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课件 高考化学一轮复习第五单元 化工生产中重要非金属元素 第二十一讲 无机非金属材料
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这是一份课件 高考化学一轮复习第五单元 化工生产中重要非金属元素 第二十一讲 无机非金属材料，共60页。PPT课件主要包含了考点一硅和二氧化硅，夯实必备知识，硅单质，二氧化硅，CaSiO3，光导纤维，对点自测，题组一硅，提升关键能力，第三周期第ⅣA族等内容，欢迎下载使用。
第21讲 无机非金属材料
考点一 硅和二氧化硅考点二 无机非金属材料经典真题·明考向作业手册
夯实必备知识 | 提升关键能力
1. 硅元素在周期表中的位置
硅元素位于元素周期表第 周期、第 族,处于金属与非金属的过渡位置。
Si+4HF = SiF4↑+2H2↑
Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2↑
Na2SiO3+H2O
Na2SiO3+CO2↑
SiO2+4HF = SiF4↑+2H2O
反应①: 。 反应②: 。 反应③: 。
4. 高纯硅的制备流程
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)硅在自然界中只以化合态的形式存在( )(2)晶体硅熔点高、硬度大,故可用于制作半导体材料 ( )(3)以下转化均能实现:SiO2 SiCl4 Si( )
[解析] (3)二氧化硅与盐酸不反应。
(4)常温下,SiO2既能与NaOH溶液反应又能与氢氟酸反应,故属于两性氧化物 ( )(5)SiO2晶体中存在若干硅氧四面体结构( )( )(6)将SO2通入Na2SiO3溶液,产生胶状沉淀,则酸性:H2SO3>H2SiO3( )
[解析] (5)SiO2是共价晶体,不存在SiO2分子, 硅原子和氧原子之间是单键,为共价键三维骨架结构。
[解析] (4)二氧化硅不能与盐酸反应,只能与氢氟酸反应,不是两性氧化物。
(7)SiO2具有导电性,故可用于制作光导纤维和光电池( )(8)Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→Si均能一步转化( )
[解析] (7)二氧化硅制作光导纤维与导电性无关,且SiO2不导电。
[解析] (8)SiO2不能与水反应一步转化为硅酸。
1.[2024·湖南益阳三校联考] 2023年5月30日,神舟十六号载人飞船在我国酒泉卫星发射中心成功发射,飞船使用了我国自主研发和生产的航天芯片,其中芯片全为我国制造,制作芯片的刻蚀液为硝酸与氢氟酸的混合液,工艺涉及反应为Si+HNO3+6HF = H2SiF6+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>H2SiF6D.标准状况下,生成1.12 L H2时,转移电子的物质的量为0.2 ml
[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,不能由此反应判断氢氟酸是强酸,实际上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;据关系式Si~HNO3~H2SiF6~HNO2~H2~4e-,可知标准状况下,生成1.12 L H2(0.05 ml)时,转移电子的物质的量为0.2 ml,D正确。
2.硅是带来人类文明的重要元素之一,从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。(1)硅在元素周期表中的位置是 。
[解析] (1)硅在元素周期表中的位置是第三周期第ⅣA族。
(2)工业上生产粗硅的反应有SiO2+2C Si(粗)+2CO↑;SiO2+3C SiC+2CO↑。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为1∶1,则参加反应的C和SiO2的物质的量之比为 。
[解析] (2)根据反应SiO2+2C Si(粗)+2CO↑,SiO2+3C SiC+2CO↑,生成1 ml Si需2 ml C、1 ml SiO2,生成1 ml SiC需3 ml C、1 ml SiO2,若产品中Si与SiC的物质的量之比为1∶1,则参加反应的C和SiO2的物质的量之比为5∶2。
(3)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅:①若反应Ⅰ为Si(粗)+3HCl SiHCl3+H2,写出反应Ⅱ的化学方程式: 。 ②假设每一轮次制备1 ml纯硅,且生产过程中硅元素没有损失,反应Ⅰ中HCl的利用率为90%,反应Ⅱ中H2的利用率为93.75%,则在第二轮次的生产中,需要补充投入HCl和H2的物质的量之比是 。
【规律小结】 碳、硅单质的特殊性(1)一般情况下,非金属单质为绝缘体,但硅为半导体。(2)Si的还原性强于C,但C在高温下能还原出Si:SiO2+2C Si+2CO↑。(3)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↑。(4)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↑。
3.[2024·浙江义乌五校联考] 下列有关SiO2的说法正确的是( )A.SiO2属于酸性氧化物B.工业上用焦炭还原石英砂制得高纯硅C.SiO2可用来制作手机芯片D.可以在石英坩埚中熔融碳酸钠
[解析] 二氧化硅与NaOH反应生成硅酸钠盐和水,SiO2是酸性氧化物,故A正确;工业上用焦炭还原石英砂制得的是粗硅,故B错误;用作芯片的原料是纯硅,故C错误;加热时碳酸钠与SiO2反应生成硅酸钠,不能用石英坩埚熔融碳酸钠,故D错误。
4.[2024·福建三明一中模拟] 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.图中SiO2与CaCO3、Na2CO3的反应说明硅酸的酸性强于碳酸
[解析] SiO2和C、Si和Cl2、SiCl4和H2的反应都是氧化还原反应,A错误;制造光导纤维的材料是SiO2,不是硅酸盐,B错误;CaCO3与盐酸反应生成易溶于水的CaCl2,SiO2不与盐酸反应,C正确;SiO2与CaCO3、Na2CO3的反应不是在常温下进行的,且不是在水溶液中进行的,不能说明硅酸的酸性强于碳酸,D错误。
【易错警示】 二氧化硅性质的特殊性
考点二 无机非金属材料
一、硅酸盐材料1.硅酸钠(1)硅酸盐大多数不溶于水,硅酸钠是白色、可溶于水的粉末状固体,其水溶液俗称 ,有黏性,水溶液显碱性。 (2)硅酸钠能与酸性比硅酸强的酸反应,写出相应的化学方程式。与盐酸反应: 。 与少量CO2水溶液反应: 。 (3)用途:黏合剂(矿物胶),耐火阻燃材料。
Na2SiO3+2HCl = 2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3+H2O+CO2 = Na2CO3+H2SiO3↓
