學而優(yōu)·教有方PAGEPAGE7無機非金屬材料【基礎知識過關】一、硅酸鹽產(chǎn)品1、硅酸鹽的結構在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氧四面體，其結構如圖5-18所示每個Si結合4個O，Si在中心，O在四面體的4個頂角;許多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接，每個O為兩個四面體所共有，與2個Si相結合。硅氧四面體結構的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質穩(wěn)定、耐腐蝕等特點。2、傳統(tǒng)硅酸鹽產(chǎn)品的比較陶瓷玻璃水泥原料黏土純堿、石灰石、石英主要原料:石灰石、黏土；輔助原料:適量的石膏等生產(chǎn)設備陶窯玻璃熔爐水泥回轉主要生產(chǎn)過程原料經(jīng)高溫燒結而成，發(fā)生復雜的物理化學變化原料經(jīng)混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發(fā)生復雜的物理和化學變化而制得。Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑原料與其他輔料經(jīng)混合、研磨后在水泥回轉窯中煅燒，發(fā)生復雜的物理和化學變化，加入適量石膏調節(jié)水泥硬化速率，再磨成細粉即得。主要成分成分復雜硅酸鈉(Na2SiO3)、硅酸鈣(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)硅酸三鈣(3Ca?SiO2)、硅酸二鈣(2CaO?SO2)、鋁酸三鈣(3CaO?Al2O3)性能熔點高、硬度大、耐腐蝕、性質穩(wěn)定透光性好、硬度大、無固定熔點過水逐漸變硬(水硬性)、硬化后性質穩(wěn)定主要用途建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等建筑材料、各種器皿、光學儀器等大量用于建筑、水利、道路等工程中二、新型無機非金屬材料1、硅單質1）硅元素的位置、原子的結構及主要化合價（1）硅元素的位置：第三周期、第ⅣA族（2）畫出硅原子結構示意圖：。（3）硅元素的主要化合價由于硅原子最外層有4個電子，既難得到4個電子，也難失去4個電子，故硅常以共價鍵的形式與其它原子結舍，常見化合價為－4，0，＋4，以下是常見的硫化物。標出下列含硅化合物中硅元素的化合價Mg2Si-4、SiO2+4、Si0、Na2SiO3+42）存在硅單質主要有晶體和無定形兩大類。3）物理性質：帶有金屬光澤的灰黑色固體，熔點高，硬度大，有脆性。4）化學性質(1)常溫下不活潑，一般不與其他物質反應，但可以與氟、氫氟酸、堿反應。反應的化學方程式分別為：與氟氣反應：Si＋2F2=SiF4；與氫氟酸反應：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；與強堿反應：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。(2)在加熱或者點燃的條件下可以與氫氣、氧氣、氯氣等反應，寫出與氧氣反應的化學方程式為Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2。5）主要應用：半導體材料、計算機芯片、太陽能電池6）高純硅的制備寫出涉及的主要化學反應為(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＋3HCl2、二氧化硅1）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。硅石、水晶、石英、瑪\t"/item/%E4%BA%8C%E6%B0%A7%E5%8C%96%E7%A1%85/_blank"瑙、砂子、脈石、硅藻土的主要成分都是SiO2。2）物理性質熔點高，硬度大，難溶于水。3）結構SiO2晶體有多種晶型，其基本結構單元為硅氧四面體(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)狀結構(如下圖乙所示)。每個硅原子與4個氧原子相連，而每個氧原子與2個硅原子相連，故SiO2晶體中Si和O的比例為1∶2。4）化學性質SiO2為酸性氧化物，是硅酸的酸酐。(1)SiO2可以與堿反應，生成硅酸鹽，寫出SiO2與氫氧化鈉反應的化學方程式為SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O。