第四節(jié)

碳硅及無(wú)機(jī)非金屬材料課標(biāo)要求核心素養(yǎng)1.能知道傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷、玻璃、水泥的制備原料、成分及其主要應(yīng)用。2.能結(jié)合具體實(shí)例了解新型無(wú)機(jī)非金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能及其主要應(yīng)用。3.能了解制備高純度硅的化學(xué)原理。4.能從材料組成的角度對(duì)生活中常見(jiàn)的材料進(jìn)行分類，能根據(jù)使用需求選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀⒔忉屖褂米⒁馐马?xiàng)，并能科學(xué)合理使用。1.宏觀辨識(shí)與微觀探析：通過(guò)對(duì)碳、硅結(jié)構(gòu)的分析，體會(huì)運(yùn)用原子結(jié)構(gòu)微觀解釋化學(xué)現(xiàn)象、揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律的思維方法。2.科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任：通過(guò)學(xué)習(xí)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(shí)際問(wèn)題，為人類生活提供服務(wù)，認(rèn)識(shí)其在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。[目標(biāo)導(dǎo)航][自主測(cè)評(píng)]1.易錯(cuò)易混辨析(正確的畫(huà)“√”，錯(cuò)誤的畫(huà)“×”)。(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(dǎo)纖維。())(5)非金屬性：C＞Si，則熱穩(wěn)定性：CH4＞SiH4。((6)硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)反應(yīng)。((7)SiO2是酸性氧化物，可溶于強(qiáng)堿，不溶于任何酸。())答案：(1)×

錯(cuò)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(cuò)因：光導(dǎo)纖維的主要成分是SiO2。錯(cuò)因：常溫下，硅可以與氫氟酸反應(yīng)生成SiF4

和H2。錯(cuò)因：SiO2

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

A.氮化硅陶瓷是一種新型無(wú)機(jī)非金屬材料，氮化硅的化學(xué)式為Si3N4

B.碳化硅(SiC)的硬度大，熔點(diǎn)高，可用于制作高溫結(jié)構(gòu)陶瓷和軸承 C.光導(dǎo)纖維是一種新型無(wú)機(jī)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(gòu)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(guān)碳納米管與足球烯(C60)的說(shuō)法錯(cuò)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(xué)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(diǎn)一硅酸鹽材料1.常見(jiàn)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(gè)重要反應(yīng)：_________________________________________；_________________________________________。Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑

Na2SiO3的水溶液俗稱水玻璃，具有黏結(jié)力強(qiáng)、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(gòu)高高

在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧四面體，其結(jié)構(gòu)如圖所示：

硅氧四面體結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度______、熔點(diǎn)______、難溶于水、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等特點(diǎn)。考點(diǎn)二新型無(wú)機(jī)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(guò)渡位置，是應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)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(gòu)陶瓷能承受高溫，強(qiáng)度高氮化硅陶瓷汽輪機(jī)葉片、軸承、永久性模具等半導(dǎo)體陶瓷具有電學(xué)特性二氧化錫陶瓷集成電路中的半導(dǎo)體光學(xué)材料具有光學(xué)特性光導(dǎo)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(guān)節(jié)、接骨螺釘2.其他新型無(wú)機(jī)非金屬材料新型材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要性能主要應(yīng)用富勒烯碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子—工業(yè)材料，應(yīng)用于電化學(xué)，催化劑，化妝品，抗癌藥物等3.碳納米材料新型材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要性能主要應(yīng)用碳納米管石墨片層卷成的直徑納米級(jí)的管狀物比表面積大，具有高的強(qiáng)度和優(yōu)良的電學(xué)性能生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳感器等(續(xù)表)新型材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要性能主要應(yīng)用石墨烯只有一個(gè)碳原子直徑厚度的單層石墨電阻率低、熱導(dǎo)率高、具有很高的強(qiáng)度應(yīng)用于光電器件、超級(jí)電容器、電池和復(fù)合材料等方面(續(xù)表)考向1碳及其化合物的性質(zhì)與應(yīng)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(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.SO2排入大氣易引起酸雨B.海水吸收二氧化硫時(shí)可能有CO2

逸出C.處理后的海水pH增大D.海水脫硫工藝簡(jiǎn)單，投資及運(yùn)行費(fèi)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(qiáng)于H2CO3，海水中含有碳酸鹽，故海水中吸收二氧化硫時(shí)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(cuò)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(jiǎn)單，投資及運(yùn)行費(fèi)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(wú)色，熔點(diǎn)為101℃，易溶于水，受熱脫水、升華，170℃以上分解。回答下列問(wèn)題：

(1)甲組同學(xué)按照如圖所示的裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)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(xué)認(rèn)為草酸晶體分解的產(chǎn)物中含有CO，為進(jìn)行驗(yàn)證，選用甲組實(shí)驗(yàn)中的裝置A、B和下圖所示的部分裝置(可以重復(fù)選用)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。DEFGHI

①乙組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置中，依次連接的合理順序?yàn)锳、B、____________________。裝置H反應(yīng)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(huì)生成白色沉淀草酸鈣，故在檢驗(yàn)CO2

之前必須將草酸蒸氣除去，以免對(duì)二氧化碳的檢驗(yàn)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(yàn)CO可用灼熱的氧化銅，由于草酸分解會(huì)生成二氧化碳，所以在CO還原氧化銅之前必須預(yù)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(guò)濃氫氧化鈉溶液將二氧化碳除去，并用澄清石灰水檢驗(yàn)二氧化碳是否除盡；然后將氣體進(jìn)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(yàn)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(yīng)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(huì)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(jìn)入裝置C反應(yīng)生成沉淀，干擾CO2

