化工生產中的重要非金屬元素第五章

第三節無機非金屬材料(本節對應系統復習P145)欄目導航01必備知識關鍵能力03真題體驗領悟高考02研解素養悟法獵技04配套訓練必備知識關鍵能力1?知識點1碳、硅單質及其氧化物硅酸1.碳和硅的結構、存在形式與用途(1)碳、硅的原子結構與存在形成。

元素碳硅原子結構示意圖

單質的結構金剛石：___________結構

石墨：層狀結構晶體硅：與金剛石類似的結構元素在自然界中的存在形式既有游離態又有化合態只有______態

空間網狀化合(2)碳、硅的物理性質和用途。

物質石墨金剛石晶體硅外觀黑色鱗片狀固體無色晶體有金屬光澤的灰黑色固體硬度很小自然界中硬度___硬度大導電性可導電不能導電________用途用作導體、電極、鉛筆芯等制作首飾等用作半導體材料和制光電池材料(用于光伏電站、人造衛星和電動汽車)

最大

半導體

2.碳和硅的化學性質——還原性

完成上面①~⑧的化學方程式：①

；②

；③

；④

；⑤

；⑥

；⑦

；⑧

。

3.二氧化碳和二氧化硅的比較

物質二氧化硅二氧化碳主要物理性質硬度____，熔、沸點____，常溫下為____體，不溶于水

熔、沸點____，常溫下為氣體，能溶于水

大

高固低化學性質與水反應不反應_與酸反應只與氫氟酸反應：_不反應與堿(如NaOH)反應_

_(盛堿液的試劑瓶用____________塞)

CO2少量：

__；

CO2過量：

_

橡膠(或軟木)

CO2+H2OH2CO3

化學性質與鹽反應如與Na2CO3反應：_______________________________________與堿性氧化物反應如與CaO反應：_____________如與Na2O反應：

_用途制光導纖維、光學儀器、電子部件、水晶(可作飾品)制飲料、制碳酸鹽、用作制冷劑(干冰)

4.硅酸

難

碳酸Na2CO3+H2SiO3↓

易錯辨析判斷正誤(正確的畫“√”，錯誤的畫“×”)。(1)碳元素是形成化合物種類最多的元素(

)(2)硅的晶體結構與金剛石相似(

)(3)硅是地殼中含量最多的非金屬，其單質是灰黑色有金屬光澤的固體(

)(4)硅的導電性介于金屬與絕緣體之間，是良好的半導體材料(

)(5)在點燃的條件下，C可以還原氧化鎂生成鎂和二氧化碳(

)(6)C60的摩爾質量是720(

)

√

√

×

√

×

×(7)金剛石、石墨和C60互為同分異構體(

)(8)硅在自然界中只以化合態的形式存在(

)(9)SiO2是酸性氧化物，可溶于強堿，不溶于任何酸(

)

×

√

×

B

2.(2022·廣東深圳羅湖第一次質量檢測)價類二維圖可以表示元素化合價與物質類別之間的關系，圖中的a、b、c、d、e代表常見的含碳物質，下列說法錯誤的是(

)

A.由a得到e至少要經過三步化學反應B.e可能難溶于水C.c和水反應生成dD.b和氧氣反應生成c

A3.(2023·廣東廣州、深圳聯考)“從二氧化碳到淀粉的人工合成”入選2021年度“中國生命科學十大進展”。下列有關說法不正確的是(

)A.化石燃料的大量燃燒是產生溫室效應的原因

B.“人工合成淀粉”有助于“雙碳”達標和緩解糧食危機

C.自然界由二氧化碳合成淀粉主要依靠植物的光合作用

D.淀粉和纖維素互為同分異構體

D突破二

硅的單質及其氧化物的性質與用途4.(2023·江蘇卷)某實驗小組的同學用氯化鈣粉末、碳酸鈉粉末、粒狀大理石、稀鹽酸、稀硫酸這幾種藥品，探究哪兩種藥品適合在實驗室制取CO2。請你參與下列的探究并回答問題。【資料卡片】硫酸鈣微溶于水，易在碳酸鈣表面形成一層隔膜?！咎岢鰡栴}】上述的酸和碳酸鹽的反應是否適合在實驗室制取CO2？【方案設計】小紅認為可選用稀硫酸、氯化鈣反應制得CO2，小江認為不可能。(1)小江的理由是__________________________________________。

