5.3無機(jī)非金屬材料（知識解讀）高一化學(xué)知識點解讀與能力訓(xùn)練（人教版2019）（原卷版）

5.3無機(jī)非金屬材料（知識解讀）?知識點1硅?知識點2二氧化硅?知識點3硅酸鹽材料?知識點4新型陶瓷碳納米材料知識點1硅知識點1硅1.硅的存在與結(jié)構(gòu)（1）存在：硅在地殼中的含量僅次于氧，居第2位，在自然界主要以硅酸鹽和氧化物（如水晶、瑪瑙）的形式存在，硅單質(zhì)主要有晶體和無定形兩大類。（2）結(jié)構(gòu)：硅是14號元素，原子結(jié)構(gòu)為：，說明硅既難失去電子也難得到電子，硅是親氧元素，與氧形成共價鍵，硅單質(zhì)晶體是原子晶體。2.硅的物理性質(zhì)：帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔點高，硬度大，有脆性。3.硅的化學(xué)性質(zhì)a．常溫①與氫氟酸反應(yīng)的化學(xué)方程式：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；②與NaOH溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑；③與F2反應(yīng)的化學(xué)方程式:Si＋2F2=SiF4b．高溫①與O2反應(yīng)：Si＋O2SiO2。②與Cl2反應(yīng)：Si＋Cl2SiCl44.硅的用途：半導(dǎo)體材料、太陽能電池、計算機(jī)芯片和耐酸設(shè)備等。5.高純硅的制備涉及的主要化學(xué)反應(yīng)為(a)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1800～2000℃))Si＋2CO↑(b)Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2(c)SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl【特別提醒】①用焦炭還原SiO2，產(chǎn)物是CO而不是CO2。②粗硅中含碳等雜質(zhì)，與HCl反應(yīng)生成的SiHCl3中含有CCl4等雜質(zhì)，經(jīng)過分餾提純SiHCl3后，再用H2還原，得到高純度硅。【名師點撥】(1)Si與氫氟酸反應(yīng)是Si的特性，其他非金屬單質(zhì)不有此性質(zhì)。(2)Si是能與NaOH溶液反應(yīng)放出H2的非金屬單質(zhì)，A1是能與NaOH溶液反應(yīng)放出H2的金屬單質(zhì)，推斷題中常以此為突破口。(3)反應(yīng)Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑可看作兩步進(jìn)行：Si+3H2O=H2SiO3+2H2↑、H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O?？偡磻?yīng)為Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。此反應(yīng)中Si是還原劑，H2O是氧化劑，NaOH既不是氧化劑也不是還原劑?！镜淅?1】下列關(guān)于硅的說法不正確的是A．硅是非金屬元素，晶體硅是灰黑色有金屬光澤的固體B．硅的導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料C．硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)D．加熱到一定溫度時，硅能與氯氣、氧氣等非金屬單質(zhì)反應(yīng)【典例12】單晶硅是制作電子集成電路的基礎(chǔ)材料。用化學(xué)方法可制得高純度硅，其化學(xué)方程式為：①SiO2+2CSi+2CO↑②Si+3HClSiHCl3+H2③SiHCl3+H2Si(純)+3HCl下列對上述三個反應(yīng)的敘述中，正確的是A．僅①③為置換反應(yīng)B．②為化合反應(yīng)C．①②③均為氧化還原反應(yīng)D．三個反應(yīng)的反應(yīng)物中硅元素均被還原【變式11】下列關(guān)于硅的說法不正確的是A．高純度的單質(zhì)硅被廣泛用于制作計算機(jī)芯片B．自然界硅元素的貯量豐富，并存在大量的單質(zhì)硅C．常溫時硅與水、空氣和酸不反應(yīng)，但能與氫氟酸反應(yīng)D．硅可由二氧化硅還原制得【變式12】工業(yè)制備高純硅的流程如下，下列說法正確的是A．石英砂與過量焦炭發(fā)生的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO2+2CSi+2CO↑B．