2023届新高考化学选考一轮总复习学案-第13讲　无机非金属材料.docx

第13讲无机非金属材料内容要求1.结合真实情境中的应用实例或通过实验探究,了解碳、硅及其重要化合物的主要性质。2.认识碳、硅及其化合物在生产中的应用和对生态环境的影响。3.知道无机非金属材料,结合实例认识材料组成、性能与应用的联系。知识点1碳、硅及其化合物一、碳及其化合物1.碳单质(1)存在形式、结构、物理性质和用途存在形式游离态和化合态单质的结构金刚石:空间网状结构;石墨:层状结构;C60:足球形分子物理性质金刚石:熔点很高、硬度很大;石墨:硬度较小、电的良导体用途金刚石用于制造切割刀具,石墨用于制造电极、铅笔芯,C60可作催化剂或催化剂载体(2)碳的化学性质通常表现还原性燃烧:生成CO或CO22.碳的氧化物(1)一氧化碳的性质及应用物理性质无色、无味的气体,难溶于水,与人体内血红蛋白相结合致人因缺氧而中毒化学性质可燃性:2CO+O22CO2还原性:CO还原Fe2O3的反应为3CO+Fe2O32Fe+3CO2(2)二氧化碳物理性质无色、无臭的气体,能溶于水(11),固态CO2俗称干冰。化学性质a.CO2的制法用大理石与稀盐酸或稀硝酸反应制备CO2的离子方程式:CaCO3+2H+Ca2+CO2+H2O。用途制饮料、灭火剂、干冰可用于人工降雨、化工原料。二、硅及其化合物1.硅单质(1)存在形式、结构、物理性质和用途存在形式化合态单质的结构晶体硅:与金刚石类似的空间网状结构物理性质晶体硅为灰黑色固体,有金属光泽,熔点高,硬度大,有脆性用途晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池(2)化学性质与氢氟酸反应:Si+4HFSiF4+2H2。与NaOH溶液反应:Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2。与O2反应:Si+O2SiO2。(3)工业制法及提纯其中涉及的主要化学反应:SiO2+2CSi+2COSi+3HClSiHCl3+H2SiHCl3+H2Si+3HCl2.二氧化硅(1)自然界中的存在沙子和石英的主要成分是二氧化硅,透明的石英晶体即水晶,它是SiO2(写化学式)晶体,有很高的熔点和很大的硬度。(2)二氧化硅的性质及用途主要物理性质硬度大,熔、沸点高,常温下为固体,不溶于水与水反应不反应与酸反应常温下可与氢氟酸反应:SiO2+4HFSiF4+2H2O与碱反应(NaOH)SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)与盐反应如与Na2CO3反应:SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2与碱性氧化物反应如与CaO反应:SiO2+CaOCaSiO3用途光导纤维、光学仪器、电子部件等3.硅酸、硅酸盐(1)硅酸的性质、制备与应用(2)硅酸钠(Na2SiO3)俗名泡花碱物理性质白色、可溶于水的粉末状固体,其水溶液俗称水玻璃,有黏性,水溶液显碱性化学性质与较强的酸反应生成硅酸:如Na2SiO3溶液与稀硫酸反应:Na2SiO3+H2SO4H2SiO3+Na2SO4;与CO2水溶液反应:Na2SiO3+CO2+H2OH2SiO3+Na2CO3用途黏合剂、耐火阻燃材料1.将水蒸气通过炽热的煤层可制得较洁净的水煤气,对应的化学方程式:C+H2O(g)CO+H2。()2.利用大理石与稀盐酸或稀硫酸反应制取CO2。()3.CO2中混有SO2、HCl,通过盛有饱和Na2CO3溶液的洗气瓶。()4.硅的性质不活泼,故自然界中存在游离态的硅元素。()5.SiO2既能与酸(HF)反应,又能与碱(NaOH)反应,但SiO2不是两性氧化物。()6.晶体硅熔点高、硬度大,故可用于制作半导体材料。()答案:1.2.×3.×4.×5.6.×题组一碳及其化合物的性质1.科技的进步为二氧化碳资源化利用提供了广阔的前景。