2. 传统无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料主要包括水泥、普通玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。常见硅酸盐材料如下表。
(2)普通玻璃的生产①反应原理CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑、 。 ②主要成分:SiO2、CaSiO3、Na2SiO3。
二、新型无机非金属材料1.新型陶瓷
(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
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)氮化硅陶瓷、超导陶瓷、透明陶瓷是新型无机非金属材料( )(2)合成纤维与光导纤维都是新型无机非金属材料( )(3)硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中( )(4)陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐( )
[解析] (3)硅酸钠溶液具有黏性,不能用带玻璃塞的试剂瓶保存。
(5)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( )(6)向硅酸钠溶液中通入适量CO2,出现白色沉淀,证明碳的非金属性大于硅( )
[解析] (6)由现象可知生成了硅酸,碳酸的酸性大于硅酸,则非金属性碳大于硅。
1.[2024·福建厦门一中模拟] “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,下列有关说法中正确的是( )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
[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。
2.陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是( )A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧制而成C.陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐D.陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
[解析]“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关,而氧化铁显红棕色,A错误;秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧制而成,B正确;陶瓷以黏土为原料,经高温烧制而成,属于人造材料,主要成分是硅酸盐,C正确;陶瓷主要成分是硅酸盐,硅酸盐中硅元素化合价处于最高价,化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点,D正确。
【易错警示】 硅及其化合物用途的易错点(1)用作半导体材料的是晶体硅而不是SiO2,用于制作光导纤维的是SiO2而不是硅,计算机芯片的成分是晶体硅而不是SiO2。(2)水晶、石英、玛瑙、硅石、沙子等主要成分是SiO2,而不是硅酸盐。(3)传统无机非金属材料(陶瓷、水泥、普通玻璃)的主要成分是硅酸盐。
题组二 新型无机非金属材料
3.[2024·陕西西安中学模拟] 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
[解析] 同素异形体是同种元素组成的单质,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。
4.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.神舟飞船上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.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
[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;“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,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。
1. [2023·广东卷] “高山流水觅知音”。下列中国古乐器中,主要由硅酸盐材料制成的是( )
[解析] 九霄环佩木古琴主要由木材制成,A错误;裴李岗文化骨笛由动物骨骼制成,B错误;商朝后期陶埙属于陶瓷,由硅酸盐材料制成,C正确;曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成,D错误。
2. [2022·河北卷] 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MgOC.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
[解析] 传统陶瓷主要成分为硅酸盐,属于绝缘材料,A正确,B错误;陶瓷是以黏土为主要原料,经高温烧结而成,烧制过程中有新物质生成,存在化学变化,C错误;白瓷中铁元素含量较少,铁元素含量越多,瓷器颜色一般越深,D错误。
3. [2022·湖北卷] 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
[解析] 自范性是晶体的性质,碳玻璃为非晶态,所以没有自范性,A错误;碳玻璃和C60是由碳元素形成的不同单质,所以互为同素异形体,B正确;碳玻璃硬度高,与金刚石物理性质类似,因而结构具有一定的相似性,所以含有sp3杂化的碳原子,C正确;金刚石与碳玻璃互为同素异形体,性质差异主要表现在物理性质上,化学性质上也有着活性的差异,D正确。
4. [2023·湖北卷] 工业制备高纯硅的主要过程如下:下列说法错误的是( )A.制备粗硅的反应方程式为SiO2+2C Si+2CO↑B.1 ml Si含Si—Si键的数目约为4×6.02×1023C.原料气HCl和H2应充分去除水和氧气D.生成SiHCl3的反应为熵减过程
[解析] SiO2和C在高温下发生反应生成Si和CO,因此制备粗硅的反应方程式为SiO2+2C Si+2CO↑,A正确;在晶体硅中,每个Si与其周围的4个Si形成共价键三维骨架结构,因此,平均每个Si形成2个共价键, 1 ml Si含Si—Si键的数目约为2×6.02×1023,B错误; SiHCl3和水蒸气反应,HCl极易溶于水,硅和氧气反应生成的SiO2成为杂质且不易除去,H2在高温下遇到氧气能发生反应生成水,且其易燃易爆,因此原料气HCl和H2应充分去除水和氧气 ,C正确;Si+3HCl SiHCl3+H2,该反应是气体分子数减少的反应,因此,生成SiHCl3的反应为熵减过程,D正确。
