高中化学人教版 (2019)必修 第二册第三节 无机非金属材料导学案及答案

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1．通过查阅资料，了解传统无机非金属材料的原料、成分，认识无机非金属材料在生产中的应用。
2．通过硅、二氧化硅的结构及性质的学习，认识硅单质、二氧化硅在生产中的应用。
3．通过新型无机非金属材料的学习，认识新型无机非金属材料在生产中的应用。
人类使用的材料除了金属材料，还有无机非金属材料等。从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特殊的光学、电学等性能。
一．硅酸盐材料
传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，如玻璃、水泥、陶瓷等。
1.硅酸盐的结构、特点
2.陶瓷
3.玻璃和水泥
【例题1】《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．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
【答案】A
【解析】沙子的主要成分为二氧化硅，二氧化硅是氧化物，不属硅酸盐，A项错误；黏土烧制成瓦的过程为复杂的物理化学变化过程，B项正确；青瓦和红瓦是在冷却时区别的，C项正确；由“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无砂粘土而为之”可知，D项正确。
二．新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
（1）硅元素的存在
硅在地壳中的含量为26.3%，仅次于 氧 ，在地壳中含量居第 二 位。硅是一种亲氧元素，其在自然界中总是与氧相互化合，自然界中以 化合态 态形式存在。 二氧化硅 是硅最重要的化合物。
硅原子和碳原子最外层电子数为 4 个，它们既 难 失去电子，也 难 得到电子，其中 碳 是构成有机物的主要元素， 硅 是构成岩石与许多矿物的基本元素。
（2）硅的工业制法及提纯
eq \x(石英砂)eq \(――→,\s\up7(①焦炭),\s\d5(高温))eq \x(粗硅)eq \(――→,\s\up7(②氯气),\s\d5(加热))eq \x(SiCl4)eq \(――→,\s\up7(③氢气),\s\d5(高温))eq \x(高纯硅)
涉及的化学方程式：
①SiO2+2C Si+2CO↑
②Si+3HCl SiHCl3+H2
③SiHCl3+H2 Si+3HCl
硅的用途：①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。
（3）二氧化硅（SiO2）
SiO2是硅最重要的化合物，地球上存在的天然二氧化硅称为 硅石 ，约占地壳质量的12%，天然SiO2存在形态有 结晶 形和 无定型 形两大类。石英、水晶、玛瑙、沙子的主要成分是 SiO2 。
二氧化硅中每个Si周围结合 4 个O，Si在 中心 ，O在 4个顶角 ；许多个这样的四面体又通过顶角的 O 相连，每个 O 与 2个Si 相结合，二氧化硅晶体中Si和O按 1:2 的比例组成 立体网状 结构的晶体，二氧化硅的网状结构决定了它的熔点 高 ，硬度 大 ， 不 导电， 不 溶于水，化学性质 稳定 。
【拓展】SiO2的化学性质：
①不与水、一般的酸反应
②具有酸性氧化物的通性
分别写出SiO2与CaO、NaOH、溶液反应的化学方程式：
SiO2＋CaOeq \(=====,\s\up7(高温))CaSiO3 ； SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O ；与Na2CO3反应：固体高温条件下SiO2＋Na2CO3eq \(=====,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑
③特性：与氢氟酸反应，化学方程式为： SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 。
二氧化硅的用途：
① 沙子 是基本的建筑材料。
②纯净的SiO2是现代光学及光纤制品的基本原料，可以制作 光导纤维 。
③实验室中使用的 石英坩埚 。
④ 水晶 和 玛瑙 制作饰物和工艺品。
【思考】实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶用橡皮塞而为什么不用玻璃塞？（提示：玻璃中含有SiO2）
氢氧化钠与二氧化硅反应生成硅酸钠，使瓶口黏结无法打开
【例题2】下列有关硅及其化合物的叙述中,正确的是( )
A.硅是光导纤维的主要成分
B.硅是构成岩石与许多矿物的基本元素
C.SiO2是酸性氧化物,不与任何酸发生反应
D.可以通过SiO2与水反应一步制得硅酸
【答案】B
【解析】光导纤维的主要成分是二氧化硅,故A错误;硅是亲氧元素,岩石与许多矿物的基本元素中含有Si元素,故B正确;SiO2是酸性氧化物,但可与氢氟酸发生反应,故C错误;二氧化硅不溶于水,不能通过SiO2与水反应一步制得硅酸,故D错误。
2.新型陶瓷
新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能，如碳化硅(化学式SiC)俗称金刚砂，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、优异的高温抗氧化性能，用作砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料。