大家經過討論后，設計了如下三個實驗進行對比分析。

反應物中沒有碳元素【實驗與結論】(2)請你填寫實驗報告中①、②處的內容。

實驗實驗現象實驗分析、結論A劇烈反應，放出大量氣泡反應速率過快，氣體不便收集，不宜于實驗室制取二氧化碳B產生氣泡，速率迅速減慢，隨后反應幾乎停止無法持續產生CO2，不能用于實驗室制取CO2C①___________②_______________

產生大量平穩的氣泡反應速率適中，氣體便于收集(3)根據探究結論，適合在實驗室制取二氧化碳的反應物為________________。

(4)分析：實驗室不能用實驗B制取二氧化碳的原因是____________________________________________。

【拓展與遷移】(5)由上述探究可知，在確定實驗室制取氣體的反應原理時，要考慮諸多因素。請你再寫出一種需要考慮的因素：_____________________________________________。

大理石、稀鹽酸B中生成的物質覆蓋在碳酸鈣表面阻止反應進行

反應裝置簡約(或反應條件易控或反應原料價廉等)(6)以下是某研究小組探究影響反應速率部分因素的相關實驗數據。實驗序號H2O2溶液質量分數/%H2O2溶液體積/mL溫度/℃MnO2的用量/g收集氧氣的體積/mL反應所需的時間/s①51200.1416.75②151200.146.04③30535

249.21④30555

210.76通過實驗①和②對比可知，化學反應速率與___________有關；從實驗③和④對比可知，化學反應速率與溫度的關系是

。

溶液的濃度溫度越高，反應速率越快

C硅及其氧化物的特性（1）Si、SiO2的特性。

物質一般規律特性Si硅的還原性比碳強非金屬單質與強堿反應一般不生成氫氣非金屬單質一般不與非氧化性酸反應一般非金屬單質為絕緣體硅為半導體SiO2酸性氧化物一般與水反應生成相應的酸SiO2不溶于水，也不與水反應（不能用SiO2與水反應制備硅酸）酸性氧化物一般不與酸發生復分解反應（2）雖然SiO2既能與酸（HF）反應，又能與堿（NaOH）反應，但SiO2不是兩性氧化物。?知識點2硅酸鹽材料無機非金屬材料1.硅酸鹽材料(1)硅酸鹽。①概念：由__________________組成的化合物的總稱，是構成地殼巖石的主要成分。

②表示方法：硅酸鹽礦物的成分復雜，多用氧化物的形式表示它們的組成，如硅酸鈉(Na2SiO3)可寫成______________，石棉(CaMg3Si4O12)可表示為

。

硅、氧和金屬元素

Na2O·SiO2

CaO·3MgO·4SiO2③硅酸鈉(Na2SiO3)。a.白色，可溶于水的粉末狀固體，其水溶液俗稱________，有黏性，水溶液顯堿性。b.它能與酸性較硅酸強的酸反應(寫化學方程式)：與鹽酸反應：

。與CO2水溶液反應：

。

c.用途：常用于制作黏合劑、防腐劑和耐火材料。

水玻璃

(2)傳統無機非金屬材料。①常見硅酸鹽材料(見下表)。

硅酸鹽材料水泥玻璃陶瓷生產原料石灰石、黏土______、

______、

石英黏土主要設備水泥回轉窯玻璃熔窯陶瓷窯

純堿

石灰石②玻璃生產中的兩個重要反應：

；

。

2.新型無機非金屬材料(1)高純硅的制備。其中涉及的主要化學反應如下：Ⅰ.

。Ⅱ.

。Ⅲ.