1. [2022·广东卷] 广东一直是我国对外交流的重要窗口,馆藏文物是其历史见证。下列文物主要由硅酸盐制成的是( )
[解析] 鎏金饰品是用金汞合金制成的金泥涂饰器物的表面,经过烘烤,汞蒸发而金固结于器物上的一种传统工艺,其中不含硅酸盐,故A项不符合题意;蒜头纹银盒中主要成分为金属银,其中不含硅酸盐,故B项不符合题意;广彩瓷咖啡杯是由黏土等硅酸盐产品烧制而成的,其主要成分为硅酸盐,故C项符合题意;铜镀金钟座是由铜和金等制作而成的,其中不含硅酸盐,故D项不符合题意。
2. “垃圾分类记心上,魅力山城新时尚”。下列可回收物中,主要成分为无机非金属材料的是( )A.普通玻璃 B.不锈钢锅C.矿泉水瓶 D.棉麻织物
[解析] 无机非金属材料包括普通玻璃、陶瓷、水泥等,故A正确;不锈钢锅主要为金属材料,矿泉水瓶为塑料制品,棉麻织物主要成分为纤维素,均不属于无机非金属材料,故B、C、D错误。
3. 晶体硅(熔点为1410 ℃)是良好的半导体材料。由石英砂(SiO2)制纯硅过程如下:下列叙述错误的是( )A.生成粗硅的化学方程式为SiO2+C Si +CO2↑B.上述流程中的化学反应均为氧化还原反应C.气态SiCl4中混有杂质元素的氯化物,提纯的方法是冷凝成液态后蒸馏D.H2还原SiCl4时,生成的两种产物分别为固态和气态,容易分离
[解析] SiO2和焦炭在高温下反应生成Si和CO,化学方程式为SiO2+C Si+2CO↑,A错误;SiO2转化为粗Si,硅元素的化合价从+4价降低到0价,Si(粗)转化为SiCl4,硅元素的化合价从0价升高到+4价,SiCl4(纯)转化为Si(纯),硅元素的化合价从+4价降低到0价,上述流程中化学反应均有元素化合价发生变化,均为氧化还原反应,B正确;四氯化硅沸点低,通过冰水装置冷却能使四氯化硅冷却为液体,气态SiCl4中混有杂质元素的氯化物,提纯的方法是冷凝成液态后蒸馏,C正确;H2还原SiCl4时,生成的两种产物分别为硅和氯化氢,硅为固态,氯化氢为气态,容易分离,D正确。
4. 下列有关新型无机非金属材料的叙述,不正确的是( )A.氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、光导纤维等属于新型无机非金属材料B.碳化硅的硬度大、熔点高,可用作砂纸和砂轮的磨料及耐高温材料C.碳纳米管具有纳米尺度的直径,可用于生产复合材料、电池和传感器等D.石墨烯具有熔点高、硬度大等特性,可用于电力、交通、医疗等领域
[解析] 石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨,具有电阻率低、热导率高、强度高等特性,在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等领域应用较广。
5.《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,干燥之后则堆积窑中,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.沙子和“黏土”的主要成分为硅酸盐B.“燃薪举火”使“黏土”发生复杂的物理化学变化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
[解析] 沙子的主要成分是SiO2,“黏土”的主要成分是硅酸盐,A错误;“燃薪举火”烧制“黏土”,发生一系列复杂的物理化学变化,制得砖、瓦等硅酸盐产品,B正确;据“浇水转釉(主要为青色)与造砖同法”可知,烧制后浇水冷却成青瓦,C正确;“黏土”是制造砖、瓦和陶瓷的主要原料,在烧制过程中发生复杂的物理化学变化,D正确。
1. [2024·福建名校联盟联考] 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.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C.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D.用二氧化硅制取单质硅时,当生成2.24 L气体(标准状况)时,得到2.8 g硅
[解析] 二氧化硅是酸性氧化物,但是二氧化硅不溶于水,与水不反应,A错误;二氧化硅制成的光导纤维,由于其良好的光学特性而被用于制造光缆,B错误;碳酸的酸性强于硅酸,二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应,但在高温时,二氧化硅能够与碳酸钠固体反应生成硅酸钠和二氧化碳,C正确;由化学方程式SiO2+2C Si+2CO↑,可知当生成2.24 L(标准状况)即0.1 ml CO时,得到0.05 ml 即1.4 g Si,D错误。
[解析] SiO2虽然既能与NaOH溶液反应,又能与氢氟酸反应,但SiO2属于酸性氧化物,A项错误;高温下SiO2能与Na2CO3固体反应生成Na2SiO3和CO2,二氧化碳气体逸出,会促进反应进行,并不能说明硅酸酸性强于碳酸,B项错误;
SiO2会与碱性溶液反应,C项正确;SiO2→H2SiO3不能直接一步转化,D项错误。
3. [2024·福建龙岩一中模拟] “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图表示如下: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∶2B.上述流程中,HCl和H2可以循环利用C.从基本反应类型角度,反应①②③均为置换反应D.从能量变化角度,由反应②③推测,反应③是放热反应
[解析] ①中SiO2与C反应生成Si和CO,氧化剂是SiO2,还原剂是C,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”,故均属于置换反应,C正确;反应③在1100 ℃下,SiHCl3与H2反应生成高纯硅和HCl,该反应为吸热反应,D错误。
4. 高纯度晶体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一场计算机的“革命”,可以按下列方法制备:下列说法不正确的是( )A.步骤①的化学方程式为SiO2+C Si+CO2↑B.步骤①中每生成1 ml Si,转移4 ml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(沸点为31.8 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点为57.6 ℃),通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3
[解析] 二氧化硅在高温下与C反应生成CO,即步骤①的化学方程式为SiO2+2C Si+2CO↑,故A错误;步骤①中Si元素的化合价降低4价,每生成1 ml Si转移4 ml电子,故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,故C正确;二者沸点相差较大,可以采用蒸馏的方法分离,故D正确。
