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人教版 (2019)必修 第二册第五章 化工生产中的重要非金属元素第三节 无机非金属材料课后练习题
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这是一份人教版 (2019)必修 第二册第五章 化工生产中的重要非金属元素第三节 无机非金属材料课后练习题，共17页。
第09讲 硅的化合物 新型无机非金属材料
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模块一 二氧化硅 硅酸
知识精讲
资料卡片——SiO2的结构与物理性质
如图所示，二氧化硅晶体是由Si原子和O原子按1:2的比例所组成的立体网状结构的晶体，所以我们通常用SiO2来表示二氧化硅的组成。
SiO2是不溶于水的固体，熔、沸点高，硬度大。
二、SiO2的化学性质
1．二氧化硅虽然不溶于水，但它是一种酸性氧化物
(1)与NaOH反应：_______________________________________；
(2)与CaO反应：SiO2 + CaO CaSiO3
2．二氧化硅的特性
与HF反应：_______________________________________________；
3．二氧化硅可与某些盐反应制备玻璃
SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑ SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2↑
【答案】(1)SiO2 + 2NaOH === Na2SiO3 + H2O (2)SiO2 + 4HF === SiF4↑+ 2H2O
三、SiO2的用途
1．用于生产____________；
2．水晶、玛瑙等饰品；
3．制作耐高温的化学仪器。
【答案】光导纤维
四、硅酸
1．H2SiO3的弱酸性：硅酸是难溶于水的弱酸，其酸性比碳酸弱。
2．H2SiO3的不稳定性：硅酸受热易分解，H2SiO3 SiO2 + H2O。
3．硅酸的制备(强酸制弱酸)：
Na2SiO3 + 2HCl === 2NaCl + H2SiO3(胶体)
Na2SiO3 + CO2 + H2O === H2SiO3(胶体) + Na2CO3
模块二 新型无机非金属材料
知识精讲
一、新型陶瓷
新型陶瓷包括高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷和超导陶瓷等，在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
例如，碳化硅(SiC)俗称金刚砂，其中的碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1600℃，大大超过了普通金属材料所能承受的温度，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
资料卡片——新型陶瓷
①高温结构陶瓷：一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成，具有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能。与金属材料相比，更能适应严酷的环境，可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等。
②压电陶瓷：主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能与电能的相互转化，可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。
③透明陶瓷：主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷，具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好，可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等。
④超导陶瓷：在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，用于电力、交通、医疗等领域。
二、碳纳米材料
碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
富勒烯
碳纳米管
石墨烯
由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。
由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。
只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。其在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。
经典例题
题型一：SiO2的性质与用途
【变1-1】下列关于的叙述正确的是
①能与水反应生成硅酸
②对应的水化物是可溶性弱酸
③硅原子和碳原子的最外层电子数相同，和的分子结构也相同
④既能与氢氧化钠溶液反应又能与氢氟酸反应，故是两性氧化物
⑤中硅元素为价，故具有氧化性
⑥在中，每个硅原子结合2个氧原子
A．①③⑤ B．①②④⑥ C．③ D．⑤
【答案】D
【解析】
【详解】
①不与水反应；
②对应的水化物(弱酸)不溶于水；
③晶体中不存在单个的分子，且每个硅原子与4个氧原子结合，而二氧化碳分子中1个碳原子与1个氧原子形成两条共价键，结构式为O=C=O，所以二者的分子结构不同；
④二氧化硅与氢氟酸反应生成四氟化硅和水，没有盐生成，与碱反应生成盐和水，所以二氧化硅属于酸性氧化物，不属于两性氧化物；
⑤具有弱氧化性，如高温条件下被碳还原制取粗硅：；
⑥晶体中不存在单个的分子，且每个硅原子与4个氧原子结合；
结合以上分析可知，不正确的有①②③④⑥，只有⑤正确；
故选D。
【变2】我国科学家成功研制了超分子纳米管，下列叙述不正确的是( )
A．该超分子性质稳定，不与任何酸发生反应
B．是酸性氧化物
C．在工业上可用于制造光导纤维
D．与碱的反应是非氧化还原反应
【答案】A
【解析】
【详解】
A．二氧化硅能与氢氟酸发生反应，A错误；
B．能与碱反应生成盐和水，属于酸性氧化物，B正确；
C．制成的纤维能够传导光波和各种光信号，在工业上可用于制造光导纤维，C正确；
D．与碱反应生成盐和水，是非氧化还原反应，D正确；
故选A。
【例3】500 多年前，一艘载着天然苏打晶体(Na2CO3·10H2O)的商船在航行中搁浅，船员们便在附近的沙滩上用几块苏打晶体支锅煮饭。之后他们惊奇地发现，在苏打与沙粒接触的地方出现了许多晶莹发亮的珠子。回答下列问题:
(1)沙滩上沙粒的主要成分为_______(填化学式)。
(2)上述晶莹发亮的珠子可能是______(填字母)。
A．水晶颗粒 B．无水碳酸钠 C．晶体硅 D．玻璃珠
(3)生成该珠子时发生反应的化学方程式为_____________。
(4)氢氟酸常用作玻璃的蚀刻剂，原因是______________(用化学方程式表示)。
【答案】 SiO2 D SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑ SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
【解析】
【详解】
(1)沙滩上沙粒的主要成分为二氧化硅，化学式为SiO2。(2)高温下二氧化硅与碳酸钠反应生成硅酸钠和二氧化碳，硅酸钠与二氧化硅均是玻璃的主要成分，所以上述晶莹发亮的珠子可能是玻璃珠，答案选D。(3)根据以上分析可知生成该珠子时发生反应的化学方程式为SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑。(4)氢氟酸能与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，因此氢氟酸常用作玻璃的蚀刻剂，反应的化学方程式为SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O。
题型二：硅酸
【例4】为确认、、的酸性强弱，某学生设计了如下图所示的实验装置，一次实验即可达到目的(不必选其他酸性物质)请据此回答：
(1)锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为________。
(2)装置B所盛的试剂是_____________，其作用是__________________。