。

(2)新型陶瓷。在______、熱學、______等方面具有很多新的特性和功能。

新型材料成分主要性能主要應用金剛砂碳化硅硬度大、耐高溫、抗氧化

用作磨料、耐高溫結構材料、耐高溫半導體材料等

光學

磁學高溫結構陶瓷碳化硅、氮化硅或某些金屬氧化物

耐高溫、抗氧化、耐磨蝕

用于火箭發動機、汽車發動機和高溫電極材料等壓電陶瓷鈦酸鹽、鋯酸鹽等

能實現機械能和電能的相互轉化用于濾波器、揚聲器、超聲波探傷器和點火器等透明陶瓷氧化鋁、氧化釔等氧化物透明陶瓷；氮化鋁、氟化鈣等非氧化物透明陶瓷具有優異的光學性能，耐高溫、絕緣性好用于高壓鈉燈、激光器、高溫探測窗等超導陶瓷

臨界溫度下具有超導性用于電力、交通、醫療等領域(3)碳納米材料。碳納米材料主要包括________、________、__________等，在能源、信息、醫藥等領域具有廣闊的應用前景。

新型材料結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

作為工業材料，應用于電化學，催化劑、化妝品、抗癌藥物生產等

富勒烯碳納米管石墨烯

碳納米管石墨片層卷成的、直徑為納米尺度的管狀物比表面積大，具有相當高的強度和優良的電學性能用于生產復合材料、電池和傳感器等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易錯辨析判斷正誤(正確的畫“√”，錯誤的畫“×”)。(1)水玻璃是一種玻璃，泡花堿屬于堿(

)(2)向硅酸鈉溶液中通入適量CO2，出現白色沉淀，證明碳元素的非金屬性強于硅元素(

)(3)硅酸鈉溶液應保存在帶玻璃塞的試劑瓶中(

)(4)合成纖維、光導纖維和氮化硅陶瓷都是新型無機非金屬材料(

)(5)水玻璃可用于生產黏合劑和防火劑(

)(6)晶體硅熔點高、硬度大，故可用于制作半導體材料(

)

×

√

×

×

√

×(7)SiO2有導電性，所以SiO2可用于制備光導纖維(

)(8)非金屬性：C>Si；熱穩定性：CH4>SiH4(

)(9)硅的化學性質不活潑，常溫下不與任何物質反應(

)(10)用銅片制成的“納米銅”具有非常強的化學活性，在空氣中可以燃燒，說明“納米銅”的還原性比銅片更強(

)

×

√

×

×突破一

無機非金屬材料與傳統文化1.鈞瓷是宋代五大名窯瓷器之一，以“入窯一色，出窯萬彩”的神奇窯變著稱。下列關于陶瓷的說法正確的是(

)A.“窯變”是高溫下釉料中的金屬化合物發生氧化還原反應導致的顏色變化B.高品質白瓷晶瑩剔透，屬于純凈物C.氮化硅陶瓷屬于傳統無機非金屬材料D.由于陶瓷耐酸堿，因此可以用來熔化氫氧化鈉

A2.(2022·浙江卷6月，改編)下列說法不正確的是(

)A.晶體硅的導電性介于導體和絕緣體之間，常用于制造光導纖維B.高壓鈉燈發出的黃光透霧能力強、射程遠，可用于道路照明C.氧化鋁熔點高，常用于制造耐高溫材料D.高純硅可用于制作光感電池

A【解析】二氧化硅常用于制造光導纖維，A錯誤。突破二

高純硅的制備3.高純度晶硅是典型的無機非金屬材料，又稱“半導體”材料，它的發現和使用曾引起計算機的一場“革命”。它可以按下列方法制備：

B4.在20世紀90年代末，科學家發現碳有新的單質形態C60存在。后來人們又相繼得到了C70、C76、C84、C90、C94等另外一些球碳分子。21世紀初，科學家又發現了管狀碳分子和洋蔥狀碳分子，大大豐富了碳元素單質的家族。下列有關碳元素單質的說法錯誤的是(

