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第13讲 无机非金属材料
第四章
2024
内容索引
01
02
03
考点一 硅和二氧化硅
考点二 无机非金属材料
真题演练 角度拓展
复习目标
1了解硅酸盐材料和新型无机非金属材料的性质及用途。
2了解硅和二氧化硅的性质及用途,了解高纯硅的制备。
考点一 硅和二氧化硅
必备知识 自主预诊
1.硅单质的性质和用途
2.二氧化硅的性质和用途
易错辨析
(1)SiO2既能与NaOH溶液反应,又能与氢氟酸反应,故SiO2属于两性氧化物。( × )
(2)Si可用于制造太阳能电池,SiO2可用于制造光导纤维。( √ )
(3)玻璃中的SiO2能与NaOH溶液反应,故常用NaOH溶液刻蚀玻璃生产雕花玻璃。( × )
(4)将CO2通入Na2SiO3溶液中,产生白色胶状H2SiO3沉淀,则酸性:H2CO3>H2SiO3。( √ )
关键能力 考向突破
考向 高纯硅的工业制备流程及分析
例题.(2023河北邢台名校联盟联考)高纯度晶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”。可以按下列方法制备:
下列说法不正确的是( )
B.步骤①中每生成1 mol Si,转移4 mol电子
C.高纯硅是制造太阳能电池的常用材料,二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
D.SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6 ℃),通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3
答案 A
解析 二氧化硅高温下与C反应生成CO气体,即步骤①的化学方程式为SiO2+2C Si+2CO↑,A错误;步骤①中Si的化合价由+4价降低到0价,故生成1 mol Si时转移电子为4 mol,B正确;高纯硅是半导体,是制造集成电路、太阳能电池的常用材料,二氧化硅是制造光导纤维的基本原料,C正确;SiHCl3和SiCl4的沸点相差较大,两种液体可以通过蒸馏的方法分离,D正确。
归纳总结
制备高纯硅过程中的3个易错点
对点训练
“中国芯”的发展离不开高纯单晶硅。从石英砂(主要成分为SiO2)制取高纯硅涉及的主要反应用流程表示如下:
下列说法不正确的是( )
A.反应①中氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2
B.流程中HCl和H2可以循环利用
C.反应①②③均为置换反应
D.由②③反应推测,③为放热反应
答案 D
解析 ①中SiO2与C反应生成Si和CO,氧化剂是SiO2,还原剂是C,根据得失电子守恒可知,SiO2和C的物质的量之比为1∶2,A正确;②中消耗HCl生成H2,③中消耗H2生成HCl,故流程中HCl和H2可以循环利用,B正确;反应①②③均符合“单质+化合物→新单质+新化合物”,故属于置换反应,C正确;反应③在1 100 ℃下,SiHCl3与H2生成高纯硅和HCl,应为吸热反应,D错误。
考点二 无机非金属材料
必备知识 自主预诊
1.硅酸盐材料
(1)常见硅酸盐材料比较
硅酸盐材料大都是混合物
硅酸盐材料 水泥 玻璃 陶瓷
生产原料 石灰石、黏土 纯碱、石灰石、石英 黏土
主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑
主要成分 — Na2SiO3、CaSiO3和SiO2 —
2.新型陶瓷的种类与用途
材料类型 主要特性 示例 用途
高温结 构陶瓷 耐高温、抗氧化、耐磨蚀 碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等烧结而成 可用于火箭发动机、汽车发动机、高温电极材料等
压电 陶瓷 能实现机械能与电能的相互转化 钛酸盐、锆酸盐 可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器、点火器等
透明 陶瓷 优异的光学性能,耐高温,绝缘性好 氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙 可用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导 陶瓷 在某一临界温度下电阻为零 — 可用于电力、交通、医疗等领域
