1、第三节第三节 无机非金属材料无机非金属材料 基础巩固 1.“5G”时代的到来，以光导纤维为基础的高速信息通道更加显得重要。下列物质 中用于制造光导纤维的材料是( ) A.铜合金 B.陶瓷 C.硅 D.二氧化硅 答案 D 2.当航天飞机返回地球大气层时，由于与空气的剧烈摩擦，飞机尖端的温度可达 1 000 以上，为了防止高温将其烧毁，科学家给航天飞机的相应部位安装了可 靠的保护层。制作保护层的材料是( ) A.塑料 B.玻璃 C.新型陶瓷 D.镁铝合金 解析 制作保护层的材料应该具有硬度很大、具有优异的高温抗氧化性能，只有 C 项符合要求。 答案 C 3.化学与材料、信息、能源关系密切。下列说法
2、不正确的是( ) A.水泥、玻璃、陶瓷都是传统的硅酸盐工业产品 B.当前太阳能电池的主要材料是二氧化硅 C.当前计算机使用的硅芯片主要材料是硅 D.制作光导纤维的主要材料是二氧化硅 解析 A.传统硅酸盐工业是以含硅物质为原料经加热制成的， 如制造水泥、 玻璃、 陶瓷等，故 A 正确；B.当前太阳能电池的主要材料是晶体硅，故 B 错误；C.硅 属于半导体，常用来作为硅芯片的主要材料，故 C 正确；D.二氧化硅是用于制 造光导纤维的材料，具有信号传输的能力，故 D 正确。 答案 B 4.硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列叙述中正确的是( ) A.汽车中小摆件“苹果花”的动力是以 Si 为原料制
3、作的太阳能电池 B.晶体硅主要用途是制造光导纤维 C.硅是地壳中含量最多的元素 D.硅的化学性质很稳定，因此硅在自然界中以游离态形式存在 解析 晶体硅是良好的半导体材料，主要用途是制作太阳能电池、集成电路，A 正确，B 错误；氧是地壳中含量最多的元素，C 错误；硅是亲氧元素，在自然界 中只以化合态形式存在，D 错误。 答案 A 5.中国的瓷器驰名世界，传统陶瓷是以黏土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.传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料 C.陶瓷材料是人类应用最早的硅酸盐材料 D.瓷器耐酸碱腐蚀，可用作日用器皿、装饰用品等 解析
4、 制备玻璃的原料为石灰石、纯碱、石英砂。 答案 A 6.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 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
5、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。 答案 A 7.硅及其化合物应用广泛，下列叙述正确的是( ) A.晶体硅具有金属光泽，可以导电，是制造太阳能电池的常用材料 B.水晶项链是硅酸盐制品 C.光导纤维的主要成分是晶体硅 D.硅在地壳中主要以游离态形式存在 解析 A.晶体硅具有金属光泽，它是一种性能优良的半导体材料，可以导电，是 制造太阳能电池的常用材料， 所以 A 选项是正确的； B.水晶的成分是二氧化硅， 所以水晶项链不是硅酸盐制品，故 B 错误；C.光导纤维的主要成分是二氧化硅， 不是硅单质，故 C 错误；D.硅在地壳中主
6、要以硅酸盐和二氧化硅的形式存在， 故 D 错误。 答案 A 8.下列有关硅材料的说法不正确的是( ) A.碳化硅化学性质稳定，可用于生产耐高温陶瓷 B.氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承 C.高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料光导纤维 D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高 解析 A.碳化硅化学性质稳定且熔点较高，可用于生产耐高温陶瓷，A 正确； B.氮化硅化学性质稳定且熔点较高，硬度大，因此可用于制作高温陶瓷和轴承， B 正确；C.高纯度的二氧化硅能够使光线全反射，因此可用于制造高性能通讯材 料光导纤维，C 正确；D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂在高温下