盛裝NaOH溶液的玻璃瓶要使用磨口玻璃塞C．粗硅與HCl反應(yīng)時，需要在富氧的環(huán)境中進(jìn)行D．高純硅常用于制備光導(dǎo)纖維知識點2二氧化硅知識點2二氧化硅1.二氧化硅的存在自然界中，碳元素既有游離態(tài)，又有化合態(tài)，而硅元素僅有化合態(tài)，主要以氧化物和硅酸鹽的形式存在。天然SiO2有晶體和無定形兩種，統(tǒng)稱硅石，硅石、石英、水晶、瑪瑙、沙子等主要成分都是SiO2。2.二氧化硅的物理性質(zhì)：純凈的SiO2是無色透明的，其熔、沸點高，硬度大，不溶于水，也不導(dǎo)電。3.二氧化硅的結(jié)構(gòu)SiO2晶體有多種晶型，其基本結(jié)構(gòu)單元為硅氧四面體(如下圖甲所示)，硅氧四面體通過氧原子相互連接為空間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(如下圖乙所示)。在SiO2晶體中，每個Si周圍結(jié)合4個O，Si在中心，O在4個頂角；許多這樣的四面體又通過頂角的O相連接，每個O為兩個四面體所共有，即每個O與2個Si相結(jié)合，SiO2晶體中Si和O的比例為1∶2。由結(jié)構(gòu)可知，二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定。4.二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)a.酸性氧化物，是硅酸的酸酐。①SiO2可以與堿反應(yīng)，生成硅酸鹽，如與氫氧化鈉反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O；②在高溫條件下，能夠與堿性氧化物反應(yīng)，如與氧化鈣反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO2＋CaOCaSiO3③在高溫條件下可以與碳酸鹽反應(yīng)，如與碳酸鈉、碳酸鈣反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑（工業(yè)制玻璃）b.弱氧化性：①與碳反應(yīng)：SiO2+2CSi+2CO↑(制粗硅)；SiO2＋3CSiC＋2CO↑(制金剛砂)；②與Mg反應(yīng)：4Mg＋SiO22Mg2Si＋2MgO；Mg2Si＋2H2O=SiH4↑＋2Mg(OH)2(制硅化氫)；c.特性：常溫下與氫氟酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O5.二氧化硅的主要應(yīng)用①水晶可用于電子工業(yè)的部件、光學(xué)儀器、工藝品。②SiO2是制光導(dǎo)纖維的重要原料。③較純的石英用于制造石英玻璃，石英玻璃常用來制造耐高溫的化學(xué)儀器。④石英砂用于制玻璃的原料及建筑材料?！咎貏e提醒】（1）由于玻璃的成分中含有SiO2，故實驗室盛放堿液的試劑瓶用橡皮塞而不用玻璃塞，因為SiO2與堿溶液反應(yīng)生成具有黏性的Na2SiO3。（2）未進(jìn)行磨砂處理的玻璃，在常溫下是不易被強(qiáng)堿腐蝕的。（3）因為氫氟酸腐蝕玻璃并用于雕刻玻璃，與玻璃中的SiO2反應(yīng)，所以氫氟酸不能用玻璃瓶保存，而應(yīng)保存在塑料瓶或鉛皿中。（4）SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不與水反應(yīng)，不能用SiO2直接與水作用制備H2SiO3。（5）不能依據(jù)反應(yīng)2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑來說明C的還原性比Si強(qiáng)，也不能依據(jù)反應(yīng)SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑來說明SiO2水化物的酸性比H2CO3強(qiáng)。此類反應(yīng)能進(jìn)行的原因是因為在高溫條件下，生成物中的氣體從反應(yīng)體系中逸出，有利于反應(yīng)向右進(jìn)行。（6）SiO2雖然能與NaOH溶液、HF溶液反應(yīng)，但不屬于兩性氧化物，屬于酸性氧化物，但與水不能直接反應(yīng)。（7）不要混淆二氧化硅和硅的用途：用于制作光導(dǎo)纖維的是SiO2，用于制作半導(dǎo)體材料、計算機(jī)芯片的是晶體硅?！镜淅?1】下列關(guān)于的敘述正確的是①能與水反應(yīng)生成硅酸②對應(yīng)的水化物是可溶性弱酸③硅原子和碳原子的最外層電子數(shù)相同，和的分子結(jié)構(gòu)也相同④既能與氫氧化鈉溶液反應(yīng)又能與氫氟酸反應(yīng)，故是兩性氧化物⑤中硅元素為價，故具有氧化性⑥在中，每個硅原子結(jié)合2個氧原子A．