3.碳纳米材料
(1)碳纳米材料是一类新型无机非金属材料,主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。
(2)三类碳纳米材料的比较
纳米材料 结构特点 主要性能 重要应用
富勒烯 由碳原子构成的一系列 笼形分子的总称,C60是富勒烯的代表物 — 开启碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳 米管 由石墨片卷成的管状物,具有纳米尺度的直径 比表面积大,有相当高的强度和优良的电学性能 可用于生产复合材料、电池和传感器等
纳米材料 结构特点 主要性能 重要应用
石墨烯 只有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 可用于生产光电器件、超级电容器、电池和复合材料等
关键能力 考向突破
考向1 传统硅酸盐材料及性能
例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错误;硅酸盐制品性质稳定、熔点高,C正确;沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸盐,D错误。
考向2 新型无机非金属材料的性能及应用
例2.(2023湖南新高考联盟联考)科技发展改变生活,近几年我国人工智能、航空航天、量子通信、生命科学大放异彩。下列说法不正确的是( )
A.“神舟”飞船航天员所使用的操纵杆采用碳纤维材料制作,碳纤维属于新型无机非金属材料
B.清华大学打造的世界首款异构融合类脑芯片——天机芯的主要材料与光导纤维的不同
C.“长征五号遥五”运载火箭中使用的氮化铝陶瓷属于新型硅酸盐材料
D.量子通信材料螺旋碳纳米管与石墨烯互为同素异形体
答案 C
解析 碳纤维是指含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维,碳纤维材料属于新型无机非金属材料,A正确;清华大学打造的世界首款异构融合类脑芯片——天机芯的主要材料是Si,光导纤维的主要材料为SiO2,B正确;氮化铝陶瓷具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点,属于新型无机非金属材料,但不是硅酸盐材料,C错误;量子通信材料螺旋碳纳米管为碳单质,石墨烯也为碳单质,两者是同种元素的不同单质,两者互为同素异形体,D正确。
归纳总结
有关无机非金属材料的4个易错点
对点训练
1.宋代五大名窑分别为:钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“入窑一色,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.氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料
C.高品质的瓷器晶莹剔透,属于纯净物
D.陶瓷属于硅酸盐材料,耐酸碱腐蚀,但是不能用来盛装氢氟酸
答案 C
解析 不同的金属氧化物颜色可能不同,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称为窑变,A正确;氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料,B正确;瓷器主要是由黏土烧结而成,瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅,是混合物,C错误;HF能与二氧化硅反应,陶瓷的成分是硅酸盐和二氧化硅,故陶瓷不能用来盛装氢氟酸,D正确。
2.材料的开发与研究助力我国航空航天事业飞速发展。下列说法正确的是( )
A.“神舟十四号”宇宙飞船返回舱外表面使用的新型高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐
B.火箭芯一级尾段使用的碳纤维材料属于新型无机非金属材料
C.“天问一号”使用的新型SiC增强铝基材料属于新型硅酸盐材料
D.中国空间站核心舱“天和号”推进器使用的氮化硼陶瓷材料属于传统无机非金属材料