(3)装置C所盛试剂是________________，C中反应的离子方程式是____________。
(4)由此得到的结论是酸性：________＞________＞________。
【答案】 盐酸 饱和溶液 吸收气体 溶液 ↓(或)
【解析】
【分析】
要确认、、的酸性强弱，设计的实验流程为HCl→H2CO3→H2SiO3，所以A中反应为2HCl+Na2CO3=2NaCl+H2O+CO2↑，C中反应为Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O==H2SiO3↓+2NaHCO3。由于盐酸易挥发，会干扰CO2与Na2SiO3溶液的反应，所以在反应前，应除去CO2中混有的HCl气体。
(1)锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为酸。
(2)装置B所盛的试剂，应能除去CO2中混有的HCl气体。
(3)装置C中发生反应Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O
==H2SiO3↓+2NaHCO3。
(4)由此可得出酸性的强弱关系。
【详解】
要确认、、的酸性强弱，设计的实验流程为HCl→H2CO3→H2SiO3，
由于盐酸易挥发，会干扰CO2与Na2SiO3溶液的反应，所以在CO2通入硅酸钠溶液前，应除去CO2中混有的HCl气体。
(1)锥形瓶中装某可溶性正盐(通常为Na2CO3)溶液，分液漏斗所盛试剂应为盐酸。答案为：盐酸；
(2)装置B所盛的试剂为饱和NaHCO3溶液，其作用是除去CO2中混有的HCl气体。答案为：饱和溶液；吸收气体；
(3)装置C中发生反应Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O
==H2SiO3↓+2NaHCO3。装置C所盛试剂是溶液，C中反应的离子方程式是SiO32-+CO2+H2O==H2SiO3↓+CO32-或SiO32-+2CO2+2H2O==H2SiO3↓+2HCO3-。
(4)由此得到的结论是酸性：HCl＞H2CO3＞H2SiO3。答案为：HCl；H2CO3；H2SiO3。
【点睛】
硅酸溶胶的制备：向盛有适量1mol/L稀盐酸的试管里，逐滴加入适量的饱和硅酸钠溶液，用力振荡，即得到无色透明的硅酸溶胶。
硅酸凝胶的制备：向盛有少量饱和硅酸钠溶液的试管里，逐滴加入几滴浓盐酸，振荡、静置，即得到无色透明果冻状的硅酸凝胶。
题型三：新型无机非金属材料
【例5】碳纳米材料是近年来人们非常关注的一类新型无机非金属材料，下列关于碳纳米材料的说法中不正确的是
A．C60是富勒烯的代表物，C60的摩尔质量为720g/mol
B．碳纳米管可用于生产电池和传感器
C．石墨烯与石墨都具有导电性
D．石墨烯的性质稳定，在氧气中不能燃烧
【答案】D
【解析】
【详解】
A．碳的原子量为12，C60的式量为720，C60的摩尔质量为720g/mol，故A正确；
B．碳纳米管是新型无机非金属材料，可做锂离子电池的负极材料，可用于生产电池和传感器，故B正确；
C．石墨烯具有超导特性，石墨具有良好的导电性，因此石墨烯与石墨都具有导电性，故C正确；
D．石墨烯是由碳元素组成的单质，它在氧气中可以燃烧，D项错误；
故选D。
【变5-1】石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它是一种透明、良好的导体；石墨烯是由碳原子构成的单层二维蜂窝状晶格结构(如图所示)的一种碳单质新材料，它是构建富勒烯、碳纳米管的基本单元。利用石墨烯可制造晶体管、太阳能电池板等。下列有关石墨烯的说法不正确的是()
A．石墨烯具有优良的导电、导热性能
B．石墨烯是一种新型的无机非金属材料
C．石墨烯与富勒烯的结构相同
D．石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是由碳元素组成的
【答案】C
【解析】
【详解】
A．石墨烯具有良好的导热、导电性能，故A不符合题意；
B．石墨烯是新型的无机非金属材料，故B不符合题意；
C．石墨烯为单层结构，而富勒烯为球环状结构，故C符合题意；
D．石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是碳元素的单质，互为同素异形体，故D不符合题意；
故选C。
【变6】氮化硅是一种性能优异的无机非金属材料，它的熔点高，硬度大，电绝缘性好，化学性质稳定，但生产成本较高。
(1)根据以上描述，推测氮化硅可能有哪些用途：___________(填字母)。
a.制作坩埚 b.用作建筑陶瓷 c.制作耐高温轴承 d.制作切削刀具
(2)请写出氮和硅的原子结构示意图______，并根据元素周期律的知识，写出氮化硅的化学式______。
(3)氮化硅在19世纪已经被化学家合成出来，但直到100多年后才逐渐应用于工业领域。材料的基础研究和实际应用之间存在着一定距离，你认为二者之间的关系是怎样的_______？请查阅相关资料，与同学交流你的观点。
【答案】(1)a、c、d
(2) Si3N4
(3)材料的基础研究为实际应用提供了基础，而实际应用则是材料的基础研究的最终归宿
【解析】
(1)
氮化硅硬度大、熔点高可以用来制作坩埚，熔点高、化学性质稳定可制作耐高温轴承，制作切削刀具，故答案为：a、c、d
(2)
根据原子序数分别为7和14，电子层分别为2和3，最外层电子分别为5和4，得出原子结构示意图，；氮最外层有5个电子，硅最外层有4个电子，氮非金属性强于硅，而显-3价，硅显+4价，所以氮化硅的化学式为Si3N4；故答案为：，Si3N4；
(3)
氮化硅在19世纪已经被化学家合成出来，但直到100多年后才逐渐应用于工业领域，材料的基础研究为实际应用提供了基础，而实际应用则是材料的基础研究的最终的目的；故答案为：材料的基础研究为实际应用提供了基础，而实际应用则是材料的基础研究的最终归宿。
题型四：硅及其化合物
【例7】已知A、B、C、D、E、F、G、H可以发生如图所示转化，反应中部分生成物已略去。其中，A、G为非金属单质，且常湿下呈固态，形成G单质的元素在地壳中含量居第二位，B、C、H在通常情况下为气体，化合物C是一种能形成酸雨的大气污染物。
请回答下列问题：
(1)写出E的两种用途：______、______。
(2)反应②的离子方程式为______。
(3)反应③的化学方程式是______。
(4)反应④的离子方程式是______。
(5)写出一个由A生成H的置换反应的化学方程式：______。
【答案】 制光导纤维 作建筑材料 SiO2+2OH-=SiO+H2O C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O SiO+CO2+H2O=H2SiO3↓+CO C+H2O(g)CO+H2
【解析】
【分析】
由“形成G单质的元素在地壳中含量居第二位”可知，G为Si，根据非金属单质A与E在高温下反应生成G和气体H，且E能与氢氧化钠溶液反应，推知A为碳单质、E为SiO2，H为CO。则B为CO2、C为SO2、F为Na2SiO3、D为H2SiO3。
【详解】
(1)E为SiO2，在生活中可用作光导纤维和建筑材料；
(2)SiO2可以与NaOH溶液反应生成Na2SiO3和H2O，反应的离子方程式为SiO2+2OH-=SiO+H2O；
(3)浓硫酸具有氧化性，可以与C在加热的条件下反应，反应的化学方程式为C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O；
(4)向硅酸钠溶液中通入二氧化碳，硅酸钠与水和二氧化碳反应生成硅酸沉淀，反应的离子方程式为SiO+CO2+H2O=H2SiO3↓+CO；
(5)C和水蒸气反应生成CO和氢气，反应的化学方程式为C+H2O(g)CO+H2。
提分特训
【题1】宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“人窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是
A．窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料
C．高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物
D．陶瓷属于硅酸盐制品，耐酸碱腐蚀，但是不能用来盛装氢氟酸
【答案】C
【解析】
【详解】
A．不同的金属氧化物可能颜色不同，在高温下，釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致了颜色变化，故A正确；
