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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:____________________________________________________________________。

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。

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

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。

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

【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

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

【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

【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_________。

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

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

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

【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

【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

【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

【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___________。

【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)。