答案 B
解析 新型高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料,不是硅酸盐材料,A错误;新型SiC增强铝基材料属于复合材料,不是硅酸盐材料,C错误;氮化硼陶瓷属于新型无机非金属材料,D错误。
真题演练 角度拓展
角度一传统无机非金属材料
1.(2022河北卷,1)定窑是宋代五大名窑之一,其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是( )
A.传统陶瓷是典型的绝缘材料
B.陶瓷主要成分为SiO2和MgO
C.陶瓷烧制的过程为物理变化
D.白瓷的白色是因铁含量较高
答案 A
解析 传统陶瓷是典型的绝缘材料,常用于高压变压器的开关外包装和器件,A正确;陶瓷的主要成分为硅酸盐,而不是SiO2和MgO,B错误;陶瓷烧制过程发生化学反应,有新物质生成,属于化学变化,C错误;由于Fe2+、Fe3+和铁的氧化物均有颜色,故陶瓷中含铁量越多,陶瓷的颜色越深,白瓷中铁含量较低或不含铁元素,D错误。
角度拓展
(1)(2022辽宁卷,1A)冰壶主材料花岗岩属于无机非金属材料。( )
(2)(2022湖南卷,2D)石灰石是制造玻璃和水泥的主要原料之一。( )
(3)(2021广东卷,4C)氢氟酸可与SiO2反应,故利用氢氟酸刻蚀石英制作艺术品。( )
(4)(2019全国Ⅰ卷,7B)闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成。( )
√
√
√
√
角度二新型无机非金属材料
2.(2022湖北卷,7)C60在高温高压下可转变为具有一定导电性、高硬度的非晶态碳玻璃。下列关于该碳玻璃的说法错误的是( )
A.具有自范性
B.与C60互为同素异形体
C.含有sp3杂化的碳原子
D.化学性质与金刚石有差异
答案 A
解析 自范性是晶体的性质,碳玻璃为非晶态,没有自范性,A错误;碳玻璃和C60均是由碳元素形成的不同的单质,故互为同素异形体,B正确;碳玻璃具有高硬度,物理性质与金刚石类似,因而结构具有一定的相似性,则含有sp3杂化的碳原子,C正确;金刚石与碳玻璃属于同素异形体,性质差异主要表现在物理性质上,但化学性质上也有着活性的差异,D正确。
角度拓展
(1)(2022河北卷,3A)制造5G芯片的氮化铝晶圆属于无机非金属材料。( )
(2)(2022广东卷,12A)用焦炭和石英砂可制取粗硅,故SiO2可制作光导纤维。( )
(3)(2022浙江6月选考,8A)晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间,常用于制造光导纤维。( )
(4)(2021辽宁卷,1D)高纯硅可用于制芯片。( )
√
×
×
√课时规范练13
一、选择题:每小题只有1个选项符合题意。
1.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( )
A.应用于5G手机中的石墨烯导热膜 B.用于吊装港珠澳大桥的超高分子量聚乙烯纤维吊绳 C.“嫦娥五号”探测器使用的砷化镓太阳能电池板 D.“神舟十四号”载人飞船使用的石英挠性加速度计
答案:B
解析:石墨烯是由碳元素形成的单质,属于无机非金属材料;聚乙烯纤维是有机高分子材料,不属于无机非金属材料;砷化镓是一种半导体材料,属于无机非金属材料;石英的主要成分是SiO2,属于无机非金属材料。
2.(2021福建卷,1)建盏是久负盛名的陶瓷茶器,承载着福建历史悠久的茶文化。关于建盏,下列说法错误的是( )
A.高温烧结过程包含复杂的化学变化
B.具有耐酸碱腐蚀、不易变形的优点
C.制作所用的黏土原料是人工合成的
D.属硅酸盐产品,含有多种金属元素
答案:C
解析:制造陶瓷的主要原料是黏土,由自然界中获取,不是人工合成的,C错误。
3.科学家创造了由18个碳原子构成的环碳(C18),碳原子由单键和三键交替连接在一起,结构如图所示。下列说法正确的是( )
A.C18与C60互为同系物
B.12C18和14C18互为同位素,化学性质几乎相同
C.C18和金刚石互为同分异构体
D.环碳中碳原子均达8电子稳定结构
答案:D
