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第06讲 无机非金属材料

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知识预习

一、硅酸盐的概念、结构与特点
1．概念：由硅元素、氧元素和金属元素组成的化合物。
2．结构：在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体。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．特点：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。
二、传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥

陶瓷
玻璃
水泥
主要原料
黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐）
纯碱、石灰石、石英砂（主要成分是SiO2）
黏土、石灰石
主要成分
Al2O3·2SiO2·2H2O
Na2CO3、CaCO3、SiO2
硅酸二钙、铝酸三钙等
反应原理
高温烧结而成
高温下发生复杂的物理和化学变化
用途
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
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
制混凝土，大量用于建筑和水利工程
制取玻璃的反应方程式为:____________________________________________________________________。
【答案】SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑ SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2↑
三、硅单质的物理性质与用途
1．物理性质：硅单质是带有金属光泽的灰黑色固体，其结构与金刚石类似，为空间网状结构，所以晶体硅的硬度大、熔点高。
2．用途：硅在元素周期表中处于金属与非金属的交界处，晶体硅的导电性介于导体与绝缘体之间，是一种良好的_________材料，因此晶体硅常用于制作集成电路板（硅芯片）和太阳能电池极板。
【答案】半导体

四、硅的制备
制备原理
用焦炭还原石英砂，得到含少量杂质的粗硅，然后转化为三氯硅烷，再经氢气还原。
制备流程

反应方程式

【答案】SiO2 + 2C Si + 2CO↑ Si + 3HCl SiHCl3 + H2 SiHCl3 + H2 Si + 3HCl

五、新型无机非金属材料
1. 硅和二氧化硅
（1）硅的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的___________材料，可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片，以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池。
（2）二氧化硅可用来生产___________。光导纤维的通信容量大，抗干扰性能好，传输的信号不易衰减，能有效提高通信效率。
【答案】半导体 光导纤维
2. 新型陶瓷
（1）新型陶瓷不限于传统的硅酸盐体系，如碳化硅（SiC）、高温结构陶瓷、压电陶瓷、超导陶瓷等在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能，进一步拓展了陶瓷的应用领域。
（2）碳化硅（SiC）俗称金刚砂，其中的碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1600℃，大大超过了普通金属材料所能承受的温度，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
3. 碳钠米材料
碳纳米材料是近年来人们十分关注的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，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
富勒烯
碳纳米管
石墨烯
由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。
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，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。
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。其在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。

对点训练

题型一：硅酸盐材料（传统无机非金属材料）
【变1-2】制玻璃和水泥的共同的原料是(　　)
A．二氧化硅 B．碳酸钠 C．碳酸钙 D．硅酸钠
【答案】C
【分析】
水泥的原料是粘土和石灰石，玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英，所以原料中均有石灰石即碳酸钙，据此分析解答。
【详解】
生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英，高温下，碳酸钠、碳酸钙和二氧化硅反应分别生成硅酸钠、硅酸钙；生产水泥以黏土和石灰石为主要原料，经研磨、混合后在水泥回转窑中煅烧，再加入适量石膏，并研成细粉就得到普通水泥；所以在玻璃工业、水泥工业中都用到的原料是石灰石即碳酸钙。
故选C。
【变1-4】《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙黏土而为之”“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。下列说法错误的是(　　)
A．“燃薪举火”使黏土发生了复杂的物理化学变化 B．沙子和黏土的主要成分为硅酸盐
C．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦 D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
【答案】B
【详解】
A．黏土烧制成瓦的过程中发生了复杂的物理化学变化，故A正确。
B．沙子的主要成分为二氧化硅，二氧化硅是氧化物，不属于硅酸盐，故B错误。
C．由“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”可知，故C正确。
D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料，故D正确。
故选B。
题型二：硅、二氧化硅
【变2】下列叙述错误的是
A．硅在自然界中主要以单质形式存在 B．硅是应用最为广泛的半导体材料
C．高纯度的硅可用于制造计算机芯片 D．二氧化硅可用于生产玻璃
【答案】A
【详解】
A．硅在自然界中主要以二氧化硅、硅酸盐形式存在，自然界没有游离态的硅，A错误；
B． 硅的导电性介于导体和绝缘体之间，良好的半导体材料，是应用最为广泛的半导体材料，B正确；
C．硅是良好的半导体材料，高纯度的硅可用于制造计算机芯片，C正确；
D． 二氧化硅、纯碱和石灰石可用于生产玻璃，D正确；
答案选A。
【变3】二氧化硅是一种化工原料，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，常用于制造光导纤维
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、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高
【答案】C
【详解】
A. 化学反应前后有元素化合价变化的一定是氧化还原反应，二氧化硅与碳反应生成硅单质的反应是氧化还原反应，故A错误；
B. 光导纤维的成分是二氧化硅，不是硅酸盐，故B错误；
C. 碳酸钙溶于盐酸生成氯化钙和水以及二氧化碳，二氧化硅和盐酸不反应，可以用盐酸除去石英(主要成分为SiO2)中混有的少量碳酸钙，故C正确；
D. 玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的，玻璃属于混合物，没有固定的熔点，故D错误；
故选：C。
【例4】氢氟酸是HF的水溶液，可与发生反应生成和。请写出该反应的化学方程式______。想一想为什么可以用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃_________。
【答案】 玻璃的主要成分之一为二氧化硅，而二氧化硅能与氢氟酸反应
【详解】
氢氟酸与发生反应生成和，化学方程式：；用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃是因为玻璃的主要成分之一为二氧化硅，而二氧化硅能与氢氟酸反应，故答案为：；玻璃的主要成分之一为二氧化硅，而二氧化硅能与氢氟酸反应。
题型三：高纯硅的制备
【变5-1】习主席在2020年新年贺词中强调“5G商用加速推出，凝结着新时代奋斗者的心血和汗水，彰显了不同凡响的中国风采、中国力量”，制造芯片用到高纯硅，用SiHCl3与过量H2在1100～1200℃反应制备高纯硅的装置如下图所示（热源及夹持装置略去）。

