无机非金属材料（讲）-2023年高考化学一轮复习

第09讲无机非金属材料

公考纲考情

i.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，认识其在生

产中的应用和对生态环境的影响。

2.结合实例认识碳、硅及其化合物性质的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转

化，认识物质及其转化在自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。

3.能借助国家关于安全生产、环境保护、食品安全、药物开发等方面的法律法规分析与化学有关的社

会热点问题。

4.能列举常见的大气、水体和土壤的污染物及其危害，能说明常见污染的成因和防治措施的化学原理。

【核心素养分析】

1.变化观念与平衡思想：根据碳、硅的结构，预测在一定条件下碳、硅及其化合物可能发生的化学变

化。

2.科学态度与社会责任：关注与碳、硅有关的热点问题（如光导纤维、硅电池、半导体材料），形成

可持续发展的意识；知道碳、硅及其化合物对社会发展的重大贡献。

⑥考点梳理

知识点一碳及其重要化合物

1.碳单质

（1）结构、存在形态、物理性质和用途

存在形态游离态和化合态

金刚石：空间网状结构；

结构

石墨：层状结构

同素异形体金刚石、石墨、C60、C70

金刚石：熔点高、硬度大；

物理性质

石墨：硬度小、电的良导体、有滑腻感

用途金刚石用作切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯、高温润滑剂

（2）主要化学性质——还原性

一占燃占燃

可燃性2C+。2（不足）「「要,-2CO、C+。2（足量）一会婆,-CO?

CuO：2CuO+C--------2Cu+CO2T（冶炼金属）

与氧化日

SiO：SiO+2C---Si+2cof（制取粗硅）

物反应22

H2O：C+H2O（g）-->一CO+H2（制取水煤气）

与强氧化浓H2so4：C+2H2so4（浓）-----CO2T+2sO2T+2H2。

性酸反应

浓HNO3：C+4HNC）3（浓）-----CO2T+4NO2T+2H2。

2.一氧化碳(CO)

(1)物理性质

无色气体，有毒，难溶于水。

(2)化学性质——还原性

占燃

①燃烧：2CO+O2==^'=2CO2,淡蓝色火焰；

②还原CuO：CuO+CO==e==Cu+CO2(冶炼金属)。

3.二氧化碳(CO2)

(1)物理性质：CO2是一种无色、无味的气体，能溶于水，固态CCh俗称干冰。

(2)化学性质：与H2O、Na2O>Ca(OH)2(足量、澄清)、Mg反应的方程式分别为CO2+H2OH2co3、

占燃

Na2O+CO2二二二Na2co3、CO2+Ca(OH)2===CaCO31+H2O2Mg+CO2=====2MgO+C°

(3)CCh在自然界中的循环

①CCh的主要来源：大量含碳燃料的燃烧。

②自然界消耗CCh的主要反应：

a.溶于江水、海水中：CO2+H2O^^H2CO3；

b.光合作用将CCh转化为O2;

c.岩石的风化：CaCO3+H20+CO2===Ca(HCO3)20

(4)CO、CCh气体的除杂方法

CO中混有co2通过盛有NaOH溶液的洗气瓶，然后干燥气体

co2中混有co通过盛有灼热CuO的硬质试管

通过盛有饱和NaHCCh溶液的洗气瓶，然后干

C02中混有少量S02或HC1

燥气体

①澄清石灰水只用于检验C02,不能用于除去混合气体中的CO2,应用NaOH溶液除去；

②CC)2、SO2通入CaCl2或BaC12溶液均无沉淀产生

4.碳酸(H2cCh)