解析:C18与C60是组成元素相同、结构不同的两种单质,是碳元素的同素异形体,A错误;12C18和14C18均为碳单质,二者不互为同位素,B错误;C18和金刚石是组成元素相同、结构不同的两种单质,是碳元素的同素异形体,C错误;环碳中每个碳原子均参与形成1个碳碳三键、1个碳碳单键,均达8电子稳定结构,D正确。
4.(2023福建龙岩模拟)科研人员发现,在-50 ℃环境中,用水可制得直径在800 nm~10 μm的光纤,其性能与石英光纤相似。下列说法正确的是( )
A.石英光纤的主要成分是硅
B.冰的密度比液态水小,是由于前者含有更多的氢键
C.冰光纤是一种胶体,具有丁达尔现象
D.冰光纤和石英光纤都是分子晶体
答案:B
解析:石英光纤的主要成分是二氧化硅,A错误;水分子间存在氢键,冰中水分子空间排列有规则,分子间存在较多的氢键,增大了水分子之间的距离,故冰的密度比液态水小,B正确;冰光纤的构成微粒只有H2O一种,属于纯净物,不属于胶体,不具有丁达尔现象,C错误;冰光纤的构成微粒是H2O,属于分子晶体,而石英光纤则属于共价晶体,二者的晶体类型不相同,D错误。
5.寿山石是中国传统四大印章石之一,含叶蜡石、高岭石(含SiO2、Al2O3等)等黏土矿物。下列说法错误的是( )
A.寿山石的硬度与金刚石相当
B.叶蜡石、高岭石的主要成分属于硅酸盐
C.寿山石的红色条纹与Fe2O3含量有关
D.寿山石印章要避免与强酸、强碱接触
答案:A
解析:寿山石是中国传统四大印章石之一,雕刻印章时通常用钢刀或金刚石进行,故寿山石的硬度比金刚石小,A错误;黏土的成分属于硅酸盐,故叶蜡石、高岭石的主要成分属于硅酸盐,B正确;Fe2O3是一种红棕色粉末,寿山石的红色条纹与Fe2O3的含量有关,C正确;寿山石中含有Al2O3,Al2O3既能与强酸反应又能与强碱反应,故寿山石印章要避免与强酸、强碱接触,D正确。
6.碳纳米管可看作多层石墨烯无缝卷曲而成的直径为10~20 nm的中空管状结构,下列说法错误的是( )
A.石墨烯和碳纳米管互为同素异形体
B.石墨烯中只存在非极性键
C.碳纳米管是一种胶体
D.石墨烯可用于制造超级电容、电池等
答案:C
解析:同素异形体是同种元素组成的不同单质,石墨烯和碳纳米管互为同素异形体,A正确;石墨烯中只存在碳碳键,属于非极性键,B正确;碳纳米管是碳单质,为纯净物,不是胶体,C错误;石墨烯的电阻率低,热导率高,具有很高的强度,可用于制造超级电容、电池等,D正确。
7.(2023吉林省吉林市调研)制作芯片的刻蚀液为硝酸与氢氟酸的混合液,制作工艺涉及的反应为Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2↑+H2O。下列说法错误的是( )
A.此反应不能在玻璃容器中进行
B.由此反应可判断氢氟酸是强酸
C.氧化性:HNO3>H2SiF6
D.标准状况下,生成1.12 L H2时,转移电子的物质的量为0.2 mol
答案:B
解析:氢氟酸能腐蚀玻璃,此反应不能在玻璃容器中进行,A正确;该反应为氧化还原反应,HF是弱酸,B错误;氧化剂的氧化性大于氧化产物,则氧化性:HNO3>H2SiF6,C正确;根据反应方程式关系式Si~HNO3~H2SiF6~HNO2~H2↑~4e-,则标准状况下,生成1.12 L H2(0.05 mol)时,转移电子的物质的量为0.2 mol,D正确。
8.Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一,其相关性质的说法不正确的是( )
A.可发生反应:Ca3SiO5+4NH4ClCaSiO3+2CaCl2+4NH3↑+2H2O
B.具有吸水性,需要密封保存
C.能与SO2反应生成新盐
D.与足量盐酸作用,所得固体产物主要为SiO2
答案:D
解析:Ca3SiO5可以表示为CaSiO3·2CaO,CaO与水反应生成Ca(OH)2,Ca(OH)2继续与NH4Cl反应生成CaCl2、NH3和H2O,A正确;CaO具有吸水性,推测Ca3SiO5具有吸水性,B正确;CaO是碱性氧化物,能与SO2反应生成CaSO3,C正确;CaSiO3与盐酸反应生成CaCl2和H2SiO3沉淀,所得固体为H2SiO3,D错误。
9.SiO2是一种化工原料,可以制备一系列物质。下列说法正确的是( )
A.图中所有反应都不属于氧化还原反应
B.硅酸盐的化学性质稳定,常用于制作光导纤维
C.可用盐酸除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙
