資源簡介

中小學教育資源及組卷應用平臺
第21講　無機非金屬材料　
【備考目標】　1.掌握Si元素的單質及其重要化合物的性質及應用。2.掌握無機非金屬材料的性質和用途。
考點1　硅和二氧化硅　 硅酸、硅酸鹽
1．硅單質
2．二氧化硅
3．硅酸
4．硅酸鹽
(1)硅酸鹽是由硅、氧與其他化學元素結合而成的化合物的總稱，是構成地殼巖石的主要成分。
(2)硅酸鈉：硅酸鈉溶液俗稱水玻璃，是無色黏稠液體，常用于制備黏合劑、防腐劑、耐火材料。
(3)硅酸鹽組成的表示方法
通常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示硅酸鹽的組成。
①氧化物的書寫順序：活潑金屬氧化物→較活潑金屬氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物間以“·”隔開。
②各元素的化合價保持不變，且滿足化合價代數和為零，各元素原子個數比符合原來的組成。
如硅酸鈉(Na2SiO3)可表示為Na2O·SiO2，長石(KAlSi3O8)可表示為K2O·Al2O3·6SiO2。
【基點判斷】(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)硅在自然界中只以化合態的形式存在(√ )
(2)晶體硅熔點高、硬度大，故可用于制作半導體材料(× )
(3)Si和SiO2都可用于制造光導纖維(× )
(4)硅的化學性質不活潑，常溫下不與任何物質反應(× )
(5)SiO2是酸性氧化物，可溶于強堿(如NaOH)，不溶于任何酸(× )
(6)水玻璃是一種特殊的玻璃，泡花堿屬于堿(× )
題組練習
一、硅及其化合物的性質
1．硅及其化合物的應用范圍很廣。下列說法正確的是(　　 )
A．硅是人類將太陽能轉換為電能的常用材料
B．粗硅制備單晶硅不涉及氧化還原反應
C．反應Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑中，Si為氧化劑
D．硅能與氫氟酸反應，則硅也可以與鹽酸反應
解析：選A。由粗硅制備單晶硅的過程一般為SiSiHCl3Si＋HCl，都是氧化還原反應，B項錯誤；反應中Si為還原劑，C項錯誤；硅不能與鹽酸反應，D項錯誤。
2．下列關于二氧化硅的說法正確的是(　　 )
A．二氧化硅是酸性氧化物，因此能與水反應生成硅酸
B．二氧化硅制成的光導纖維，由于導電能力強而被用于制造光纜
C．二氧化硅能與碳酸鈉固體在高溫時發生反應
D．用二氧化硅制取單質硅時，當生成2.24 L氣體(標準狀況)時，得到2.8 g硅
解析：選C。二氧化硅是酸性氧化物，但是二氧化硅不溶于水，與水不反應，故A錯誤；二氧化硅制成的光導纖維，由于其良好的光學特性而被用于制造光纜，故B錯誤；在高溫時，二氧化硅能與碳酸鈉固體反應生成硅酸鈉和二氧化碳，故C正確；由化學方程式SiO2＋2CSi＋2CO↑可知，當生成2.24 L(標準狀況)即0.1 mol氣體時，得到0.05 mol即1.4 g硅，故D錯誤。
二、純硅的制備
3．高純度晶硅是典型的無機非金屬材料，它可以按下列方法制備：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(純)
下列說法不正確的是(　　 )
A．步驟①的化學方程式：SiO2＋2CSi＋2CO↑
B．步驟①中每生成1 mol Si，轉移4 mol電子
C．步驟③中的反應為氧化還原反應
D．高純硅是制造手機芯片的常用材料，SiO2是制造太陽能電池的基本原料
解析：選D。步驟①的化學方程式：SiO2＋2CSi＋2CO↑，A正確；依據化學方程式SiO2＋2CSi＋2CO↑可知，反應中硅從＋4價降為0價，每生成1 mol Si，轉移4 mol電子，B正確；步驟③中氫氣與三氯氫硅反應生成硅和氯化氫，氫、硅元素化合價發生變化，屬于氧化還原反應，C正確；硅為良好的半導體材料，是制造太陽能電池的常用材料，二氧化硅具有良好的光學特性，是制造光導纖維的基本原料，D錯誤。
4．碳、硅及其化合物的開發由來已久，在現代生活中有廣泛應用。
(1)實驗室盛放氫氧化鈉溶液的試劑瓶應使用橡膠塞，而不用玻璃塞。請用反應的化學方程式解釋原因___________________________________________________________。
(2)高純硅是現代信息、半導體和光伏發電等產業都需要的基礎材料。工業上制取高純硅有多種路線，其中一種工藝流程示意圖如下：
①用石英砂和焦炭在電弧爐中制粗硅，該反應的化學方程式為____________________________________。
②該工藝流程中可以循環利用的物質有______________(寫化學式)。
(3)某實驗室利用SiHCl3(沸點33.0 ℃)與過量H2在1 000 ℃～1 100 ℃反應制得純硅。已知SiHCl3能與H2O劇烈反應，在空氣中易自燃。裝置如圖所示(熱源及夾持裝置略去)。
①裝置B中的試劑是________。裝置C中的燒瓶需要加熱，其目的是________________________。
②反應一段時間后，裝置D中觀察到的現象是_________________________。
③SiHCl3與水反應，生成兩種酸和一種單質，寫出SiHCl3與水反應的化學方程式：
________________________________________________________________________。
解析：(1)因為氫氧化鈉溶液和SiO2反應，所以裝氫氧化鈉溶液的試劑瓶不能用玻璃塞，其化學方程式為：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3具有黏合性。
(2)石英砂的主要成分是二氧化硅，用石英砂和焦炭在電弧爐中制粗硅，該反應的化學方程式為SiO2＋2CSi＋2CO↑；粗硅與氯化氫在流化床反應器中加熱反應生成SiHCl3和H2，SiHCl3再與氫氣在還原爐中加熱反應得到高純度的硅，可知可以循環利用的物質有HCl、H2。