下列说法错误的是(C)A.CO2是自然界碳循环中的重要物质B.CO2加氢转化为乙烯,CO2被还原C.CO2电催化时,在阳极转化为燃料D.CO2与环氧丙烷可合成可降解塑料解析:含碳燃料燃烧以及动植物呼吸都会产生二氧化碳,植物光合作用消耗二氧化碳,所以CO2是自然界碳循环中的重要物质,故A正确;CO2加氢转化为乙烯,C的化合价降低,CO2得电子,被还原,故B正确;CO2中C为+4价,只能发生得电子的还原反应,CO2在阴极得电子转化为燃料,阳极为失电子的氧化反应,故C错误;CO2与环氧丙烷发生加聚反应,可合成可降解塑料,故D正确。2.用四种溶液进行实验,下表中“操作及现象”与“溶液”对应关系错误的是(B)选项操作及现象溶液A通入CO2,溶液变浑浊饱和Na2CO3溶液B通入CO2,溶液变浑浊,继续通CO2至过量,浑浊消失CaCl2溶液C通入CO2,溶液变浑浊,再加入品红溶液,红色褪去Ca(ClO)2溶液D通入CO2,溶液变浑浊,继续通CO2至过量,浑浊消失,再加入足量NaOH溶液,又变浑浊澄清石灰水解析:A项,由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3,Na2CO3+CO2+H2O2NaHCO3,因而会析出 NaHCO3晶体,正确;B项,CO2与CaCl2溶液不反应,错误;C项,CO2+Ca(ClO)2+H2OCaCO3+2HClO,溶液变浑浊,加入品红溶液,被HClO氧化褪色,正确;D项,首先CO2+Ca(OH)2CaCO3+H2O,继续通CO2,生成可溶于水的Ca(HCO3)2,再加入足量的NaOH,则2NaOH+Ca(HCO3)2CaCO3+Na2CO3+2H2O,溶液又变浑浊,正确。题组二硅及其化合物的性质3.某同学用如图装置及药品进行酸性强弱的实验,下列说法不正确的是(C)A.和中发生的反应均为复分解反应B.一段时间后中有胶状难溶物生成C.若将实验中的稀硫酸换成稀盐酸也能比较三种酸强弱D.该实验能证明酸性强弱的顺序是硫酸>碳酸>硅酸解析:中反应是Na2CO3+H2SO4Na2SO4+CO2+H2O,中反应是CO2+H2O+Na2SiO3Na2CO3+H2SiO3,都属于复分解反应,且能证明酸性强弱的顺序是硫酸>碳酸>硅酸,A、D正确;B.中生成硅酸,硅酸是胶状沉淀,正确;C.盐酸具有挥发性,产生的CO2中混有HCl,HCl与硅酸钠反应生成硅酸沉淀,对碳酸酸性与硅酸酸性的比较产生干扰,因此不能比较碳酸与硅酸的酸性强弱,错误。4.科学家最新研制的利用氯化氢和氢气生产高纯硅的工艺流程,如图所示:容器中进行的反应为Si(粗)+3HCl(g)SiHCl3(l)+H2(g);容器中进行的反应为SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl。下列说法不正确的是(B)A.该工艺流程的优点是部分反应物可循环使用B.和互为可逆反应C.该流程中需要隔绝空气D.粗硅制备不能通过SiO2SiCl4Si实现解析:A项,反应中生成的HCl在反应中循环利用,正确;B项,反应与反应对应的反应温度不一致,不是可逆反应,错误;C项,高温条件下,Si、SiHCl3、H2都与O2反应,故需隔绝空气,正确;D项,SiO2不与HCl反应,不能通过上述途径制硅,正确。 Si和SiO2的特性物质一般规律特性Si硅的还原性比碳强SiO2+2CSi+2CO非金属单质与强碱反应一般不生成氢气Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2非金属单质一般不与非氧化性酸反应Si+4HFSiF4+2H2非金属单质一般为绝缘体硅为半导体SiO2酸性氧化物一般与水反应生成相应的酸SiO2不溶于水,不与水反应酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应SiO2+4HFSiF4+2H2O“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一般规律,碳酸酸性强于硅酸:Na2SiO3+CO2+H2OH2SiO3+Na2CO3以下反应不能说明酸性的强弱:Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2知识点2无机非金属材料1.