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，具有耐高温的特点，故B正确；
C．瓷器主要是由黏土烧结而成，瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅，属于混合物，故C错误；
D．陶瓷的主要成分为硅酸盐和二氧化硅，氢氟酸能够与二氧化硅反应，所以不能用陶瓷来盛装氢氟酸，故D正确；
故选C。
【题2】下列关于SiO2和CO2的叙述正确的是
A．两者都是酸性氧化物，故均不与酸反应
B．两者都可以与NaOH溶液反应
C．两者熔、沸点均较低
D．两者都能与水反应生成对应的酸且碳酸的酸性强于硅酸
【答案】B
【解析】
【详解】
A．SiO2能与氢氟酸反应生成四氯化硅和水，故A错误；
B．SiO2和CO2都是酸性氧化物，都能与NaOH溶液反应，故B正确；
C．CO2熔、沸点较低，SiO2熔、沸点较高，故C错误；
D．二氧化硅不溶于水，不能与水反应，故D错误；
故答案为B。
【题3】现有下列5个转化，其中不可能通过一步反应实现的是
①SiO2→Na2SiO3 ②Si→SiO2 ③SiO2→H2SiO3 ④CuO→Cu(OH)2 ⑤Na2O2→NaOH
A．①② B．③④ C．②③④ D．②③④⑤
【答案】B
【解析】
【详解】
①SiO2与氢氧化钠溶液反应可生成Na2SiO3；
②Si与氧气反应能生成SiO2；
③SiO2先与氢氧化钠溶液反应生成Na2SiO3和H2O，Na2SiO3再与酸反应可生成H2SiO3；
④CuO先与酸反应可得到铜盐，铜盐再与碱溶液反应可生成Cu(OH)2；
⑤Na2O2与水反应可生成NaOH；
综上所述，③④不能一步反应，答案选B。
【题6】A、B、C、D四种易溶于水的化合物只由表中的八种离子组成，且四种化合物中阴、阳离子各不相同。
阴离子
Cl－、SiO32-、OH－、NO3-
阳离子
H＋、Ag＋、Na＋、K＋
已知：A溶液呈强酸性，且A溶液与B、C溶液混合均产生白色沉淀，B的焰色反应呈黄色。
回答下列问题：
(1)写出A、B、C、D的化学式：A______，B_____，C____，D____。
(2)写出A溶液与B溶液反应的离子方程式： __________。
(3)请选出适合存放A、C、D溶液的试剂瓶的序号：
溶液
A
C
D
试剂瓶序号
___
___
___
【答案】 HCl Na2SiO3 AgNO3 KOH SiO32-＋2H＋=H2SiO3↓ ① ③ ②
【解析】
【分析】
A、B、C、D四种易溶于水的化合物只由表中的八种离子组成，且四种化合物中阴、阳离子各不相同，A溶液呈强酸性，则A为盐酸或硝酸，B的焰色反应呈黄色，则B中含有Na元素，A能和B反应生成白色沉淀，则B为Na2SiO3；盐酸能和AgNO3反应生成白色沉淀，所以C为AgNO3，则A为HCl，根据四种化合物中阴阳离子各不相同，则D为KOH。
【详解】
(1)根据以上分析知，四种物质化学式分别为HCl、Na2SiO3、C为AgNO3、D为KOH；
(2)A是HCl、B是硅酸钠，二者反应生成硅酸沉淀和氯化钠，离子方程式为SiO32-+2H+=H2SiO3↓；
(3)A是HCl、C为AgNO3、D为KOH，KOH能和二氧化硅反应生成粘性物质硅酸钠，不能用含有玻璃塞的试剂瓶盛放；硝酸银见光易分解，应该放置在棕色试剂瓶中；盐酸不分解，且和玻璃中成分不反应，所以放置在一般试剂瓶中即可，所以A、C、D选取试剂瓶序号为①③②。
【点睛】
含有钠元素的物质焰色反应为黄色，含有钾元素的物质焰色反应透过蓝色钴玻璃为紫色，钙元素的焰色反应为砖红色；玻璃中含有二氧化硅，能与碱性溶液发生反应，所以碱性溶液的试剂瓶不用玻璃塞。
【题7】高纯二氧化硅可用来制造光纤。某蛇纹石的成分见下表：
组分
SiO2
MgO
Na2O
K2O
Fe2O3
质量分数/%
59.20
38.80
0.25
0.50
0.8
通过下图流程可由蛇纹石制备较纯净的二氧化硅。
(1)蛇纹石中涉及的可溶性金属氧化物有____________(写化学式)。
(2)步骤①中涉及SiO2反应的离子方程式为________________。
(3)滤渣A 的成分有______________________(填化学式)。
(4)步骤②中洗涤沉淀的方法是_____________________。
(5)步骤③反应的化学方程式为______________________；实验室进行步骤③需要用到的仪器有坩埚、泥三角、酒精灯、玻璃棒、和________________。
【答案】 Na2O、K2O SiO2+2OH-=SiO32-+H2O MgO和Fe2O3 向漏斗中注入蒸馏水至浸没沉淀，让水自然流下，重复操作2至3次 H2SiO3SiO2+H2O 坩埚钳、三脚架
【解析】
【分析】
蛇纹石(含SiO2、MgO、Na2O、K2O、Fe2O3)加入足量氢氧化钠进行碱浸溶解，SiO2可与氢氧化钠反应生成硅酸钠，Na2O、K2O可与氢氧化钠溶液中的水反应生成氢氧化钠和氢氧化钾；MgO、Fe2O3不与氢氧化钠溶液反应，也不溶于水，则滤渣A为MgO、Fe2O3，滤液A主要含有K+、Na+、OH-、SiO32-，加入过量盐酸中和滤液A中的碱，同时SiO32-在酸性条件下转化为H2SiO3沉淀，经过滤、洗涤，得到滤渣B为H2SiO3，对其煅烧分解生成SiO2，据此分析解答。
【详解】
(1)根据分析，蛇纹石中含有的可溶性金属氧化物有Na2O和K2O，它们能与水反应生成氢氧化钠和氢氧化钾；
(2)二氧化硅属于酸性氧化物，可与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠和水，反应的离子方程式为：SiO2+2OH-=SiO32-+H2O；
(3)氧化钠与氧化钾属于可溶性氧化物，氧化铝属于两性氧化物，二氧化硅属于酸性氧化物，上述四种物质都能溶解在氢氧化钠溶液中，氧化镁和氧化铁属于碱性氧化物且难溶于水，因此，滤渣A的成分有MgO和Fe2O3；
(4)步骤②生成沉淀的成分是硅酸，洗涤过滤出的沉淀的方法是：向过滤器中注入蒸馏水至浸没沉淀，待水自然流出后，重复上述操作两到三次；
(5)步骤③用灼烧的方法使硅酸分解生成二氧化硅，化学方程式为：H2SiO3SiO2+H2O，实验室灼烧固体时需要用到的仪器有坩埚、泥三角、酒精灯、玻璃棒、坩埚钳和三脚架。
【题8】根据下列各小题实验目的，完成填空。(a、b为弹簧夹，加热及固定装置略去)
(1)验证碳、硅非金属性的相对强弱。(已知酸性：亚硫酸＞碳酸)
①连接仪器、检验装置气密性、加药品后，打开a，关闭b，然后滴入浓硫酸，加热。
②装置A中试剂是___。
③能说明碳的非金属性比硅强的实验现象是___。
(2)验证SO2的氧化性、还原性和酸性氧化物的通性。
①在(1)①操作后，打开b，关闭a。
②通入SO2的BaCl2溶液中无明显现象，若将其取出于试管中，然后向其中滴加氯水则出现沉淀，该沉淀的化学式为___。
③一段时间后，实验装置中H2S溶液中的现象是___，化学方程式是___。
【答案】(1) 品红溶液[或(酸性)KMnO4溶液] 试管A中溶液不褪色，盛装硅酸钠溶液的试管有白色沉淀(浑浊)
(2) BaSO4 出现(淡)黄色沉淀(浑浊) 2H2S +SO2=3S↓+2H2O
【解析】
【分析】
(1)验证碳、硅非金属性的相对强弱实验，溶液吸收后生成，试管A中的试剂需要检验是否被溶液吸收完全，因为也会使溶液生成白色沉淀，干扰C与非金属性强弱的判断，所以用品红溶液或(酸性)溶液是否褪色来检验是否除净。若试管A中溶液不褪色，且硅酸钠溶液中生成白色沉淀(浑浊)，则证明的酸性强于，说明碳的非金属性比硅强，据此分析解答。
(2) 通入溶液中无沉淀，是因为在酸性条件下无法存在，滴加氯水后，被氧化成，遇到生成白色沉淀。滴加溶液，和发生归中反应生成S单质沉淀，二氧化硫中硫元素化合价降低、体现了的氧化性，据此分析解答。
(1)
②据分析，装置A的作用为检验二氧化碳气体中的是否除净。则A中试剂是品红溶液[或(酸性)KMnO4溶液]。
③无存在时，硅酸钠溶液中发生反应：或，则能说明碳的非金属性比硅强的实验现象是：试管A中溶液不褪色，盛装硅酸钠溶液的试管有白色沉淀(浑浊)。
(2)
②据分析，通入SO2的BaCl2溶液中无明显现象，若将其取出于试管中，然后向其中滴加氯水，则发生、，则出现沉淀，该沉淀的化学式为BaSO4。
③一段时间后，实验装置中H2S溶液中的现象是出现(淡)黄色沉淀(浑浊)，化学方程式是2H2S +SO2=3S↓+2H2O。
提分作业
【练1】碳纳米管是由碳原子组成的六角形蜂巢状平面薄膜卷曲而成，具有许多异常的力学、电学和化学性能。
下列关于碳纳米管的说法不正确的是
A．碳纳米管属于一种有机合成纤维
B．碳纳米管与金刚石互为同素异形体
C．常温下，碳纳米管具有较好的稳定性
D．碳纳米管比表面积大，可用作新型储氢材料
【答案】A
【解析】
【详解】