(3)SiHCl3能與H2O強烈反應，需要用濃硫酸干燥氫氣；反應需要的溫度比較高，應在D中反應，SiHCl3的沸點較低，C中的燒瓶需要加熱是為了使滴入燒瓶中的SiHCl3氣化；裝置D中有硅單質生成，即有固體物質生成。
答案：(1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
(2)①SiO2＋2CSi＋2CO↑
②HCl、H2
(3) ①濃硫酸　使滴入燒瓶中的SiHCl3氣化進入D中　②有固體物質生成
③SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl↑(或SiHCl3＋4H2O===H4SiO4↓＋H2↑＋3HCl↑)
考點2　無機非金屬材料
1．傳統無機非金屬材料
水泥 玻璃 陶瓷
生產原料 石灰石、黏土 純堿、石灰石、石英砂 黏土
主要設備 水泥回轉窯 玻璃窯 陶瓷窯
2.新型陶瓷
材料類型 主要特性 示例 用途
高溫結構陶瓷 耐高溫、抗氧化、耐磨蝕 碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒結而成 火箭發動機、汽車發動機、高溫電極材料等
壓電陶瓷 實現機械能與電能的相互轉化 鈦酸鹽、鋯酸鹽 濾波器、揚聲器、超聲波探傷器、點火器等
透明陶瓷 優異的光學性能，耐高溫，絕緣性好 氧化鋁、氧化釔、氮化鋁、氟化鈣 高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等
超導陶瓷 在某一臨界溫度下電阻為零 — 可用于電力、交通、醫療等領域
3.碳納米材料
富勒烯 碳納米管 石墨烯
是由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱，其中C60是代表物 具有納米尺度的直徑，比表面積大，有相當高的強度和優良的電學性能 是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨，電阻率低、熱導率高，有很高的強度
【基點判斷】(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)玻璃是一種晶體，有較高的熔點(× )
(2)碳化硅俗稱金剛砂，它可用于高溫結構陶瓷的制作(√ )
(3)壓電陶瓷能實現機械能與電能的相互轉化(√ )
題組練習
1．“九秋風露越窯開，奪得千峰翠色來”是贊譽越窯秘色青瓷的詩句，描繪我國古代精美的青瓷工藝品。玻璃、水泥和陶瓷均為硅酸鹽制品，下列有關說法中正確的是(　　 )
A．玻璃是人類最早使用的硅酸鹽制品 B．制水泥的原料為純堿、石灰石和石英砂
C．硅酸鹽制品的性質穩定、熔點較高 D．沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽
解析：選C。陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽制品，A項錯誤；純堿、石灰石和石英砂是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B項錯誤；硅酸鹽制品性質穩定、熔點較高，C項正確；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸鹽，D項錯誤。
2．硅及其化合物是帶來人類文明的重要物質。下列說法正確的是(　　 )
A．陶瓷、水晶、水泥、玻璃都屬于硅酸鹽產品
B．水玻璃是純凈物，可用于生產黏合劑和防火劑
C．某硅酸鹽的化學式為KAlSi3O8，可用K2O·Al2O3·6SiO2表示
D．高純硅可用于制造光導纖維，高純二氧化硅可用于制造太陽能電池
解析：選C。水晶的主要成分為SiO2，不屬于硅酸鹽產品，A錯誤；水玻璃是Na2SiO3的水溶液，屬于混合物，B錯誤；用于制造光導纖維的是二氧化硅，用于制造太陽能電池的是高純硅，D錯誤。
3．(人教必修第二冊P25T2)下列物品或設施：
①陶瓷餐具　②磚瓦　③混凝土橋墩　④門窗玻璃　⑤水晶鏡片　⑥石英鐘　⑦水晶項鏈　⑧硅太陽能電池　⑨石英光導纖維　⑩計算機芯片
(1)含有硅單質的是____________(填序號，下同)。
(2)含有二氧化硅的是____________。
(3)含有硅酸鹽的是____________。
答案：(1)⑧⑩　(2)④⑤⑥⑦⑨　 (3)①②③④
高考真題
1．(2022·河北高考)定窯是宋代五大名窯之一，其生產的白瓷聞名于世。下列說法正確的是(　　 )
A．傳統陶瓷是典型的絕緣材料 B．陶瓷主要成分為SiO2和MgO
C．陶瓷燒制的過程為物理變化 D．白瓷的白色是因鐵含量較高
解析：選A。陶瓷是良好的絕緣體，傳統陶瓷是典型的絕緣材料，常用于高壓變壓器的開關外包裝和器件，A正確；陶瓷的主要成分為硅酸鹽，而不是SiO2和MgO，B錯誤；陶瓷燒制過程中發生復雜的反應，有新物質生成，屬于化學變化，C錯誤；由于Fe2＋、Fe3＋和鐵的氧化物均有顏色，故陶瓷中含鐵量越多，陶瓷的顏色越深，白瓷的白色是因為鐵含量較低甚至幾乎不含，D錯誤。
2．(2023·湖北高考)工業制備高純硅的主要過程如下：
石英砂粗硅SiHCl3高純硅
下列說法錯誤的是(　　)
A．制備粗硅的反應方程式為SiO2＋2CSi＋2CO↑
B．1 mol Si含Si—Si鍵的數目約為4×6.02×1023
C．原料氣HCl和H2應充分去除水和氧氣
D．生成SiHCl3的反應為熵減過程
解析：選B。石英砂(SiO2)和焦炭在高溫下反應生成Si和CO，A正確；Si晶體中每個Si原子與4個Si原子成鍵，平均1個Si原子形成2個Si—Si鍵，故1 mol Si所含Si—Si鍵的數目為2×6.02 ×1023，B錯誤；SiHCl3易水解，氫氣中混有氧氣可能會發生爆炸，故原料氣HCl和H2應充分去除水和氧氣，C正確；Si(s)＋3HCl(g)SiHCl3(g)＋H2(g)為氣體分子數減小的反應，為熵減反應，D正確。