传统无机非金属材料水泥玻璃陶瓷生产原料黏土、石灰石纯碱、石灰石、石英砂黏土主要设备水泥回转窑玻璃熔炉陶瓷窑生产条件高温玻璃生产中的两个重要反应:Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2;CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2。2.新型无机非金属材料材料类别主要特性示例用途高温结构陶瓷能承受高温,强度高氮化硅陶瓷汽轮机叶片、轴承、永久性模具等半导体陶瓷具有电学特性二氧化锡陶瓷集成电路中的半导体光学材料具有光学特性光导纤维光缆通信、医疗、照明等生物陶瓷具有生物功能氧化铝陶瓷人造骨骼、人造关节、接骨螺钉3.特殊功能的含硅物质(1)碳化硅具有金刚石结构,可用作磨料。(2)含4%硅的硅钢具有导磁性。(3)硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。1.普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料。()2.水泥生产过程中加入石膏,可以调节水泥的硬化速率。()3.氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料,化学式为Si3N4。()4.“天宫一号”中使用的碳纤维,是一种新型有机高分子材料。()5.石英是良好的半导体材料,可以制成光电池,将光能直接转化成电能。()答案:1.×2.3.4.×5.×1.(2019·全国卷)陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是(A)A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成C.陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐D.陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点解析:陶瓷是以天然黏土以及各种天然矿物为主要原料,经过粉碎混匀、成型和煅烧制得的各种日用品、工艺制品。氧化铁为红棕色固体,瓷器的青色不可能来自氧化铁,故A错误。2.材料是人类赖以生存和发展的物质基础。下列有关物质的说法正确的是(C)A.碳化硅陶瓷、水泥、石墨烯都是新型无机非金属材料B.晶体硅的主要用途是制造光导纤维C.硅酸钠可制备木材防火剂,也可用于制备硅酸胶体D.普通玻璃的主要成分为纯碱、石灰石、石英砂解析:A.水泥属于传统的无机非金属材料,碳化硅陶瓷、石墨烯都是新型无机非金属材料,错误;B.晶体硅的主要用途是制造半导体,二氧化硅可制造光导纤维,错误;D.制造普通玻璃的主要原料是纯碱、石灰石、石英砂,主要成分为硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅,错误。3.青石棉的化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2,青石棉用4 mol·L-1 稀硝酸处理时,还原产物只有NO,下列说法中正确的是(D)A.青石棉是一种易燃品,且易溶于水B.青石棉的化学组成用氧化物的形式可表示为Na2O·FeO·2Fe2O3·8SiO2·H2OC.适量青石棉能完全溶于足量稀硝酸中,得到澄清透明溶液D.1 mol Na2Fe5Si8O22(OH)2与4 mol·L-1稀硝酸完全反应,至少消耗4.5 L稀硝酸解析:A.大多数复杂硅酸盐难溶于水,不燃烧,青石棉含有Si、O元素以及Na、Fe等元素,是一种硅酸盐,不燃烧、难溶于水,错误;B.硅酸盐写成氧化物形式的先后顺序为活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水,所以青石棉的化学组成用氧化物的形式可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O,错误;C.