形式存在
5．有关硅元素的下列叙述中正确的是( )
A．硅、碳与氢氟酸都不反应
B．硅是构成矿物岩石的主要原料，其化合态硅几乎全部是硅石和硅酸盐
C．硅与碳性质都很稳定，都能以游离态存在于自然界
D．晶体硅、石墨都可作半导体材料
6．我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是( )
A．晶体硅和金刚石的物理性质相似
B．晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应
C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵
D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电
7．下列物质中，导电性介于导体和绝缘体之间的是( )
①晶体硅 ②金属铝 ③石墨 ④晶体锗 ⑤金刚石
A．只有① B．只有⑤
C．②和③ D．①和④
8．世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：“中国至少在距今3 000年以前，就已经使用玻璃了。”下列有关普通玻璃的说法不正确的是( )
A．制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英
B．玻璃在加热熔化时有固定的熔点
C．普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅
D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起
9．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
10．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＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))CO2↑＋Na2SiO3可知，硅酸的酸性强于碳酸
二、非选择题（共2题，每题25分，共50分）
11．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________，光导纤维的主要成分是________。(填化学式)
(2)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，发生反应的化学方程式为
________________________________________________________________________。
(3)玉石的主要成分基本都属于硅酸盐，翡翠的主要成分为NaAlSi2O6，用氧化物形式表示为________________________________________________________________________。
(4)高纯度单晶硅可以按下列方法制备：
SiO2eq \(――→,\s\up7(①C),\s\d5(高温))Si(粗)eq \(――→,\s\up7(②HCl),\s\d5(300 ℃))SiHCl3eq \(――→,\s\up7(③过量H2),\s\d5(1 000～1 100 ℃))Si(纯)
写出步骤①的化学方程式：
________________________________________________________________________。
步骤②的产物经过冷凝后得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6 ℃)，提纯SiHCl3主要操作的名称是________。
步骤③需要在无水无氧环境下进行，若在有氧环境下，除了有不安全因素外，还可能使产品中混有杂质________。
12．A、B、C、D四种易溶于水的化合物只由表中的八种离子组成，且四种化合物中阴、阳离子各不相同。
已知：A溶液呈强酸性，且A溶液与B、C溶液混合均产生白色沉淀，B的焰色反应呈黄色。
回答下列问题：
(1)写出A、B、C、D的化学式：A__________，B__________，C__________，D__________。
(2)写出A溶液与B溶液反应的离子方程式：
________________________________________________________________________。
(3)请选出适合存放A、C、D溶液的试剂瓶的序号：
结构
特点
硅氧四面体
硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等
原料
制备过程
生产应用
陶瓷
黏土
原料经高温烧结而成
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
玻璃
纯碱、石灰石和石英砂
原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得
建筑材料、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维等
水泥
黏土、石灰石
原料与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再磨成细粉即得
制作混凝土，用于建筑和水利工程
新型材料
成分
性能
主要应用
金刚砂
碳原子、硅原子以共价键连接，结构类似金刚石
硬度很大、高温抗氧化性能优异
砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料
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
YBa2Cu3O7-δ、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、Tl2Ba2Ca2Cu3O10
临界温度下具有超导性
用于电力、交通、医疗领域等
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
在溶解性、磁性、非线性光学性质、光导电性等方面表现出优异性能
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
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
阴离子
Cl－、SiOeq \\al(2－,3)、OH－、NOeq \\al(－,3)
阳离子
H＋、Ag＋、Na＋、K＋
溶液
A
C
D
试剂瓶序号