第三节 无机非金属材料

莲花形玻璃托盏的材质为玻璃，属于无机非金属材料， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；纯碱、石灰石和石英砂是制作普通玻璃的原料， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；用纯碱、石灰石和石英砂高温下烧制玻璃，需经过复杂的物理和化学变化， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确； $ {\rm {\mathrm{F}\mathrm{e}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}} $ 是红棕色固体，添加 $ {\rm {\mathrm{F}\mathrm{e}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}} $ 不能使玻璃呈天蓝色， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；制陶瓷的主要原料是黏土，纯碱、石灰石和石英砂是制造普通玻璃的原料， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；玻璃属于硅酸盐制品，通常性质稳定， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；沙子的主要成分是二氧化硅，是氧化物，不是硅酸盐， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

陶土主要成分 $ {\rm {\mathrm{A}\mathrm{l}}_{2} ({\mathrm{S}\mathrm{i}}_{2}{\mathrm{O}}_{5} ) (\mathrm{O}\mathrm{H})_{4}} $ 属于硅酸盐，硅酸盐是盐的一种， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；焦炭 $ {\rm (\mathrm{C})} $ 是碳的单质，碳属于非金属元素，因此焦炭是非金属单质，不是金属单质， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；石英砂 $ {\rm ({\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2})} $ 能与强碱反应生成盐和水，属于酸性氧化物， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；铁红 $ {\rm ({\mathrm{F}\mathrm{e}}_{2}{\mathrm{O}}_{3})} $ 属于金属氧化物， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

焦炭还原石英砂是在高温条件下发生的，且产物 $ {\rm \mathrm{C}\mathrm{O}} $ 为气体，可促进反应进行，与还原性无关， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；用氢氟酸腐蚀玻璃是 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 的特殊性质，与 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 有氧化性无关， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；氮化硅熔点高，硬度大，可以制作坩埚， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；用作光导纤维的是 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ ，不是 $ {\rm \mathrm{S}\mathrm{i}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

石英和焦炭反应制得粗硅，粗硅粉碎后与 $ {\rm \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}} $ 反应生成 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}} $ ，提纯 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}} $ 后，用 $ {\rm \mathrm{Y}} $ 还原得到 $ {\rm \mathrm{S}\mathrm{i}} $ 。 $ {\rm \mathrm{Y}} $ 具有还原性，可能为 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}} $ ， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；反应 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}+2\mathrm{C}\xlongequal{高温}\mathrm{S}\mathrm{i}+2\mathrm{C}\mathrm{O}↑} $ 中， $ {\rm \mathrm{C}} $ 元素的化合价由0价升高为 $ +2 $ 价， $ {\rm \mathrm{C}} $ 为还原剂， $ {\rm \mathrm{S}\mathrm{i}} $ 元素的化合价由 $ +4 $ 价降低为0价， $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 为氧化剂，氧化剂 $ {\rm ({\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2})} $ 和还原剂 $ {\rm (\mathrm{C})} $ 物质的量之比为 $ 1:2 $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；非金属性： $ {\rm \mathrm{C}\mathrm{l} > \mathrm{H} > \mathrm{S}\mathrm{i}} $ ，则 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}} $ 中， $ {\rm \mathrm{H}} $ 和 $ {\rm \mathrm{C}\mathrm{l}} $ 都为 $ -1 $ 价，硅元素的化合价为 $ +4 $ 价， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确； $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}} $ 水解的产物为 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{3}} $ 、 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}} $ 、 $ {\rm \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}} $ ，有化合价变化，属于氧化还原反应， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

“还原”反应是用焦炭把二氧化硅还原为粗硅，反应的化学方程式为 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}+2\mathrm{C}\xlongequal{高温}\mathrm{S}\mathrm{i}+2\mathrm{C}\mathrm{O}↑} $ ， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；粗硅提纯所得的高纯硅是制造芯片的主要材料，制造光导纤维的主要材料是 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；“操作 $ {\rm \mathrm{X}} $ ”的目的是除去氮气中的少量氧气，可将原料气通过灼热的铜网， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；粗硅中含少量 $ {\rm \mathrm{F}\mathrm{e}} $ 、 $ {\rm \mathrm{C}\mathrm{u}} $ 的单质及化合物，稀硝酸能溶解 $ {\rm \mathrm{F}\mathrm{e}} $ 、 $ {\rm \mathrm{C}\mathrm{u}} $ ，且不与 $ {\rm \mathrm{S}\mathrm{i}} $ 反应，所以“稀酸 $ {\rm \mathrm{Y}} $ ”可选用稀硝酸， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