3．(2023·山東高考)三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高純硅的重要原料，常溫下為無色液體，沸點為31.8 ℃，熔點為－126.5 ℃，易水解。實驗室根據反應Si＋3HClSiHCl3＋H2，利用如下裝置制備SiHCl3粗品(加熱及夾持裝置略)。回答下列問題：
(1)制備SiHCl3時進行操作：(ⅰ)……；(ⅱ)將盛有硅粉的瓷舟置于管式爐中；(ⅲ)通入HCl，一段時間后接通冷凝裝置，加熱開始反應。操作(ⅰ)為_________________________；
判斷制備反應結束的實驗現象是__________________________________________。
圖示裝置存在的兩處缺陷是_____________________________________________。
(2)已知電負性Cl>H>Si，SiHCl3在濃NaOH溶液中發生反應的化學方程式為
________________________________________________________________________。
(3)采用如下方法測定溶有少量HCl的SiHCl3純度。
m1 g樣品經水解、干燥等預處理過程得硅酸水合物后，進行如下實驗操作：①________，②________(填操作名稱)，③稱量等操作，測得所得固體氧化物質量為m2 g，從下列儀器中選出①、②中需使用的儀器，依次為________(填字母)。測得樣品純度為__________(用含m1、m2的代數式表示)。
解析：(1)利用Si和HCl(氣體)的反應制備SiHCl3，實驗前要檢查裝置氣密性，故操作(ⅰ)為檢查裝置氣密性。制備反應結束時，Si完全反應，SiHCl3(常溫下為無色液體)不再增加，則實驗現象是管式爐中固體消失、蒸餾燒瓶中無液體滴下。裝置中冷凝管的作用是冷凝SiHCl3，球形冷凝管中會有較多SiHCl3殘留，應該選擇直形冷凝管，SiHCl3容易水解，D中水蒸氣容易進入C中，C和D之間應增加吸收水蒸氣的裝置，NaOH溶液吸收HCl，但不吸收H2，D裝置后應增加處理H2的裝置。(2)已知電負性Cl>H>Si，則SiHCl3中Cl、H為－1價，Si為＋4價，SiHCl3在濃NaOH溶液中反應生成Na2SiO3、H2、NaCl，配平化學方程式為SiHCl3 ＋5NaOH===Na2SiO3＋ H2 ↑＋3NaCl ＋2H2O。(3)由后續操作可知，SiHCl3水解得到的硅酸水合物要先在坩堝中灼燒(得到SiO2)，然后在干燥器中冷卻干燥SiO2，使用的儀器分別為A、C。根據原子守恒可得關系式SiHCl3～ SiO2，則m1 g樣品中SiHCl3的質量為m2 g×，故樣品純度為m2 g×÷m1 g×100%＝×100%。
答案：(1)檢查裝置氣密性 　 管式爐中固體消失、蒸餾燒瓶中無液體滴下　使用球形冷凝管冷凝SiHCl3，C和D之間缺少干燥裝置，沒有處理氫氣的裝置(任寫其二)　(2) SiHCl3 ＋5NaOH===Na2SiO3 ＋H2 ↑＋3NaCl＋2H2O　 (3)灼燒　冷卻干燥　AC　×100%
鞏固練習
一、選擇題(每題5分，共10題，共50分)
1．中國將加速建設新能源供給消納體系。硅基能源逐步取代碳基能源的革命，必須舉全國之力破解芯片技術受制于人的困局。以下說法不正確的是(　　 )
A．碳基能源主要指煤、石油、天然氣，我國的煤炭資源稟賦優于石油
B．硅在地殼中的含量僅次于氧，從沙子到芯片，硅發生了還原反應
C．半導體工藝中一般需要在晶硅中摻雜第ⅢA族與第ⅤA族元素
D．半導體工藝中用到的刻蝕劑——電子級氟化氫可加壓保存在玻璃罐體中
解析：選D。碳基能源主要指煤、石油、天然氣，我國的煤炭儲量及開發技術均優于石油，A正確；硅在地殼中的含量僅次于氧，從沙子到芯片，硅由SiO2轉化為硅單質，發生了還原反應，B正確；氟化氫可與玻璃容器中的二氧化硅發生反應，D錯誤。
2．(人教必修第二冊P25T1變式)下列說法中不正確的是(　　 )
A．硅晶片是生產芯片的基礎材料
B．芯片制造中的“光刻技術”是利用光敏樹脂在曝光條件下成像，該過程涉及化學變化
C．硅在自然界中主要以單質形式存在
D．硅是應用最廣泛的半導體材料
解析：選C。硅晶片是優良的半導體材料，是生產芯片的基礎材料，A正確；光敏樹脂在曝光條件下成像時有新物質生成，屬于化學變化，B正確；硅元素是親氧元素，在自然界中主要以二氧化硅和硅酸鹽的形式存在，不存在硅單質，C錯誤；硅是優良的半導體材料，可用于制造和生產芯片，應用廣泛，D正確。
3．(2023·廣東名校聯考)明代“釉里紅梅瓶”是南京博物館的鎮館之寶。燒造“釉里紅”，需要將以銅元素為呈色劑的彩料，精準地在1 300 ℃窯火中一次燒成，下列有關說法不正確的是(　　 )
A．陶瓷是以黏土為主要原料經高溫燒結而成，屬于傳統無機非金屬材料
B．黏土可以表示為Al2O3·2SiO2·2H2O，是由幾種氧化物組成的混合物
C．“釉里紅”燒造時發生的反應可能為4CuO2Cu2O＋O2↑
D．“釉里紅”瓷器保存時應避開酸性物質，避免損傷釉彩
解析：選B。陶瓷是以黏土為主要原料經高溫燒結而成，屬于具有耐高溫、耐腐蝕特性的傳統無機非金屬材料，A正確；黏土主要是由硅酸鹽構成的混合物，不是由幾種氧化物組成的混合物，B錯誤； “釉里紅”的顏色說明燒造時有磚紅色的氧化亞銅生成，可能發生的反應為氧化銅在高溫條件下分解生成氧化亞銅和氧氣，反應的化學方程式為4CuO2Cu2O＋O2↑，C正確；氧化亞銅能與酸溶液反應生成銅、銅離子和水，所以“釉里紅”瓷器保存時應避開酸性物質，避免損傷釉彩，D正確。