弱酸、不稳定。碳酸(H2co3)只能在水中存在。H2c。3在水中与CO2共存，因此常把CO2+H2O当碳酸

用。

5.碳酸的酸式盐和正盐的比较

(1)在水中的溶解性

①含K+、Na+、NHl的正盐易溶于水，其余一般不溶于水；酸式盐均能溶于水。

②一般来说，在相同温度下，难溶性正盐溶解度小于其酸式盐溶解度，如溶解度：Ca(HCO3)2>CaCO3；

可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度，如溶解度：Na2CO3>NaHCO3o

(2)热稳定性

一般来说，热稳定性顺序为正盐,酸式盐>碳酸，如稳定性：Na2cC)3>NaHCO3>H2co3。可溶性正盐〉难

溶性正盐，如CaC03高温分解，而K2cCh不易分解。

(3)水溶液酸碱性

物质的量浓度相同时，正盐溶液的pH大于其酸式盐溶液，如pH：Na2cO3溶液〉NaHCCh溶液。

(4)与酸的反应

①CaCCh与盐酸反应的离子方程式：

+

CaCO3+2H===H2O+CO2T+Ca2+。

②Ca(HCCh)2与盐酸反应的离子方程式：

+

HCO；+H===H2O+CO2t=

(5)与碱的反应

①Na2cCh与Ca(OH)2反应的离子方程式：

C0-+Ca2+===CaC031。

②NaHCCh与足量Ca(OH)2反应的离子方程式：

2+

HCOF+Ca+OH===CaCO3i+H20O

Ca(OH)2与足量NaHCO3反应的离子方程式：

2+

Ca+20H+2HC0F===CaCC>31+COf+2H2O。

知识点二硅无机非金属材料

一、硅单质

1.存在

硅单质主要有晶体和无定形两大类。

2.物理性质

带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。

3.化学性质

常温下与F?、HF、NaOH反应；加热时能与化合生成不稳定的氢化物SiH4，加热时还能与Cb、02

化合分别生成SiCk、SiO2o涉及的化学方程式如下：

O2：Si+O2=^==SiO2

①与非金属单质反应｛F2：Si+2F2===SiF4

、CL：Si+2cl2=2=SiCL

②与氢氟酸反应：Si+4HF===SiF4f+2H2丁。

③与NaOH溶液反应：

Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2?o

(4)制备方法

①制取粗硅：工业上，用焦炭在电炉中还原SiC)2得到含有少量杂质的粗硅：SiO2+2C™=Si+2COTo

②粗硅提纯：Si+2Cl2=^=SiCl4,SiCl4+2H2=^B=Si+4HC11,

【特别提醒】①用焦炭还原SiCh，产物是CO而不是CO2。

②粗硅中含碳等杂质，与C12反应生成的SiC14中含有CC14等杂质，经过分储提纯SiCL后，再用H2还

原，得到高纯度硅。

(5)主要用途

①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。

二、二氧化硅

1.存在

自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存

在。天然SiCh有晶体和无定形两种，统称硅石。

2.结构

SiCh晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接

为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故

SiO2晶体中Si和O的比例为1：2。

q-o

AT/，二氧化硅

图甲图乙

3.二氧化硅的性质及用途

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

与酸反应只与氢氟酸反应：SiO2+4HF===SiF4T+2H2。

化学如与NaOH反应：SiCh+2NaOH==老壁1Q吐旦里(盛碱液的试

与碱反应

性质剂瓶用橡胶塞)

如与Na2cCh反应：

与盐反应

曰

SiO2+Na2CO3----Na2SiO3+CO2T

与碱性氧

日

如与CaO反应：CaO+SiO--■—CaSiO

化物反应23

用途光导纤维、光学仪器、电子部件

【特别提醒】

①SiO2是H2SiC)3的酸酎，但SiO2不与水反应，不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。

②氢氟酸能与SiCh反应，故氢氟酸不能盛放在玻璃瓶中，而应存放在塑料瓶中。

三、硅酸、硅酸盐

1.硅酸

(1)物理性质

硅酸的溶解度小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。

(2)化学性质

①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O0

②不稳定性：受热易分解，反应的化学方程式为

H2SiO3=====SiO2+H2Oo

(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如NazSiCh溶液与盐酸反应：Na2SiO3+2HCl===2NaCl