5. [2024·辽宁十校联合体调研] 实验室用H2还原SiHCl3(沸点:31.8 ℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去),下列说法正确的是( )A.装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓硫酸、冰水B.实验时,应先加热管式炉,再打开活塞KC.为鉴定制得的硅中是否含微量铁单质,需要用到的试剂为盐酸、双氧水、硫氰化钾溶液D.该实验中制备氢气的装置也可用于稀氢氧化钠溶液与氯化铵固体反应制备氨
[解析] 本题制备高纯硅,反应H2+SiHCl3 Si+3HCl在装置Ⅳ中进行,装置Ⅰ的目的是制备氢气,氢气中含有水蒸气,会对后续实验产生干扰,必须除去,因此装置Ⅱ的作用是除去氢气中的水蒸气,即装置Ⅱ中盛放浓硫酸,装置Ⅲ的作用是提供SiHCl3气体,因此在水浴中加热,A错误;实验时应先通入氢气,目的是排尽装置中的空气,防止发生危险,B错误;
硅单质不与盐酸反应,铁与盐酸反应生成Fe2+,Fe2+被H2O2氧化成Fe3+,Fe3+与KSCN溶液反应,溶液变红色,可以鉴定是否含有铁单质,C正确;用稀NaOH溶液制备氨,需要加热,装置Ⅰ中没有加热装置,因此不能制备氨,D错误。
6. 2023年9月杭州第19届亚运会中,使用了许多功能各异的材料,下列有关材料的描述中不正确的是 ( )A.陶瓷、玻璃、水泥属于传统的无机非金属材料B.石墨烯、富勒烯和碳纳米管属于新型有机非金属材料C.硅是应用最为广泛的半导体材料D.通信中使用的光导纤维,其主要成分为SiO2
[解析] 玻璃、陶瓷、水泥的主要成分是硅酸盐类,都属于传统的无机非金属材料,A正确;碳纳米管、富勒烯、石墨烯都是新型无机非金属材料,B不正确;晶体硅的导电性介于导体与绝缘体之间,是应用最广泛的半导体材料,C正确;光导纤维的主要成分是二氧化硅,D正确。
7. 大国制造彰显中国实力,化学材料助力科技成果的转化与应用。下列说法错误的是( )A.制造5G芯片的氮化铝晶圆属于无机非金属材料B.高纯度的二氧化硅被广泛应用于制作计算机芯片C.液冷散热技术所用的石墨烯材料是新型无机非金属材料D.部分手机后盖采用“锦纤”材质与合金完美契合,其中合金属于金属材料
[解析] 氮化铝(AlN)是一种无机物,所以氮化铝晶圆是无机非金属材料,A正确;计算机芯片的成分是硅晶体,不是二氧化硅,B错误;石墨烯是单层石墨结构,属于无机非金属材料,C正确;合金属于金属材料,D正确。
8. 科学家开发出一种低成本光伏材料——蜂窝状石墨烯。生产原理是Na2O+2CO Na2CO3+C(石墨烯),然后除去Na2CO3,即可制得蜂窝状石墨烯。下列说法不正确的是( )A.石墨烯与金刚石互为同素异形体B.Na2O属于碱性氧化物,CO属于酸性氧化物C.上述生产石墨烯的反应不属于复分解反应D.上述生产石墨烯的反应属于氧化还原反应
[解析] 石墨烯与金刚石为同种元素即碳元素形成的不同单质,互为同素异形体,A正确。和酸反应只生成一种盐和水的氧化物为碱性氧化物,故氧化钠是碱性氧化物;CO与碱、水等不反应,为不成盐氧化物,B错误。生产原理是Na2O+2CO Na2CO3+C(石墨烯),有单质C生成,不属于复分解反应,反应中C元素化合价发生变化,属于氧化还原反应,C、D正确。
9. 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的单质及其化合物):下列叙述不正确的是( )A.“还原”步骤中焦炭主要被氧化为COB.“高温氮化”中主要反应的化学方程式为3Si+2N2 Si3N4C.“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
[解析] 焦炭与石英砂发生反应SiO2+2C Si+2CO↑,焦炭被氧化成CO,A正确;“高温氮化”是Si与氮气化合生成Si3N4,化学方程式为3Si+2N2 Si3N4,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,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,但Cu不溶于稀硫酸,故不能用稀硫酸,D错误。
10. 电脑和手机等电子产品产业蓬勃发展,推动了高纯硅的生产与应用。工业上用“西门子法”以硅石SiO2为原料制备冶金级高纯硅的工艺流程如下:请回答下列问题:(1)硅元素在元素周期表中的位置为 。
考点三 无机非金属材料综合考查
[解析] 以硅石(SiO2)为原料,经过与镁反应生成硅、MgO和Mg2Si,得到粗硅,经过加入稀硫酸、过滤,经HCl氧化后得到SiHCl3,SiHCl3与H2热解,得到冶金级高纯硅。(1)硅元素为14号元素,在元素周期表中的位置为第三周期第ⅣA族。
(2)“还原”过程需在高温下进行,该反应的生成物除硅和MgO外,还可能有 。 (3)加快“酸浸”速率的方法有 (写两种)。
[解析] (2)SiO2与金属镁高温还原得Si和MgO,另外过量的镁可与生成的硅反应生成Mg2Si。(3)根据反应速率的影响因素可知,加快“酸浸”速率的方法有将粗硅粉碎、适当升温、适当增大硫酸的浓度、搅拌等。
适当加热、适当提高酸的浓度、搅拌等
(4)“氧化”过程发生的主要反应为Si+3HCl SiHCl3+H2,该反应中还原产物为 。(已知:SiHCl3中Si元素为+4价)。
[解析] (4)根据题给条件知SiHCl3中Si元素为+4价,H元素为-1价,Cl元素为-1价,故HCl中+1价的H元素得电子后生成SiHCl3和H2,二者均为还原产物。
(5)在还原炉中H2与SiHCl3加热到1100~1200 ℃发生“热解”反应即制取冶金级高纯硅,还原炉中发生反应的化学方程式为 。 上述工艺生产中循环利用的物质有 。
[解析] (5)根据反应流程知“热解”过程所得产物为高纯硅和氯化氢气体,该反应的化学方程式为SiHCl3+H2 Si+3HCl;根据流程图可知循环利用的物质有H2和HCl。
11. [2024·山西忻州名校联考] 晶体硅是一种重要的非金属材料,制备纯硅的主要步骤如下:①高温下用碳单质还原二氧化硅制得粗硅;②粗硅与干燥HCl气体在300 ℃反应制得SiHCl3和H2;③SiHCl3与过量H2在1000~1100 ℃反应制得纯硅。(1)第②步制备SiHCl3反应的化学方程式为 。
(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: 。
[解析] (2)SiHCl3遇水剧烈反应生成 H2SiO3、HCl 和H2,反应的化学方程式为SiHCl3+3H2O = H2SiO3+H2↑+3HCl。
SiHCl3+3H2O = H2SiO3+H2↑+3HCl
Ⅱ.粗硅与氯气反应也可生成四氯化硅(反应温度450~500 ℃),四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。相关信息如下:a.四氯化硅极易与水反应;b.硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物;
c.有关物质的物理常数见下表:
(3)写出装置A中发生反应的离子方程式: 。 (4)装置A中g管的作用是 ;装置C中的试剂是 ;装置E中的h瓶需要冷却的理由是 。