A、碳纳米管由碳单质组成，不属于有机合成纤维，A错误；
B、碳纳米管与金刚石都由碳元素组成，但结构与性质不同，互为同素异形体，B正确；
C、碳单质性质稳定，所以常温下，碳纳米管具有较好的稳定性，C正确；
D、碳纳米管是由碳原子组成的六角形蜂巢状平面薄膜卷曲而成，所以比表面积大，可用作新型储氢材料，D正确。
答案选A。
【练2】下列说法不正确的是
A．高纯硅可用于制作光感电池
B．因熔点高硬度大，可用于制光导纤维
C．石英砂可用于生产单晶硅
D．与反应的实际应用之一是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记
【答案】B
【解析】
【详解】
A． 利用高纯硅的半导体性能，可制作光感电池，A项正确；
B． 可用于制光导纤维是因为其具有较强的传导能力，B项错误；
C． 石英砂的主要成分为，可用焦炭在高温条件下还原得到粗硅，粗硅经提纯得到单晶硅，C项正确；
D． 玻璃器皿的主要成分为，与发生反应，所以氢氟酸能在玻璃器皿上刻蚀标记，D项正确；
故选B。
【练3】碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是
A．碳纳米管属于胶体
B．石墨烯属于有机化合物
C．C60与金刚石互为同素异形体
D．均具有相同的熔点
【答案】C
【解析】
【详解】
A.碳纳米管是一种一维纳米材料，与胶粒直径吻合，需要分散到分散剂中才能形成胶体，故A错误；B.石墨烯是由石墨剥离出的单层碳原子结构的单质，不属于有机化合物，故B错误；C.富勒烯与金刚石同属于碳的单质，互为同素异形体，故C正确；D.不同的新型碳材料因结构不同应具有不同的熔点，故D错误。答案：C。
【点睛】
根据物质的组成和结构决定其性质的原则，对富勒烯、石墨烯、碳纳米管等组成和结构进行判断，在根据物质分类、物理性质、胶体概念、同素异形体进行相关选项的判断。
【练4】在一定条件下，下列物质不能与二氧化硅反应的是( )
①焦炭 ②纯碱 ③碳酸钙 ④氢氟酸 ⑤高氯酸 ⑥氢氧化钾 ⑦氧化钙⑧ 氮气
A．③⑤⑦⑧ B．⑤⑦⑧ C．⑤⑧ D．⑤⑦
【答案】C
【解析】
【详解】
①SiO2+2CSi+2CO↑，制备粗硅的反应，所以能反应，故不选；
②SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑，制备玻璃的两个反应之一，故不选；
③SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑，制备玻璃的两个反应之一，故不选；
④SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O，氢氟酸是唯一能腐蚀玻璃的酸，故不选；
⑤不反应，氢氟酸是唯一能腐蚀玻璃的酸，故选；
⑥SiO2+2KOH=K2SiO3+H2O，强碱能腐蚀玻璃，故不选；
⑦SiO2+CaOCaSiO 3，故不选；
⑧不反应，有碳的时候反应3 SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO，故选；
故答案为：C。
【点睛】
SiO2在高温下与碳单质反应生成硅单质和一氧化碳，而非二氧化碳，二氧化硅中硅元素是+4价，变成了后来的0价，而碳从0价就先被氧化成+2价的，也就是说二氧化硅的氧化能力比较小，只能把碳氧化成一氧化碳！
【练5】下列溶液中①碳酸钠溶液 ②氢氟酸 ③氢氧化钠溶液④氯化钠溶液，可以盛放在玻璃试剂瓶中但不能用磨口玻璃塞的是( )
A．①③ B．②④ C．②③ D．①④
【答案】A
【解析】
【详解】
①碳酸钠溶液呈碱性，与光滑的玻璃不容易反应，但与磨口玻璃中裸露的二氧化硅反应，生成硅酸钠，容易把磨口玻璃塞和玻璃瓶粘结在一起而不易打开，故可选；
②玻璃中二氧化硅和氢氟酸反应，所以氢氟酸不能盛放在玻璃瓶中，故不选；
③玻璃中二氧化硅能和氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠，硅酸钠属于矿物胶，容易把磨口玻璃塞和玻璃瓶粘结在一起而不易打开，故可选；
④氯化钠是强酸强碱盐，水溶液呈中性，氯化钠溶液和二氧化硅不反应，所以氯化钠溶液可以盛放在磨口玻璃塞的玻璃瓶中，故不选；故①③可选。
故选A。
【练6】下列物品或设施：
①陶瓷餐具②砖瓦③混凝土桥墩④门窗玻璃⑤水晶镜片⑥石英钟⑦水晶项链⑧硅太阳能电池⑨光导纤维⑩计算机芯片
(1)使用了硅单质的是___________(填序号，下同)。
(2)使用了二氧化硅的是___________。
(3)使用了硅酸盐材料的是___________。
【答案】(1)⑧⑩
(2)④⑤⑥⑦⑨
(3)①②③④
【解析】
(1)
硅为良好的半导体材料，可用于制太阳能，计算机芯片，即⑧硅太阳能电池；⑩计算机芯片；故答案为：⑧⑩；
(2)
所用材料为SiO2或要用到SiO2的是：④门窗玻璃(原料有二氧化硅、成分含有二氧化硅)、⑤水晶镜片、⑥石英钟、⑦水晶项链、⑨光导纤维；故答案为：④⑤⑥⑦⑨；
(3)
陶瓷、砖瓦、水泥、玻璃的成分是硅酸盐：①陶瓷餐具②砖瓦③混凝土桥墩④门窗玻璃；故答案为：①②③④。
【练7】氮化硅陶瓷因其熔点高，对于金属及氧化物熔体具有相当的高温稳定性，越来越多被应用于热工各个领域，如陶瓷烧成棚板、辊棒，以及高温轴承、涡轮叶片等。
(1)下列关于氮化硅陶瓷的说法正确的是________。
A．硅粉合成氮化硅的反应属于氧化还原反应
B．氮化硅陶瓷属于硅酸盐
C．氮化硅陶瓷可用于制造磨刀材料
D．太阳能光伏产业的主体材料为氮化硅
(2)在烧结氮化硅陶瓷的过程中，二氧化硅、碳、氮气以物质的量之比3:6:2反应生成两种化合物。
①该反应的化学方程式为___________________________。
②该反应中氧化剂与还原剂的质量比为________。
【答案】 AC 3SiO2＋2N2＋6CSi3N4＋6CO 7:9
【解析】
【详解】
(1)Si与N2反应前后，N、Si元素的化合价发生变化，故属于氧化还原反应，A正确；氮化硅属于新型高温结构陶瓷，不属于硅酸盐，B错误；根据氮化硅的性能，可用于制造磨刀材料，C正确；太阳能光伏产业的主体材料为硅，D错误。
(2)①硅原子最外层有4个电子，氮原子最外层有5个电子，在氮化硅中硅显＋4价，氮显－3价，根据化合物中化合价代数和等于零的原则，可得氮化硅的化学式为Si3N4。烧结Si3N4的反应物为SiO2、N2、C，生成物为Si3N4和另一种化合物，则有3SiO2＋2N2＋6C―→Si3N4＋另一种化合物，根据原子守恒可得另一种化合物为CO，故反应方程式为3SiO2＋2N2＋6CSi3N4＋6CO。②根据反应：3SiO2＋2N2＋6CSi3N4＋6CO，分析各元素化合价变化可知，Si、O元素反应前后化合价没有变化，氮元素价态降低，为氧化剂，碳元素价态升高为还原剂，其质量比为2 mol×28 g/mol:(6 mol×12 g/mol)＝7:9。
【练8】硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。
(1)计算机芯片和太阳能电池的主要成分是________，光导纤维的主要成分是________。(填化学式)
(2)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，发生反应的化学方程式为_________。
(3)玉石的主要成分基本都属于硅酸盐，翡翠的主要成分为NaAlSi2O6，用氧化物形式表示为________。
(4)高纯度单晶硅可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
写出步骤①的化学方程式： _______。
步骤②的产物经过冷凝后得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6 ℃)，提纯SiHCl3主要操作的名称是________。
步骤③需要在无水无氧环境下进行，若在有氧环境下，除了有不安全因素外，还可能使产品中混有杂质________。
【答案】 Si SiO2 4HF＋SiO2=SiF4↑＋2H2O Na2O·Al2O3·4SiO2 2C＋SiO2Si(粗)＋2CO↑ 蒸馏 SiO2
【解析】
【详解】
(1)Si是半导体，可用于制造计算机芯片和太阳能电池，光导纤维的主要成分是SiO2；
(2)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，是因为氢氟酸能和SiO2反应，反应的化学方程式为4HF＋SiO2=SiF4↑＋2H2O；
(3)翡翠的主要成分为NaAlSi2O6，将其表示为氧化物形式为Na2O·Al2O3·4SiO2；
(4)步骤①的化学方程式为2C＋SiO2Si(粗)＋2CO↑；
