第四節(jié)

碳硅及無機非金屬材料課標要求核心素養(yǎng)1.能知道傳統(tǒng)的無機非金屬材料陶瓷、玻璃、水泥的制備原料、成分及其主要應用。2.能結(jié)合具體實例了解新型無機非金屬材料的結(jié)構特點、性能及其主要應用。3.能了解制備高純度硅的化學原理。4.能從材料組成的角度對生活中常見的材料進行分類，能根據(jù)使用需求選擇適當?shù)牟牧?、解釋使用注意事項，并能科學合理使用。1.宏觀辨識與微觀探析：通過對碳、硅結(jié)構的分析，體會運用原子結(jié)構微觀解釋化學現(xiàn)象、揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律的思維方法。2.科學態(tài)度與社會責任：通過學習硅元素單質(zhì)及其化合物之間相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象和本質(zhì)，解決實際問題，為人類生活提供服務，認識其在生產(chǎn)中的應用和對生態(tài)環(huán)境的影響。[目標導航][自主測評]1.易錯易混辨析(正確的畫“√”，錯誤的畫“×”)。(1)唐三彩、秦兵馬俑制品的主要材料在成分上屬于二氧化硅。()(2)水泥具有水硬性。()(3)制普通玻璃的原料是純堿、石灰石、石英。()(4)Si和SiO2

都可用于制造光導纖維。())(5)非金屬性：C＞Si，則熱穩(wěn)定性：CH4＞SiH4。((6)硅的化學性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)反應。((7)SiO2是酸性氧化物，可溶于強堿，不溶于任何酸。())答案：(1)×

錯因：唐三彩、秦兵馬俑制品屬于硅酸鹽產(chǎn)品。(2)√(4)×(5)√(6)×(7)×(3)√錯因：光導纖維的主要成分是SiO2。錯因：常溫下，硅可以與氫氟酸反應生成SiF4

和H2。錯因：SiO2

可溶于氫氟酸。2.硅是組成無機非金屬材料的一種主要元素，下列有關硅的化合物的敘述錯誤的是()

A.氮化硅陶瓷是一種新型無機非金屬材料，氮化硅的化學式為Si3N4

B.碳化硅(SiC)的硬度大，熔點高，可用于制作高溫結(jié)構陶瓷和軸承 C.光導纖維是一種新型無機非金屬材料，其主要成分為Si D.氮化硅、氧化鋁、碳化硅和二氧化鋯都可作為制高溫結(jié)構陶瓷的材料

答案：C3.碳納米管是繼足球烯(C60)以后發(fā)現(xiàn)的又一種碳單質(zhì)，以下有)關碳納米管與足球烯(C60)的說法錯誤的是( A.它們的物理性質(zhì)有較大差異 B.在常溫下它們的化學性質(zhì)都穩(wěn)定 C.它們是不同的碳單質(zhì) D.它們分別完全燃燒后生成物不同

答案：D材料普通硅酸鹽水泥普通玻璃陶瓷生產(chǎn)原料________、黏土______、石灰石、_______________主要成分—Na2SiO3、CaSiO3和SiO2—考點一硅酸鹽材料1.常見硅酸鹽材料比較石灰石純堿石英砂黏土2.玻璃生產(chǎn)中的兩個重要反應：_________________________________________；_________________________________________。Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑

Na2SiO3的水溶液俗稱水玻璃，具有黏結(jié)力強、耐高溫等特性，可以用作黏合劑和防火劑。3.硅酸鹽的結(jié)構高高

在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氧四面體，其結(jié)構如圖所示：

硅氧四面體結(jié)構的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度______、熔點______、難溶于水、化學性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等特點?？键c二新型無機非金屬材料1.硅和二氧化硅(1)硅的位置及存在ⅣA硅酸鹽氧化物

硅位于元素周期表第三周期、第______族，處于金屬與非金屬過渡位置，是應用最為廣泛的半導體材料。硅在自然界中主要以_________和____________(如水晶、瑪瑙)的形式存在。自然界中不存在硅單質(zhì)。(2)硅的性質(zhì)和用途Si＋O2SiO2Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑(3)二氧化硅的性質(zhì)和用途SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2OSiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O材料類別主要特性示例用途高溫結(jié)構陶瓷能承受高溫，強度高氮化硅陶瓷汽輪機葉片、軸承、永久性模具等半導體陶瓷具有電學特性二氧化錫陶瓷集成電路中的半導體光學材料具有光學特性光導纖維光纜通信、醫(yī)療、照明等生物陶瓷具有生物功能氧化鋁陶瓷人造骨骼、人造關節(jié)、接骨螺釘2.其他新型無機非金屬材料新型材料結(jié)構特點主要性能主要應用富勒烯碳原子構成的一系列籠形分子—工業(yè)材料，應用于電化學，催化劑，化妝品，抗癌藥物等3.碳納米材料新型材料結(jié)構特點主要性能主要應用碳納米管石墨片層卷成的直徑納米級的管狀物比表面積大，具有高的強度和優(yōu)良的電學性能生產(chǎn)復合材料、電池和傳感器等(續(xù)表)新型材料結(jié)構特點主要性能主要應用石墨烯只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨電阻率低、熱導率高、具有很高的強度應用于光電器件、超級電容器、電池和復合材料等方面(續(xù)表)考向1碳及其化合物的性質(zhì)與應用1.(2023年佛山一模)碳酸鹽約占海水鹽分的0.34%，一種海水脫硫的新工藝如圖所示。下列說法錯誤的是()A.SO2排入大氣易引起酸雨B.海水吸收二氧化硫時可能有CO2