其它新型陶瓷
3.碳纳米材料
(1)富勒烯:由碳原子构成的一系列笼形分子的总称,其代表物为C60。
(2)碳纳米管:由石墨片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大,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。
(3)石墨烯:只有一个碳原子直径厚度的单层石墨,其电阻率低、热导率高，具有很高的强度，应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料。
4.特殊功能的含硅材料：
①含4%硅的硅钢具有 导磁 性，主要用作 变压器的铁芯 ；②人工合成的硅橡胶是最好的 既耐高温又耐低温 的橡胶，用于 火箭、飞机、导弹的零件和绝缘材料 ；③人工制造的分子筛，主要用作 吸附剂和催化剂 。
1．（2020·三亚华侨学校高一月考）地壳中含量最多的非金属元素是()
A．氧B．碳C．硅D．铝
【答案】A
【解析】地壳中含量最多的前五种元素：氧、硅、铝、铁、钙，汉字中带钅字旁(汞和金除外)的属于金属元素，所以地壳中含量最多的非属元素是氧，故答案选A。
2．（2021·江苏南通市·高一开学考试）在SiO2晶体内部，每个Si与4个O分别形成4个单键，则与每个O形成单键的Si的数目是
A．1B．2C．3D．4
【答案】B
【解析】在SiO2晶体内部，每个Si与4个O形成4个单键，每个O与2个Si原子形成2个Si-O单键，因此在晶体内部Si、O原子个数比是1：2，化学式写为SiO2，因此合理选项是B。
3．（2021·四川巴中市·高一期末）“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
【答案】C
【解析】A．陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，故A错误；B．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，故B错误；C．硅酸盐制品性质稳定、熔点高，故C正确；D．沙子的主要成分是SiO2,黏土的主要成分是硅酸盐，故D错误；故答案：C。
4．（2021·陕西咸阳市·高一期末）2020年12月17日，我国“嫦娥五号”返回器携带月球样品安全着陆，探月工程圆满成功。“嫦娥”五号探测器采用太阳能电池板提供能量，制造太阳能电池板的核心材料是
A．二氧化硅B．硅C．钛合金D．铝合金
【答案】B
【解析】四种材料中只有硅是半导体材料，硅常用于制造太阳能电池板，故答案选B。
5．下列关于碳和硅的比较，正确的是()
A．碳和硅在自然界中的存在形式都是既有游离态也有化合态
B．碳和硅的最高化合价都是+4价
C．硅元素在地壳中的含量占第二位，碳占第一位
D．硅与碳一样均含有两种常见价态的氧化物——和
【答案】B
【解析】A．硅是一种亲氧元素，在自然界中主要以氧化物和硅酸盐的形式存在，只有化合态，没有游离态，碳元素在自然界中既有游离态又有化合态，A错误；B．碳、硅元素的原子最外层都有4个电子，其最高化合价都是+4价，B正确；C．氧元素在地壳中的含量占第一位，硅元素在地壳中的含量占第二位，C错误；D．碳有两种常见氧化物——和，硅只有一种常见氧化物——，D错误；故选Ｂ。
6．能证明碳酸的酸性比硅酸的强的依据是()
A．是气体，是固体
B．高温下能发生反应：
C．能溶于水生成碳酸，而却不溶于水
D．将通入溶液中有胶状沉淀生成
【答案】D
【解析】A．氧化物的状态不能决定氧化物水化物的酸性强弱，故A错误；B．反应原理是高沸点制低沸点气体，之所以能发生是因为生成了挥发性的气体二氧化碳，故B错误；C．氧化物的水溶性不能决定其水化物的酸性强弱，故C错误；D．，强酸能制弱酸，所以酸性：碳酸>硅酸，故D正确；故选D。
7．（2021·南昌市·江西师大附中高一期末）化学与生产、生活密切相关。下列有关硅及其化合物的说法不正确的是()
A．硅单质是导电金属，常用作导电材料
B．硅单质常被用于制造太阳能电池
C．玻璃能被氢氟酸刻蚀
D．二氧化硅常被用于制造光导纤维
【答案】A
【解析】A．硅是非金属，A错误；B．硅是半导体，常被用于太阳能电池，B正确；C．玻璃中的二氧化硅和氟化氢反应生成四氟化硅气体和水，可以用于刻蚀玻璃，C正确；D．光导纤维的主要成分为二氧化硅，D正确；故选A。
8．（2021·江西上饶市·高一期末）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．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的，其熔点很高
D．可用盐酸除去石英砂（主要成分为SiO2）中少量的碳酸钙
【答案】D
【解析】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粗硅、粗硅提纯得到单晶硅过程中的反应，均有元素化合价的变化，属于氧化还原反应，故A错误；B．光导纤维的成分是二氧化硅，硅酸盐的化学性质稳定、不能用于制作光导纤维，故B错误；C．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的，玻璃是一种非晶体、属于混合物，没有固定的熔点，故C错误；D．碳酸钙溶于盐酸生成氯化钙、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砂(主要成分为SiO2)，故D正确；答案选D。