步骤②的产物经过冷凝后得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6 ℃)，根据两者沸点不同，可采用蒸馏的方法分离；
步骤③需要在无水无氧环境下进行，若在有氧环境下，除了有不安全因素外，产品中的Si会和O2在高温的条件下反应生成SiO2。
第09讲 硅的化合物 新型无机非金属材料
知识导航
模块一 二氧化硅 硅酸
知识精讲
资料卡片——SiO2的结构与物理性质
如图所示，二氧化硅晶体是由Si原子和O原子按1:2的比例所组成的立体网状结构的晶体，所以我们通常用SiO2来表示二氧化硅的组成。
SiO2是不溶于水的固体，熔、沸点高，硬度大。
二、SiO2的化学性质
1．二氧化硅虽然不溶于水，但它是一种酸性氧化物
(1)与NaOH反应：_______________________________________；
(2)与CaO反应：SiO2 + CaO CaSiO3
2．二氧化硅的特性
与HF反应：_______________________________________________；
3．二氧化硅可与某些盐反应制备玻璃
SiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2↑ SiO2 + CaCO3 CaSiO3 + CO2↑
【答案】(1)SiO2 + 2NaOH === Na2SiO3 + H2O (2)SiO2 + 4HF === SiF4↑+ 2H2O
三、SiO2的用途
1．用于生产____________；
2．水晶、玛瑙等饰品；
3．制作耐高温的化学仪器。
【答案】光导纤维
四、硅酸
1．H2SiO3的弱酸性：硅酸是难溶于水的弱酸，其酸性比碳酸弱。
2．H2SiO3的不稳定性：硅酸受热易分解，H2SiO3 SiO2 + H2O。
3．硅酸的制备(强酸制弱酸)：
Na2SiO3 + 2HCl === 2NaCl + H2SiO3(胶体)
Na2SiO3 + CO2 + H2O === H2SiO3(胶体) + Na2CO3
模块二 新型无机非金属材料
知识精讲
一、新型陶瓷
新型陶瓷包括高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷和超导陶瓷等，在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
例如，碳化硅(SiC)俗称金刚砂，其中的碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还具有优异的高温抗氧化性能，使用温度可达1600℃，大大超过了普通金属材料所能承受的温度，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
资料卡片——新型陶瓷
①高温结构陶瓷：一般用碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等在高温下烧结而成，具有耐高温、抗氧化、耐磨蚀等优良性能。与金属材料相比，更能适应严酷的环境，可用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等。
②压电陶瓷：主要有钛酸盐和锆酸盐等，能实现机械能与电能的相互转化，可用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等。
③透明陶瓷：主要有氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷和氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷，具有优异的光学性能，耐高温，绝缘性好，可用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等。
④超导陶瓷：在某一临界温度下电阻为零，具有超导性，用于电力、交通、医疗等领域。
二、碳纳米材料
碳纳米材料是近年来人们十分关注的一类新型无机非金属材料，主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。
富勒烯
碳纳米管
石墨烯
由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。C60的发现为纳米科学提供了重要的研究对象，开启了碳纳米材料研究和应用的新时代。
由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。
只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。其在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。
经典例题
题型一：SiO2的性质与用途
【变1-1】下列关于的叙述正确的是
①能与水反应生成硅酸
②对应的水化物是可溶性弱酸
③硅原子和碳原子的最外层电子数相同，和的分子结构也相同
④既能与氢氧化钠溶液反应又能与氢氟酸反应，故是两性氧化物
⑤中硅元素为价，故具有氧化性
⑥在中，每个硅原子结合2个氧原子
A．①③⑤ B．①②④⑥ C．③ D．⑤
【答案】D
【解析】
【详解】
①不与水反应；
②对应的水化物(弱酸)不溶于水；
③晶体中不存在单个的分子，且每个硅原子与4个氧原子结合，而二氧化碳分子中1个碳原子与1个氧原子形成两条共价键，结构式为O=C=O，所以二者的分子结构不同；
④二氧化硅与氢氟酸反应生成四氟化硅和水，没有盐生成，与碱反应生成盐和水，所以二氧化硅属于酸性氧化物，不属于两性氧化物；
⑤具有弱氧化性，如高温条件下被碳还原制取粗硅：；
⑥晶体中不存在单个的分子，且每个硅原子与4个氧原子结合；
结合以上分析可知，不正确的有①②③④⑥，只有⑤正确；
故选D。
【变2】我国科学家成功研制了超分子纳米管，下列叙述不正确的是( )
A．该超分子性质稳定，不与任何酸发生反应
B．是酸性氧化物
C．在工业上可用于制造光导纤维
D．与碱的反应是非氧化还原反应
【答案】A
【解析】
【详解】
A．二氧化硅能与氢氟酸发生反应，A错误；
B．能与碱反应生成盐和水，属于酸性氧化物，B正确；
C．制成的纤维能够传导光波和各种光信号，在工业上可用于制造光导纤维，C正确；
D．与碱反应生成盐和水，是非氧化还原反应，D正确；
故选A。
【例3】500 多年前，一艘载着天然苏打晶体(Na2CO3·10H2O)的商船在航行中搁浅，船员们便在附近的沙滩上用几块苏打晶体支锅煮饭。之后他们惊奇地发现，在苏打与沙粒接触的地方出现了许多晶莹发亮的珠子。回答下列问题:
(1)沙滩上沙粒的主要成分为_______(填化学式)。
(2)上述晶莹发亮的珠子可能是______(填字母)。
A．水晶颗粒 B．无水碳酸钠 C．晶体硅 D．玻璃珠
(3)生成该珠子时发生反应的化学方程式为_____________。
(4)氢氟酸常用作玻璃的蚀刻剂，原因是______________(用化学方程式表示)。
【答案】 SiO2 D SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑ SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O
【解析】
【详解】
(1)沙滩上沙粒的主要成分为二氧化硅，化学式为SiO2。(2)高温下二氧化硅与碳酸钠反应生成硅酸钠和二氧化碳，硅酸钠与二氧化硅均是玻璃的主要成分，所以上述晶莹发亮的珠子可能是玻璃珠，答案选D。(3)根据以上分析可知生成该珠子时发生反应的化学方程式为SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑。(4)氢氟酸能与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，因此氢氟酸常用作玻璃的蚀刻剂，反应的化学方程式为SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O。
题型二：硅酸
【例4】为确认、、的酸性强弱，某学生设计了如下图所示的实验装置，一次实验即可达到目的(不必选其他酸性物质)请据此回答：
(1)锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为________。
(2)装置B所盛的试剂是_____________，其作用是__________________。
(3)装置C所盛试剂是________________，C中反应的离子方程式是____________。
(4)由此得到的结论是酸性：________＞________＞________。
【答案】 盐酸 饱和溶液 吸收气体 溶液 ↓(或)