+H2SiO3(胶体)。

(4)用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。

2.硅酸盐

①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。

②与酸性较硅酸强的酸反应：

a.与盐酸反应的化学方程式：

Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3；=

b.与CO2水溶液反应的化学方程式：

Na2SiO3+H2O+CO2===Na2CO3+H2SiO3i。

③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。

(3)硅酸盐组成的表示

通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成。如硅酸钠(NazSiCh)可表示为NazOSiCh,

石棉(CaMg3Si4Oi2)可表示为CaO-3MgO4SiO2。

推背图①NazSiCh的水溶液是一种黏合剂，是制备硅胶和木材防火剂等的原料；NazSiCh易与空气中的

CO2、H2。反应，要密封保存。

②可溶性碳酸盐、硅酸盐的水溶液呈碱性，保存该溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，应用橡胶塞。

四、无机非金属材料

1.传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。

(1)常见硅酸盐材料比较

水泥玻璃陶瓷

生产原料石灰石、黏土纯碱、石灰石、石英黏土

主要设备水泥回转窑玻璃窑陶瓷窑

(2)玻璃生产中的两个重要反应：Na2cCh+SiO2=^==Na2SiO3+CO2T;CaCO3+SiO2=^==CaSiO3+

CO2T0

2.新型无机非金属材料

材料类别主要特性示例用途

高温结构能承受高温，

氮化硅陶瓷汽轮机叶片、轴承、永久性模具等

陶瓷强度高

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讯、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