)A.金剛石和石墨的熔點肯定比C60高B.熔點：C60＜C70＜C90C.球碳分子、管狀碳分子和洋蔥狀碳分子都是分子晶體，都是碳的同素異形體D.金剛石以非分子形式的粒子存在，屬于原子晶體；C60、C70、管狀碳分子和洋蔥狀碳分子以分子形式的粒子存在，屬于分子晶體；這些碳單質不互為同素異形體

D

【解析】金剛石屬于原子晶體，石墨屬于混合晶體，C60屬于分子晶體，因此金剛石和石墨的熔點肯定要比C60高，A正確；分子晶體的相對分子質量越大，熔點越高，因此熔點：C60＜C70＜C90，B正確；球碳分子、管狀碳分子和洋蔥狀碳分子都是碳元素形成的不同單質，所以均為碳的同素異形體，C正確；金剛石是由原子構成的；C60、C70、管狀碳分子和洋蔥狀碳分子都是以分子形式存在；都是碳元素形成的不同單質，互為同素異形體，D錯誤。突破三

新型無機非金屬材料的性能與應用5.(2022·廣東深圳實驗學校段考)關于無機非金屬材料，下列說法不正確的是(

)A.“中國天眼”的鏡片材料為SiC，屬于新型無機非金屬材料B.高溫結構陶瓷屬于新型無機非金屬材料，可以作為高級耐火材料C.用于制造永久性模具等機械構件的氮化硼陶瓷屬于新型無機非金屬材料D.新型無機非金屬材料克服了傳統無機非金屬材料的缺點，但是強度比較差

D6.(2023·廣東汕頭金山中學質檢)硅是帶來人類文明的重要元素之一，在從傳統材料到信息材料的發展過程中創造了一個又一個奇跡。(1)新型陶瓷Si3N4的熔點高、硬度大、化學性質穩定。工業上可以采用化學氣相沉積法，在H2的保護下，使SiCl4與N2反應生成Si3N4沉積在石墨表面，寫出該反應的化學方程式：

。

(2)一種工業用硅(含少量鉀、鈉、鐵、銅的氧化物)，已知硅的熔點是1420℃，高溫下氧氣及水蒸氣能明顯腐蝕氮化硅。一種合成氮化硅的主要工藝流程如下：

除去原料氣中的氧氣除去生成的水蒸氣該反應是放熱反應，應防止局部過熱，導致硅熔化成團，阻礙與N2的接觸將體系中的氧氣轉化為水蒸氣，而易被除去(或將整個體系中空氣排盡)

硝酸研解素養悟法獵技2?社會實踐篇霧霾的成因及治理方案

1.霧霾概念霧霾是霧和霾的統稱。兩者的差異在于霧的相對濕度比霾大，霾的固體懸浮物比霧多。2.霧和霾的組成物質①可吸入顆粒物，又稱PM10，它是霧霾天氣污染的罪魁禍首，主要來源于柴油車輛的尾氣、

燃煤等排放的顆粒；②氣態污染物，主要包括二氧化硫、氮氧化物等；③工業生產排放的廢氣(如冶金、機電制造業的工業窯爐與鍋爐，還有大量汽修噴漆、建材生產窯爐燃燒排放的廢氣)；④建筑工地和道路交通產生的揚塵。3.霧霾形成的人為原因①工業生產排放大量煙塵；②冬季燃煤用于居民生活取暖排放大量煙塵；③交通工具排放大量尾氣(機動車的尾氣是霧霾顆粒組成的最主要的成分)；④建筑工地產生大量煙塵。4.霧霾的防治方法①加大環保執法力度；②調整、優化能源結構，發展清潔能源(如風能、核能和水能等)；③加大技術投入，發展清潔煤、液化煤等技術，過濾回收粉塵；④植樹造林。

(2022·廣東華中師范大學海豐附屬學校月考)化學與環境密切相關，近年來霧霾問題已成為百姓所關注的主要問題，自入秋以來，我國大部分地區更是“霾伏”四起，部分地區持續出現中度至重度霾，環境治理刻不容緩。霧霾天氣其實就是氣溶膠細粒子在高濕度條件下引發的低能見度現象。氣溶膠是膠體的一種，下列關于氣溶膠的說法中不正確的是(