[解析] (4)装置A中g管可以平衡压强,使液体能顺利流下;装置C中由浓硫酸吸收氯气中的水蒸气,干燥气体;装置 E 中的 h 瓶收集四氯化硅,为使SiCl4冷凝,该装置需要冷却。
平衡压强,使液体顺利流下
第21讲 无机非金属材料
考点一 硅和二氧化硅考点二 无机非金属材料经典真题·明考向作业手册
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1. 硅元素在周期表中的位置
硅元素位于元素周期表第 周期、第 族,处于金属与非金属的过渡位置。
Si+4HF = SiF4↑+2H2↑
Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2↑
Na2SiO3+H2O
Na2SiO3+CO2↑
SiO2+4HF = SiF4↑+2H2O
反应①: 。 反应②: 。 反应③: 。
4. 高纯硅的制备流程
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)硅在自然界中只以化合态的形式存在( )(2)晶体硅熔点高、硬度大,故可用于制作半导体材料 ( )(3)以下转化均能实现:SiO2 SiCl4 Si( )
[解析] (3)二氧化硅与盐酸不反应。
(4)常温下,SiO2既能与NaOH溶液反应又能与氢氟酸反应,故属于两性氧化物 ( )(5)SiO2晶体中存在若干硅氧四面体结构( )( )(6)将SO2通入Na2SiO3溶液,产生胶状沉淀,则酸性:H2SO3>H2SiO3( )
[解析] (5)SiO2是共价晶体,不存在SiO2分子, 硅原子和氧原子之间是单键,为共价键三维骨架结构。
[解析] (4)二氧化硅不能与盐酸反应,只能与氢氟酸反应,不是两性氧化物。
(7)SiO2具有导电性,故可用于制作光导纤维和光电池( )(8)Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→Si均能一步转化( )
[解析] (7)二氧化硅制作光导纤维与导电性无关,且SiO2不导电。
[解析] (8)SiO2不能与水反应一步转化为硅酸。
1.[2024·湖南益阳三校联考] 2023年5月30日,神舟十六号载人飞船在我国酒泉卫星发射中心成功发射,飞船使用了我国自主研发和生产的航天芯片,其中芯片全为我国制造,制作芯片的刻蚀液为硝酸与氢氟酸的混合液,工艺涉及反应为Si+HNO3+6HF = H2SiF6+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>H2SiF6D.标准状况下,生成1.12 L H2时,转移电子的物质的量为0.2 ml
[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,不能由此反应判断氢氟酸是强酸,实际上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;据关系式Si~HNO3~H2SiF6~HNO2~H2~4e-,可知标准状况下,生成1.12 L H2(0.05 ml)时,转移电子的物质的量为0.2 ml,D正确。
2.硅是带来人类文明的重要元素之一,从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。(1)硅在元素周期表中的位置是 。
[解析] (1)硅在元素周期表中的位置是第三周期第ⅣA族。
(2)工业上生产粗硅的反应有SiO2+2C Si(粗)+2CO↑;SiO2+3C SiC+2CO↑。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为1∶1,则参加反应的C和SiO2的物质的量之比为 。
[解析] (2)根据反应SiO2+2C Si(粗)+2CO↑,SiO2+3C SiC+2CO↑,生成1 ml Si需2 ml C、1 ml SiO2,生成1 ml SiC需3 ml C、1 ml SiO2,若产品中Si与SiC的物质的量之比为1∶1,则参加反应的C和SiO2的物质的量之比为5∶2。
(3)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅:①若反应Ⅰ为Si(粗)+3HCl SiHCl3+H2,写出反应Ⅱ的化学方程式: 。 ②假设每一轮次制备1 ml纯硅,且生产过程中硅元素没有损失,反应Ⅰ中HCl的利用率为90%,反应Ⅱ中H2的利用率为93.75%,则在第二轮次的生产中,需要补充投入HCl和H2的物质的量之比是 。
【规律小结】 碳、硅单质的特殊性(1)一般情况下,非金属单质为绝缘体,但硅为半导体。(2)Si的还原性强于C,但C在高温下能还原出Si:SiO2+2C Si+2CO↑。(3)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↑。(4)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↑。
3.[2024·浙江义乌五校联考] 下列有关SiO2的说法正确的是( )A.SiO2属于酸性氧化物B.工业上用焦炭还原石英砂制得高纯硅C.SiO2可用来制作手机芯片D.可以在石英坩埚中熔融碳酸钠
[解析] 二氧化硅与NaOH反应生成硅酸钠盐和水,SiO2是酸性氧化物,故A正确;工业上用焦炭还原石英砂制得的是粗硅,故B错误;用作芯片的原料是纯硅,故C错误;加热时碳酸钠与SiO2反应生成硅酸钠,不能用石英坩埚熔融碳酸钠,故D错误。
4.[2024·福建三明一中模拟] 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.图中SiO2与CaCO3、Na2CO3的反应说明硅酸的酸性强于碳酸
[解析] SiO2和C、Si和Cl2、SiCl4和H2的反应都是氧化还原反应,A错误;制造光导纤维的材料是SiO2,不是硅酸盐,B错误;CaCO3与盐酸反应生成易溶于水的CaCl2,SiO2不与盐酸反应,C正确;SiO2与CaCO3、Na2CO3的反应不是在常温下进行的,且不是在水溶液中进行的,不能说明硅酸的酸性强于碳酸,D错误。
【易错警示】 二氧化硅性质的特殊性
考点二 无机非金属材料
一、硅酸盐材料1.硅酸钠(1)硅酸盐大多数不溶于水,硅酸钠是白色、可溶于水的粉末状固体,其水溶液俗称 ,有黏性,水溶液显碱性。 (2)硅酸钠能与酸性比硅酸强的酸反应,写出相应的化学方程式。与盐酸反应: 。 与少量CO2水溶液反应: 。 (3)用途:黏合剂(矿物胶),耐火阻燃材料。
Na2SiO3+2HCl = 2NaCl+H2SiO3↓
Na2SiO3+H2O+CO2 = Na2CO3+H2SiO3↓
2. 传统无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料主要包括水泥、普通玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。常见硅酸盐材料如下表。
(2)普通玻璃的生产①反应原理CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑、 。 ②主要成分:SiO2、CaSiO3、Na2SiO3。