①③⑤ B．①②④⑥ C．③ D．⑤【典例22】諾貝爾物理學(xué)獎曾授予“光纖之父”英國華裔科學(xué)家高錕以及兩位美國科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯。光導(dǎo)纖維的主要成分是二氧化硅，下列關(guān)于二氧化硅的說法正確的是A．二氧化硅是酸性氧化物，因此能與水反應(yīng)生成硅酸B．因不溶于水，故不是的酸酐C．二氧化硅制成的光導(dǎo)纖維，由于導(dǎo)電能力強(qiáng)而被用于制造光纜D．二氧化硅不能與碳酸鈉溶液反應(yīng)，但能與碳酸鈉固體在高溫時發(fā)生反應(yīng)【變式21】下列物質(zhì)不與二氧化硅反應(yīng)的是A．燒堿 B．氫氟酸 C．硝酸 D．生石灰【變式22】下列說法正確的是A．因為HF與SiO2反應(yīng)，故用氫氟酸在玻璃器皿上刻蝕標(biāo)記B．下列轉(zhuǎn)化在一定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)：SiO2SiCl4SiC．SiO2既能和NaOH溶液反應(yīng)，又能和氫氟酸反應(yīng)，所以是兩性氧化物D．Si和SiO2都用于制造光導(dǎo)纖維知識點3硅酸鹽材料知識點3硅酸鹽材料1.硅酸鹽的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)(1)硅酸鹽的結(jié)構(gòu)、特點結(jié)構(gòu)特點硅氧四面體硬度高、熔點高、難溶于水、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等(2)硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱，是構(gòu)成地殼巖石的主要成分。(3)硅酸鈉①物理性質(zhì)：白色、可溶于水的粉末狀固體，其水溶液俗稱水玻璃，有黏性，水溶液顯堿性。②化學(xué)性質(zhì)——與酸性較硅酸強(qiáng)的酸反應(yīng)：a．與鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。b．與CO2水溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。③用途：黏合劑(礦物膠)、防腐劑和耐火阻燃材料。【特別提醒】①Na2SiO3的水溶液是一種黏合劑，是制備硅膠和木材防火劑等的原料；Na2SiO3易與空氣中的CO2、H2O反應(yīng)，要密封保存。②可溶性碳酸鹽、硅酸鹽的水溶液呈堿性，保存該溶液的試劑瓶不能用玻璃塞，應(yīng)用橡膠塞。(4)硅酸鹽的氧化物表示法：氧化物的書寫順序：活潑金屬氧化物→較活潑金屬氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物間以“·”隔開。如硅酸鈉(Na2SiO3)可表示為Na2O·SiO2，長石(KAlSi3O8)可表示為K2O·Al2O3·6SiO2。【特別提醒】（1）氧化物之間以“·”隔開；（2）計量數(shù)配置出現(xiàn)分?jǐn)?shù)應(yīng)化為整數(shù)。硅酸鹽改寫為氧化物形式時，各元素的化合價保持不變，且滿足化合價代數(shù)和為零，各元素原子個數(shù)比符合原來的組成。當(dāng)系數(shù)配置出現(xiàn)分?jǐn)?shù)時一般應(yīng)化為整數(shù)。如上例中KAlSi3O8，將eq\f(1,2)K2O·eq\f(1,2)Al2O3·3SiO2，要寫成K2O·Al2O3·6SiO2。2.硅酸鹽材料——傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸鹽材料，常見硅酸鹽材料比較。水泥玻璃陶瓷主要原料黏土、石灰石、石膏石灰石、石英砂、純堿黏土主要設(shè)備水泥回轉(zhuǎn)窯玻璃窯陶瓷窯制備過程原料與其他輔料經(jīng)混合、研磨后在水泥回轉(zhuǎn)窯中煅燒，發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，加入適量石膏調(diào)節(jié)水泥硬化速率，再磨成細(xì)粉即得原料經(jīng)混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化而制得原料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成變化復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up11(高溫),\s\do4())Na2SiO3＋