4．新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成為物理、化學、材料科學研究的國際熱點課題。其結構模型如圖所示：
下列有關說法正確的是(　　 )
A．石墨烯是一種新型化合物
B．氧化石墨烯即石墨烯的氧化物
C．二者和石墨都是碳的同素異形體
D．氧化石墨烯具有一定的親水性
解析：選D。石墨烯是碳的單質，A錯誤；氧化石墨烯含有氫元素，故不是石墨烯的氧化物，也不是碳的同素異形體，B、C錯誤；由于氧化石墨烯結構中含有的羥基和羧基為親水基團，所以它具有一定的親水性，D正確。
5．(2023·浙江名校聯考)南海一號博物館，又稱廣東海上絲綢之路博物館，位于廣東陽江市海陵島試驗開發區的“十里銀灘”上，其建筑特色鮮明，設計創意獨特，緊扣海的主題，體現了海洋文化與南方建筑風格的柔美組合。下列相關說法正確的是(　　 )
A．展柜使用的鋼化玻璃的主要成分只有SiO2
B．墻體使用的磚瓦、水泥是硅酸鹽制品
C．陳列的元青花瓷的原料有高嶺土[Al2Si2O5(OH)4]，也可以表示為Al2O3·SiO2·H2O
D．展示的青銅器上有一層綠色物質，此綠色物質可能是堿式碳酸銅，它不溶于鹽酸
解析：選B。鋼化玻璃與普通玻璃的成分相同(只是制造的工藝不同)，主要成分是硅酸鈉、硅酸鈣和二氧化硅，A錯誤；磚瓦和水泥都是硅酸鹽制品，B正確；高嶺土[Al2Si2O5(OH)4]應該表示為Al2O3·2SiO2·2H2O，C錯誤；銅綠是堿式碳酸銅，該物質可以與鹽酸反應生成氯化銅、二氧化碳和水而溶解，D錯誤。
6．下列敘述正確的是(　　 )
A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以兩者物理性質相似
B．因為CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸強
C．CO2和SiO2都能與碳反應，且都作氧化劑
D．SiO2既能和NaOH反應，又能和HF反應，所以SiO2屬于兩性氧化物
解析：選C。CO2的熔、沸點低，可溶于水，SiO2的熔、沸點高，硬度大，不溶于水，兩者都是酸性氧化物，和其物理性質沒有因果關系，A錯誤；CaCO3和SiO2反應是因為生成的CO2為氣體，脫離反應體系，促使反應正向進行，不能說明H2CO3的酸性比H2SiO3弱，B錯誤；SiO2和HF反應是SiO2的特殊性質，不能說明SiO2是兩性氧化物，D錯誤。
7．科學家最近用金屬鈉還原CCl4和SiCl4制得一種一維SiC納米棒，相關反應的化學方程式為8Na＋CCl4＋SiCl4===SiC＋8NaCl。下列說法不正確的是(　　 )
A．SiC和SiO2中Si元素的化合價相同
B．上述反應中SiC既是氧化產物又是還原產物
C．SiO2制備單質Si、單質Si制備SiCl4均涉及氧化還原反應
D．一維SiC納米棒比表面積大，對微小粒子有較強的吸附能力
解析：選B。SiC和SiO2中Si元素的化合價均為＋4價，A項正確；SiC是還原產物，NaCl是氧化產物，B項錯誤；SiO2制備單質Si需加入還原劑，單質Si制備SiCl4需加入氧化劑，C項正確；一維粒子上下表面均能與其他物質接觸，比表面積大，對微小粒子有較強的吸附能力，D項正確。
8．實驗室用H2還原SiHCl3(沸點：31.85 ℃)制備高純硅的裝置如圖所示(夾持裝置和尾氣處理裝置略去)，下列說法正確的是(　　 )
A．裝置Ⅱ、Ⅲ中依次盛裝的是濃H2SO4、冰水
B．實驗時，應先加熱管式爐，再打開活塞K
C．為鑒定制得的硅中是否含微量鐵單質，需要用到的試劑為鹽酸、雙氧水、硫氰化鉀溶液
D．該實驗中制備氫氣的裝置也可用于稀氫氧化鈉溶液與氯化銨固體反應制備氨
解析：選C。本題制備高純硅，反應H2＋SiHCl3Si＋3HCl應在裝置Ⅳ中進行，裝置Ⅰ的目的是制備氫氣，氫氣中含有水蒸氣，對后續實驗產生干擾，必須除去，因此裝置Ⅱ的作用是除去氫氣中的水蒸氣，即裝置Ⅱ中盛放濃硫酸，裝置Ⅲ的作用是提供SiHCl3氣體，因此應水浴加熱，A錯誤；實驗時應先通入氫氣，目的是排出裝置中的空氣，防止發生危險，B錯誤；硅單質不與鹽酸反應，鐵與鹽酸反應生成Fe2＋，Fe2＋被H2O2氧化成Fe3＋，Fe3＋與KSCN溶液反應，溶液變紅色，可以鑒定是否含有鐵單質，C正確；用稀NaOH溶液制備氨，需要加熱，裝置Ⅰ中沒有加熱裝置，因此不能制備氨，D錯誤。
9．(2023·安徽宿州聯考)工業上采用Si與HCl在350 ℃左右的條件下反應生成SiHCl3，之后將SiHCl3還原、結晶得到高純度的單晶硅產品。已知SiHCl3的熔點為－128 ℃，沸點為33 ℃，且遇O2與H2O均劇烈反應。現要在實驗室中制取少量SiHCl3，其實驗裝置如下圖所示，下列說法不正確的是(　　 )
A．不可以用無水CaCl2、硅膠等固體干燥劑替換干燥管中的堿石灰
B．使用濃H2SO4和NaCl混合加熱制取HCl利用了濃H2SO4的難揮發性
C．冰鹽浴的目的為降低收集容器的溫度，使SiHCl3冷凝為液體
D．工業上用過量焦炭與石英砂混合冶煉粗硅，其反應為SiO2＋CSi＋CO2↑
解析：選D。干燥管中的堿石灰是堿性干燥劑，可以吸收HCl尾氣，并可以防止空氣中的水分進入收集容器，不能用無水CaCl2、硅膠等固體干燥劑替換，A正確；使用濃H2SO4和NaCl混合加熱制取HCl利用了濃H2SO4的高沸點、難揮發性，B正確；由于SiHCl3的熔點為－128 ℃，沸點為33 ℃，所以冰鹽浴的目的為降低收集容器的溫度，使SiHCl3冷凝為液體，C正確；工業上用過量的焦炭與石英砂混合冶煉粗硅，發生反應產生Si、CO，反應的化學方程式為SiO2＋2CSi＋2CO↑，D錯誤。
10．多晶硅是單質硅的一種形態，是制造硅拋光片、太陽能電池及高純硅芯片的主要原料。已知第三代工業制取多晶硅流程如圖所示：
下列說法錯誤的是(　　 )
A．Y、Z分別為H2、Cl2
B．制取粗硅的過程中焦炭與石英會發生副反應生成碳化硅，在該副反應中，氧化劑與還原劑的物質的量之比為1∶1