逸出C.處理后的海水pH增大D.海水脫硫工藝簡單，投資及運行費用低解析：SO2排入大氣易引起硫酸型酸雨，原理為SO2＋H2OH2SO3、2H2SO3＋O22H2SO4，A正確；由于SO2

溶于水后形成的H2SO3

的酸性強于H2CO3，海水中含有碳酸鹽，故海水中吸收二氧化硫時可能有CO2逸出，B正確；天然海水中由于含有碳酸鹽而呈堿性，處理后的海水中碳酸鹽的量減少變成了硫酸鹽，硫酸鹽呈中性，故處理后海水的pH減小，C錯誤；海水脫硫是利用天然海水的堿度中和煙氣中的酸性氣體SO2，將大氣中的SO2

轉(zhuǎn)化為硫酸鹽直接送入大海，該工藝簡單，投資及運行費用低，D正確。答案：C2.草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中，其K1＝5.4×10-2，K2＝5.4×10-5。草酸的鈉鹽和鉀鹽易溶于水，而其鈣鹽難溶于水。草酸晶體(H2C2O4·2H2O)無色，熔點為101℃，易溶于水，受熱脫水、升華，170℃以上分解?；卮鹣铝袉栴}：

(1)甲組同學按照如圖所示的裝置，通過實驗檢驗草酸晶體的分解產(chǎn)物。裝置C中可觀察到的現(xiàn)象是____________________，由此可知草酸晶體分解的產(chǎn)物中有CO2。裝置B的主要作用是______________________________________________________。

(2)乙組同學認為草酸晶體分解的產(chǎn)物中含有CO，為進行驗證，選用甲組實驗中的裝置A、B和下圖所示的部分裝置(可以重復選用)進行實驗。DEFGHI

①乙組同學的實驗裝置中，依次連接的合理順序為A、B、____________________。裝置H反應管中盛有的物質(zhì)是CuO。 ②能證明草酸晶體分解產(chǎn)物中有CO的現(xiàn)象是___________________________________________________。

解析：(1)乙二酸的分解產(chǎn)物中含有二氧化碳，裝置C中產(chǎn)生氣泡，澄清石灰水變渾濁；由于草酸受熱易升華，在澄清石灰水中會生成白色沉淀草酸鈣，故在檢驗CO2

之前必須將草酸蒸氣除去，以免對二氧化碳的檢驗產(chǎn)生干擾，而裝置B中的冰水冷凝即可除去草酸蒸氣。(2)①檢驗CO可用灼熱的氧化銅，由于草酸分解會生成二氧化碳，所以在CO還原氧化銅之前必須預先將草酸分解生成的二氧化碳除去。因此裝置的連接順序是：首先使B中逸出的氣體通過濃氫氧化鈉溶液將二氧化碳除去，并用澄清石灰水檢驗二氧化碳是否除盡；然后將氣體進行干燥以免玻璃管H炸裂，再通入玻璃管H使CO還原氧化銅。檢驗生成的二氧化碳仍需使用澄清石灰水。最后，用排水法收集未反應完的CO，以免污染空氣，故裝置的連接順序是F、D、G、H、D、I。②若分解產(chǎn)物中含有CO，則玻璃管中黑色的氧化銅變?yōu)榧t色，其后的澄清石灰水會變渾濁。答案：(1)有氣泡冒出，澄清石灰水變渾濁冷凝水蒸氣、草酸等，防止草酸進入裝置C反應生成沉淀，干擾CO2

的檢驗 (2)①FDGHDI ②裝置H中黑色粉末變?yōu)榧t色，其后的裝置D中澄清石灰水變渾濁考向2硅及其化合物的性質(zhì)與應用3.(2024年南京期中)用粗硅制備高純硅，發(fā)生的反應包括①Si(s)＋3HCl(g)H2(g)＋SiHCl3(g)，②SiHCl3(g)＋H2(g))

3HCl(g)＋Si(s)。下列說法正確的是(A.反應①的ΔS＞0B.反應②的化學平衡常數(shù)K＝

c(Si)·c3(HCl)c(H2)·c(SiHCl3)C.制備高純硅的過程中應設法循環(huán)使用H2

和HClD.1mol晶體硅中含有4molSi—Si鍵答案：C

4.(2023年邢臺聯(lián)考)高純度晶硅是典型的無機非金屬材料，又稱“半導體”材料。它的發(fā)現(xiàn)和使用曾引起計算機的一場“革命”?？梢园聪铝蟹椒ㄖ苽洌合铝姓f法不正確的是()A.步驟①的化學方程式為SiO2＋CSi＋CO2↑