7、发生 反应制成的，含有硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅等成分，由于是混合物，因此没有 固定的熔沸点，只能在一定温度范围内软化，D 错误。 答案 D 9.我国科学家合成的 3 nm 长的管状碳纳米管，长度居世界之首。这种碳纤维具 有强度高、刚度(抵抗变形的能力)高、密度小(只有钢的 1/4)、熔点高，化学稳定 性好的特点，因此被称为“超级纤维”。下列对碳纤维的说法中不正确的是 ( ) A.它是制造飞机的理想材料 B.它的主要组成元素是碳元素 C.它的结构与石墨相似 D.碳纤维复合材料耐高温 解析 石墨的内部结构是层状的，碳纳米管是管状的。 答案 C 10.开发新材料是现代科技发展的方向之一。 下列有关材
8、料的说法正确的是( ) A.石墨烯是新型无机非金属材料 B.纳米材料属于胶体 C.硅酸盐材料只含有非金属元素 D.二氧化硅常用作光电转换材料 解析 纳米材料分散到分散剂中，才能形成胶体，B 项不正确；硅酸盐材料不只 含有非金属元素，可能含 Ca、Al 等金属元素，C 项不正确；硅常用作光电转换 材料，D 项不正确。 答案 A 11.硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误 的是( ) A.氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为 Si3N4 B.碳化硅(SiC)的硬度大、熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承 C.光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为 S
9、iO2 D.硅酸盐中硅、氧原子之间以离子键结合 解析 硅酸盐中硅、氧原子之间以共价键结合。 答案 D 能力提升 12.硅在地壳中的含量较高。硅及其化合物的开发由来已久，在现代生活中有广 泛应用。 (1)1810 年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、 木炭和铁时， 得到一种“金属”。 这种“金属”可能是_。 (2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。其中，生产普通玻璃的主要原料有 _。 (3)高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提 纯硅有多种技术路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下： 发生的主要反应 电弧炉 SiO22C= 1 8002 000 Si2CO 流化
10、床反应器 Si3HCl= 300 SiHCl 3H2 还原炉 SiHCl3H2= 1 100 Si3HCl 用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅， 该反应的化学方程式为 _； 碳化硅又称_，其晶体结构与_相似。 解析 (1)SiO22C= 高温 Si2CO，因此得到的金属状物质可能为含有硅、碳 的铁合金。(2)生产普通玻璃的主要原料为石英砂、纯碱和石灰石。(3)石英砂与 焦炭反应制取SiC的化学方程式为SiO23C= 高温 SiC2CO， SiC俗名金刚砂， 结构类似于金刚石。 答案 (1)含有硅、碳的铁合金(或硅铁) (2)石英砂、纯碱和石灰石 (3)SiO23C= 高温 SiC
11、2CO 金刚砂 金刚石 13.硅是最理想的太阳能电池材料，高性能晶硅电池是建立在高质量晶硅材料基 础上的。工业上可以用如图所示的流程制取高纯硅。 (1)硅在周期表中的位置是_，反应 1 中氧化剂与还原剂的物质的量之比 为_。 (2)粗硅与 HCl 反应完全后， 经冷凝得到的 SiHCl3 (沸点 31.8 )中含有少量 SiCl4 (沸点 57.6 )和 SiH2Cl2 (沸点 8.2 )、 SiH3Cl(沸点30.4 )提纯 SiHCl3采用的 方法为_；整个过程中可以循环利用的物质 X 是：_(填化学式)。 (3)提纯粗硅的过程中必须严格控制无水无氧，原因之一是硅的卤化物极易与水 反应，写
