专题04 碳、硅及无机非金属材料（知识清单）（全国适用）（原卷版）

专题04碳、硅及无机非金属材料目录目录01知识脑图·学科框架速建02考点精析·知识能力全解【知能解读01】碳、硅单质及氧化物【知能解读02】碳、硅单质及氧化物【知能解读03】无机非金属材料03攻坚指南·高频考点突破【重难点突破01】熟记硅及其化合物的特殊性质【重难点突破02】设计制备纯硅的实验题中重要的知识点04避坑锦囊·易混易错诊疗【易混易错01】碳、硅及其化合物的知识盲点【易混易错02】硅及其化合物的“七大”误区05通法提炼·高频思维拆解【方法技巧01】硅酸盐改写成氧化物形式的方法【方法技巧02】各种硅酸的结构01碳、硅单质及氧化物1.C、Si单质的存在形态、物理性质及用途(1)自然界中的碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素因有亲氧性，所以仅有化合态。碳单质主要有金刚石、石墨、C60等同素异形体，硅单质主要有和两大类。(2)单质的结构、物理性质与用途比较碳硅结构金刚石：结构，石墨：层状结构晶体硅：与金刚石类似的结构物理性质金刚石熔点高、硬度大石墨熔点高、质，有滑腻感晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点用途金刚石用作切割刀具，用作电极、铅笔芯晶体硅用作材料、硅芯片和硅太阳能电池2.碳、硅单质的化学性质——还原性碳、硅的最外层都是个电子，位于元素周期表的第族，不容易失也不容易得电子，通常化学性质稳定，但在一定条件下也能与许多物质发生化学反应，一般表现为还原性(如图)。(1)碳的还原性碳有重要的用途，除了在氧气中燃烧利用其热能外，还能用于金属冶炼(如铜)、制取粗硅、生产水煤气等，完成上图转化关系中①～④的化学方程式。①；②；③；④。碳的还原性还表现为可将强氧化性的浓硫酸、浓硝酸分别还原为和，本身被氧化为。(2)硅的化学性质不活泼，在常温下只能与氟气(F2)、、反应，不能与氢气、氧气、氯气、、反应，加热时能与氧气、氯气反应。完成上图转化关系中⑥～⑧的化学方程式。⑥；⑦；⑧。3.二氧化硅和二氧化碳的比较物质二氧化硅二氧化碳结构结构，不存在单个分子存在单个CO2分子主要物理性质硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水化学性质与水反应不反应CO2＋H2OH2CO3与酸反应只与氢氟酸反应：不反应与碱(NaOH)反应(盛碱液的试剂瓶用塞)CO2少量：；CO2过量：与盐反应如与Na2CO3反应：如与Na2SiO3反应：或Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(足量)=H2SiO3↓＋2NaHCO3与碱性氧化物反应如与CaO反应：如与Na2O反应：用途光导纤维、光学仪器、电子部件制饮料、制碳酸盐【跟踪训练】1.正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”(1)12C、13C、14C是碳的三种同素异形体(×)(2)硅在自然界中只以化合态的形式存在(√)(3)晶体硅熔点高硬度大，故可用于制作半导体材料(×)(4)Si和SiO2都可用于制造光导纤维(×)(5)非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4(√)(6)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸(×)2.从元素周期表的位置看，碳和硅均为ⅣA族元素，自然界中有碳的多种单质存在，自然界中有硅的单质吗？为什么？3.写出除去下列气体中混有的杂质(括号内为杂质)可采取的方法：(1)CO(CO2)：____________________________________________________________。(2)CO2(CO)：____________________________________________________________。(3)CO2(HCl)：___________________________________________________________。4.写出除去下列固体粉末中混有杂质(括号内为杂质)可采取的方法，写出有关反应的方程式。(1)CaCO3(SiO2)___________________________________________________________。(2)SiO2(CaCO3)___________________________________________________________。(3)SiO2(NH4Cl)___________________________________________________________。02硅酸盐及无机非金属材料1.硅酸和硅酸盐(1)硅酸硅酸溶于水，其酸性比碳酸，硅酸(填“能”或“不能”)使紫色石蕊溶液变红色。①硅酸不稳定，受热易分解：。②硅酸能与碱溶液反应，如与NaOH溶液反应的化学方程式为。③硅酸在水中易聚合形成胶体。硅胶吸附水分能力强，常用作干燥剂。(2)硅酸盐（以Na2SiO3为例）①白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称，有黏性，水溶液显碱性。②它能与酸性比硅酸强的酸反应，分别写出以下化学方程式：与盐酸反应：。与CO2水溶液反应：。③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。【跟踪训练】1.