9．硅是组成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是
A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为
B．碳化硅()的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承
C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为
D．氮化硅()、氧化铝()、碳化硅()和二氧化锆()都可用作制高温结构陶瓷的材料
【答案】C
【解析】A．氮化硅中各元素的原子最外层达到8电子稳定结构。硅原子最外层电子数为4，氮原子最外层电子数为5，要形成8电子稳定结构，则应有二者个数的比为3:4，其化学式为，故A正确；B．碳化硅()为原子晶体，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承，故B正确；C．光导纤维的主要成分为二氧化硅，是一种新型无机非金属材料，故C错误；D．氮化硅()和碳化硅()均属于原子晶体，氧化铝()和二氧化锆()均属于离子晶体，熔点高，都可用作制高温结构陶瓷的材料，故D正确；故选C。
10．高纯度单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"。这种材料可以按所给路线制备：
SiO2粗硅SiHCl3Si(纯)
(1)写出步骤①的化学方程式：_______。
(2)步骤②经过冷凝得到的SiHCl3(沸点为33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸点为57.6℃)和HCl(沸点为℃)，提纯SiHCl3的主要化学操作的名称是_______；SiHCl3和SiCl4一样遇水可发生剧烈水解，已知SiHCl3水解会生成两种气态产物，请写出其水解的化学方程式：_______。
(3)请写出二氧化硅与氢氯酸反应的化学方程式：_______。
【答案】蒸馏或分馏
【解析】(1)工业上用焦炭在高温下置换二氧化硅中的硅来制备粗硅，反应的化学方程式为；(2)由题意可知，SiHCl3(沸点33.0℃)、SiCl4(沸点57.6℃)、HCl(沸点℃)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；SiHCl3水解生成硅酸、氢气和氯化氢，反应的化学方程式为；(3)二氧化硅能和氢氟酸反应生成四氟化硅和水，反应的化学方程式为。
11．（2020·北京海淀区·高一学业考试）硅是重要的半导体材料。近日，我国宣布突破了碳基半导体材料制备的瓶颈，有望替代目前的硅材料，支持高端芯片的国产化。
(1)Si在元素周期表中的位置是___。
(2)制作芯片需要高纯度的硅，高纯硅中Si原子之间的相互作用是___(填“离子键”或“共价键”)。
(3)非金属性Si弱于P，用原子结构解释原因：___，得电子能力Si小于P。
(4)下列关于C和Si及其化合物的推断中，正确的是___(填序号)。
①C的最高正化合价与Si的最高正化合价相同
②SiO2具有还原性
③最高价氧化物对应水化物的酸性：H2CO3>H2SiO3
【答案】第3周期第ⅣA族共价键Si与P电子层数相同，核电荷数Si小于P，原子半径Si大于P①③
【解析】(1)Si的原子序数为14，核外电子分3层排布，第3层4个电子，故在元素周期表中的位置是第3周期第ⅣA族。
(2)制作芯片需要高纯度的硅，硅晶体是由原子通过共价键结合而成的原子晶体，故高纯硅中Si原子之间的相互作用是共价键。
(3)非金属性Si弱于P，用原子结构解释原因：Si与P电子层数相同，核电荷数Si小于P，原子半径Si大于P，则原子核对核外电子的吸引力Si小于P，得电子能力Si小于P，。
(4)①主族元素的最高正化合价等于主族序数，C和Si均处于第ⅣA族，故C的最高正化合价与Si的最高正化合价相同，①说法正确；②SiO2中硅呈+4价，二氧化硅性质稳定，不具有还原性，②说法错误；③非金属性越强，最高价氧化物对应水化物的酸性越强，碳的非金属性大于硅，故酸性：H2CO3>H2SiO3，③说法正确；故正确的是①③ 。结构
特点
硅氧四面体
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
产品
主要原料
制备过程
生产应用
陶瓷
黏土
原料经高温烧结而成
建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等
产品
主要原料
主要设备
主要成分
用途
普通
玻璃
纯碱、石灰石、石英砂
玻璃窑
Na2SiO3、
CaSiO3、SiO2
建筑材料、光学仪器、各种器皿、
高强度复合材料等
水泥
石灰石、黏土
水泥回转窑
硅酸盐
和沙子、碎石、水等混合可以得到混凝土,大量用于建筑和水利工程
材料
类别
主要特性
示例
用途
高温结构陶瓷
能承受高温，强度高
氮化硅陶瓷
汽轮机叶片、轴承、永久性模具等
压电陶瓷
具有电学特性
钛酸钡陶瓷
声呐系统、气象探测等
透明陶瓷
具有光学特性
氧化物透明陶瓷和非氧化物透明陶瓷
高压钠灯、激光器和高温探测窗等
超导陶瓷
具有超导性
超导陶瓷
电力、交通、医疗等