二、新型无机非金属材料1.新型陶瓷
(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
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)氮化硅陶瓷、超导陶瓷、透明陶瓷是新型无机非金属材料( )(2)合成纤维与光导纤维都是新型无机非金属材料( )(3)硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中( )(4)陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐( )
[解析] (3)硅酸钠溶液具有黏性,不能用带玻璃塞的试剂瓶保存。
(5)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( )(6)向硅酸钠溶液中通入适量CO2,出现白色沉淀,证明碳的非金属性大于硅( )
[解析] (6)由现象可知生成了硅酸,碳酸的酸性大于硅酸,则非金属性碳大于硅。
1.[2024·福建厦门一中模拟] “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,下列有关说法中正确的是( )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
[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。
2.陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是( )A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧制而成C.陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐D.陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
[解析]“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关,而氧化铁显红棕色,A错误;秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧制而成,B正确;陶瓷以黏土为原料,经高温烧制而成,属于人造材料,主要成分是硅酸盐,C正确;陶瓷主要成分是硅酸盐,硅酸盐中硅元素化合价处于最高价,化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点,D正确。
【易错警示】 硅及其化合物用途的易错点(1)用作半导体材料的是晶体硅而不是SiO2,用于制作光导纤维的是SiO2而不是硅,计算机芯片的成分是晶体硅而不是SiO2。(2)水晶、石英、玛瑙、硅石、沙子等主要成分是SiO2,而不是硅酸盐。(3)传统无机非金属材料(陶瓷、水泥、普通玻璃)的主要成分是硅酸盐。
题组二 新型无机非金属材料
3.[2024·陕西西安中学模拟] 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
[解析] 同素异形体是同种元素组成的单质,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。
4.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.神舟飞船上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.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
[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;“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,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。
1. [2023·广东卷] “高山流水觅知音”。下列中国古乐器中,主要由硅酸盐材料制成的是( )
[解析] 九霄环佩木古琴主要由木材制成,A错误;裴李岗文化骨笛由动物骨骼制成,B错误;商朝后期陶埙属于陶瓷,由硅酸盐材料制成,C正确;曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成,D错误。
2. [2022·河北卷] 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MgOC.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
[解析] 传统陶瓷主要成分为硅酸盐,属于绝缘材料,A正确,B错误;陶瓷是以黏土为主要原料,经高温烧结而成,烧制过程中有新物质生成,存在化学变化,C错误;白瓷中铁元素含量较少,铁元素含量越多,瓷器颜色一般越深,D错误。
3. [2022·湖北卷] 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
[解析] 自范性是晶体的性质,碳玻璃为非晶态,所以没有自范性,A错误;碳玻璃和C60是由碳元素形成的不同单质,所以互为同素异形体,B正确;碳玻璃硬度高,与金刚石物理性质类似,因而结构具有一定的相似性,所以含有sp3杂化的碳原子,C正确;金刚石与碳玻璃互为同素异形体,性质差异主要表现在物理性质上,化学性质上也有着活性的差异,D正确。
4. [2023·湖北卷] 工业制备高纯硅的主要过程如下:下列说法错误的是( )A.制备粗硅的反应方程式为SiO2+2C Si+2CO↑B.1 ml Si含Si—Si键的数目约为4×6.02×1023C.原料气HCl和H2应充分去除水和氧气D.生成SiHCl3的反应为熵减过程
[解析] SiO2和C在高温下发生反应生成Si和CO,因此制备粗硅的反应方程式为SiO2+2C Si+2CO↑,A正确;在晶体硅中,每个Si与其周围的4个Si形成共价键三维骨架结构,因此,平均每个Si形成2个共价键, 1 ml Si含Si—Si键的数目约为2×6.02×1023,B错误; SiHCl3和水蒸气反应,HCl极易溶于水,硅和氧气反应生成的SiO2成为杂质且不易除去,H2在高温下遇到氧气能发生反应生成水,且其易燃易爆,因此原料气HCl和H2应充分去除水和氧气 ,C正确;Si+3HCl SiHCl3+H2,该反应是气体分子数减少的反应,因此,生成SiHCl3的反应为熵减过程,D正确。
1. [2022·广东卷] 广东一直是我国对外交流的重要窗口,馆藏文物是其历史见证。下列文物主要由硅酸盐制成的是( )
[解析] 鎏金饰品是用金汞合金制成的金泥涂饰器物的表面,经过烘烤,汞蒸发而金固结于器物上的一种传统工艺,其中不含硅酸盐,故A项不符合题意;蒜头纹银盒中主要成分为金属银,其中不含硅酸盐,故B项不符合题意;广彩瓷咖啡杯是由黏土等硅酸盐产品烧制而成的,其主要成分为硅酸盐,故C项符合题意;铜镀金钟座是由铜和金等制作而成的,其中不含硅酸盐,故D项不符合题意。