D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的,其熔点是固定的
答案:C
解析:图中SiO2与CaO、CaCO3、Na2CO3的反应不属于氧化还原反应,SiO2与C、Si与Cl2、SiCl4与H2的反应属于氧化还原反应,A错误;光导纤维的主要成分是SiO2而不是硅酸盐,B错误;玻璃没有固定的熔点,D错误。
10.氮化硅(Si3N4)是一种重要的结构陶瓷材料。用石英砂和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流程如下(粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物):
下列叙述不正确的是( )
A.“还原”步骤中焦炭主要被氧化为CO
B.“高温氮化”反应的化学方程式为3Si+2N2Si3N4
C.“操作X”可将原料气通过灼热的铜粉
D.“稀酸Y”可选用稀硝酸或稀硫酸
答案:D
解析:焦炭与石英砂发生反应SiO2+2CSi+2CO↑,焦炭被氧化成CO,A正确;“高温氮化”是Si与N2化合生成Si3N4,化学方程式为3Si+2N2Si3N4,B正确;原料气中含有N2和少量的O2,氧气能与Cu反应生成CuO,N2不与Cu反应,操作X可以得到纯净氮气,因此C正确;粗硅中含有少量Fe和Cu,即Si3N4中含有少量Fe和Cu,Fe、Cu与稀硝酸反应,得到可溶于水的Fe(NO3)3和Cu(NO3)2,稀硝酸可以除去Si3N4中Fe和Cu,由于Cu不溶于稀硫酸,故不能用稀硫酸,D错误。
二、非选择题
11.(2023天津河西区模拟)硅及其化合物在生活生产中有广泛应用。请按要求回答下列问题。
(1)工业上制备高纯硅的示意图如下:
①根据下图所示物质反应过程中的能量变化,写出用石英砂和焦炭制取粗硅,同时生成CO的热化学方程式: 。
②步骤Ⅱ产物中含有SiHCl3(沸点为33.0 ℃),还有少量SiCl4(沸点为57.6 ℃)和HCl(沸点为-85.1 ℃)。若先将步骤Ⅱ产物降至室温,提纯SiHCl3,方法是 。所用到的玻璃仪器除酒精灯、温度计、锥形瓶、尾接管外,还需要 、 。
(2)已知:硅的最高价氧化物对应的水化物有H2SiO3和原硅酸()。常温下,H2SiO3:=2.0×10-10、=1.0×10-12;H2CO3:=4.5×10-7、=4.7×10-11。
①向盛有饱和Na2SiO3溶液(滴有酚酞溶液)的试管中通入足量CO2;充分反应后,用激光笔照射上述液体时发现有光亮的通路。预测液体颜色的变化: ;写出该反应的离子方程式: 。
②写出原硅酸脱水得到的产物(写两种) 、 。
答案:(1)①SiO2(s)+2C(s)Si(s)+2CO(g) ΔH=+638.4 kJ· mol-1 ②蒸馏 蒸馏烧瓶 直形冷凝管
(2)①溶液红色变浅至褪色 Si+2CO2+2H2OH2SiO3(硅胶)+2HC ②H2SiO3 SiO2
解析:(1)①根据两个反应过程能量变化图像可知:Si(s)+O2(g)SiO2(s) ΔH=-859.4 kJ· mol-1、2C(s)+O2(g)2CO(g) ΔH=-221.0 kJ· mol-1,用第二个方程式减去第一个方程式得出热化学方程式:SiO2(s)+2C(s)Si(s)+2CO(g) ΔH=+638.4 kJ· mol-1。②SiHCl3(沸点为33.0 ℃)、SiCl4(沸点为57.6 ℃)、HCl(沸点为-85.1 ℃),它们的沸点不同,根据沸点的不同实现物质分离的方法为蒸馏或分馏,所用到的玻璃仪器除酒精灯、温度计、锥形瓶、尾接管外还需要蒸馏烧瓶和直形冷凝管。
(2)①Na2SiO3溶液中Si发生水解而使溶液呈碱性,滴加酚酞开始溶液为红色,随着CO2通入,Na2SiO3反应生成H2SiO3,溶液碱性减弱,溶液由红色逐渐变无色;弱酸的电离平衡常数越大其酸性越强,根据题给数据可得酸性:H2CO3>H2SiO3>HC>HSi,则Na2SiO3溶液与过量CO2反应生成硅酸和碳酸氢钠:Si+2CO2+2H2OH2SiO3(硅胶)+2HC。②原硅酸()脱去一分子水得到的产物是H2SiO3,脱去两分子水得到的产物是SiO2。
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