C．SiHCl3極易水解，其完全水解的產物為H2SiO3、H2、HCl，據此推測SiHCl3中硅元素的化合價為＋4
D．Y與SiHCl3制備多晶硅的反應屬于置換反應
解析：選B。電解飽和食鹽水生成氫氧化鈉、氫氣和氯氣，Y和Z可用于合成SiHCl3，其中Y還能將硅從其化合物中還原出來，這說明Y、Z分別是H2、Cl2，A正確；制取粗硅的過程中焦炭與石英會發生副反應生成碳化硅，反應的化學方程式為3C＋SiO2SiC＋2CO↑，在該副反應中碳既是氧化劑又是還原劑，氧化劑與還原劑的物質的量之比為1∶2，B錯誤；SiHCl3水解產生H2，故其中H是－1價，Cl是－1價，則硅元素的化合價為＋4價，C正確； H2與SiHCl3制備多晶硅的反應為SiHCl3＋H2Si＋3HCl，屬于置換反應，D正確。
二、非選擇題(共2題，共30分)
11．(12分)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分為CaO、SiO2，并含有一定量的鐵、鋁和鎂等金屬的氧化物。實驗室測定水泥樣品中鈣含量的過程如圖所示：
回答下列問題：
(1)在分解水泥樣品過程中，以鹽酸為溶劑，氯化銨為助溶劑，還需加入幾滴硝酸。加入硝酸的目的是____________________________________，還可使用____________代替硝酸。(4分)
(2)沉淀A的主要成分是____________，其不溶于強酸但可與一種弱酸反應，該反應的化學方程式為_____________________________________________________________。(4分)
(3)加氨水過程中加熱的目的是__________________________________。沉淀B的主要成分為____________、____________(寫化學式)。 (4分)
解析：(1)水泥熟料中的CaO和鐵、鋁、鎂等金屬的氧化物均能溶于鹽酸，加入硝酸能將水泥樣品中可能含有的Fe2＋氧化為Fe3＋，為了不引入新雜質，還可用H2O2代替硝酸。(2)根據圖示流程可知，不溶于鹽酸和硝酸的沉淀A為SiO2，SiO2能溶于弱酸氫氟酸，生成SiF4和H2O。(3)加入氨水調節溶液的pH＝4～5的過程中加熱，能防止膠體生成，易使沉淀分離，結合流程圖可知，沉淀B的主要成分是Al(OH)3和Fe(OH)3。
答案：(1)將樣品中可能存在的Fe2＋氧化為Fe3＋　H2O2
(2)SiO2　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
(3)防止膠體生成，易使沉淀分離　Al(OH)3　Fe(OH)3
12．(18分)硅是帶來人類文明的重要元素之一，從傳統材料到信息材料的發展過程中創造了一個又一個奇跡。
(1)新型陶瓷Si3N4的熔點高、硬度大、化學性質穩定。工業上可以采用化學氣相沉積法，在H2的保護下，使SiCl4與N2反應生成Si3N4沉積在石墨表面，寫出該反應的化學方程式：________________________________________________________________________。(2分)
(2)一種工業用硅(含少量鉀、鈉、鐵、銅的氧化物)，已知硅的熔點是1 420 ℃，高溫下氧氣及水蒸氣能明顯腐蝕氮化硅。一種合成氮化硅的主要工藝流程如下：
①凈化N2和H2時，銅屑的作用是________________________，硅膠的作用是________________。(4分)
②在氮化爐中發生反應3SiO2(s)＋2N2(g)===Si3N4(s)＋3O2(g)　ΔH＝－727.5 kJ·mol－1，開始時，嚴格控制氮氣的流速以控制溫度的原因是____________________________________；
體系中要通入適量的氫氣是為了____________________________________。(4分)
③X可能是__________(填“鹽酸”“硝酸”“硫酸”或“氫氟酸”)。(2分)
(3)工業上可以通過如圖所示的流程制取純硅：
①整個制備過程必須嚴格控制無水無氧。SiHCl3遇水劇烈反應，寫出該反應的化學方程式：________________________________________________________________________。(2分)
②假設每一輪次制備1 mol純硅，且生產過程中硅元素沒有損失，反應Ⅰ中HCl的利用率為90%，反應Ⅱ中H2的利用率為93.75%。則在第二輪次的生產中，補充投入HCl和H2的物質的量之比是________________。(4分)
解析：(1)根據原子個數守恒可寫出化學方程式3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl。(2)①由于氧氣和水蒸氣都能腐蝕氮化硅，而氮氣和氫氣中含有水蒸氣和氧氣，所以銅屑的作用是除去氧氣，硅膠的作用是除去水蒸氣。②因為該反應是放熱反應，如果溫度過高，局部過熱，會導致硅熔化成團，阻礙與N2的接觸；通入氫氣能將體系中的氧氣轉化為水蒸氣，從而易被除去。③由于工業用硅中含有銅的氧化物，在反應中氧化銅能被還原生成銅，因此要除去銅應該選擇硝酸，鹽酸和硫酸不能溶解銅，氫氟酸能腐蝕氮化硅。(3)①SiHCl3遇水劇烈反應生成H2SiO3、HCl和H2：SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑。②反應生成1 mol純硅需補充HCl(－3) mol，需補充H2(－1) mol，補充HCl與H2的物質的量之比為5∶1。
答案：(1)3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl
(2)①除去原料氣中的氧氣　除去水蒸氣
②該反應是放熱反應，防止局部過熱，導致硅熔化成團，阻礙與N2的接觸　將體系中的氧氣轉化為水蒸氣，從而易被除去(或將整個體系中的空氣排盡)　③硝酸