CO2↑CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up11(高溫),\s\do4())CaSiO3＋CO2↑復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程組成硅酸三鈣(3CaO·SiO2)硅酸二鈣(2CaO·SiO2)鋁酸三鈣3CaO·Al2O3)硅酸鈉、硅酸鈣和二氧化硅硅酸鹽用途重要的建筑材料，制作混凝土，用于建筑和水利工程建筑材料、化學(xué)實驗用的玻璃儀器、光學(xué)儀器、各種器皿、玻璃纖維、窗玻璃等在工農(nóng)業(yè)、科技、生活、實驗室中使用廣泛，如建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等【名師提醒】硅酸鹽產(chǎn)品中，水泥和陶瓷的共同原料是黏土，水泥和玻璃的共同原料是石灰石?！镜淅?1】在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧四面體，硅酸鹽所具有的下列性質(zhì)與硅氧四面體結(jié)構(gòu)無關(guān)的是A．硬度高 B．熔點高 C．耐腐蝕 D．能與鹽酸反應(yīng)【典例32】下列說法不正確的是A．陶瓷、玻璃、水泥等都是硅酸鹽產(chǎn)品B．硅晶體的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是一種重要的半導(dǎo)體材料C．光導(dǎo)纖維的主要成分是晶體硅D．青花瓷胎體的原料為高嶺土[Al2Si2O5(OH)4]，若以氧化物形式表示為Al2O3·2SiO2·2H2O【變式31】下列物品或設(shè)施未使用硅酸鹽材料的是A．石英鐘 B．混凝土橋墩 C．陶瓷餐具 D．門窗玻璃【變式32】玻璃、水泥、陶瓷和磚瓦都是傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品，下列關(guān)于它們的說法不正確的是A．水泥的主要成分是硅酸三鈣、硅酸二鈣和鋁酸三鈣B．黑磚中的鐵元素主要以氧化鐵形式存在C．《陶者》“陶盡門前土，屋上無片瓦。十指不沾泥，粼粼居大廈?！别ね翢铺掌鞯倪^程中發(fā)生了化學(xué)變化D．工藝師用氫氟酸來腐蝕雕刻玻璃制品1.新型陶瓷新型材料成分性能主要應(yīng)用金剛砂碳原子、硅原子以共價鍵連接，結(jié)構(gòu)類似金剛石硬度很大、高溫抗氧化性能優(yōu)異砂紙和砂輪的磨料、耐高溫結(jié)構(gòu)材料和耐高溫半導(dǎo)體材料高溫結(jié)構(gòu)陶瓷碳化硅、氮化硅、金屬氧化物耐高溫、抗氧化、耐腐蝕用于火箭發(fā)動機(jī)、汽車發(fā)動機(jī)和高溫電極材料等壓電陶瓷鈦酸鹽、鋯酸鹽等能實現(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)化用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等透明陶瓷氧化鋁、氧化釔等透明陶瓷；氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷具有優(yōu)異的光學(xué)性能、耐高溫、絕緣性好用于高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等超導(dǎo)陶瓷YBa2Cu3O7δ、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、Tl2Ba2Ca2Cu3O10臨界溫度下具有超導(dǎo)性用于電力、交通、醫(yī)療領(lǐng)域等2.碳納米材料新型材料結(jié)構(gòu)特點主要性能主要應(yīng)用富勒烯碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子在溶解性、磁性、非線性光學(xué)性質(zhì)、光導(dǎo)電性等方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能工業(yè)材料，應(yīng)用于電化學(xué)，催化劑，化妝品，抗癌藥物等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(qiáng)度和優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳感器等石墨烯一個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、超級電容器、電池和復(fù)合材料等方面3.傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料