正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”(1)玻璃是一种晶体，有较高的熔点()(2)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱()(3)传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料()(4)光导纤维、碳纳米管、氮化硅结构陶瓷等都是新型无机非金属材料()(5)高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点()(6)普通玻璃、石英玻璃、水泥、玛瑙都属于硅酸盐产品()2.玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑。由上述两个反应能说明H2SiO3的酸性比碳酸强吗？为什么？3.实验室中要熔化烧碱固体，现有三种坩埚：石英坩埚、陶瓷坩埚、铁坩埚。你认为选哪一种？简述选择的依据。03无机非金属材料1.传统无机非金属材料水泥玻璃陶瓷主要原料、黏土、、石英砂主要设备水泥回转窑玻璃窑陶瓷窑2.新型无机非金属材料类别主要特性典型示例主要用途半导体材料通信容量大、抗干扰性能好芯片、光导纤维、硅太阳能电池计算机、家用电器、光伏电站、通信设备等电学材料高强度、优良的电学性能富勒烯、碳纳米管、石墨烯复合材料、电池、传感器、光电器件、超级电容器等新型陶瓷高温结构陶瓷耐高温、抗氧化、耐腐蚀碳化硅、氮化硅陶瓷用于火箭发动机、汽车发动机、高温电极材料等超导陶瓷具有超导性Y－Ba－Cu－O系超导陶瓷用于电力、交通、医疗等领域透明陶瓷具有光学特性、耐高温、绝缘性好氧化铝、氧化钇等氧化物透明陶瓷用于高压钠灯、激光器和高温探测窗等压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化钛酸盐和锆酸盐等用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等生物陶瓷具有生物功能氧化铝陶瓷人造骨、人造关节等3.传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别类别传统无机非金属材料新型无机非金属材料主要特性①抗腐蚀、耐高温；②质脆、经不起热冲击①高强度、硬度，耐高温；②具有电学特性；③具有光学特性；④具有生物功能【跟踪训练】1.易错辨析。（1）石英玻璃、普通玻璃、陶瓷及水泥均属于硅酸盐产品。（）（2）钢化玻璃与普通玻璃最主要的区别方式是钢化玻璃破碎后变成小颗粒。（）（3）合成纤维与光导纤维都是新型无机非金属材料。（）（4）硅橡胶和陶瓷都是新型无机非金属材料。（）（5）传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐。（）（6）石墨烯的电阻率低，热导率也低。（）2.写出制造普通玻璃时发生的主要反应：、。3.将下列硅酸盐改写成氧化物形式（改写时注意金属氧化物在前，非金属氧化物在后，低价在前，高价在后，H2O一般写在最后）：①镁橄榄石（Mg2SiO4）：；②高岭石[Al2（Si2O5）（OH）4]：。01熟记硅及其化合物的特殊性质(1)硅单质的特殊性①Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑；②非金属单质一般不跟非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；③非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。(2)含硅化合物的特殊性①SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3；②酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2能跟HF反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O；③无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水；④因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入少量CO2能发生下列反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑也能发生。【跟踪训练】1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土。()(2)硅胶多孔，吸水能力强，常用作袋装食品的干燥剂和抗氧化剂。()(3)普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料。()(4)向Na2SiO3溶液中通入过量SO2：SiOeq\o\al(2－,3)＋SO2＋H2O=H2SiO3↓＋SOeq\o\al(2－,3)。()(5)可依据反应Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑说明H2SiO3的酸性比H2CO3强。()(6)烧结黏土制陶瓷不涉及化学反应。()(7)氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料。()(8)向硅酸钠溶液中通入适量CO2，出现白色沉淀，证明碳的非金属性大于硅元素。()(9)硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中。()(10)传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐。()(11)Na2CaSi6O14可以写成Na2O·CaO·6SiO2。()(12)高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点。()(13)水泥、玻璃、青花瓷、水晶、玛瑙都属于硅酸盐产品。()(14)用SiO2制取硅酸，将SiO2溶解在水中一段时间后可得到硅酸。()(15)硅胶是硅酸钠的水溶液失去水后形成的凝胶。()(16)光导纤维、碳纳米管、氮化硅结构陶瓷等都是新型无机非金属材料。