(2)在高溫條件下可以與碳酸鹽反應，寫出SiO2與碳酸鈣反應的化學方程式為SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3＋CO2↑。(3)在高溫條件下，能夠與堿性氧化物反應，寫出SiO2與氧化鈣反應的化學方程式為SiO2＋CaOeq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3。(4)常溫下與氫氟酸反應的化學方程式為SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。5）主要應用：光導纖維3、硅酸、硅酸鹽1）硅酸(1)物理性質硅酸的溶解度小，新制備的硅酸為透明、膠凍狀，干燥硅膠多孔，吸水性和吸附性強。(2)化學性質①弱酸性：酸性比碳酸弱，與NaOH溶液反應的化學方程式為H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O。②不穩(wěn)定性：受熱易分解，反應的化學方程式為H2SiO3eq\o(=,\s\up7(△))SiO2＋H2O。(3)制備：通過可溶性硅酸鹽與其他酸反應制得，如Na2SiO3溶液與鹽酸反應：Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3(膠體)。(4)用途：硅膠可用作干燥劑、催化劑的載體等。2）硅酸鹽(1)硅酸鹽的結構、特點結構特點硅氧四面體硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質穩(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，是構成地殼巖石的主要成分。(2)硅酸鈉：硅酸鈉溶液俗稱水玻璃，是無色黏稠液體，常用于制備黏合劑、防腐劑、耐火材料。4、新型無機非金屬材料新型材料成分性能主要應用晶體硅硅原子，硅原子以共價鍵連接，結構類似金剛石導電性介于導體和絕緣體之間半導體材料、計算機芯片、太陽電池等二氧化硅硅原子、氧原子，其基本結構單元為硅氧四面體(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)狀結構性質穩(wěn)定、透光性好光導纖維、玻璃儀器、裝飾品等新型陶瓷碳化硅、氮化硅、金屬氧化物等高溫結構陶瓷；氧化鋁、氧化釔等透明陶瓷；YBa2Cu3O7-δ、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、Tl2Ba2Ca2Cu3O10等超導陶瓷分別具有光學、熱學、電學、磁學等方面的特性分別用于激光、火箭發(fā)動機、壓電陶瓷(點火器)、磁浮技術、人工關節(jié)等石墨烯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)良的電學性質生產(chǎn)復合材料、電池和傳感器等【基礎小練】1．硅的氧化物及硅酸鹽構成了地殼中大部分的巖石、沙子和土壤。在無機非金屬材料中，硅一直扮演著主角。下面幾種物質中含有硅單質的是A．水晶鏡片 B．瑪瑙手鐲 C．硅太陽能電池 D．石英光導纖維【解析】A．水晶的主要成分是二氧化硅，故A不符合題意；B．瑪瑙的主要成分是二氧化硅，故B不符合題意；C．太陽能電池板的主要成分是硅單質，硅太陽能電池工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電子轉換反應，故C符合題意；D．石英光導纖維的主要成分是二氧化硅，故D不符合題意；答案選C?！敬鸢浮緾2．高純硅是現(xiàn)代信息、半導體和光伏發(fā)電等產(chǎn)業(yè)都需要的基礎材料。工業(yè)上提純硅有多種路線，其中一種工藝流程示意圖及主要反應如下：下列說法正確的是()A．自然界中存在大量的單質硅B．步驟電弧爐中的化學方程式為SiO2＋CSi＋CO2↑C．二氧化硅能與氫氟酸反應，而硅不能與氫氟酸反應D．SiHCl3(沸點33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸點67.6℃)，通過蒸餾(或分餾)可提純SiHCl3【解析】A、硅在自然界中沒有單質硅，只有化合態(tài)的硅，故A錯誤；B、電弧爐中的化學方程式為SiO2＋2CSi＋2CO↑，所以B錯誤；C、二氧化硅和硅都能與氫氟酸反應，所以C錯誤；D、SiHCl3(沸點33.0℃)和SiCl4(沸點67.6℃)的沸點有較大差距，所以可通過蒸餾(或分餾)提純SiHCl3，故D正確。