已知： SiHCl3 遇水H2O 强烈水解，在空气中易自燃。下列说法错误的是（ ）
A．装置 B 中的试剂是浓硫酸
B．实验时先打开装置C中分液漏斗的旋塞
C．装置C中的烧瓶需要加热，其目的是使滴入烧瓶中的SiHCl3气化
D．装置D不能采用普通玻璃管的原因是在反应温度下，普通玻璃管会软化
【答案】B
【详解】
A．SiHCl3 遇水H2O 强烈水解，所以H2应干燥，故装置 B 中的试剂是浓硫酸，A正确；
B．SiHCl3在空气中易自燃，实验前应排尽装置内的空气，所以应先通H2，后打开装置C中分液漏斗的旋塞，B错误；
C．SiHCl3呈液态，需转化为蒸气进入石英管中与H2反应，所以装置C中的烧瓶需要加热，C正确；
D．制高纯硅时，温度在1100～1200℃，所以D不能采用普通玻璃管，D正确；
故选B。

题型四：新型无机非金属材料
【变6-1】石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它是一种透明、良好的导体；石墨烯是由碳原子构成的单层二维蜂窝状晶格结构（如图所示）的一种碳单质新材料，它是构建富勒烯、碳纳米管的基本单元。利用石墨烯可制造晶体管、太阳能电池板等。下列有关石墨烯的说法不正确的是（）

A．石墨烯具有优良的导电、导热性能
B．石墨烯是一种新型的无机非金属材料
C．石墨烯与富勒烯的结构相同
D．石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是由碳元素组成的
【答案】C
【详解】
A．石墨烯具有良好的导热、导电性能，故A不符合题意；
B．石墨烯是新型的无机非金属材料，故B不符合题意；
C．石墨烯为单层结构，而富勒烯为球环状结构，故C符合题意；
D．石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是碳元素的单质，互为同素异形体，故D不符合题意；
故选C。

提分作业

【练1】我国已跨入“互联网＋”时代，而“互联网＋”的建设离不开无机非金属材料硅。下列物品中用到硅单质的是（ ）
A．计算机芯片 B．陶瓷餐具 C．石英钟表 D．光导纤维
【答案】A
【详解】
A．硅单质是半导体材料，可以制计算机芯片，故A正确；
B．陶瓷餐具是硅酸盐产品，主要成分为硅酸盐，故B错误；
C．石英主要成分为二氧化硅，不是单质硅，故C错误；
D．光导纤维成分为二氧化硅，是硅的氧化物，不是单质硅，故D错误；
故答案选A。
【练2】唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于（ ）
A．氧化铝 B．二氧化硅 C．硅酸盐 D．合金
【答案】C
【详解】
唐三彩、秦兵马俑制品由粘土经高温灼烧而成，属于硅酸盐产品。
故选C。
【练3】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．制造水泥的主要原料为纯碱、石灰石和石英
C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高
D．制造水泥的过程中只发生了物理变化
【答案】C
【详解】
A．陶器是人类最早使用的硅酸盐制品，A错误；
B．制造水泥的主要原料为黏土和石灰石，B错误；
C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高，C正确；
D．制造水泥的过程中发生了复杂的物理变化和化学变化，D错误；
故答案选C。
【练4】碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是