(3)①SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑
②5∶1
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第21講　無機非金屬材料　
【備考目標】　1.掌握Si元素的單質及其重要化合物的性質及應用。2.掌握無機非金屬材料的性質和用途。
考點1　硅和二氧化硅　 硅酸、硅酸鹽
1．硅單質
2．二氧化硅
3．硅酸
4．硅酸鹽
(1)硅酸鹽是由硅、氧與其他化學元素結合而成的化合物的總稱，是構成地殼巖石的主要成分。
(2)硅酸鈉：硅酸鈉溶液俗稱 ，是無色黏稠液體，常用于制備黏合劑、防腐劑、耐火材料。
(3)硅酸鹽組成的表示方法
通常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示硅酸鹽的組成。
①氧化物的書寫順序：活潑金屬氧化物→較活潑金屬氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物間以“·”隔開。
②各元素的化合價保持不變，且滿足化合價代數和為零，各元素原子個數比符合原來的組成。
如硅酸鈉(Na2SiO3)可表示為 ，長石(KAlSi3O8)可表示為 。
【基點判斷】(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)硅在自然界中只以化合態的形式存在( )
(2)晶體硅熔點高、硬度大，故可用于制作半導體材料( )
(3)Si和SiO2都可用于制造光導纖維( )
(4)硅的化學性質不活潑，常溫下不與任何物質反應( )
(5)SiO2是酸性氧化物，可溶于強堿(如NaOH)，不溶于任何酸( )
(6)水玻璃是一種特殊的玻璃，泡花堿屬于堿( )
題組練習
一、硅及其化合物的性質
1．硅及其化合物的應用范圍很廣。下列說法正確的是(　　 )
A．硅是人類將太陽能轉換為電能的常用材料
B．粗硅制備單晶硅不涉及氧化還原反應
C．反應Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑中，Si為氧化劑
D．硅能與氫氟酸反應，則硅也可以與鹽酸反應
2．下列關于二氧化硅的說法正確的是(　　 )
A．二氧化硅是酸性氧化物，因此能與水反應生成硅酸
B．二氧化硅制成的光導纖維，由于導電能力強而被用于制造光纜
C．二氧化硅能與碳酸鈉固體在高溫時發生反應
D．用二氧化硅制取單質硅時，當生成2.24 L氣體(標準狀況)時，得到2.8 g硅
二、純硅的制備
3．高純度晶硅是典型的無機非金屬材料，它可以按下列方法制備：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(純)
下列說法不正確的是(　　 )
A．步驟①的化學方程式：SiO2＋2CSi＋2CO↑
B．步驟①中每生成1 mol Si，轉移4 mol電子
C．步驟③中的反應為氧化還原反應
D．高純硅是制造手機芯片的常用材料，SiO2是制造太陽能電池的基本原料
4．碳、硅及其化合物的開發由來已久，在現代生活中有廣泛應用。
(1)實驗室盛放氫氧化鈉溶液的試劑瓶應使用橡膠塞，而不用玻璃塞。請用反應的化學方程式解釋原因___________________________________________________________。
(2)高純硅是現代信息、半導體和光伏發電等產業都需要的基礎材料。工業上制取高純硅有多種路線，其中一種工藝流程示意圖如下：
①用石英砂和焦炭在電弧爐中制粗硅，該反應的化學方程式為____________________________________。
②該工藝流程中可以循環利用的物質有______________(寫化學式)。
(3)某實驗室利用SiHCl3(沸點33.0 ℃)與過量H2在1 000 ℃～1 100 ℃反應制得純硅。已知SiHCl3能與H2O劇烈反應，在空氣中易自燃。裝置如圖所示(熱源及夾持裝置略去)。
①裝置B中的試劑是________。裝置C中的燒瓶需要加熱，其目的是________________________。
②反應一段時間后，裝置D中觀察到的現象是_________________________。
③SiHCl3與水反應，生成兩種酸和一種單質，寫出SiHCl3與水反應的化學方程式：
________________________________________________________________________。
考點2　無機非金屬材料
1．傳統無機非金屬材料
水泥 玻璃 陶瓷
生產原料 石灰石、黏土 純堿、石灰石、石英砂 黏土
主要設備 水泥回轉窯 玻璃窯 陶瓷窯
2.新型陶瓷
材料類型 主要特性 示例 用途
高溫結構陶瓷 耐高溫、抗氧化、耐磨蝕 碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物等在高溫下燒結而成 火箭發動機、汽車發動機、高溫電極材料等
壓電陶瓷 實現機械能與電能的相互轉化 鈦酸鹽、鋯酸鹽 濾波器、揚聲器、超聲波探傷器、點火器等
透明陶瓷 優異的光學性能，耐高溫，絕緣性好 氧化鋁、氧化釔、氮化鋁、氟化鈣 高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等
超導陶瓷 在某一臨界溫度下電阻為零 — 可用于電力、交通、醫療等領域
3.碳納米材料
富勒烯 碳納米管 石墨烯
是由碳原子構成的一系列籠形分子的總稱，其中C60是代表物 具有納米尺度的直徑，比表面積大，有相當高的強度和優良的電學性能 是只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨，電阻率低、熱導率高，有很高的強度