()02设计制备纯硅的实验题中重要的知识点1．硅的工业制法(1)制取粗硅工业上，用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑。(2)粗硅提纯①Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(高温))SiCl4，②SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋4HCl。(3)注意问题①用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。②粗硅中含碳等杂质，与Cl2反应生成的SiCl4中也含CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。2．设计制备纯硅的实验题中重要的知识点(1)高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si(粗)＋2CO↑(2)粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2(3)粗硅与干燥Cl2反应制得SiCl4：Si(粗)＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(高温))SiCl4(4)SiHCl3与过量H2在高温下反应制得纯硅：SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si(纯)＋3HCl(5)SiCl4与过量H2在高温下反应制得纯硅：SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si(纯)＋4HCl(6)SiO2＋2Mgeq\o(=,\s\up7(高温))2MgO＋Si(7)SiHCl3、SiCl4能与水发生反应：SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑SiCl4＋3H2O=H2SiO3↓＋4HCl(8)SiH4在空气中易自燃：SiH4＋2O2=SiO2＋2H2O【跟踪训练】1．高纯度单晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料，它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。这种材料可以按下列方法制备，下列说法正确的是()SiO2eq\o(→,\s\up7(①C),\s\do5(高温))Si(粗)eq\o(→,\s\up7(②HCl),\s\do5(300℃))SiHCl3eq\o(→,\s\up7(③过量H2),\s\do5(1000～1100℃))Si(纯)A．步骤①的化学方程式为SiO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋CO2↑B．步骤①、②、③中每生成或反应1molSi，转移2mol电子C．二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应D．SiHCl3(沸点33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸点57.6℃)，通过蒸馏可提纯SiHCl32．硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式：_______________________________。②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学反应方程式：___________________________________；H2还原SiHCl3过程中若混有O2，可能引起的后果是____________________。(2)化学研究性学习小组在探究硅的制取方法时，从资料查阅到下列信息：Ⅰ.Mg在高温条件下可与SiO2反应；Ⅱ.金属硅化物与稀H2SO4反应生成硫酸盐和SiH4；Ⅲ.SiH4在空气中自燃。他们根据信息进行实验，当用足量稀H2SO4溶解Ⅰ实验获得的固体产物时，发现有爆鸣声和火花；然后过滤、洗涤、干燥；最后称量、计算，测得其产率只有预期值的63%左右。①Ⅰ实验发生反应的化学方程式是_______________________________________。②用稀H2SO4溶解Ⅰ实验获得固体产物时，产生爆鸣声和火花的原因是___________________。01碳、硅及其化合物的知识盲点(1)自然界中无游离态的硅，硅是很好的半导体材料，是制作光电池的材料。SiO2不导电，是制作光导纤维的材料。(2)工业上制备粗硅，是用过量的C和SiO2在高温下反应，由于C过量，生成的是CO而不是CO2，该反应必须在隔绝空气的条件下进行。(3)氢氟酸不能用玻璃容器盛放；NaOH溶液能用玻璃试剂瓶，但不能用玻璃塞。(4)酸性氧化物一般能与水反应生成酸，但SiO2不溶于水；酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能与HF反应。(5)硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐是硅酸钠，其水溶液称为泡花碱或水玻璃，但却是盐溶液。(6)H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以有Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3，但高温下Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑也能发生，原因可从两个方面解释：①硅酸盐比碳酸盐稳定；②从化学平衡角度，由高沸点难挥发固体SiO2制得低沸点易挥发的CO2气体。