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 O 构成了 硅氧四面体 ，Si 在中心，O 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 O 相互 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Na2SiO3、CaSiO3、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＋Na2CO3=====Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaCO3=====CaSiO3＋CO2↑。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示意图周期表中位置含量 存在形态地壳中居第 二位氧化物和硅酸盐第 三 周期、第 Ⅳ A 族（2）单质硅的制备 （3）硅和二氧化硅的用途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 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 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 C 60 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＋H2O，下列有关 X 物质的化学式推断中，正确的是(　　)A.SiO2 B.CO C.CO2 D.Na2CO3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 CO2。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B.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D.SiO2既能与 HF 反应又能与强碱反应，所以 SiO2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、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________(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(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　(1)AC　(2)①3SiO2＋2N2＋6C=====Si3N4＋6CO ②7∶9解析　(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，故反应的化学方程式为 3SiO2＋2N2＋6C=====Si3N4＋6CO。②根据反应 3SiO2＋2N2＋6C=====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 mol×28g·mol－1)∶(6 mol×12 g·mol－1)＝7∶9。11.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”(用铂、钯合金作催化剂)，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。①汽车尾气中导致酸雨形成的主要物质是_________________________________________。②请写出形成硝酸型酸雨的主要反应的化学方程式：__________________________________。③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：________________________________________________。④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。①若用 NaOH 溶液吸收 NO2，可生成 2 种含氮元素的钠盐，请写出化学方程式：________________________________________________________________________。② NO2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　(1)①SO2和 NO　② 2NO＋O2===2NO2、3NO2＋H2O===2HNO3＋NO③ 2CO＋2NO=====2CO2＋N2　④ AB(2)①2NO2＋2NaOH===NaNO3＋H2O＋NaNO2② NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O解析　(1)③ 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CO2和 N2，所以该反应的化学方程式为 2CO＋2NO=====2CO2＋N2。(2)①NO2与 NaOH 溶液反应生成的 2 种含氮的钠盐为 NaNO2和 NaNO3，化学方程式为 2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O。② NO2(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 NaNO2(N 元素＋3 价)，化学方程式为 NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O。12.某实验小组设计了如下装置探究焦炭还原二氧化硅。已知：PdCl2溶液可用于检验 CO，反应的化学方程式为 CO ＋ PdCl2＋ H2O===CO2＋2HCl＋Pd↓(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。(1)实验时要通入足够长时间的 N2，其原因是______________________________________。(2)装置 B 的作用是___________________________________________________________。(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___________________________________________________________。(5)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强：_______________________________________。答案　(1)避免空气中的 O2、CO2、水蒸气对实验产生干扰(2)作安全瓶，防止倒吸(3)澄清石灰水　PdCl2溶液　3SiO2＋4C=====2CO2↑＋2CO↑＋3Si(4)无尾气吸收装置 (5)向 Na2SiO3溶液中通入 CO2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。(3)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、PdCl2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 3SiO2＋4C=====2CO2↑＋2CO↑＋3Si。(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 CO2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>H2SiO3。