隹）题型剖析

高频考点一硅和二氧化硅

例1.（2022•浙江卷）下列说法不无丽的是

A.晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，常用于制造光导纤维

B.高压钠灯发出的黄光透雾能力强、射程远，可用于道路照明

C.氧化铝熔点高，常用于制造耐高温材料

D.用石灰右石膏法对燃煤烟气进行脱硫，同时可得到石膏

【答案】A

【解析】晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，可用于制造晶体管、集成电

路等，而二氧化硅常用于制造光导纤维，A错误；钠的焰色反应为黄色，可用作透雾能力强的高压钠灯，B

正确；耐高温材料应具有高熔点的性质，氧化铝熔点高，可用作耐高温材料，C正确；石灰石的主要成分为

碳酸钙，石灰石石膏法脱硫过程中发生反应：CaCO3=^==CaO+CO2T，SO2+CaCO3=CaSO3+CO2,

2CaSO3+O2=2CaSO4,得到了石膏，D正确；答案选A。

【变式探究】（2022•广东卷）陈述I和H均正确但不具有因果关系的是

选项陈述I陈述II

A用焦炭和石英砂制取粗硅SiO2可制作光导纤维

B利用海水制取漠和镁单质BF可被氧化，Mg?+可被还原

C石油裂解气能使漠CC14的溶液褪色石油裂解可得到乙烯等不饱和燃

DFeCb水解可生成Fe（OH）3胶体FeCb可用作净水剂

【答案】A

【解析】焦炭具有还原性，工业上常利用焦炭与石英砂（SiO2）在高温条件下制备粗硅，这与SiO2是

否做光导纤维无因果关系，故A符合题意；海水中存在滨离子，可向其中通入氯气等氧化剂将其氧化为漠

单质，再经过萃取蒸储物理操作分离提纯澳单质，另外，通过富集海水中的镁离子，经过沉淀、溶解等操

作得到无水氯化镁，随后电解熔融氯化镁可制备得到镁单质，陈述I和陈述n均正确，且具有因果关系，B

不符合题意；石油在催化剂加热条件下进行裂解可得到乙烯等不饱和烧，从而使澳的CC14溶液褪色，陈述

I和陈述n均正确，且具有因果关系，C不符合题意；FeCb溶液中铁离子可发生水解，生成具有吸附性的

氢氧化铁胶体，从而可用作净水机，陈述I和陈述n均正确，且具有因果关系，D不符合题意；综上所述,

答案为A。

【变式探究】下列说法错误的是（）

A.（2019新课标III）高纯硅可用于制作光感电池

B.（2019江苏）SiCh熔点高硬度大，可用于制光导纤维

C.（2019浙江）天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅

D.（2018天津）汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土

【答案】B

【解析】硅是半导体，高纯硅可用于制作光感电池，A正确；SiCh传导光的能力非常强，用于制光导

纤维，SiCh用于制光导纤维与竽。2熔点高硬度大没有对应关系，B错误；石英、水晶、硅石、沙子的主要

成分均为二氧化硅，C正确；陶瓷的制造原料为黏土，D正确。

高频考点二硅酸盐及其应用

例3.（2021•浙江卷）下列说法不E理的是（）

A.硅酸钠是一种难溶于水的硅酸盐B.镁在空气中燃烧可生成氧化镁和氮化镁

C.钠与水反应生成氢氧化钠和氢气D.常温下，铝遇浓硝酸或浓硫酸时会发生钝化

【答案】A

【解析】硅酸钠是溶于水的硅酸盐，故A错误；镁在空气中燃烧时，与氧气和二氧化碳反应生成氧化

镁，与氮气反应生成氮化镁，故B正确；钠具有强还原性，能与冷水反应生成氢氧化钠和氢气，故C正确；

浓硫酸和浓硝酸具有强氧化性，铝在浓硫酸和浓硫酸中会发生钝化，阻碍反应的继续进行，故D正确；

故选Ao

【举一反三】（2020•浙江卷）Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一，其相关性质的说法不亚项的是（）

A.可发生反应：Ca3SiO5+4NH4C1-CaSiO3+2CaCl2+4NH3T+2H2O

B.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SiCh

【答案】D

【解析】CasSiOs与NH4cl反应的方程式为：Ca3SiO5+4NH4ClCaSiO3+2CaCl2+4NH3t+2H2O,A

正确；CaO能与水反应，所以需要密封保存，B正确；亚硫酸的酸性比硅酸强，当二氧化硫通入到Ca3SiO5

溶液时，发生反应：3SO2+H2O+Ca3SiO5=3CaSO3+H2SiO3,C正确；盐酸的酸性比硅酸强，当盐酸与CasSiOs

反应时，发生反应：6HC1+Ca3SiO5=3CaC12+H2SiO3+2H2O,D不正确；故选D。

高频考点三无机非金属材料

例3.（2019•北京卷）下列我国科研成果所涉及材料中，主要成分为同主族元素形成的无机非金属材

料的是

A.4.03米大口径碳化硅B.2022年冬奥会聚C.能屏蔽电磁波的碳包覆D.“玉兔二号”钛合

反射镜氨酯速滑服银纳米线金筛网轮

【答案】A

【解析】碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素组成的无机非金属材料，且碳元素与硅元素均位于元素周期