【基點判斷】(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)玻璃是一種晶體，有較高的熔點( )
(2)碳化硅俗稱金剛砂，它可用于高溫結構陶瓷的制作( )
(3)壓電陶瓷能實現機械能與電能的相互轉化( )
題組練習
1．“九秋風露越窯開，奪得千峰翠色來”是贊譽越窯秘色青瓷的詩句，描繪我國古代精美的青瓷工藝品。玻璃、水泥和陶瓷均為硅酸鹽制品，下列有關說法中正確的是(　　 )
A．玻璃是人類最早使用的硅酸鹽制品 B．制水泥的原料為純堿、石灰石和石英砂
C．硅酸鹽制品的性質穩定、熔點較高 D．沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽
2．硅及其化合物是帶來人類文明的重要物質。下列說法正確的是(　　 )
A．陶瓷、水晶、水泥、玻璃都屬于硅酸鹽產品
B．水玻璃是純凈物，可用于生產黏合劑和防火劑
C．某硅酸鹽的化學式為KAlSi3O8，可用K2O·Al2O3·6SiO2表示
D．高純硅可用于制造光導纖維，高純二氧化硅可用于制造太陽能電池
3．(人教必修第二冊P25T2)下列物品或設施：
①陶瓷餐具　②磚瓦　③混凝土橋墩　④門窗玻璃　⑤水晶鏡片　⑥石英鐘　⑦水晶項鏈　⑧硅太陽能電池　⑨石英光導纖維　⑩計算機芯片
(1)含有硅單質的是____________(填序號，下同)。
(2)含有二氧化硅的是____________。
(3)含有硅酸鹽的是____________。
高考真題
1．(2022·河北高考)定窯是宋代五大名窯之一，其生產的白瓷聞名于世。下列說法正確的是(　　 )
A．傳統陶瓷是典型的絕緣材料 B．陶瓷主要成分為SiO2和MgO
C．陶瓷燒制的過程為物理變化 D．白瓷的白色是因鐵含量較高
2．(2023·湖北高考)工業制備高純硅的主要過程如下：
石英砂粗硅SiHCl3高純硅
下列說法錯誤的是(　　)
A．制備粗硅的反應方程式為SiO2＋2CSi＋2CO↑
B．1 mol Si含Si—Si鍵的數目約為4×6.02×1023
C．原料氣HCl和H2應充分去除水和氧氣
D．生成SiHCl3的反應為熵減過程
3．(2023·山東高考)三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高純硅的重要原料，常溫下為無色液體，沸點為31.8 ℃，熔點為－126.5 ℃，易水解。實驗室根據反應Si＋3HClSiHCl3＋H2，利用如下裝置制備SiHCl3粗品(加熱及夾持裝置略)。回答下列問題：
(1)制備SiHCl3時進行操作：(ⅰ)……；(ⅱ)將盛有硅粉的瓷舟置于管式爐中；(ⅲ)通入HCl，一段時間后接通冷凝裝置，加熱開始反應。操作(ⅰ)為_________________________；
判斷制備反應結束的實驗現象是_________________________________。
圖示裝置存在的兩處缺陷是__________________________________。
(2)已知電負性Cl>H>Si，SiHCl3在濃NaOH溶液中發生反應的化學方程式為
________________________________________________________________________。
(3)采用如下方法測定溶有少量HCl的SiHCl3純度。
m1 g樣品經水解、干燥等預處理過程得硅酸水合物后，進行如下實驗操作：①________，②________(填操作名稱)，③稱量等操作，測得所得固體氧化物質量為m2 g，從下列儀器中選出①、②中需使用的儀器，依次為________(填字母)。測得樣品純度為__________(用含m1、m2的代數式表示)。
鞏固練習
一、選擇題(每題5分，共10題，共50分)
1．中國將加速建設新能源供給消納體系。硅基能源逐步取代碳基能源的革命，必須舉全國之力破解芯片技術受制于人的困局。以下說法不正確的是(　　 )
A．碳基能源主要指煤、石油、天然氣，我國的煤炭資源稟賦優于石油
B．硅在地殼中的含量僅次于氧，從沙子到芯片，硅發生了還原反應
C．半導體工藝中一般需要在晶硅中摻雜第ⅢA族與第ⅤA族元素
D．半導體工藝中用到的刻蝕劑——電子級氟化氫可加壓保存在玻璃罐體中
2．(人教必修第二冊P25T1變式)下列說法中不正確的是(　　 )
A．硅晶片是生產芯片的基礎材料
B．芯片制造中的“光刻技術”是利用光敏樹脂在曝光條件下成像，該過程涉及化學變化
C．硅在自然界中主要以單質形式存在
D．硅是應用最廣泛的半導體材料
3．(2023·廣東名校聯考)明代“釉里紅梅瓶”是南京博物館的鎮館之寶。燒造“釉里紅”，需要將以銅元素為呈色劑的彩料，精準地在1 300 ℃窯火中一次燒成，下列有關說法不正確的是(　　 )
A．陶瓷是以黏土為主要原料經高溫燒結而成，屬于傳統無機非金屬材料
B．黏土可以表示為Al2O3·2SiO2·2H2O，是由幾種氧化物組成的混合物
C．“釉里紅”燒造時發生的反應可能為4CuO2Cu2O＋O2↑
D．“釉里紅”瓷器保存時應避開酸性物質，避免損傷釉彩
4．新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成為物理、化學、材料科學研究的國際熱點課題。其結構模型如圖所示：
下列有關說法正確的是(　　 )
A．石墨烯是一種新型化合物
B．氧化石墨烯即石墨烯的氧化物
C．二者和石墨都是碳的同素異形體
D．氧化石墨烯具有一定的親水性
5．(2023·浙江名校聯考)南海一號博物館，又稱廣東海上絲綢之路博物館，位于廣東陽江市海陵島試驗開發區的“十里銀灘”上，其建筑特色鮮明，設計創意獨特，緊扣海的主題，體現了海洋文化與南方建筑風格的柔美組合。下列相關說法正確的是(　　 )
A．展柜使用的鋼化玻璃的主要成分只有SiO2
B．墻體使用的磚瓦、水泥是硅酸鹽制品
C．陳列的元青花瓷的原料有高嶺土[Al2Si2O5(OH)4]，也可以表示為Al2O3·SiO2·H2O
