人教版高考化学一轮复习第5章化工生产中的重要非金属元素第3节无机非金属材料学案含答案

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第三节　无机非金属材料硅酸盐材料[以练带忆]1．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C　解析：唐三彩、秦兵马俑制品属于硅酸盐产品。2．下列有关硅酸盐产品的说法不正确的是(　　)A．水泥具有水硬性B．玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英C．玻璃有固定的熔沸点D．陶瓷是人类最早使用的铝硅酸盐产品C　解析：水泥具有水硬性，水泥遇水后，跟水作用形成胶状物并成固体，水硬性最能代表水泥性质，故A正确；生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英，故B正确；玻璃是混合物，一般混合物都没有固定的熔沸点，故C错误；陶瓷是人类最早使用的铝硅酸盐产品，故D正确。3．(2019·全国卷Ⅰ)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．“雨过天青云破处”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，由黏土经高温烧结而成C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是铝硅酸盐D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点A　解析：A项，氧化铁为红棕色固体，瓷器的青色不可能来自氧化铁，错误；B项，秦兵马俑是陶制品，由黏土或含有黏土的混合物经煅烧而制成的，正确；C项，陶瓷的主要原料是黏土，其主要成分是铝硅酸盐，正确；D项，陶瓷的主要成分是铝硅酸盐，铝硅酸盐的化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化的特点，正确。[练后梳理]1.硅酸盐的结构：在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体，其结构如图。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。2．硅酸盐的主要性质：硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。3．硅酸盐材料(1)陶瓷①原料：陶瓷是以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料，经高温烧结而成。②应用：生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。(2)玻璃①普通玻璃的主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。②原料：纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)。③制作过程：将原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得。④生产设备：玻璃窑。⑤发生的化学反应：SiO2＋Na2CO3eq \o(=====,\s\up8(高温))Na2SiO3＋CO2↑、SiO2＋CaCO3eq \o(=====,\s\up8(高温))CaSiO3＋CO2↑。⑥用途：生产建筑材料、光学仪器、各种器皿，还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等。⑦特点：玻璃属于混合物，无固定的熔点，在某一温度范围内逐渐软化(玻璃态物质)。(3)水泥①主要原料：石灰石、黏土；辅助原料：适量的石膏。②制作过程：黏土和石灰石与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再磨成细粉就能得到普通水泥。③生产设备：水泥回转窑。④用途：水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程。⑤特点：水泥具有水硬性，与水掺和搅拌并静置后，很容易凝固变硬。4．硅酸盐氧化物形式的改写eq \x(\a\al(书写,形式))eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(氧化物的排列顺序：活泼金属氧化物→,　较活泼金属氧化物→二氧化硅→水,氧化物之间以“·”隔开))eq \x(\a\al(化学计,量数))eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(配置原则：各元素原子总个数比值符合,　原来的组成,若出现分数时应化为整数))新型无机非金属材料[以练带忆]1．(2019·北京高考)下列我国科研成果所涉及材料中，主要成分为同主族元素形成的无机非金属材料的是(　　)A　解析：碳化硅材料属于无机非金属材料，且碳、硅元素属于同主族元素，A正确；聚氨酯属于合成高分子材料，B错误；碳包覆银纳米线不属于无机非金属材料，C错误；钛合金属于金属材料，D错误。2．下列关于新型无机非金属材料的说法中，不正确的是　(　　)A．高纯硅可用于制造半导体材料B．压电陶瓷属于新型无机非金属材料，能实现机械能和电能的相互转化C．碳纳米材料的主要成分是碳单质，包含富勒烯、碳纳米管和石墨烯等多种D．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D　解析：光导纤维不具有导电性，由二氧化硅制成的光导纤维是由于传输光的信号强而被用于制造光缆，D不正确。3．有关高温结构陶瓷和光导纤维说法不正确的是(　　)A．高温结构陶瓷弥补了金属材料的弱点，但是硬度却远远低于金属材料B．氮化硅陶瓷是一种重要的结构材料，具有超硬性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀，可用于制造火箭发动机C．光导纤维是一种能高质量传导光的玻璃纤维D．光导纤维的抗干扰性能好，不发生电辐射，通讯质量高，能防窃听A　解析：高温结构陶瓷克服了金属材料的弱点，本身具有很多优点，如硬度、强度高，不怕氧化等，A项错误；氮化硅陶瓷是一种高温结构材料，具有超硬性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀，可用于制造火箭发动机，B项正确；光导纤维具有良好的光学特性，是一种高质量传导光的玻璃纤维，具有抗干扰能力、不发生电辐射、能防窃听等性能，C、D项正确。[练后梳理]1．硅和二氧化硅(1)硅①位置：位于第三周期、第ⅣA族，正好处于金属与非金属的过渡位置。②特点：硅单质的导电性介于导体与绝缘体之间，是应用最为广泛的半导体材料。③存在形式：硅在自然界主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。