本題正確答案為D?！敬鸢浮緿3．我國科學家成功研制了超分子納米管，下列敘述不正確的是（）A．該超分子性質穩(wěn)定，不與任何酸發(fā)生反應B．是酸性氧化物C．在工業(yè)上可用于制造光導纖維D．與堿的反應是非氧化還原反應【解析】A．二氧化硅能與氫氟酸發(fā)生反應，A錯誤；B．能與堿反應生成鹽和水，屬于酸性氧化物，B正確；C．制成的纖維能夠傳導光波和各種光信號，在工業(yè)上可用于制造光導纖維，C正確；D．與堿反應生成鹽和水，是非氧化還原反應，D正確；故選A?！敬鸢浮緼4．下列說法不正確的是（）A．光導纖維作通信材料有許多優(yōu)點，但怕腐蝕，鋪設也很不方便B．新型無機非金屬材料具有光學特性、電學特性等C．高溫結構陶瓷相比金屬材料具有許多優(yōu)點，如耐高溫、抗氧化等D．光導纖維除用于通信外，還可以用于醫(yī)療、信息處理等許多方面【解析】A．光導纖維的主要成分是二氧化硅，二氧化硅性質穩(wěn)定，耐腐蝕，故A符合題意；B．新型無機非金屬材料主要有先進陶瓷、非晶體材料、人工晶體、無機涂層、無機纖維等，具有光學特性、生物功能、電學特性、耐高溫、強度高，故B不符合題意；C．高溫結構陶瓷包括高溫氧化物和高溫非氧化物(或稱難熔化合物)兩大類，不怕氧化，耐高溫，密度小，故C不符合題意；D．光導纖維在信息傳遞方面有很多應用，如內窺鏡、光纖通信等，故D不符合題意；故答案為：A?！敬鸢浮緼5．唐三彩、秦兵馬俑制品的主要材料在成分上屬于（）A．氧化鋁 B．二氧化硅 C．硅酸鹽 D．合金【解析】唐三彩、秦兵馬俑制品由粘土經(jīng)高溫灼燒而成，屬于硅酸鹽產(chǎn)品。故選C?！敬鸢浮緾6．有科學家認為硅是“21世紀的能源”、“未來的石油”，下列有關硅可能成為新型能源的敘述中不正確的是A．自然界中存在大量硅單質B．自然界中的硅易開采，且可再生C．硅燃料便于運輸、貯存，從安全角度考慮，硅是優(yōu)質燃料D．硅燃料燃燒放出的熱量多，其燃燒產(chǎn)物對環(huán)境的污染容易有效地控制【解析】?A.硅具有親氧性，在自然界中主要以氧化物形式存在，而沒有硅單質，故?A錯誤；B.硅在自然界中含量豐富，主要以硅酸鹽和二氧化硅的形式存在，易開采且可再生，故B正確；C.硅常溫下為固體，性質較穩(wěn)定，便于貯存，較為安全，硅燃燒放出大量的熱，是優(yōu)質的燃料，故C正確；D.硅作為一種普遍使用的新型能源被開發(fā)利用，說明燃燒放出的熱量大，硅燃燒生成二氧化硅，二氧化硅是固體，容易有效控制，故D正確。綜上所述，本題選A?！敬鸢浮緼7．碳納米管是由碳原子組成的六角形蜂巢狀平面薄膜卷曲而成，具有許多異常的力學、電學和化學性能。下列關于碳納米管的說法不正確的是A．碳納米管屬于一種有機合成纖維B．碳納米管與金剛石互為同素異形體C．常溫下，碳納米管具有較好的穩(wěn)定性D．碳納米管比表面積大，可用作新型儲氫材料【解析】A、碳納米管由碳單質組成，不屬于有機合成纖維，A錯誤；B、碳納米管與金剛石都由碳元素組成，但結構與性質不同，互為同素異形體，B正確；C、碳單質性質穩(wěn)定，所以常溫下，碳納米管具有較好的穩(wěn)定性，C正確；D、碳納米管是由碳原子組成的六角形蜂巢狀平面薄膜卷曲而成，所以比表面積大，可用作新型儲氫材料，D正確。答案選A?！敬鸢浮緼8．下列物質：①水；②氫氟酸；③燒堿溶液；④濃硫酸；⑤氧化鈣；⑥濃硝酸；⑦碳酸鈉固體。其中，在一定條件下能與反應的是()A．②③⑤⑦ B．①③⑤⑥ C．①④⑥ D．全部【解析】不與水、濃硫酸、濃硝酸反應，與氫氟酸反應的化學方程式為，與燒堿溶液反應的化學方程式為，與氧化鈣反應的化學方程式為，與碳酸鈉固體反應的化學方程式為，故在一定條件下能與反應的是②③⑤⑦，故A符合；故選A?！敬鸢浮緼9．《天工開物》記載：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，擇取無沙黏土而為之”“凡坯既成，干燥之后，則堆積窖中燃薪舉火”“澆水轉釉(主要為青色)，與造磚同法”。下列說法錯誤的是()A．“燃薪舉火”使黏土發(fā)生了復雜的物理化學變化 B．沙子和黏土的主要成分為硅酸鹽C．燒制后自然冷卻成紅瓦，澆水冷卻成青瓦 D．黏土是制作磚瓦和陶瓷的主要原料【解析】A．黏土燒制成瓦的過程中發(fā)生了復雜的物理化學變化，故A正確。B．沙子的主要成分為二氧化硅，二氧化硅是氧化物，不屬于硅酸鹽，故B錯誤。C．由“澆水轉釉(主要為青色)，與造磚同法”可知，故C正確。D．黏土是制作磚瓦和陶瓷的主