【解析】
【分析】
要确认、、的酸性强弱，设计的实验流程为HCl→H2CO3→H2SiO3，所以A中反应为2HCl+Na2CO3=2NaCl+H2O+CO2↑，C中反应为Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O==H2SiO3↓+2NaHCO3。由于盐酸易挥发，会干扰CO2与Na2SiO3溶液的反应，所以在反应前，应除去CO2中混有的HCl气体。
(1)锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为酸。
(2)装置B所盛的试剂，应能除去CO2中混有的HCl气体。
(3)装置C中发生反应Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O
==H2SiO3↓+2NaHCO3。
(4)由此可得出酸性的强弱关系。
【详解】
要确认、、的酸性强弱，设计的实验流程为HCl→H2CO3→H2SiO3，
由于盐酸易挥发，会干扰CO2与Na2SiO3溶液的反应，所以在CO2通入硅酸钠溶液前，应除去CO2中混有的HCl气体。
(1)锥形瓶中装某可溶性正盐(通常为Na2CO3)溶液，分液漏斗所盛试剂应为盐酸。答案为：盐酸；
(2)装置B所盛的试剂为饱和NaHCO3溶液，其作用是除去CO2中混有的HCl气体。答案为：饱和溶液；吸收气体；
(3)装置C中发生反应Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2CO2+2H2O
==H2SiO3↓+2NaHCO3。装置C所盛试剂是溶液，C中反应的离子方程式是SiO32-+CO2+H2O==H2SiO3↓+CO32-或SiO32-+2CO2+2H2O==H2SiO3↓+2HCO3-。
(4)由此得到的结论是酸性：HCl＞H2CO3＞H2SiO3。答案为：HCl；H2CO3；H2SiO3。
【点睛】
硅酸溶胶的制备：向盛有适量1mol/L稀盐酸的试管里，逐滴加入适量的饱和硅酸钠溶液，用力振荡，即得到无色透明的硅酸溶胶。
硅酸凝胶的制备：向盛有少量饱和硅酸钠溶液的试管里，逐滴加入几滴浓盐酸，振荡、静置，即得到无色透明果冻状的硅酸凝胶。
题型三：新型无机非金属材料
【例5】碳纳米材料是近年来人们非常关注的一类新型无机非金属材料，下列关于碳纳米材料的说法中不正确的是
A．C60是富勒烯的代表物，C60的摩尔质量为720g/mol
B．碳纳米管可用于生产电池和传感器
C．石墨烯与石墨都具有导电性
D．石墨烯的性质稳定，在氧气中不能燃烧
【答案】D
【解析】
【详解】
A．碳的原子量为12，C60的式量为720，C60的摩尔质量为720g/mol，故A正确；
B．碳纳米管是新型无机非金属材料，可做锂离子电池的负极材料，可用于生产电池和传感器，故B正确；
C．石墨烯具有超导特性，石墨具有良好的导电性，因此石墨烯与石墨都具有导电性，故C正确；
D．石墨烯是由碳元素组成的单质，它在氧气中可以燃烧，D项错误；
故选D。
【变5-1】石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它是一种透明、良好的导体；石墨烯是由碳原子构成的单层二维蜂窝状晶格结构(如图所示)的一种碳单质新材料，它是构建富勒烯、碳纳米管的基本单元。利用石墨烯可制造晶体管、太阳能电池板等。下列有关石墨烯的说法不正确的是()
A．石墨烯具有优良的导电、导热性能
B．石墨烯是一种新型的无机非金属材料
C．石墨烯与富勒烯的结构相同
D．石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是由碳元素组成的
【答案】C
【解析】
【详解】
A．石墨烯具有良好的导热、导电性能，故A不符合题意；
B．石墨烯是新型的无机非金属材料，故B不符合题意；
C．石墨烯为单层结构，而富勒烯为球环状结构，故C符合题意；
D．石墨烯、富勒烯、碳纳米管都是碳元素的单质，互为同素异形体，故D不符合题意；
故选C。
【变6】氮化硅是一种性能优异的无机非金属材料，它的熔点高，硬度大，电绝缘性好，化学性质稳定，但生产成本较高。
(1)根据以上描述，推测氮化硅可能有哪些用途：___________(填字母)。
a.制作坩埚 b.用作建筑陶瓷 c.制作耐高温轴承 d.制作切削刀具
(2)请写出氮和硅的原子结构示意图______，并根据元素周期律的知识，写出氮化硅的化学式______。
(3)氮化硅在19世纪已经被化学家合成出来，但直到100多年后才逐渐应用于工业领域。材料的基础研究和实际应用之间存在着一定距离，你认为二者之间的关系是怎样的_______？请查阅相关资料，与同学交流你的观点。
【答案】(1)a、c、d
(2) Si3N4
(3)材料的基础研究为实际应用提供了基础，而实际应用则是材料的基础研究的最终归宿
【解析】
(1)
氮化硅硬度大、熔点高可以用来制作坩埚，熔点高、化学性质稳定可制作耐高温轴承，制作切削刀具，故答案为：a、c、d
(2)
根据原子序数分别为7和14，电子层分别为2和3，最外层电子分别为5和4，得出原子结构示意图，；氮最外层有5个电子，硅最外层有4个电子，氮非金属性强于硅，而显-3价，硅显+4价，所以氮化硅的化学式为Si3N4；故答案为：，Si3N4；
(3)
氮化硅在19世纪已经被化学家合成出来，但直到100多年后才逐渐应用于工业领域，材料的基础研究为实际应用提供了基础，而实际应用则是材料的基础研究的最终的目的；故答案为：材料的基础研究为实际应用提供了基础，而实际应用则是材料的基础研究的最终归宿。
题型四：硅及其化合物
【例7】已知A、B、C、D、E、F、G、H可以发生如图所示转化，反应中部分生成物已略去。其中，A、G为非金属单质，且常湿下呈固态，形成G单质的元素在地壳中含量居第二位，B、C、H在通常情况下为气体，化合物C是一种能形成酸雨的大气污染物。
请回答下列问题：
(1)写出E的两种用途：______、______。
(2)反应②的离子方程式为______。
(3)反应③的化学方程式是______。
(4)反应④的离子方程式是______。
(5)写出一个由A生成H的置换反应的化学方程式：______。
【答案】 制光导纤维 作建筑材料 SiO2+2OH-=SiO+H2O C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O SiO+CO2+H2O=H2SiO3↓+CO C+H2O(g)CO+H2
【解析】
【分析】
由“形成G单质的元素在地壳中含量居第二位”可知，G为Si，根据非金属单质A与E在高温下反应生成G和气体H，且E能与氢氧化钠溶液反应，推知A为碳单质、E为SiO2，H为CO。则B为CO2、C为SO2、F为Na2SiO3、D为H2SiO3。
【详解】
(1)E为SiO2，在生活中可用作光导纤维和建筑材料；
(2)SiO2可以与NaOH溶液反应生成Na2SiO3和H2O，反应的离子方程式为SiO2+2OH-=SiO+H2O；
(3)浓硫酸具有氧化性，可以与C在加热的条件下反应，反应的化学方程式为C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O；
(4)向硅酸钠溶液中通入二氧化碳，硅酸钠与水和二氧化碳反应生成硅酸沉淀，反应的离子方程式为SiO+CO2+H2O=H2SiO3↓+CO；
(5)C和水蒸气反应生成CO和氢气，反应的化学方程式为C+H2O(g)CO+H2。
提分特训
【题1】宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“人窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是
A．窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料
C．高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物
D．陶瓷属于硅酸盐制品，耐酸碱腐蚀，但是不能用来盛装氢氟酸
【答案】C
【解析】
【详解】
A．不同的金属氧化物可能颜色不同，在高温下，釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致了颜色变化，故A正确；
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，具有耐高温的特点，故B正确；
C．瓷器主要是由黏土烧结而成，瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅，属于混合物，故C错误；
D．陶瓷的主要成分为硅酸盐和二氧化硅，氢氟酸能够与二氧化硅反应，所以不能用陶瓷来盛装氢氟酸，故D正确；