二氧化硅是酸性氧化物，但与水不反应， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；虽然 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 不溶于水，不能与水反应生成 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{3}} $ ，但 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 仍可看作是一分子 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{3}} $ 失去一分子 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ 而形成的，且 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 与 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{3}} $ 中硅元素化合价相同，故 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 是 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{3}} $ 的酸酐， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；二氧化硅不能导电， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应生成硅酸钠和 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

步骤Ⅰ是二氧化硅与氢氧化钠反应，生成硅酸钠和水， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确； $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 与水不反应，不能通过一步反应直接生成硅酸， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；碳酸、硫酸的酸性均强于硅酸，可以用足量二氧化碳代替稀硫酸制取硅酸，方程式为 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{3}^{2-}+2{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}+2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}\xlongequal{}{\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{3}↓+2{\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}^{-}} $ ， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；灼烧固体一般在坩埚中进行， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

碳纤维复合材料由碳纤维和其他材料复合而成，属于新型无机非金属材料， $ {\rm \mathrm{A}} $ 正确；光导纤维的主要成分是 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ ，其功能是传输光信号，而太阳能电池的主要材料是晶体硅 $ {\rm (\mathrm{S}\mathrm{i})} $ ，并非 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；富勒烯、碳纳米管、石墨烯均为碳纳米材料，属于新型无机非金属材料， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；高温结构陶瓷如氮化硅或碳化硅属于新型无机非金属材料，而非传统硅酸盐材料， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

碳化硅 $ {\rm (\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{C})} $ 增强铝基复合材料属于新型复合材料，而非传统的硅酸盐材料， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；合金是由不同金属或金属与非金属熔合而成的具有金属特性的混合物，不是纯净物， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；氮化硼 $ {\rm (\mathrm{B}\mathrm{N})} $ 属于新型无机非金属材料，而非传统无机非金属材料， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误；钛合金具有强度高、耐高温和耐腐蚀的特性，广泛应用于航天领域， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

$ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}} $ 能与 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ 发生反应： $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}⇌{\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}} $ ， $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 与 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ 不反应， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误； $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 能与 $ {\rm \mathrm{H}\mathrm{F}} $ 发生反应： $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}+4\mathrm{H}\mathrm{F}\xlongequal{}{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{F}}_{4}↑+2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误； $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 与 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}} $ 都是酸性氧化物，都能与氢氧化钠溶液发生反应，化学方程式分别为 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}+2\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\xlongequal{}{\mathrm{N}\mathrm{a}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{3}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ 、 $ {\rm {\mathrm{C}\mathrm{O}}_{2}} $ （少量） $ {\rm +2\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}\xlongequal{}{\mathrm{N}\mathrm{a}}_{2}{\mathrm{C}\mathrm{O}}_{3}+{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；水晶的主要成分是 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ ， $ {\rm \mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{C}} $ 是金刚砂的主要成分， $ {\rm \mathrm{D}} $ 错误。

二氧化硅具有良好的光学特性，是制造光导纤维的材料，①错误；玻璃中的二氧化硅能与 $ {\rm \mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}} $ 反应生成硅酸钠，从而使瓶口和塞子粘连在一起，所以盛装 $ {\rm \mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}} $ 溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，②正确；水玻璃是硅酸钠溶液，硅酸钠耐高温，可用作木材防火剂，③正确；二氧化硅与碳反应得到粗硅和一氧化碳，所以二氧化硅是制取粗硅的原料，④正确；石英玻璃、玛瑙的主要成分是 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ ，不是硅酸盐产品，⑤错误；二氧化硅是酸性氧化物，能与碱反应，所以光导纤维遇碱会“断路”，⑥正确；氢氟酸可与 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 在常温下反应生成 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{F}}_{4}} $ 和 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ ，可利用氢氟酸刻蚀石英制作艺术品，⑦正确。综上所述，错误的有①⑤，选 $ {\rm \mathrm{A}} $ 。

硅是亲氧元素，在自然界中主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，不存在游离态的硅， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是应用广泛的半导体材料， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；二氧化硅具有良好的光学性能，可用来生产光导纤维， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；石墨烯—硅太阳能电池可将太阳能直接转化为电能， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