)A.氣溶膠的分散質是水蒸氣B.當有陽光時會出現光亮的“通路”C.氣溶膠分散質粒子直徑為1~100nmD.膠體有丁達爾效應是由于膠體粒子對光線散射

A

D(2022·北京卷)某MOFs多孔材料孔徑大小和形狀恰好將N2O4

“固定”，能高選擇性吸附NO2。廢氣中的NO2被吸附后，經處理能全部轉化為HNO3。原理示意圖如下。

已知：2NO2(g)

N2O4(g)

ΔH＜0下列說法不正確的是(

)A.溫度升高時不利于NO2吸附B.多孔材料“固定”N2O4，促進2NO2

N2O4平衡正向移動C.轉化為HNO3的反應是2N2O4+O2+2H2O

4HNO3D.每獲得0.4molHNO3時，轉移電子的數目為6.02×1022

D

1.近年來，我國很多地區霧霾頻發，嚴重時某些地方PM2.5指數瀕臨“爆表”。PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的細小顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。下列有關說法中，不正確的是(

)A.霧霾的形成與汽車尾氣排放有一定的關系B.霾的核心物質是懸浮在空氣中的煙、灰塵等物質C.PM2.5表面積大，能吸附大量的有毒和有害物質D.直徑為2.5微米的細小顆粒物與空氣形成的分散系屬于膠體

D2.(2022·廣東汕頭金山中學期中)研究表明，氮氧化物和二氧化硫在形成霧霾時與大氣中的氨有關(如圖所示)。下列敘述錯誤的是(

)

A.霧和霾的分散劑相同B.霧霾中含有硝酸銨和硫酸銨C.NH3是形成無機顆粒物的催化劑D.大氣中的氨與過度施用氮肥有關

C3.汽車尾氣中的氮氧化合物NOx與大氣中的NH3發生如下作用，形成一種霧霾。有關該霧霾的敘述錯誤的是(

)A.NO、NO2最終均可轉化為HNO3B.反應②是非氧化還原反應C.NH3是形成該霧霾的催化劑D.NH3可能來自過度施用氮肥

C

【解析】五氧化二氮和硝酸中的氮的化合價相同，所以反應②是非氧化還原反應，B正確；由圖示可知氨氣參與反應生成銨鹽，為反應物，不是催化劑，C錯誤；NH3可能來自過度施用氮肥，銨鹽不穩定易分解產生氨氣，D正確。

請回答下列問題：(1)試樣溶液加入過量NaOH溶液后生成沉淀1的化學式是________，生成氣體1的離子方程式為

，檢驗該氣體的方法是____________________________________________

。

(2)根據實驗結果，推測出霧霾中一定含有的離子有

。

Mg(OH)2

將濕潤的紅色石蕊試紙粘在玻璃棒上，靠近集氣瓶口，若試紙變藍，則說明該氣體為氨氣

D

真題體驗領悟高考31.(2022·廣東卷)廣東一直是我國對外交流的重要窗口，館藏文物是其歷史見證。下列文物主要由硅酸鹽制成的是(

)

C2.(2023·廣東卷)科教興國，“可上九天攬月，可下五洋捉鱉”。下列說法正確的是(

)A.“天舟六號”為中國空間站送去推進劑Xe氣，Xe是第ⅠA族元素B.火星全球影像彩圖顯示了火星表土顏色，表土中赤鐵礦主要成分為FeOC.創造了可控核聚變運行紀錄的“人造太陽”，其原料中的2H與3H互為同位素D.“深地一號”為進軍萬米深度提供核心裝備，制造鉆頭用的金剛石為金屬晶體

C

【解析】化學符號Xe，原子序數54，在元素周期表中處于第5周期0族，A錯誤；赤鐵礦的主要成分是Fe2O3，不是FeO，B錯誤；2H與3H具有相同的質子數，不同的中子數，互為同位素，C正確；金剛石是共價晶體，D錯誤。3.(2023·天津卷)《武備志》記載了古人提純硫的方法：“先將硫打豆粒樣碎塊，每斤硫黃用麻油二斤，入鍋燒滾，再下青柏葉半斤在油內，看柏枯黑色，撈去柏葉，然后入硫黃在滾油內。待油面上黃泡起至半鍋，隨取起，安在冷水盆內，倒去硫上黃油，凈硫凝，一并在鍋底內者是。”下列說法錯誤的是(