的檢驗(yàn) (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(yīng)用3.(2024年南京期中)用粗硅制備高純硅，發(fā)生的反應(yīng)包括①Si(s)＋3HCl(g)H2(g)＋SiHCl3(g)，②SiHCl3(g)＋H2(g))

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

c(Si)·c3(HCl)c(H2)·c(SiHCl3)C.制備高純硅的過(guò)程中應(yīng)設(shè)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(tái)聯(lián)考)高純度晶硅是典型的無(wú)機(jī)非金屬材料，又稱“半導(dǎo)體”材料。它的發(fā)現(xiàn)和使用曾引起計(jì)算機(jī)的一場(chǎng)“革命”。可以按下列方法制備：下列說(shuō)法不正確的是()A.步驟①的化學(xué)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(yáng)能電池的常用材料，二氧化硅是制造光導(dǎo)纖維的基本原料 D.SiHCl3(沸點(diǎn)33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸點(diǎn)57.6℃)，通過(guò)蒸餾(或分餾)可提純SiHCl3解析：二氧化硅高溫下與C反應(yīng)生成CO氣體，即步驟①的化學(xué)方程式為SiO2＋2CSi＋2CO↑，A錯(cuò)誤；步驟①中Si的化合價(jià)由＋4價(jià)降低到0價(jià)，故生成1molSi時(shí)轉(zhuǎn)移電子為4mol，B正確；高純硅是半導(dǎo)體，是制造集成電路、太陽(yáng)能電池的常用材料，二氧化硅是制造光導(dǎo)纖維的基本原料，C正確；SiHCl3和SiCl4的沸點(diǎn)相差較大，兩種液體可以通過(guò)蒸餾的方法分離，D正確。答案：A[歸納提升]制備高純硅過(guò)程中的3個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)

考向3無(wú)機(jī)非金屬材料

5.(2024年廣州階段練習(xí))《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(wú)機(jī)非金屬材料的是()A.用于敏感元器件的氮化鎵半導(dǎo)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(jī)分子材料。答案：B

6.(2023年阜新模擬)龍泉窯是中國(guó)歷史上的一個(gè)名窯，是中國(guó)制瓷史上延續(xù)歷史最長(zhǎng)的一個(gè)瓷窯系，龍泉窯以燒制青瓷而聞名，下列有關(guān)說(shuō)法錯(cuò)誤的是()A.高溫?zé)Y(jié)過(guò)程包含復(fù)雜的化學(xué)變化B.瓷器具有耐酸堿腐蝕、不易變形的優(yōu)點(diǎn)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?zé)Y(jié)過(guò)程是許多物理、化學(xué)變化的綜合過(guò)程，A正確；陶瓷成分是硅酸鹽，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)具有耐酸堿腐蝕、不易變形的優(yōu)點(diǎn)，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(fēng)化后形成，不是人工合成的，C錯(cuò)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(guān)無(wú)機(jī)非金屬材料的4個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)

解析：由題意可知，二氧化硅與氫氟酸溶液反應(yīng)生成強(qiáng)酸

2H2O，A正確；硫化鍺與氫氣共熱反應(yīng)時(shí)，氫氣與硫化鍺反應(yīng)生成鍺和硫化氫，硫化氫高溫下分解生成硫和氫氣，則反應(yīng)的總方程式為GeS2Ge＋2S，B錯(cuò)誤；鉛蓄電池放電時(shí)，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(yīng)生成硫酸鉛和水，電極反應(yīng)式為正極反應(yīng)PbO2＋SO

＋答案：A2e－＋4H＋===PbSO4＋2H2O，C錯(cuò)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(yīng)的熱化學(xué)方程式為CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)

ΔH2＝－890.3kJ·mol-1，D錯(cuò)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(shuō)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(guò)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(kāi)關(guān)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(cuò)誤；陶瓷燒制過(guò)程發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，由新物質(zhì)生成，屬于化學(xué)變化，C錯(cuò)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?yàn)殍F含量較低甚至幾乎不含，D錯(cuò)誤。答案：A

3.(2022年福建卷)福建多個(gè)科研機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(shù)難關(guān)。下列說(shuō)法正確的是( A.草酸屬于無(wú)機(jī)物 B.C60

與石墨互為同分異構(gòu)體 C.Cu屬于過(guò)渡元素 D.催化劑通過(guò)降低焓變加快反應(yīng)速率

解析：草酸屬于二元弱酸，即乙二酸，屬于有機(jī)物，A錯(cuò)誤；C60與石墨是碳元素的不同單質(zhì)，互為同素異形體，B錯(cuò)誤；Cu為ⅠB族，屬于過(guò)渡元素，C正確；催化劑通過(guò)降低反應(yīng)的活化能加快反應(yīng)速率，反應(yīng)焓變不變，D錯(cuò)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(wú)色液體，沸點(diǎn)為31.8℃，熔點(diǎn)為－126.5℃，易水解。實(shí)驗(yàn)室根據(jù)反應(yīng)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(wèn)題：

(1)制備SiHCl3

時(shí)進(jìn)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(shí)間后接通冷凝裝置，加熱開(kāi)始反應(yīng)。操作(ⅰ)為_(kāi)___________________；判斷制備反應(yīng)結(jié)束的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是____________________________。圖示裝置存在的兩處缺陷是___________________________________________。 (2)已知電負(fù)性Cl＞H＞Si，SiHCl3

在濃NaOH溶液中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)____________________________________。(3)采用如下方法測(cè)定溶有少量HCl的SiHCl3

純度。

m1

g樣品經(jīng)水解、干燥等預(yù)處理過(guò)程得硅酸水合物后，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)操作：①_________，②________(填操作名稱)，③稱量等操作，測(cè)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_(kāi)__________(填標(biāo)號(hào))。測(cè)得樣品純度為_(kāi)______________(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(yīng)，生成三氯甲硅烷