第三节无机非金属元素.docx

第五章化工生产中的重要非金属元素第三节无机非金属元素【学习目标】1.了解硅酸盐及其结构特点，了解传统硅酸盐产品的工业生产。2,了解硅和二氧化硅的性质，认识碳化硅、氮化硅、纳米材料等新型无机非金属材料。3 .知道硅及其化合物在材料家族中的应用，增强关注社会的意识和责任感。【基础知识】一、硅酸盐材料1、硅酸盐的结构：在硅酸盐中，Si和0构成了 硅氧四面体,Si在中心，0在 四面 体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的0相互一连接。2、硅酸盐材料产品原料主要设备主要成分用途陶瓷黏土 (主要成分为 含水的铝硅酸盐)硅酸盐建筑材料、绝缘材料、日 用器皿、卫生洁具等玻璃(普通)纯碱、石灰石、石英砂玻璃窑NazSiCh、CaSiCh、SiO2建筑材料、光学仪器、各 种器皿、高强度复合材料 等水泥石灰石、黏土、适量石 膏水泥回转窑硅酸盐建筑和水利工程注意：由原料和玻璃的成分及反应条件“熔融”，可知反应的化学方程式为SiO2 +Na2CO3Na2SiO3+ CO2T，SiO2+CaCO3CaSiO3 + CO2T。二、新型无机非金属材料1、硅和二氧化硅(1)硅元素的存在与结构存在原子结构不意图周期表中位置含量存在形态地壳中居第 ：位氧化物和硅酸 盐第三周期、第WA族(2)单质硅的制备S（纯）+3HC1(3)硅和二氧化硅的用途计算机等的芯片焉太阳能电池麻T生产光导纤维2、新型陶瓷(1)新型陶瓷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。(2)碳化硅(SiC)俗称金刚砂,碳原子和硅原子通过一共价键连接,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。碳化硅还一耐高温，可用作耐高温结 构材料、耐高温半导体材料等。3、碳纳米材料碳纳米材料在 能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。结构特点应用富勒烯由碳原子构成的一系列笼形分子的总称代表物C60开启碳纳米材料研究和应用的新时代碳纳米管由石墨片层卷成的管状物,具 有纳米尺度的直径用于生产复合材料、电池和传感器等石墨烯只有一个碳原子直径厚度的单层石墨应用于光电器件、超级电容器、电池和 复合材料等【考点剖析】考点一传统无机非金属材料1 ,硅酸盐材料是传统的无机非金属材料。下面有关硅酸盐材料的说法，正确的是() A.普通玻璃的主要成分是纯碱、石灰石和石英B.制造水泥的主要原料是石灰石和黏土C.水玻璃的成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅D.陶器比瓷器的结构致密，几乎不吸水答案B解析 普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅；水玻璃是硅酸钠的水溶液；瓷器 的结构致密，几乎不吸水。2 .制造水泥和普通玻璃都需要的原料是（）A.石灰石B.黏土C.纯碱D.硅酸钠答案A解析 生产玻璃的原料是纯碱、石灰石和石英砂；生产水泥以黏土和石灰石为主要原料。考点二新型无机非金属材料3,被誉为21世纪“材料之星”的是（）A.石英砂B.钛合金材料C.纳米材料 D.半导体硅晶片答案c解析 被誉为21世纪“材料之星”的是纳米材料，其中碳纳米管是一种奇异分子，它是使用 一种特殊的化学气相方法，使碳原子形成长链来生长出的超细管子，碳纳米管作为一维纳米 材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。4 .碳化硅（SiC）陶瓷基复合材料是一种新型热结构材料。在空气中，碳化硅能与熔融的氢氧化 钠发生反应：SiC + 2NaOH + 2O2=Na2SiO3+X+H20,下列有关X物质的化学式推断中, 正确的是（）222co3答案c解析 根据反应的化学方程式和质量守恒定律可知X物质的化学式为C02。5 .碳纳米管是继足球烯（C60）以后发现的又一种碳单质，以下有关碳纳米管与足球烯（C60）的说 法错误的是（）A.