)A.“硫打豆粒樣”是為了增大接觸面積B.“下青柏葉”“看柏枯黑色”是為了指示油溫C.“倒去硫上黃油”實現了固液分離D.流程用到了蒸餾原理

D

√

√

×

√

×

√

√

×

×

√配套訓練4(本欄目對應配套訓練P43~44)[A組·基礎練習]1.(2023·福建五中一模)航天科技的發展與化學密切相關。2013年12月15日，“玉兔號”成為我國登陸月球的第一輛月球車。2023年10月26日，神舟十七號載人飛船成功發射，實現6名航天員太空會師。下列說法中錯誤的是(

)A.碳化硅(SiC)可用作宇宙飛船的耐熱材料B.肼(N2H4)可作火箭燃料，可用NO2作氧化劑C.二氧化硅可用作航天器太陽能電池板的材料D.電解水產生氧氣是宇航員供氧的主要來源

C

【解析】碳化硅為共價晶體，有非常高的熔沸點，是耐高溫的好材料，A正確；在火箭發射時，肼和NO2劇烈反應產生大量氣體并釋放出大量的熱，B正確；硅是半導體材料，可用作航天器太陽能電池板的材料，C錯誤；電解水產生氧氣是宇航員供氧的主要來源，D正確。2.用于制造太陽能電池板的核心材料是(

)A.二氧化硅 B.硅C.鈦合金

D.鋁合金

B3.天問一號探測器上使用了重量輕、強度高、剛性好、寬溫度范圍下尺寸穩定的新型SiC增強鋁基復合材料。下列說法錯誤的是

(

)A.SiC是一種新型硅酸鹽材料B.SiC俗稱金剛砂，具有類似金剛石的結構C.SiC中的碳原子和硅原子通過共價鍵連接D.SiC具有優異的高溫抗氧化性能

A4.(2022·浙江卷)某課題組設計了一種固定CO2的方法，如下圖所示。下列說法不正確的是(

)A.反應原料中的原子100%轉化為產物B.該過程在化合物X和I-催化下完成C.該過程僅涉及加成反應

C5.下列說法不正確的是(

)A.陶瓷、玻璃、水泥等都是硅酸鹽產品B.硅晶體的導電性介于導體和絕緣體之間，是一種重要的半導體材料C.光導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]，以氧化物形式表示為Al2O3·2SiO2·2H2O

C

D7.(2023·廣東中山第二中學階段檢測)用四種溶液進行實驗，下表中“溶液”與“操作及現象”對應關系錯誤的是(

)選項溶液操作及現象A飽和Na2CO3溶液通入CO2，溶液變渾濁BNa2SiO3溶液通入CO2，溶液變渾濁，繼續通CO2至過量，渾濁不消失CCa(ClO)2溶液通入CO2，溶液變渾濁，再加入品紅溶液，紅色褪去DBaCl2溶液通入CO2，溶液變渾濁，繼續通入CO2至過量，渾濁消失，再加入足量NaOH溶液，又變渾濁

D

C

[B組·提高練習]9.碳元素以多種形態存在于自然界中，其化合價與物質類別間的關系如下圖所示。下列說法錯誤的是(

)

A.a存在多種同素異形體B.正常雨水的pH約為5.6，是因為含有dC.若e和f都是鈣鹽，熱穩定性：f>eD.用同一氧化劑可實現a→b→c的轉化

C10.(2023·廣東湛江階段檢測)陶瓷是火與土的結晶，是中華民族文化的象征之一。(1)下列中學實驗室常見用品中，材質為陶瓷的是

________(填字母)。

A.燒杯 B.集氣瓶C.蒸發皿 D.坩堝鉗(2)