故选C。
【题2】下列关于SiO2和CO2的叙述正确的是
A．两者都是酸性氧化物，故均不与酸反应
B．两者都可以与NaOH溶液反应
C．两者熔、沸点均较低
D．两者都能与水反应生成对应的酸且碳酸的酸性强于硅酸
【答案】B
【解析】
【详解】
A．SiO2能与氢氟酸反应生成四氯化硅和水，故A错误；
B．SiO2和CO2都是酸性氧化物，都能与NaOH溶液反应，故B正确；
C．CO2熔、沸点较低，SiO2熔、沸点较高，故C错误；
D．二氧化硅不溶于水，不能与水反应，故D错误；
故答案为B。
【题3】现有下列5个转化，其中不可能通过一步反应实现的是
①SiO2→Na2SiO3 ②Si→SiO2 ③SiO2→H2SiO3 ④CuO→Cu(OH)2 ⑤Na2O2→NaOH
A．①② B．③④ C．②③④ D．②③④⑤
【答案】B
【解析】
【详解】
①SiO2与氢氧化钠溶液反应可生成Na2SiO3；
②Si与氧气反应能生成SiO2；
③SiO2先与氢氧化钠溶液反应生成Na2SiO3和H2O，Na2SiO3再与酸反应可生成H2SiO3；
④CuO先与酸反应可得到铜盐，铜盐再与碱溶液反应可生成Cu(OH)2；
⑤Na2O2与水反应可生成NaOH；
综上所述，③④不能一步反应，答案选B。
【题6】A、B、C、D四种易溶于水的化合物只由表中的八种离子组成，且四种化合物中阴、阳离子各不相同。
阴离子
Cl－、SiO32-、OH－、NO3-
阳离子
H＋、Ag＋、Na＋、K＋
已知：A溶液呈强酸性，且A溶液与B、C溶液混合均产生白色沉淀，B的焰色反应呈黄色。
回答下列问题：
(1)写出A、B、C、D的化学式：A______，B_____，C____，D____。
(2)写出A溶液与B溶液反应的离子方程式： __________。
(3)请选出适合存放A、C、D溶液的试剂瓶的序号：
溶液
A
C
D
试剂瓶序号
___
___
___
【答案】 HCl Na2SiO3 AgNO3 KOH SiO32-＋2H＋=H2SiO3↓ ① ③ ②
【解析】
【分析】
A、B、C、D四种易溶于水的化合物只由表中的八种离子组成，且四种化合物中阴、阳离子各不相同，A溶液呈强酸性，则A为盐酸或硝酸，B的焰色反应呈黄色，则B中含有Na元素，A能和B反应生成白色沉淀，则B为Na2SiO3；盐酸能和AgNO3反应生成白色沉淀，所以C为AgNO3，则A为HCl，根据四种化合物中阴阳离子各不相同，则D为KOH。
【详解】
(1)根据以上分析知，四种物质化学式分别为HCl、Na2SiO3、C为AgNO3、D为KOH；
(2)A是HCl、B是硅酸钠，二者反应生成硅酸沉淀和氯化钠，离子方程式为SiO32-+2H+=H2SiO3↓；
(3)A是HCl、C为AgNO3、D为KOH，KOH能和二氧化硅反应生成粘性物质硅酸钠，不能用含有玻璃塞的试剂瓶盛放；硝酸银见光易分解，应该放置在棕色试剂瓶中；盐酸不分解，且和玻璃中成分不反应，所以放置在一般试剂瓶中即可，所以A、C、D选取试剂瓶序号为①③②。
【点睛】
含有钠元素的物质焰色反应为黄色，含有钾元素的物质焰色反应透过蓝色钴玻璃为紫色，钙元素的焰色反应为砖红色；玻璃中含有二氧化硅，能与碱性溶液发生反应，所以碱性溶液的试剂瓶不用玻璃塞。
【题7】高纯二氧化硅可用来制造光纤。某蛇纹石的成分见下表：
组分
SiO2
MgO
Na2O
K2O
Fe2O3
质量分数/%
59.20
38.80
0.25
0.50
0.8
通过下图流程可由蛇纹石制备较纯净的二氧化硅。
(1)蛇纹石中涉及的可溶性金属氧化物有____________(写化学式)。
(2)步骤①中涉及SiO2反应的离子方程式为________________。
(3)滤渣A 的成分有______________________(填化学式)。
(4)步骤②中洗涤沉淀的方法是_____________________。
(5)步骤③反应的化学方程式为______________________；实验室进行步骤③需要用到的仪器有坩埚、泥三角、酒精灯、玻璃棒、和________________。
【答案】 Na2O、K2O SiO2+2OH-=SiO32-+H2O MgO和Fe2O3 向漏斗中注入蒸馏水至浸没沉淀，让水自然流下，重复操作2至3次 H2SiO3SiO2+H2O 坩埚钳、三脚架
【解析】
【分析】
蛇纹石(含SiO2、MgO、Na2O、K2O、Fe2O3)加入足量氢氧化钠进行碱浸溶解，SiO2可与氢氧化钠反应生成硅酸钠，Na2O、K2O可与氢氧化钠溶液中的水反应生成氢氧化钠和氢氧化钾；MgO、Fe2O3不与氢氧化钠溶液反应，也不溶于水，则滤渣A为MgO、Fe2O3，滤液A主要含有K+、Na+、OH-、SiO32-，加入过量盐酸中和滤液A中的碱，同时SiO32-在酸性条件下转化为H2SiO3沉淀，经过滤、洗涤，得到滤渣B为H2SiO3，对其煅烧分解生成SiO2，据此分析解答。
【详解】
(1)根据分析，蛇纹石中含有的可溶性金属氧化物有Na2O和K2O，它们能与水反应生成氢氧化钠和氢氧化钾；
(2)二氧化硅属于酸性氧化物，可与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠和水，反应的离子方程式为：SiO2+2OH-=SiO32-+H2O；
(3)氧化钠与氧化钾属于可溶性氧化物，氧化铝属于两性氧化物，二氧化硅属于酸性氧化物，上述四种物质都能溶解在氢氧化钠溶液中，氧化镁和氧化铁属于碱性氧化物且难溶于水，因此，滤渣A的成分有MgO和Fe2O3；
(4)步骤②生成沉淀的成分是硅酸，洗涤过滤出的沉淀的方法是：向过滤器中注入蒸馏水至浸没沉淀，待水自然流出后，重复上述操作两到三次；
(5)步骤③用灼烧的方法使硅酸分解生成二氧化硅，化学方程式为：H2SiO3SiO2+H2O，实验室灼烧固体时需要用到的仪器有坩埚、泥三角、酒精灯、玻璃棒、坩埚钳和三脚架。
【题8】根据下列各小题实验目的，完成填空。(a、b为弹簧夹，加热及固定装置略去)
(1)验证碳、硅非金属性的相对强弱。(已知酸性：亚硫酸＞碳酸)
①连接仪器、检验装置气密性、加药品后，打开a，关闭b，然后滴入浓硫酸，加热。
②装置A中试剂是___。
③能说明碳的非金属性比硅强的实验现象是___。
(2)验证SO2的氧化性、还原性和酸性氧化物的通性。
①在(1)①操作后，打开b，关闭a。
②通入SO2的BaCl2溶液中无明显现象，若将其取出于试管中，然后向其中滴加氯水则出现沉淀，该沉淀的化学式为___。
③一段时间后，实验装置中H2S溶液中的现象是___，化学方程式是___。
【答案】(1) 品红溶液[或(酸性)KMnO4溶液] 试管A中溶液不褪色，盛装硅酸钠溶液的试管有白色沉淀(浑浊)
(2) BaSO4 出现(淡)黄色沉淀(浑浊) 2H2S +SO2=3S↓+2H2O
【解析】
【分析】
(1)验证碳、硅非金属性的相对强弱实验，溶液吸收后生成，试管A中的试剂需要检验是否被溶液吸收完全，因为也会使溶液生成白色沉淀，干扰C与非金属性强弱的判断，所以用品红溶液或(酸性)溶液是否褪色来检验是否除净。若试管A中溶液不褪色，且硅酸钠溶液中生成白色沉淀(浑浊)，则证明的酸性强于，说明碳的非金属性比硅强，据此分析解答。
(2) 通入溶液中无沉淀，是因为在酸性条件下无法存在，滴加氯水后，被氧化成，遇到生成白色沉淀。滴加溶液，和发生归中反应生成S单质沉淀，二氧化硫中硫元素化合价降低、体现了的氧化性，据此分析解答。
(1)
②据分析，装置A的作用为检验二氧化碳气体中的是否除净。则A中试剂是品红溶液[或(酸性)KMnO4溶液]。
③无存在时，硅酸钠溶液中发生反应：或，则能说明碳的非金属性比硅强的实验现象是：试管A中溶液不褪色，盛装硅酸钠溶液的试管有白色沉淀(浑浊)。
(2)
②据分析，通入SO2的BaCl2溶液中无明显现象，若将其取出于试管中，然后向其中滴加氯水，则发生、，则出现沉淀，该沉淀的化学式为BaSO4。
③一段时间后，实验装置中H2S溶液中的现象是出现(淡)黄色沉淀(浑浊)，化学方程式是2H2S +SO2=3S↓+2H2O。
提分作业
【练1】碳纳米管是由碳原子组成的六角形蜂巢状平面薄膜卷曲而成，具有许多异常的力学、电学和化学性能。
下列关于碳纳米管的说法不正确的是
A．碳纳米管属于一种有机合成纤维
B．碳纳米管与金刚石互为同素异形体
C．常温下，碳纳米管具有较好的稳定性
D．碳纳米管比表面积大，可用作新型储氢材料
【答案】A
【解析】
【详解】
A、碳纳米管由碳单质组成，不属于有机合成纤维，A错误；
B、碳纳米管与金刚石都由碳元素组成，但结构与性质不同，互为同素异形体，B正确；
C、碳单质性质稳定，所以常温下，碳纳米管具有较好的稳定性，C正确；
D、碳纳米管是由碳原子组成的六角形蜂巢状平面薄膜卷曲而成，所以比表面积大，可用作新型储氢材料，D正确。
答案选A。
【练2】下列说法不正确的是