它们的物理性质有较大差异B.在常温下它们的化学性质都稳定C.它们是不同的碳单质D.它们分别完全燃烧后生成物不同答案D解析 碳纳米管和足球烯中碳原子排列方式不同，物理性质不同；它们都是碳单质，都是纯 净物，在通常情况下化学性质比较稳定；二者完全燃烧时都生成二氧化碳。6 .太空航天器常穿上用新型陶瓷材料制成的“外衣。在穿越大气层时，能克服“热障”安全返 回地面，这种外衣主要利用了材料的（）A.绝缘性好 B.密度大C.耐高温和隔热性好 D.硬度大答案C解析 因为航天器在穿过稠密的大气层返回地球的过程中与大气剧烈摩擦，产生高温，为了 防止烧毁航天器，所以这种材料应具备耐高温的特点；还有要防止舱内温度过高导致对宇航 员产生危险，这种材料还应具备隔热性好的特点。考点三硅和二氧化硅7我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号"的问世，填补了我国计算机制造史上的一项 空白。下列对晶体硅的有关叙述正确的是（）A.晶体硅和金刚石的物理性质相似B.晶体硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应C晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，价格昂贵D.晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电答案A解析 晶体硅的结构与金刚石相似，是具有正四面体形的空间立体网状结构，所以物理性质 与金刚石相似，熔、沸点高，硬度大；硅的化学性质不活泼，但常温下可与F2、HF和强碱 反应；晶体硅是一种良好的半导体材料，被广泛使用；晶体硅虽然具有金属光泽，但它属于 非金属单质。8.下列关于硅及其化合物的说法中，正确的是（）A.硅可用于制造光导纤维8 .水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品C.可用反应Na2SiO3 + 2HCl=2NaCl + H2SiO3（胶体）制取硅酸2既能与HF反应又能与强碱反应，所以SiCh是两性氧化物答案c解析 SiO2可用于制光导纤维，而硅用于半导体材料，故A错误；水晶主要成分为SiO2, 不属于硅酸盐，故B错误；SiO2能与HF反应生成四氟化硅和水，不是盐和水，且二氧化硅 只能与一种酸反应，不是两性氧化物，属于酸性氧化物，故D错误。9 .下列说法正确的是（）A.光导纤维的主要成分为二氧化硅B.二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸C二氧化硅的俗名叫水玻璃，不溶于水D.硅在自然界中既有游离态又有化合态答案A解析 二氧化硅是酸性氧化物，可溶于氢氟酸；硅酸钠的水溶液俗名叫水玻璃，易溶于水； 硅在自然界中只以化合态的形式存在。10 .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，越来越多地被 应用于热工的各个领域，如陶瓷烧成棚板、辐棒，以及高温轴承、涡轮叶片等。下列关于氮化硅陶瓷的说法正确的是（填字母）。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。该反应的化学方程式为 o该反应中氧化剂与还原剂的质量比为 o答案 （1）AC （2）3SiO2+2N2+6C=Si3N4+6CO 7 : 9解析（l）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）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，氮显一3 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SiCh、N2、C,生成物为Si3N4和另一种化合物，则有3SiO2+2N2+6C=2=Si3N4+另 一种化合物，根据原子守恒可得另一种化合物为CO,故反应的化学方程式为3SiO2+2N2 + 6C=Si3N4+6COo 根据反应 3SiC>2+2N2+6C-T=Si3N4+6CO,氮元素价态降低，N2 为氧化剂，碳元素价态升高，C单质为还原剂，其质量比为（2 molx28 g皿。