粗硅氯化过程中生成 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{4}} $ ，精馏后得到高纯度 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{4}} $ ，加入锌将 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{4}} $ 还原为 $ {\rm \mathrm{S}\mathrm{i}} $ ，同时生成 $ {\rm {\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{2}} $ ，电解 $ {\rm {\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{2}} $ 得到的金属锌和氯气可以重复使用。 $ {\rm \mathrm{S}\mathrm{i}} $ 是单质，不属于共价化合物， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；硅属于非金属材料，高纯多晶硅属于新型无机非金属材料， $ {\rm \mathrm{B}} $ 正确；还原时， $ {\rm \mathrm{Z}\mathrm{n}作还原剂} $ ， $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{4}} $ 作氧化剂，发生的反应为 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{4}+2\mathrm{Z}\mathrm{n}\xlongequal{高温}2{\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{2}+\mathrm{S}\mathrm{i}} $ ， $ {\rm \mathrm{C}} $ 正确；利用石英砂与焦炭反应制备粗硅时，发生反应的化学方程式为 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}+2\mathrm{C}\xlongequal{1800\sim 2000{℃}}\mathrm{S}\mathrm{i}+2\mathrm{C}\mathrm{O}↑} $ ，该反应中氧化产物 $ {\rm \mathrm{C}\mathrm{O}} $ 与还原产物 $ {\rm \mathrm{S}\mathrm{i}} $ 的物质的量之比为 $ 2:1 $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。

（1） 高温结构陶瓷用于高温环境（如火箭发动机部件），不适用于生物医疗；生物陶瓷具有良好的生物相容性、耐腐蚀性和机械强度，常用于人工骨骼、关节或牙齿等医疗植入材料；导电陶瓷用于电子器件，无生物相容性，选 $ {\rm \mathrm{B}} $ 。

（2） 氢氟酸与二氧化硅反应生成四氟化硅和水： $ {\rm 4\mathrm{H}\mathrm{F}+{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}\xlongequal{}{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{F}}_{4}↑+2{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}} $ 。

（3） ① 反应Ⅱ是氢气和 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}} $ 发生氧化还原反应生成硅单质和氯化氢，其化学方程式为 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}+{\mathrm{H}}_{2}\xlongequal{1373\sim 1453\mathrm{K}}\mathrm{S}\mathrm{i}+3\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}} $ ；

② 在有氧环境下，除 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}} $ 可能与 $ {\rm {\mathrm{O}}_{2}} $ 混合引发危险外，生成的硅单质也可能会被氧气氧化成二氧化硅，即产品中混有 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 。

（4） 硅酸盐写成氧化物形式时，低价金属氧化物在前，高价金属氧化物在后，若化合价相同，活泼金属氧化物在前，不活泼金属氧化物在后，最后写 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ ，斜长石可写成的氧化物形式为 $ {\rm {\mathrm{K}}_{2}\mathrm{O}\cdot {\mathrm{A}\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}\cdot 6{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 。

（5） ① 将洗净的石英砂研磨成粉末，可增大反应物之间的接触面积，从而增大反应速率，提高生产效率；

② 在题给流程中，盐酸与氧化铝反应、与二氧化硅不反应，故能除去氧化铝杂质，若将盐酸改为 $ {\rm \mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}} $ 溶液，因为二氧化硅是酸性氧化物，则 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{2}} $ 与 $ {\rm {\mathrm{A}\mathrm{l}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}} $ 均可以和氢氧化钠反应，无法分离二者。

装置Ⅰ中稀硫酸与锌反应制取氢气，装置Ⅱ中盛放浓硫酸，除去氢气中的水蒸气，装置Ⅲ中提供 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}} $ 气体， $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}} $ 沸点较低，水浴中加热即可使 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}} $ 液体汽化，装置Ⅳ中制备高纯硅。装置Ⅰ适用于颗粒状或块状等难溶于水的固体与液体不加热制取难溶于水的气体的反应，生石灰与浓氨水的反应不满足上述条件，不能用该装置， $ {\rm \mathrm{A}} $ 错误；由上述分析可知，装置Ⅱ的作用是除去氢气中的水蒸气，即装置Ⅱ中盛放的是浓硫酸，装置Ⅲ的作用是提供 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}} $ 气体，因此需水浴加热， $ {\rm \mathrm{B}} $ 错误；实验时，先打开活塞 $ {\rm \mathrm{K}} $ ，用氢气排尽装置内空气，防止加热时 $ {\rm {\mathrm{H}}_{2}} $ 不纯而发生危险，再加热石英管， $ {\rm \mathrm{C}} $ 错误； $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}} $ 遇水会剧烈反应生成两种酸和一种气体，根据元素守恒，生成的酸为硅酸及 $ {\rm \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}} $ ，生成的气体为氢气，反应的方程式为 $ {\rm {\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}}_{3}+3{\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}\xlongequal{}{\mathrm{H}}_{2}{\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{O}}_{3}↓+3\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}+{\mathrm{H}}_{2}↑} $ ， $ {\rm \mathrm{D}} $ 正确。