12、出 SiCl4遇水剧烈反应的化学方程式_。 (4)硅在有 HNO3存在的条件下，可以与 HF 生成 H2SiF6，同时有不溶于水的气体 生 成 ， 该 气 体 遇 空 气 变 为 红 棕 色 ， 硅 单 质 发 生 的 化 学 方 程 式 为 _ _。 解析 (1)硅是 14 号元素，在周期表中位于第三周期第A 族，反应 1 为二氧化 硅和碳的反应：SiO22C= 高温 Si(粗)2CO，反应中氧化剂是二氧化硅，还原 剂是 C， 氧化剂和还原剂的物质的量之比为 12； (2)SiHCl3(沸点 31.8 )中含有 少量 SiCl4(沸点 57.6 )和 SiH2Cl2 (沸点 8.2 )、Si
13、H3Cl(沸点30.4 )，由于沸 点差别较大，可以通过分馏除去杂质；氯化氢与粗硅反应生成 SiHCl3，SiHCl3 与氢气又反应生成硅和氯化氢，氯化氢可以循环利用；(3)提纯粗硅的过程中必 须严格控制无水无氧，原因之一是硅的卤化物极易水解，SiCl4遇水剧烈反应的 化学方程式为SiCl43H2O=H2SiO34HCl； (4)硅在有HNO3存在的条件下， 可以与HF生成H2SiF6， 同时有不溶于水的气体生成， 该气体遇空气变为红棕色， 说明生成了一氧化氮，反应的化学方程式为 3Si4HNO3(稀)18HF=3H2SiF6 4NO8H2O。 答案 (1)第三周期第A 族 12 (2)蒸馏或
14、分馏 HCl (3)SiCl43H2O=H2SiO34HCl 或 SiCl44H2O=H4SiO44HCl (4)3Si 4HNO3(稀)18HF=3H2SiF64NO8H2O 14.晶体硅是一种重要的非金属材料，制备高纯硅的主要步骤如下： 高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅 粗硅与干燥 HCl 气体反应制得 SiHCl3：Si3HCl= 300 SiHCl 3H2 SiHCl3与过量 H2在 1 0001 100 反应制得纯硅。 已知 SiHCl3能与 H2O 强烈 反应，在空气中易自燃。 请回答下列问题。 (1)第步制备粗硅的化学反应方程式为_ _。 (2)粗硅与 HCl 反应完全后，经冷凝得
15、到的 SiHCl3(沸点33 )中含有少量 SiCl4(沸点 57.6 )和 HCl(沸点84.7 )，提纯 SiHCl3采用的方法为_。 (3)用 SiHCl3与过量 H2反应制备纯硅的装置如下图(热源及夹持装置略去) 装置 B 中的试剂是_。装置 C 中的烧瓶需要加热，其目的是 _。 反应一段时间后，装置 D 中观察到的现象是_，装置 D 不能采用普通玻 璃管的原因是_ _。 装置 D 中发生反应的化学方程式为 _。 为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反 应温度以及_。 为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再 加入的试剂是_(填
16、字母)。 a.碘水 b.氯水 c.NaOH 溶液 d.KSCN 溶液 e.Na2SO3溶液 解析 解决分离沸点不同的液体方法就是分馏；根据题干“SiHCl3能与 H2O 强 烈反应，在空气中易自燃”可知道 H2的作用之一就是排尽装置内空气，防止 SiHCl3自燃，而且 H2必须是干燥的，可知 B 的作用就是干燥 H2，所以选用浓 H2SO4。 由于通入 D 中应是稳定的 SiHCl3与过量 H2的气流。 所以 C 装置要加热， 并且是水浴加热。由 D 装置应加热到 1 0001 100 ，所以必须用石英管。鉴 定是否含铁单质，用稀盐酸溶解后生成 Fe2 ，如果选用 NaOH 会将生成的 Si 也 溶解，所以考虑转化为 Fe3 后再检验，故选 b、d。 答案 (1)SiO22C= 高温 Si2CO (2)分馏(或蒸馏) (3)浓硫酸 使滴入烧瓶中的 SiHCl3汽化 有固体生成 在该反应温度下， 普通玻璃管会软化 SiHCl3H2= 1 0001 100 Si3HCl 排尽装置内的空 气 bd