B.步驟①中每生成1molSi，轉(zhuǎn)移4mol電子 C.高純硅是制造太陽能電池的常用材料，二氧化硅是制造光導纖維的基本原料 D.SiHCl3(沸點33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸點57.6℃)，通過蒸餾(或分餾)可提純SiHCl3解析：二氧化硅高溫下與C反應生成CO氣體，即步驟①的化學方程式為SiO2＋2CSi＋2CO↑，A錯誤；步驟①中Si的化合價由＋4價降低到0價，故生成1molSi時轉(zhuǎn)移電子為4mol，B正確；高純硅是半導體，是制造集成電路、太陽能電池的常用材料，二氧化硅是制造光導纖維的基本原料，C正確；SiHCl3和SiCl4的沸點相差較大，兩種液體可以通過蒸餾的方法分離，D正確。答案：A[歸納提升]制備高純硅過程中的3個易錯點

考向3無機非金屬材料

5.(2024年廣州階段練習)《廣州市戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》涉及的下列物質(zhì)中，不屬于新型無機非金屬材料的是()A.用于敏感元器件的氮化鎵半導體B.用于高分辨人工視網(wǎng)膜的聚酰亞胺C.用于超高清視頻顯示的低溫多晶硅D.用于新能源汽車的石墨烯電池解析：聚酰亞胺屬于有機分子材料。答案：B

6.(2023年阜新模擬)龍泉窯是中國歷史上的一個名窯，是中國制瓷史上延續(xù)歷史最長的一個瓷窯系，龍泉窯以燒制青瓷而聞名，下列有關說法錯誤的是()A.高溫燒結(jié)過程包含復雜的化學變化B.瓷器具有耐酸堿腐蝕、不易變形的優(yōu)點C.制作瓷器所用的黏土原料是人工合成的D.瓷器屬于硅酸鹽產(chǎn)品，含有多種金屬元素

解析：高溫燒結(jié)過程是許多物理、化學變化的綜合過程，A正確；陶瓷成分是硅酸鹽，經(jīng)高溫燒結(jié)具有耐酸堿腐蝕、不易變形的優(yōu)點，B正確；黏土是含沙粒很少、有黏性的土壤，一般的黏土都由硅酸鹽礦物在地球表面風化后形成，不是人工合成的，C錯誤；陶瓷主要原料是黏土，屬硅酸鹽產(chǎn)品，含有多種金屬元素，D正確。答案：C[歸納提升]有關無機非金屬材料的4個易錯點

解析：由題意可知，二氧化硅與氫氟酸溶液反應生成強酸

2H2O，A正確；硫化鍺與氫氣共熱反應時，氫氣與硫化鍺反應生成鍺和硫化氫，硫化氫高溫下分解生成硫和氫氣，則反應的總方程式為GeS2Ge＋2S，B錯誤；鉛蓄電池放電時，二氧化鉛為正極，酸性條件下在硫酸根離子作用下二氧化鉛得到電子發(fā)生還原反應生成硫酸鉛和水，電極反應式為正極反應PbO2＋SO

＋答案：A2e－＋4H＋===PbSO4＋2H2O，C錯誤；由題意可知，1mol甲烷完全燃燒生成二氧化碳和液態(tài)水放出熱量為890.3kJ，反應的熱化學方程式為CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)

ΔH2＝－890.3kJ·mol-1，D錯誤。2.(2022年河北選擇考)定窯是宋代五大名窯之一，其生產(chǎn)的白)瓷聞名于世。下列說法正確的是( A.傳統(tǒng)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：陶瓷是良好的絕緣體，傳統(tǒng)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，C錯誤；陶瓷燒制過程發(fā)生復雜的化學反應，由新物質(zhì)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。答案：A

3.(2022年福建卷)福建多個科研機構經(jīng)過長期聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，使用C60和改性的Cu基催化劑，可打通從合成氣經(jīng)草酸二甲酯常)壓催化加氫制備乙二醇的技術難關。下列說法正確的是( A.草酸屬于無機物 B.C60

與石墨互為同分異構體 C.Cu屬于過渡元素 D.催化劑通過降低焓變加快反應速率

解析：草酸屬于二元弱酸，即乙二酸，屬于有機物，A錯誤；C60與石墨是碳元素的不同單質(zhì)，互為同素異形體，B錯誤；Cu為ⅠB族，屬于過渡元素，C正確；催化劑通過降低反應的活化能加快反應速率，反應焓變不變，D錯誤。答案：C

4.(2023年山東卷)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(jù)反應Si＋3HClSiHCl3＋H2，利用如下裝置制備SiHCl3

粗品(加熱及夾持裝置略)?；卮鹣铝袉栴}：

(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(jié)束的實驗現(xiàn)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(fā)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(jīng)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(zhì)量為m2

g，從下列儀器中選出①②中需使用的儀器，依次為___________(填標號)。測得樣品純度為_______________(用含m1、m2

的代數(shù)式表示)。

解析：氯化氫氣體通入濃硫酸干燥后，在管式爐中和硅在高溫下反應，生成三氯甲硅烷