2. “垃圾分类记心上,魅力山城新时尚”。下列可回收物中,主要成分为无机非金属材料的是( )A.普通玻璃 B.不锈钢锅C.矿泉水瓶 D.棉麻织物
[解析] 无机非金属材料包括普通玻璃、陶瓷、水泥等,故A正确;不锈钢锅主要为金属材料,矿泉水瓶为塑料制品,棉麻织物主要成分为纤维素,均不属于无机非金属材料,故B、C、D错误。
3. 晶体硅(熔点为1410 ℃)是良好的半导体材料。由石英砂(SiO2)制纯硅过程如下:下列叙述错误的是( )A.生成粗硅的化学方程式为SiO2+C Si +CO2↑B.上述流程中的化学反应均为氧化还原反应C.气态SiCl4中混有杂质元素的氯化物,提纯的方法是冷凝成液态后蒸馏D.H2还原SiCl4时,生成的两种产物分别为固态和气态,容易分离
[解析] SiO2和焦炭在高温下反应生成Si和CO,化学方程式为SiO2+C Si+2CO↑,A错误;SiO2转化为粗Si,硅元素的化合价从+4价降低到0价,Si(粗)转化为SiCl4,硅元素的化合价从0价升高到+4价,SiCl4(纯)转化为Si(纯),硅元素的化合价从+4价降低到0价,上述流程中化学反应均有元素化合价发生变化,均为氧化还原反应,B正确;四氯化硅沸点低,通过冰水装置冷却能使四氯化硅冷却为液体,气态SiCl4中混有杂质元素的氯化物,提纯的方法是冷凝成液态后蒸馏,C正确;H2还原SiCl4时,生成的两种产物分别为硅和氯化氢,硅为固态,氯化氢为气态,容易分离,D正确。
4. 下列有关新型无机非金属材料的叙述,不正确的是( )A.氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、光导纤维等属于新型无机非金属材料B.碳化硅的硬度大、熔点高,可用作砂纸和砂轮的磨料及耐高温材料C.碳纳米管具有纳米尺度的直径,可用于生产复合材料、电池和传感器等D.石墨烯具有熔点高、硬度大等特性,可用于电力、交通、医疗等领域
[解析] 石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨,具有电阻率低、热导率高、强度高等特性,在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等领域应用较广。
5.《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,干燥之后则堆积窑中,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.沙子和“黏土”的主要成分为硅酸盐B.“燃薪举火”使“黏土”发生复杂的物理化学变化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
[解析] 沙子的主要成分是SiO2,“黏土”的主要成分是硅酸盐,A错误;“燃薪举火”烧制“黏土”,发生一系列复杂的物理化学变化,制得砖、瓦等硅酸盐产品,B正确;据“浇水转釉(主要为青色)与造砖同法”可知,烧制后浇水冷却成青瓦,C正确;“黏土”是制造砖、瓦和陶瓷的主要原料,在烧制过程中发生复杂的物理化学变化,D正确。
1. [2024·福建名校联盟联考] 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.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C.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D.用二氧化硅制取单质硅时,当生成2.24 L气体(标准状况)时,得到2.8 g硅
[解析] 二氧化硅是酸性氧化物,但是二氧化硅不溶于水,与水不反应,A错误;二氧化硅制成的光导纤维,由于其良好的光学特性而被用于制造光缆,B错误;碳酸的酸性强于硅酸,二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应,但在高温时,二氧化硅能够与碳酸钠固体反应生成硅酸钠和二氧化碳,C正确;由化学方程式SiO2+2C Si+2CO↑,可知当生成2.24 L(标准状况)即0.1 ml CO时,得到0.05 ml 即1.4 g Si,D错误。
[解析] SiO2虽然既能与NaOH溶液反应,又能与氢氟酸反应,但SiO2属于酸性氧化物,A项错误;高温下SiO2能与Na2CO3固体反应生成Na2SiO3和CO2,二氧化碳气体逸出,会促进反应进行,并不能说明硅酸酸性强于碳酸,B项错误;
SiO2会与碱性溶液反应,C项正确;SiO2→H2SiO3不能直接一步转化,D项错误。
3. [2024·福建龙岩一中模拟] “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图表示如下: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∶2B.上述流程中,HCl和H2可以循环利用C.从基本反应类型角度,反应①②③均为置换反应D.从能量变化角度,由反应②③推测,反应③是放热反应
[解析] ①中SiO2与C反应生成Si和CO,氧化剂是SiO2,还原剂是C,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”,故均属于置换反应,C正确;反应③在1100 ℃下,SiHCl3与H2反应生成高纯硅和HCl,该反应为吸热反应,D错误。
4. 高纯度晶体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一场计算机的“革命”,可以按下列方法制备:下列说法不正确的是( )A.步骤①的化学方程式为SiO2+C Si+CO2↑B.步骤①中每生成1 ml Si,转移4 ml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(沸点为31.8 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点为57.6 ℃),通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3
[解析] 二氧化硅在高温下与C反应生成CO,即步骤①的化学方程式为SiO2+2C Si+2CO↑,故A错误;步骤①中Si元素的化合价降低4价,每生成1 ml Si转移4 ml电子,故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,故C正确;二者沸点相差较大,可以采用蒸馏的方法分离,故D正确。
5. [2024·辽宁十校联合体调研] 实验室用H2还原SiHCl3(沸点:31.8 ℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去),下列说法正确的是( )A.装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓硫酸、冰水B.实验时,应先加热管式炉,再打开活塞KC.为鉴定制得的硅中是否含微量铁单质,需要用到的试剂为盐酸、双氧水、硫氰化钾溶液D.该实验中制备氢气的装置也可用于稀氢氧化钠溶液与氯化铵固体反应制备氨