1-1） ： （6 moixi2 g,mol -,）=7 ：9o11 .气候条件独特，空气质量优良的新疆阿勒泰市，已成为我国第8个国家大气背景监测点。 监测点安装的监测设备可日常监测二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮等大气污染物。（1）汽车尾气（含CO、SO2、NO等）是城市空气的污染源之一，治理方法之一是在汽车的排气 管上装一个“催化转化器”（用伯、钿合金作催化剂），它能使一氧化碳跟一氧化氮反应生成可 参与大气循环的无毒气体。汽车尾气中导致酸雨形成的主要物质是 O请写出形成硝酸型酸雨的主要反应的化学方程式:在汽车排气管上加装“催化转化器、可使CO和NO反应产生可参与大气循环的无毒气体, 请写出该反应的化学方程式：o 下列选项中，控制城市空气污染的合理措施有（填字母）。A.充分利用太阳能，减少化石燃料的燃烧B.使用电动车，减少汽油消耗C.禁止人们出行D.带上呼吸面具(2)实验室里，处理含氮氧化物的尾气一般用NaOH溶液来吸收。若用NaOH溶液吸收NCh,可生成2种含氮元素的钠盐，请写出化学方程式:N02和NO的混合气体也可用NaOH溶液吸收，只生成一种盐，请写出化学方程式:答案 S02 和 NO ®2NO + O2=2NO2> 3NO2+H2O=2HNO3+N0(3)2CO + 2NO2CO2+ N2AB(2)2NC>2+2NaOH=NaNO3+ H2O + NaNO2NO+N02+2NaOH2NaNO2+ H20解析(1)根据题给信息可知，CO与NO反应，生成的可参与大气循环的无毒气体是C02 和N2,所以该反应的化学方程式为2co+ 2NO里里2cO2+N2。(2)NO2与NaOH溶液反 应生成的2种含氮的钠盐为NaNCh和NaNCh,化学方程式为2NO2 + 2NaOH-NaNC)2 + NaNO3 + H2OoNC)2(N元素+4价)、NO(N元素+ 2价)与NaOH溶液反应只生成一种盐， 根据氧化还原反应规律，可知该盐为NaN02(N元素+ 3价)，化学方程式为NO + NO2 + 2NaOH=2NaNO2+H2Oo12 .某实验小组设计了如下装置探究焦炭还原二氧化硅。酒精喷灯BCDA已知：PdCL溶液可用于检验CO,反应的化学方程式为CO + PdCl2+ H2O=CO2+2HCI + PdM产生黑色金属钿粉末，使溶液变浑浊)。(1)实验时要通入足够长时间的N2，其原因是 o(2)装置B的作用是 o(3)装置C、D中所盛试剂分别为、,若装置C、D中溶液均变浑 浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为(4)该装置的缺点是设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强：O 答案（1）避免空气中的。2、C02、水蒸气对实验产生干扰（2）作安全瓶，防止倒吸澄清石灰水 PdCb 溶液 3SiO2+4C=2CO2T + 2COT + 3Si（4）无尾气吸收装置向NazSiCh溶液中通入C02气体，溶液变浑浊解析（1）碳与二氧化硅反应要在高温下进行，而高温下碳与空气中氧气、水蒸气反应，所 以实验时要将装置中的空气排尽。（2）根据装置图可知，B装置可以作安全瓶，防止倒吸。 根据元素守恒，碳与二氧化硅反应可能生成一氧化碳也可能生成二氧化碳，所以C装置用 来检验有没有二氧化碳，D装置用来检验一氧化碳，所以装置C、D中所盛试剂分别为澄清 石灰水、PdCb溶液；若装置C、D中溶液均变浑浊，说明既有二氧化碳又有一氧化碳，检 测两气体产物的物质的量相等，根据元素守恒可知化学方程式为3Si02+4c3=2C02f + 2COt + 3Sio （4）一氧化碳有毒，不能排放到空气中。（5）验证碳酸、硅酸的酸性强弱，产生 的C02气体先通过饱和碳酸氢钠溶液除去混有的杂质气体，然后再通入硅酸钠溶液发生反 应 CO2+H2O+Na2SiO3-Na2co3 + H2SiO3（胶体），说明酸性 H2CO3>H2SiO3o