(7)水泥、玻璃与陶瓷是三大传统无机非金属材料；碳化硅、氮化硅等是新型无机非金属材料。【跟踪训练】(1)SiO2硬度大，可用于制造光导纤维()(2)下列物质间转化能实现：CaCO3eq\o(→,\s\up7(高温))CaOeq\o(→,\s\up7(SiO2),\s\do5(高温))CaSiO3()(3)因为HF与SiO2反应，所以可用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记()(4)石英砂可用于生产单晶硅()(5)Ge(32号元素)的单晶可以作为光电转换材料用于太阳能电池()(6)在CO2中，Mg燃烧生成MgO和C。在该反应中，Mg的还原性强于C的还原性()(7硅胶可用作食品干燥剂()(8)将气体通入澄清石灰水，溶液变浑浊，证明原气体是CO2()(9)可用磨口玻璃保存NaOH溶液()(10)SiO2既能和NaOH溶液反应又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物()(11)NH4F水溶液中含有HF，因此NH4F溶液不能存放于玻璃试剂瓶中()(12)因为晶体硅熔点高、硬度大，所以可用于制作半导体材料()(13)玻璃容器可长期盛放各种酸()(14)高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅()02硅及其化合物的“七大”误区(1)玻璃中含有二氧化硅，因此氢氟酸可用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不能用玻璃瓶而用塑料瓶。(2)NaOH溶液可以用玻璃瓶盛放，但不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶。(3)用石英砂和焦炭制备粗硅的反应必须要隔绝空气在电炉中进行，得到的氧化产物是CO而不是CO2。(4)硅与碱溶液反应时，硅为还原剂，H2O为氧化剂。Si＋2NaOH＋4H4e－2O=Na2SiO3＋2H2↑＋3H2O。(5)SiO2虽然即能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物。(6)酸性氧化物一般和水反应生成相应的酸，SiO2虽然是H2SiO3的酸酐，但它不与水反应，不能直接与水作用制备H2SiO3。(7)不能依据反应2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑来说明C的还原性比Si强，也不能依据反应SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑来说明SiO2水化物的酸性比H2CO3强。【跟踪训练】1.硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是()A.硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料B.粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应C.反应Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑中，Si为还原剂，NaOH和H2O为氧化剂D.硅能与氢氟酸反应，则硅可以与盐酸反应2.由下列实验事实得出的结论正确的是()A.由SiO2不能与水反应生成H2SiO3，可知SiO2不是H2SiO3的酸酐B.由SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑，可知碳的非金属性大于硅C.CO2通入Na2SiO3溶液产生白色沉淀，可知酸性H2CO3＞H2SiO3D.SiO2可与NaOH溶液反应，也可与氢氟酸反应，可知SiO2为两性氧化物01硅酸盐改写成氧化物形式的方法(1)氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。(2)氧化物前计量数的配置原则：按配置前后原子个数守恒原则配置各氧化物的计量数，并写在相应氧化物前面，且不同氧化物之间以“·”隔开。写成氧化物后，原化学式中的各元素、原子的个数比应保持不变。(3)当氧化物计量数出现分数时应化为整数，如钾长石：KAlSi3O8不能写成eq\f(1,2)K2O·eq\f(1,2)Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。【跟踪训练】1．青石棉(crocidolite)是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是()A．青石棉是一种硅酸盐产品B．青石棉中含有一定量的石英晶体C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2OD．1mol青石棉能使1molHNO3被还原2．矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中的一部分生成的。此处所指的风化作用是指矿物与水和CO2作用的过程。例如，钾长石(KAlSi3O8)风化生成高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，此反应的离子方程式为2KAlSi3O8＋2H2CO3＋5H2O=2K＋＋2HCO＋4H2SiO3＋Al2Si2O5(OH)4。(1)将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式：①KAlSi3O8。②Al2Si2O5(OH)4。3．（1）某建筑材料，主要成分为铝硅酸盐，化学式是MgAl2H4Si4O14；化学式改写成氧化物形式为。02各种硅酸的结构（1）原硅酸（H4SiO4）和硅酸（H2SiO3）原硅酸硅酸（2）多硅酸：原硅酸分子之间失去水生成一系列的酸二硅酸三硅酸n硅酸【跟踪训练】1