A．高纯硅可用于制作光感电池
B．因熔点高硬度大，可用于制光导纤维
C．石英砂可用于生产单晶硅
D．与反应的实际应用之一是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记
【答案】B
【解析】
【详解】
A． 利用高纯硅的半导体性能，可制作光感电池，A项正确；
B． 可用于制光导纤维是因为其具有较强的传导能力，B项错误；
C． 石英砂的主要成分为，可用焦炭在高温条件下还原得到粗硅，粗硅经提纯得到单晶硅，C项正确；
D． 玻璃器皿的主要成分为，与发生反应，所以氢氟酸能在玻璃器皿上刻蚀标记，D项正确；
故选B。
【练3】碳纳米管、石墨烯、C60等新型碳材料具有广阔的应用前景。下列说法正确的是
A．碳纳米管属于胶体
B．石墨烯属于有机化合物
C．C60与金刚石互为同素异形体
D．均具有相同的熔点
【答案】C
【解析】
【详解】
A.碳纳米管是一种一维纳米材料，与胶粒直径吻合，需要分散到分散剂中才能形成胶体，故A错误；B.石墨烯是由石墨剥离出的单层碳原子结构的单质，不属于有机化合物，故B错误；C.富勒烯与金刚石同属于碳的单质，互为同素异形体，故C正确；D.不同的新型碳材料因结构不同应具有不同的熔点，故D错误。答案：C。
【点睛】
根据物质的组成和结构决定其性质的原则，对富勒烯、石墨烯、碳纳米管等组成和结构进行判断，在根据物质分类、物理性质、胶体概念、同素异形体进行相关选项的判断。
【练4】在一定条件下，下列物质不能与二氧化硅反应的是( )
①焦炭 ②纯碱 ③碳酸钙 ④氢氟酸 ⑤高氯酸 ⑥氢氧化钾 ⑦氧化钙⑧ 氮气
A．③⑤⑦⑧ B．⑤⑦⑧ C．⑤⑧ D．⑤⑦
【答案】C
【解析】
【详解】
①SiO2+2CSi+2CO↑，制备粗硅的反应，所以能反应，故不选；
②SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑，制备玻璃的两个反应之一，故不选；
③SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑，制备玻璃的两个反应之一，故不选；
④SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O，氢氟酸是唯一能腐蚀玻璃的酸，故不选；
⑤不反应，氢氟酸是唯一能腐蚀玻璃的酸，故选；
⑥SiO2+2KOH=K2SiO3+H2O，强碱能腐蚀玻璃，故不选；
⑦SiO2+CaOCaSiO 3，故不选；
⑧不反应，有碳的时候反应3 SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO，故选；
故答案为：C。
【点睛】
SiO2在高温下与碳单质反应生成硅单质和一氧化碳，而非二氧化碳，二氧化硅中硅元素是+4价，变成了后来的0价，而碳从0价就先被氧化成+2价的，也就是说二氧化硅的氧化能力比较小，只能把碳氧化成一氧化碳！
【练5】下列溶液中①碳酸钠溶液 ②氢氟酸 ③氢氧化钠溶液④氯化钠溶液，可以盛放在玻璃试剂瓶中但不能用磨口玻璃塞的是( )
A．①③ B．②④ C．②③ D．①④
【答案】A
【解析】
【详解】
①碳酸钠溶液呈碱性，与光滑的玻璃不容易反应，但与磨口玻璃中裸露的二氧化硅反应，生成硅酸钠，容易把磨口玻璃塞和玻璃瓶粘结在一起而不易打开，故可选；
②玻璃中二氧化硅和氢氟酸反应，所以氢氟酸不能盛放在玻璃瓶中，故不选；
③玻璃中二氧化硅能和氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠，硅酸钠属于矿物胶，容易把磨口玻璃塞和玻璃瓶粘结在一起而不易打开，故可选；
④氯化钠是强酸强碱盐，水溶液呈中性，氯化钠溶液和二氧化硅不反应，所以氯化钠溶液可以盛放在磨口玻璃塞的玻璃瓶中，故不选；故①③可选。
故选A。
【练6】下列物品或设施：
①陶瓷餐具②砖瓦③混凝土桥墩④门窗玻璃⑤水晶镜片⑥石英钟⑦水晶项链⑧硅太阳能电池⑨光导纤维⑩计算机芯片
(1)使用了硅单质的是___________(填序号，下同)。
(2)使用了二氧化硅的是___________。
(3)使用了硅酸盐材料的是___________。
【答案】(1)⑧⑩
(2)④⑤⑥⑦⑨
(3)①②③④
【解析】
(1)
硅为良好的半导体材料，可用于制太阳能，计算机芯片，即⑧硅太阳能电池；⑩计算机芯片；故答案为：⑧⑩；
(2)
所用材料为SiO2或要用到SiO2的是：④门窗玻璃(原料有二氧化硅、成分含有二氧化硅)、⑤水晶镜片、⑥石英钟、⑦水晶项链、⑨光导纤维；故答案为：④⑤⑥⑦⑨；
(3)
陶瓷、砖瓦、水泥、玻璃的成分是硅酸盐：①陶瓷餐具②砖瓦③混凝土桥墩④门窗玻璃；故答案为：①②③④。
【练7】氮化硅陶瓷因其熔点高，对于金属及氧化物熔体具有相当的高温稳定性，越来越多被应用于热工各个领域，如陶瓷烧成棚板、辊棒，以及高温轴承、涡轮叶片等。
(1)下列关于氮化硅陶瓷的说法正确的是________。
A．硅粉合成氮化硅的反应属于氧化还原反应
B．氮化硅陶瓷属于硅酸盐
C．氮化硅陶瓷可用于制造磨刀材料
D．太阳能光伏产业的主体材料为氮化硅
(2)在烧结氮化硅陶瓷的过程中，二氧化硅、碳、氮气以物质的量之比3:6:2反应生成两种化合物。
①该反应的化学方程式为___________________________。
②该反应中氧化剂与还原剂的质量比为________。
【答案】 AC 3SiO2＋2N2＋6CSi3N4＋6CO 7:9
【解析】
【详解】
(1)Si与N2反应前后，N、Si元素的化合价发生变化，故属于氧化还原反应，A正确；氮化硅属于新型高温结构陶瓷，不属于硅酸盐，B错误；根据氮化硅的性能，可用于制造磨刀材料，C正确；太阳能光伏产业的主体材料为硅，D错误。
(2)①硅原子最外层有4个电子，氮原子最外层有5个电子，在氮化硅中硅显＋4价，氮显－3价，根据化合物中化合价代数和等于零的原则，可得氮化硅的化学式为Si3N4。烧结Si3N4的反应物为SiO2、N2、C，生成物为Si3N4和另一种化合物，则有3SiO2＋2N2＋6C―→Si3N4＋另一种化合物，根据原子守恒可得另一种化合物为CO，故反应方程式为3SiO2＋2N2＋6CSi3N4＋6CO。②根据反应：3SiO2＋2N2＋6CSi3N4＋6CO，分析各元素化合价变化可知，Si、O元素反应前后化合价没有变化，氮元素价态降低，为氧化剂，碳元素价态升高为还原剂，其质量比为2 mol×28 g/mol:(6 mol×12 g/mol)＝7:9。
【练8】硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。
(1)计算机芯片和太阳能电池的主要成分是________，光导纤维的主要成分是________。(填化学式)
(2)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，发生反应的化学方程式为_________。
(3)玉石的主要成分基本都属于硅酸盐，翡翠的主要成分为NaAlSi2O6，用氧化物形式表示为________。
(4)高纯度单晶硅可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
写出步骤①的化学方程式： _______。
步骤②的产物经过冷凝后得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6 ℃)，提纯SiHCl3主要操作的名称是________。
步骤③需要在无水无氧环境下进行，若在有氧环境下，除了有不安全因素外，还可能使产品中混有杂质________。
【答案】 Si SiO2 4HF＋SiO2=SiF4↑＋2H2O Na2O·Al2O3·4SiO2 2C＋SiO2Si(粗)＋2CO↑ 蒸馏 SiO2
【解析】
【详解】
(1)Si是半导体，可用于制造计算机芯片和太阳能电池，光导纤维的主要成分是SiO2；
(2)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，是因为氢氟酸能和SiO2反应，反应的化学方程式为4HF＋SiO2=SiF4↑＋2H2O；
(3)翡翠的主要成分为NaAlSi2O6，将其表示为氧化物形式为Na2O·Al2O3·4SiO2；
(4)步骤①的化学方程式为2C＋SiO2Si(粗)＋2CO↑；
步骤②的产物经过冷凝后得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6 ℃)，根据两者沸点不同，可采用蒸馏的方法分离；
步骤③需要在无水无氧环境下进行，若在有氧环境下，除了有不安全因素外，产品中的Si会和O2在高温的条件下反应生成SiO2。
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