D．展示的青銅器上有一層綠色物質，此綠色物質可能是堿式碳酸銅，它不溶于鹽酸
6．下列敘述正確的是(　　 )
A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以兩者物理性質相似
B．因為CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸強
C．CO2和SiO2都能與碳反應，且都作氧化劑
D．SiO2既能和NaOH反應，又能和HF反應，所以SiO2屬于兩性氧化物
7．科學家最近用金屬鈉還原CCl4和SiCl4制得一種一維SiC納米棒，相關反應的化學方程式為8Na＋CCl4＋SiCl4===SiC＋8NaCl。下列說法不正確的是(　　 )
A．SiC和SiO2中Si元素的化合價相同
B．上述反應中SiC既是氧化產物又是還原產物
C．SiO2制備單質Si、單質Si制備SiCl4均涉及氧化還原反應
D．一維SiC納米棒比表面積大，對微小粒子有較強的吸附能力
8．實驗室用H2還原SiHCl3(沸點：31.85 ℃)制備高純硅的裝置如圖所示(夾持裝置和尾氣處理裝置略去)，下列說法正確的是(　　 )
A．裝置Ⅱ、Ⅲ中依次盛裝的是濃H2SO4、冰水
B．實驗時，應先加熱管式爐，再打開活塞K
C．為鑒定制得的硅中是否含微量鐵單質，需要用到的試劑為鹽酸、雙氧水、硫氰化鉀溶液
D．該實驗中制備氫氣的裝置也可用于稀氫氧化鈉溶液與氯化銨固體反應制備氨
9．(2023·安徽宿州聯考)工業上采用Si與HCl在350 ℃左右的條件下反應生成SiHCl3，之后將SiHCl3還原、結晶得到高純度的單晶硅產品。已知SiHCl3的熔點為－128 ℃，沸點為33 ℃，且遇O2與H2O均劇烈反應。現要在實驗室中制取少量SiHCl3，其實驗裝置如下圖所示，下列說法不正確的是(　　 )
A．不可以用無水CaCl2、硅膠等固體干燥劑替換干燥管中的堿石灰
B．使用濃H2SO4和NaCl混合加熱制取HCl利用了濃H2SO4的難揮發性
C．冰鹽浴的目的為降低收集容器的溫度，使SiHCl3冷凝為液體
D．工業上用過量焦炭與石英砂混合冶煉粗硅，其反應為SiO2＋CSi＋CO2↑
10．多晶硅是單質硅的一種形態，是制造硅拋光片、太陽能電池及高純硅芯片的主要原料。已知第三代工業制取多晶硅流程如圖所示：
下列說法錯誤的是(　　 )
A．Y、Z分別為H2、Cl2
B．制取粗硅的過程中焦炭與石英會發生副反應生成碳化硅，在該副反應中，氧化劑與還原劑的物質的量之比為1∶1
C．SiHCl3極易水解，其完全水解的產物為H2SiO3、H2、HCl，據此推測SiHCl3中硅元素的化合價為＋4
D．Y與SiHCl3制備多晶硅的反應屬于置換反應
二、非選擇題(共2題，共30分)
11．(12分)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分為CaO、SiO2，并含有一定量的鐵、鋁和鎂等金屬的氧化物。實驗室測定水泥樣品中鈣含量的過程如圖所示：
回答下列問題：
(1)在分解水泥樣品過程中，以鹽酸為溶劑，氯化銨為助溶劑，還需加入幾滴硝酸。加入硝酸的目的是____________________________________，還可使用____________代替硝酸。(4分)
(2)沉淀A的主要成分是____________，其不溶于強酸但可與一種弱酸反應，該反應的化學方程式為_____________________________________________________________。(4分)
(3)加氨水過程中加熱的目的是__________________________________。沉淀B的主要成分為____________、____________(寫化學式)。 (4分)
12．(18分)硅是帶來人類文明的重要元素之一，從傳統材料到信息材料的發展過程中創造了一個又一個奇跡。
(1)新型陶瓷Si3N4的熔點高、硬度大、化學性質穩定。工業上可以采用化學氣相沉積法，在H2的保護下，使SiCl4與N2反應生成Si3N4沉積在石墨表面，寫出該反應的化學方程式：________________________________________________________________________。(2分)
(2)一種工業用硅(含少量鉀、鈉、鐵、銅的氧化物)，已知硅的熔點是1 420 ℃，高溫下氧氣及水蒸氣能明顯腐蝕氮化硅。一種合成氮化硅的主要工藝流程如下：
①凈化N2和H2時，銅屑的作用是________________________，硅膠的作用是________________。(4分)
②在氮化爐中發生反應3SiO2(s)＋2N2(g)===Si3N4(s)＋3O2(g)　ΔH＝－727.5 kJ·mol－1，開始時，嚴格控制氮氣的流速以控制溫度的原因是____________________________________；
體系中要通入適量的氫氣是為了____________________________________。(4分)
③X可能是__________(填“鹽酸”“硝酸”“硫酸”或“氫氟酸”)。(2分)
(3)工業上可以通過如圖所示的流程制取純硅：
①整個制備過程必須嚴格控制無水無氧。SiHCl3遇水劇烈反應，寫出該反應的化學方程式：________________________________________________________________________。(2分)
②假設每一輪次制備1 mol純硅，且生產過程中硅元素沒有損失，反應Ⅰ中HCl的利用率為90%，反應Ⅱ中H2的利用率為93.75%。則在第二輪次的生產中，補充投入HCl和H2的物質的量之比是________________。(4分)
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