[解析] 本题制备高纯硅,反应H2+SiHCl3 Si+3HCl在装置Ⅳ中进行,装置Ⅰ的目的是制备氢气,氢气中含有水蒸气,会对后续实验产生干扰,必须除去,因此装置Ⅱ的作用是除去氢气中的水蒸气,即装置Ⅱ中盛放浓硫酸,装置Ⅲ的作用是提供SiHCl3气体,因此在水浴中加热,A错误;实验时应先通入氢气,目的是排尽装置中的空气,防止发生危险,B错误;
硅单质不与盐酸反应,铁与盐酸反应生成Fe2+,Fe2+被H2O2氧化成Fe3+,Fe3+与KSCN溶液反应,溶液变红色,可以鉴定是否含有铁单质,C正确;用稀NaOH溶液制备氨,需要加热,装置Ⅰ中没有加热装置,因此不能制备氨,D错误。
6. 2023年9月杭州第19届亚运会中,使用了许多功能各异的材料,下列有关材料的描述中不正确的是 ( )A.陶瓷、玻璃、水泥属于传统的无机非金属材料B.石墨烯、富勒烯和碳纳米管属于新型有机非金属材料C.硅是应用最为广泛的半导体材料D.通信中使用的光导纤维,其主要成分为SiO2
[解析] 玻璃、陶瓷、水泥的主要成分是硅酸盐类,都属于传统的无机非金属材料,A正确;碳纳米管、富勒烯、石墨烯都是新型无机非金属材料,B不正确;晶体硅的导电性介于导体与绝缘体之间,是应用最广泛的半导体材料,C正确;光导纤维的主要成分是二氧化硅,D正确。
7. 大国制造彰显中国实力,化学材料助力科技成果的转化与应用。下列说法错误的是( )A.制造5G芯片的氮化铝晶圆属于无机非金属材料B.高纯度的二氧化硅被广泛应用于制作计算机芯片C.液冷散热技术所用的石墨烯材料是新型无机非金属材料D.部分手机后盖采用“锦纤”材质与合金完美契合,其中合金属于金属材料
[解析] 氮化铝(AlN)是一种无机物,所以氮化铝晶圆是无机非金属材料,A正确;计算机芯片的成分是硅晶体,不是二氧化硅,B错误;石墨烯是单层石墨结构,属于无机非金属材料,C正确;合金属于金属材料,D正确。
8. 科学家开发出一种低成本光伏材料——蜂窝状石墨烯。生产原理是Na2O+2CO Na2CO3+C(石墨烯),然后除去Na2CO3,即可制得蜂窝状石墨烯。下列说法不正确的是( )A.石墨烯与金刚石互为同素异形体B.Na2O属于碱性氧化物,CO属于酸性氧化物C.上述生产石墨烯的反应不属于复分解反应D.上述生产石墨烯的反应属于氧化还原反应
[解析] 石墨烯与金刚石为同种元素即碳元素形成的不同单质,互为同素异形体,A正确。和酸反应只生成一种盐和水的氧化物为碱性氧化物,故氧化钠是碱性氧化物;CO与碱、水等不反应,为不成盐氧化物,B错误。生产原理是Na2O+2CO Na2CO3+C(石墨烯),有单质C生成,不属于复分解反应,反应中C元素化合价发生变化,属于氧化还原反应,C、D正确。
9. 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的单质及其化合物):下列叙述不正确的是( )A.“还原”步骤中焦炭主要被氧化为COB.“高温氮化”中主要反应的化学方程式为3Si+2N2 Si3N4C.“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
[解析] 焦炭与石英砂发生反应SiO2+2C Si+2CO↑,焦炭被氧化成CO,A正确;“高温氮化”是Si与氮气化合生成Si3N4,化学方程式为3Si+2N2 Si3N4,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,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,但Cu不溶于稀硫酸,故不能用稀硫酸,D错误。
10. 电脑和手机等电子产品产业蓬勃发展,推动了高纯硅的生产与应用。工业上用“西门子法”以硅石SiO2为原料制备冶金级高纯硅的工艺流程如下:请回答下列问题:(1)硅元素在元素周期表中的位置为 。
考点三 无机非金属材料综合考查
[解析] 以硅石(SiO2)为原料,经过与镁反应生成硅、MgO和Mg2Si,得到粗硅,经过加入稀硫酸、过滤,经HCl氧化后得到SiHCl3,SiHCl3与H2热解,得到冶金级高纯硅。(1)硅元素为14号元素,在元素周期表中的位置为第三周期第ⅣA族。
(2)“还原”过程需在高温下进行,该反应的生成物除硅和MgO外,还可能有 。 (3)加快“酸浸”速率的方法有 (写两种)。
[解析] (2)SiO2与金属镁高温还原得Si和MgO,另外过量的镁可与生成的硅反应生成Mg2Si。(3)根据反应速率的影响因素可知,加快“酸浸”速率的方法有将粗硅粉碎、适当升温、适当增大硫酸的浓度、搅拌等。
适当加热、适当提高酸的浓度、搅拌等
(4)“氧化”过程发生的主要反应为Si+3HCl SiHCl3+H2,该反应中还原产物为 。(已知:SiHCl3中Si元素为+4价)。
[解析] (4)根据题给条件知SiHCl3中Si元素为+4价,H元素为-1价,Cl元素为-1价,故HCl中+1价的H元素得电子后生成SiHCl3和H2,二者均为还原产物。
(5)在还原炉中H2与SiHCl3加热到1100~1200 ℃发生“热解”反应即制取冶金级高纯硅,还原炉中发生反应的化学方程式为 。 上述工艺生产中循环利用的物质有 。
[解析] (5)根据反应流程知“热解”过程所得产物为高纯硅和氯化氢气体,该反应的化学方程式为SiHCl3+H2 Si+3HCl;根据流程图可知循环利用的物质有H2和HCl。
11. [2024·山西忻州名校联考] 晶体硅是一种重要的非金属材料,制备纯硅的主要步骤如下:①高温下用碳单质还原二氧化硅制得粗硅;②粗硅与干燥HCl气体在300 ℃反应制得SiHCl3和H2;③SiHCl3与过量H2在1000~1100 ℃反应制得纯硅。(1)第②步制备SiHCl3反应的化学方程式为 。
(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: 。
[解析] (2)SiHCl3遇水剧烈反应生成 H2SiO3、HCl 和H2,反应的化学方程式为SiHCl3+3H2O = H2SiO3+H2↑+3HCl。
SiHCl3+3H2O = H2SiO3+H2↑+3HCl
Ⅱ.粗硅与氯气反应也可生成四氯化硅(反应温度450~500 ℃),四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。相关信息如下:a.四氯化硅极易与水反应;b.硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物;
c.有关物质的物理常数见下表:
(3)写出装置A中发生反应的离子方程式: 。 (4)装置A中g管的作用是 ;装置C中的试剂是 ;装置E中的h瓶需要冷却的理由是 。
[解析] (4)装置A中g管可以平衡压强,使液体能顺利流下;装置C中由浓硫酸吸收氯气中的水蒸气,干燥气体;装置 E 中的 h 瓶收集四氯化硅,为使SiCl4冷凝,该装置需要冷却。
平衡压强,使液体顺利流下
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