④制备：eq \x(石英砂)eq \o(――――――――→,\s\up8(焦炭),\s\do7(1 800～2 000 ℃))eq \x(粗硅)eq \o(――→,\s\up8(HCl),\s\do7(300 ℃))eq \x(SiHCl3)eq \o(――→,\s\up8(H2),\s\do7(1 100℃))eq \x(高纯硅)　　　　　 Ⅰ　　　　　　　Ⅱ　　　　　　Ⅲ其中涉及的主要化学反应为ⅠSiO2＋2Ceq \o(=============,\s\up8(1 800～2 000℃))Si＋2CO↑ⅡSi＋3HCleq \o(========,\s\up8(300 ℃))SiHCl3＋H2ⅢSiHCl3＋H2eq \o(========,\s\up8(1 100 ℃))Si＋3HCl⑤化学性质：a．与非金属反应：Si＋2Cl2eq \o(=====,\s\up8(△))SiCl4。b．与NaOH反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑(H2O是氧化剂)。⑥应用：高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术，用作芯片和太阳能电池。(2)二氧化硅①用途：用来生产光导纤维。②化学性质a．与强碱反应：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O (盛装NaOH的试剂瓶用橡胶塞)。b．与氢氟酸(HF)反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(可以用HF来刻蚀玻璃；用塑料瓶盛装HF)。c．与盐反应：SiO2＋Na2CO3eq \o(=====,\s\up8(高温))Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaCO3eq \o(=====,\s\up8(高温))CaSiO3＋CO2↑。SiO2是酸性氧化物，但不与水反应，不能用SiO2与水反应制备H2SiO3。2．新型陶瓷3．碳纳米材料1．下列物品或设备的成分中含有SiO2的是(　　)①门窗玻璃　②水晶镜片　③石英钟表　④玛瑙首饰　⑤硅太阳能电池　⑥光导纤维　⑦计算机芯片A．①②③④⑥ B．全部C．⑤⑦ D．①②⑥⑦A　解析：玻璃、水晶、石英、玛瑙和光导纤维的成分中含有SiO2，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。2．(命题情境：瓷器成分)中国的瓷器驰名世界，传统陶瓷是以黏土[主要成分为Al2Si2O5(OH)4]等天然硅酸盐为主要原料烧成的制品。下列有关说法不正确的是(　　)A．黏土也是制备玻璃的原料之一B．黏土的主要成分可以表示为Al2O3·2SiO2·2H2OC．陶瓷材料是人类应用最早的硅酸盐材料D．传统陶瓷材料的成分与新型陶瓷材料的成分不同A　解析：制备玻璃的主要原料是石英、石灰石与纯碱，不包括黏土，A错误。3．《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙粘(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”。下列说法中错误的是(　　)A．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐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A　解析：沙子主要成分为二氧化硅，二氧化硅是氧化物，不属于硅酸盐，故A错误；黏土烧制成瓦的过程为复杂的物理化学变化过程，故B正确；青瓦和红瓦是在冷却时区分的：自然冷却的是红瓦，水冷却的是青瓦，故C正确；由“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙黏土而为之”可知黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料，故D正确。4．(命题情境：新型无机非金属材料的制备)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”。它可以按下列方法进行制备：SiO2eq \o(――→,\s\up8(①C),\s\do7(高温))Si(粗)eq \o(――→,\s\up8(②HCl),\s\do7(300 ℃))SiHCl3eq \o(――――――→,\s\up8(③过量H2),\s\do7(1 000～1 100 ℃))Si(纯)下列说法正确的是(　　)A．反应①的化学方程式为SiO2＋Ceq \o(=====,\s\up8(高温))Si＋CO2↑B．反应①②③中每生成或消耗1 mol Si，转移4 mol电子C．二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应D．SiHCl3(沸点31.8 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6 ℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3D　解析：二氧化硅与C在高温条件下反应生成Si和CO，不是二氧化碳，A错误；反应①中每生成 1 mol Si转移4 mol电子，而SiHCl3中Si的化合价是＋2，所以反应②③中每消耗或生成 1 mol Si，转移2 mol电子，B错误；二氧化硅、硅都可以与氢氟酸反应，C错误；SiHCl3与SiCl4的沸点相差较大，所以可通过蒸馏(或分馏)除去SiHCl3中的SiCl4，D正确。考试评价解读核心素养达成1.能知道传统的无机非金属材料陶瓷、玻璃、水泥的制备原料、成分及其主要应用。2．能结合具体实例了解新型无机非金属材料的结构特点、性能及其主要应用。3．能了解制备高纯度硅的化学原理。4．能从材料组成的角度对生活中常见的材料进行分类，能根据使用需求选择适当的材料、解释使用注意事项，并能科学合理使用。宏观辨识与微观探析通过对碳、硅结构的分析，体会运用原子结构微观解释化学现象、揭示现象的本质和规律的思维方法。科学态度与社会责任通过学习硅元素单质及其化合物之间相互转化的现象和本质，解决实际问题，为人类生活提供服务，认识其在生产中的应用和对生态环境的影响。A.4.03米大口径碳化硅反射镜B.2022年冬奥会聚氨酯速滑服C.能屏蔽电磁波的碳包覆银纳米线D.“玉兔二号”钛合金筛网轮新型材料成分性能主要应用金刚砂碳化硅(SiC)硬度大、耐高温、抗氧化磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料等高温结构陶瓷碳化硅、氮化硅、某些金属氧化物耐高温、抗氧化、耐磨蚀用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等压电陶瓷钛酸盐、锆酸盐等能实现机械能和电能的相互转化用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等透明陶瓷氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷；氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷临界温度下具有超导性用于电力、交通、医疗等领域新型材料结构特点主要性能主要应用富勒烯碳原子构成的一系列笼形分子工业材料，应用于电化学，催化剂，化妆品，抗癌药物等碳纳米管石墨片层卷成的直径纳米级的管状物比表面积大，具有高的强度和优良的电学性能生产复合材料、电池和传感器等石墨烯只有一个碳原子直径厚度的单层石墨电阻率低、热导率高、具有很高的强度应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面