A．碳纳米管属于胶体
B．石墨烯属于有机化合物
C．C60与金刚石互为同素异形体
D．均具有相同的熔点
【答案】C
【详解】
A.碳纳米管是一种一维纳米材料，与胶粒直径吻合，需要分散到分散剂中才能形成胶体，故A错误；B.石墨烯是由石墨剥离出的单层碳原子结构的单质，不属于有机化合物，故B错误；C.富勒烯与金刚石同属于碳的单质，互为同素异形体，故C正确；D.不同的新型碳材料因结构不同应具有不同的熔点，故D错误。答案：C。
【点睛】
根据物质的组成和结构决定其性质的原则，对富勒烯、石墨烯、碳纳米管等组成和结构进行判断，在根据物质分类、物理性质、胶体概念、同素异形体进行相关选项的判断。
【练5】下列物品或设施：
①陶瓷餐具②砖瓦③混凝土桥墩④门窗玻璃⑤水晶镜片⑥石英钟⑦水晶项链⑧硅太阳能电池⑨光导纤维⑩计算机芯片
（1）使用了硅单质的是___________(填序号，下同)。
（2）使用了二氧化硅的是___________。
（3）使用了硅酸盐材料的是___________。
【答案】
（1）⑧⑩
（2）④⑤⑥⑦⑨
（3）①②③④
【解析】
（1）
硅为良好的半导体材料，可用于制太阳能，计算机芯片，即⑧硅太阳能电池；⑩计算机芯片；故答案为：⑧⑩；
（2）
所用材料为SiO2或要用到SiO2的是：④门窗玻璃（原料有二氧化硅、成分含有二氧化硅）、⑤水晶镜片、⑥石英钟、⑦水晶项链、⑨光导纤维；故答案为：④⑤⑥⑦⑨；
（3）
陶瓷、砖瓦、水泥、玻璃的成分是硅酸盐：①陶瓷餐具②砖瓦③混凝土桥墩④门窗玻璃；故答案为：①②③④。
【练6】晶体硅是信息科学和能源科学中的一种重要材料，可用于制芯片和太阳能电池等。如图所示流程是工业上制取纯硅的一种方法。

请回答下列问题：
(1)在上述生产过程中，属于置换反应的有______(填标号)。
(2)写出反应①的化学方程式：______。
(3)化合物W的用途很广，可用于制备硅胶和木材防火剂等，可作肥皂的填充剂，是天然水的软化剂。将石英砂和纯碱按一定比例混合加热至反应，可生成化合物W，其化学方程式是______。
(4)A、B、C三种气体在“节能减排”中作为减排目标的一种气体是______(填化学式)。
【答案】①②③
【分析】
根据流程中物质之间的反应，利用原子和电子守恒写出方程式，根据置换反应特点，单质和化合物反应生成单质和化合物进行判断反应类型。二氧化碳是温室效应的主要气体，也是节能减排的目标气体。
【详解】
（1）反应①为石英砂和焦炭生成粗硅和一氧化碳的反应：，属于置换反应；反应②是 ，属于置换反应；反应③是，属于置换反应；反应④为特定条件下的反应，反应物中没有单质，不属于置换反应。故属于置换反应的有：①②③。
（2）反应①为石英砂和焦炭生成粗硅和一氧化碳的反应： 。
（3）石英砂和纯碱按一定比例混合加热至反应，石英砂是二氧化硅，纯碱是碳酸钠，反应为：。
（4）气体A、B、C分别为、、，其中是温室气体，是减排的目标气体
【点睛】
此题主要是考查反应方程式，注意氧化还原反应方程式一般利用化合价的升降守恒进行配平，对于非氧化还原反应需要判断出反应机理。