表第IVA族，故A符合题意；聚氨酯为有机高分子化合物，不属于无机非金属材料，故B不符合题意；碳

包覆银纳米材料属于复合材料，不属于无机非金属材料，且银不是主族元素，故C不符合题意；钛合金为

含有金属钛元素的合金，其属于金属材料，不属于无机非金属材料，故D不符合题意；综上所述，本题应

选Ao

【变式探究】新材料的新秀一石墨烯和氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课

题。其结构模型如图所示：

下列有关说法正确的是（）

A.石墨烯是一种新型化合物

B.氧化石墨烯即石墨烯的氧化物

C.二者和石墨都是碳的同素异形体

D.氧化石墨烯具有一定的亲水性

【答案】D

【解析】石墨烯是碳的单质，A错误；氧化石墨烯含有氢元素，故不是石墨烯的氧化物，也不是碳的

同素异形体，B、C错误；由于氧化石墨烯结构中含有羟基和竣基等亲水基团，所以它具有一定的亲水性，

D正确。

高频考点四与SiCh有关的无机化工流程题

例4.（2021•湖南卷）Ce2（CO3）3可用于催化剂载体及功能材料的制备。天然独居石中，铀（Ce）主要以CePO4

形式存在，还含有SiCh、A12O3>Fe2O3>CaF2等物质。以独居石为原料制备Ce2（CC>3）3/H2O的工艺流程如

下：

①MgO调pH=5

浓HzSO,H2OFeCh溶液②絮凝剂NH,HCO,溶液

回答下列问题：

（1）锌的某种核素含有58个质子和80个中子，该核素的符号为o

（2）为提高“水浸”效率,可采取的措施有______________________________________

_________________________________________________________________（至少写两条）。

（3）滤渣III的主要成分是（填化学式）。

（4）加入絮凝剂的目的是o

（5）“沉铀”过程中，生成Ce2（CO3）3-"H2O的离子方程式为,

常温下加入的NH4HCO3溶液呈________（填“酸性”“碱性”或“中性”）（己知：NH3H2O的及=1.75x10—5,

H2CO3的Kal=4.4x10-7,乂2=4.7义10—11）。

（6）滤渣H的主要成分为FePO4,在高温条件下，Li2co3、葡萄糖（C6Hl2。6）和FePCU可制备电极材料

LiFePO4,同时生成CO和H2O,该反应的化学方程式为-

【解析】（1）由质量数=质子数+中子数可知，铀的质量数=58+80=138,因此该核素的符号为啜Ce。

（2）为提高“水浸”效率，可采取搅拌、适当升高温度、研碎等措施。（3）根据流程及题中信息分析可知，滤渣

I为SiCh、CaSO4,滤渣U为FePCU，滤渣III的主要成分为A1（OH）3。（4）加入絮凝剂的目的是使悬浮粒子聚

集变大，加快粒子聚沉速度，更快地形成沉淀。（5）“沉车市”过程中，Ce3+与HCO?反应生成Ce2（CO3）3・"H2。，

3+

反应的离子方程式为2Ce+6HCOF+（n-3）H2O=Ce2（CO3）3-MH2O；+3CO2?;由于NH：水解溶液显酸性,

K14

HCO3水解溶液显碱性，根据题中提供的电离平衡常数，可计算出NH：的水解平衡常数为$=而§，尸

KIf）—“

*5.71x10-1°,HCO5的水解平衡常数为送=,/017*2.3x10-8,所以HCO?的水解程度大于NHl的水解程

度，所以溶液显碱性。（6）根据题中信息，可知反应物为Li2co3、C6Hl2。6和FePC>4,生成物为LiFePCU、CO

和H2O,根据元素的化合价变化，C：+4价—+2价，0价一+2价，Fe：+3价—+2价，则反应的化学

方程式为6FePO4+3Li2cCh+C6Hi2O6=^=6LiFePO4+9C0f+6H20T=

【答案］⑴缪Ce

（2）搅拌、适当升高温度（合理即可）

(3)A1(OH)3

(4)促进A1(OH)3胶体聚沉，便于分离

3+

(5)2Ce+6HCOr+(n-3)H2O=Ce2(CO3)3-MH2O；+3CO2T碱性

(6)6FePO4+3Li2cCh+C6Hi2O6=^=6LiFePO4+9cOf+6H20T

【变式探究】(2021•全国乙卷)磁选后的炼铁高钛炉渣，主要成分有TiCh、SiO2>AI2O3、MgO、CaO以

及少量的Fe2C>3。为节约和充分利用资源，通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。

(NH4)2SO4热水氨水

高钛炉渣分岭淀L氢氧化物沉淀

漫渣母液①

—同酸溶|------水解|~~►TiO2-xII2O

tlTi

酸酸溶渣热水母液②

该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见下表：

金属离子Fe3+Al3+Mg2+Ca2+

开始沉淀的pH2.23.59.512.4

沉淀完全(c=1.0x10-5moKL-1)的pH3.24.711.113.8

回答下列问题：

⑴“焙烧”中，TiO2>SiCh几乎不发生反应，A12O3>MgO、CaO、FezCh转化为相应的硫酸盐。写出AbCh

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