青石棉属于硅酸盐,所以适量青石棉溶于足量稀硝酸时会有硅酸沉淀生成,不能得到澄清透明溶液,错误;D.根据元素守恒可知,1 mol青石棉与稀硝酸反应时可生成2 mol NaNO3、5 mol Fe(NO3)3,根据其氧化物形式可知含有3 mol FeO,则氧化FeO还需要1 mol NO3-(稀硝酸被还原成NO),所以共需要2 mol+5 mol×3+1 mol=18 mol 硝酸,所需硝酸体积为18mol4mol·L-1=4.5 L,正确。当堂检测1.下列关于C、Si及其化合物结构与性质的论述正确的是(B)A.C和Si的最高价氧化物都是酸性氧化物,且都能与水反应生成相应的最高价含氧酸B.SiC与金刚石成键方式、结构特点均相似,因此具有很高的硬度C.碳、硅两种元素共有两种单质D.碳酸钠和硅酸钠都是正盐,均可用作建筑行业的黏合剂解析:A.C和Si的最高价氧化物分别是CO2、SiO2,两者都是酸性氧化物,CO2能与水反应生成相应的最高价含氧酸H2CO3,但SiO2难溶于水,不能与水反应生成相应最高价含氧酸H2SiO3,错误;B.在SiC中每个Si原子与4个C原子形成共价键,每个C原子与4个Si原子形成共价键,这种结构向空间扩展,就形成了立体网状结构,因此其成键方式、结构特点与金刚石相似,具有很高的硬度,正确;C.碳有金刚石、石墨、C60等单质,错误;D.硅酸钠的水溶液,具有黏性,常作建筑行业的黏合剂,碳酸钠无此性质,错误。2.草酸亚铁晶体受热分解的方程式为FeC2O4·2H2OFeO+CO2+CO+2H2O。下列说法不正确的是(C)A.将生成的气体通入澄清石灰水中,可能得到无色溶液B.将生成的气体通过足量的NaOH溶液和灼热的CuO固体,可检验生成的COC.分解产物应先检验CO2和CO,再检验H2OD.通过测量反应前后固体的质量,可推出FeC2O4受热是否完全分解解析:A.生成的气体中含有CO2,过量的二氧化碳通入石灰水中,可得无色碳酸氢钙溶液,正确;B.生成的气体通过足量的NaOH溶液,CO2被吸收,剩余的CO气体可以还原灼热的CuO,黑色固体变为红色,可以检验一氧化碳气体的生成,正确;C.因检验产物CO2需通过澄清石灰水,从石灰水中出来气体会带有水汽,则应先检验H2O,然后再检验CO2,最后检验CO,错误;D.根据分解的化学方程式,可计算出反应前后固体的质量比,则可通过测量反应前后固体的质量,判断FeC2O4受热是否完全分解,正确。3.(2020·浙江7月选考)Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一,其相关性质的说法不正确的是(D)A.可发生反应:Ca3SiO5+4NH4ClCaSiO3+2CaCl2+4NH3+2H2OB.具有吸水性,需要密封保存C.能与SO2反应生成新盐D.与足量盐酸作用,所得固体产物主要为SiO2解析:加热时氯化铵分解生成HCl和氨气,HCl与Ca3SiO5反应得到硅酸钙、氯化钙和水,A项正确;水泥吸水会变硬,需密封保存,B项正确;Ca3SiO5能与二氧化硫反应生成亚硫酸钙,C项正确;由上述分析可知,Ca3SiO5与足量盐酸反应得到的固体产物主要为H2SiO3,D项不正确。4.(2021·浙江1月选考)铝硅酸盐型分子筛中有许多笼状空穴和通道(如图),其骨架的基本结构单元是硅氧四面体和铝氧四面体,化学组成可表示为Ma(AlO2)x·(SiO2)y·zH2O(M代表金属离子)。下列推测不正确的是(A)A.常采用水玻璃、偏铝酸钠在强酸溶液中反应后结晶制得分子筛B.若a=x2,则M为二价阳离子C.调节yx(硅铝比)的值,可以改变分子筛骨架的热稳定性D.分子筛中的笼状空穴和通道,可用于筛分分子解析:A.偏铝酸钠在强酸性溶液中不能稳定存在容易形成Al3+,不可以利用偏铝酸钠在强酸性溶液中制备分子筛,错误;B.设M的化合价为m,则根据正负化合价代数和为0计算,m×x2+x×(-1)=0,解得m=+2,正确;C.调节硅铝比可以改变分子筛的空间结构,从而改变分子筛的稳定性,正确;D.调节硅铝比可以调节分子筛的孔径,根据分子筛孔径的大小可以筛分不同大小的分子,正确。