高中化学必修第二册第五章 无机非金属材料 知识清单

高中化学必修第二册第五章无机非金属材料知识清单一、核心素养导航与课程标准解读【基础】本章内容是继氯、硫、氮之后，对非金属元素及其化合物知识的延伸与应用，是元素化合物知识体系的重要拼图。学习本章不仅要掌握具体物质的性质，更要建立“结构决定性质，性质决定用途”的核心化学观念，并从物质分类（氧化物、酸盐）和元素价态两个维度构建认知模型。【非常重要】《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对本节内容的要求是：结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解硅及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产、生活中的应用和对生态环境的影响。其核心是培养学生的“宏观辨识与微观探析”、“变化观念与平衡思想”、“证据推理与模型认知”、“科学探究与创新意识”及“科学态度与社会责任”五大核心素养。这意味着学习不能止步于死记硬背，而要将知识置于“材料发展与社会进步”的真实情境中，理解化学是如何推动人类文明演进的。二、硅及其化合物的“结构性质制备”知识体系（一）硅单质——从沙子到芯片的“点沙成金”【基础】1.存在与结构：硅是一种亲氧元素，在地壳中含量仅次于氧，居第二位5。自然界中无游离态的硅，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。其原子结构示意图为，最外层4个电子，既不易得也不易失，主要形成+4价的共价化合物。晶体硅的结构与金刚石类似，为正四面体的空间网状结构，属于原子晶体，因此熔、沸点高，硬度大。【基础】2.物理性质：灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，熔点高（1410℃），是良好的半导体材料，这一特性使其成为信息技术产业的基石。【难点与高频考点】3.化学性质：常温下化学性质不活泼，但在加热或高温条件下能与某些非金属单质及强碱溶液反应。（1）与氢氟酸反应（特性）：这是硅不同于其他非金属单质的重要特性。Si+4HF=SiF₄↑+2H₂↑（此反应可用于刻蚀硅）（2）与强碱溶液反应（常见考点）：硅与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠和氢气。Si+2NaOH+H₂O=Na₂SiO₃+2H₂↑（此反应中水是氧化剂）（3）与氧气反应：Si+O₂SiO₂（加热或高温）（4）与氯气反应：Si+2Cl₂SiCl₄（高温）【热点】4.工业制备（高纯硅的提纯工艺）：这是高考工艺流程题的重要素材，核心是“粗硅的制备”和“粗硅的提纯”两步。（1）粗硅的制备：利用碳的还原性，在高温下还原二氧化硅。SiO₂+2CSi（粗硅）+2CO↑【易错点】此处生成的是CO，而非CO₂，且反应为置换反应，但碳在此表现出的还原性不能用于比较碳和硅的非金属性强弱，因为反应是在非水溶液、高温条件下进行的，且生成物是气体，促使反应向右进行。（2）粗硅的提纯：通常利用“三氯氢硅法”或“硅烷法”。①将粗硅与氯化氢反应：Si（粗硅）+3HClSiHCl₃（三氯氢硅）+H₂（℃）②分离提纯SiHCl₃（精馏），因为SiHCl₃沸点较低，易于通过精馏与杂质分离。③用氢气还原高纯的SiHCl₃：SiHCl₃+H₂Si（高纯硅）+3HCl（高温）（二）二氧化硅——信息高速公路的基石【基础】1.存在与结构：自然界中的二氧化硅又称硅石，广泛存在于水晶、石英、玛瑙、硅藻土等矿物中。其基本结构单元为“硅氧四面体”（SiO四面体），每个硅原子与四个氧原子形成共价键，每个氧原子被两个硅原子共用，从而形成巨大的空间网状结构，因此二氧化硅是原子晶体，没有单个的“SiO₂”分子，化学式仅代表硅氧原子个数比为1：2。【基础】2.物理性质：硬度大，熔、沸点很高，不溶于水。【非常重要】3.化学性质（核心考点）：二氧化硅是酸性氧化物，但具有一些特性。（1）酸性氧化物的通性：①与碱性氧化物反应：SiO₂+CaOCaSiO₃（高温，这是玻璃工业中的重要反应）②与强碱溶液反应：SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂O【高频易错点】实验室盛放NaOH溶液的试剂瓶不用玻璃塞（常用橡胶塞），正是因为玻璃中的SiO₂会与NaOH反应生成具有粘性的Na₂SiO₃，使瓶塞与瓶口粘连。（2）特性——与氢氟酸反应：这是SiO₂区别于其他酸性氧化物的典型特性。SiO₂+4HF=SiF₄↑+2H₂O【高频考点】氢氟酸能雕刻玻璃，因此不能盛放在玻璃试剂瓶中，而应使用塑料瓶。（3）弱氧化性：高温下能与碳等还原剂反应。SiO₂+2CSi（粗硅）+2CO↑；SiO₂+3CSiC+2CO↑（生成碳化硅）【重要】4.用途：光导纤维（光纤）的主要原料，因其对光具有良好的全反射作用；石英坩埚（耐高温）；精密光学仪器；水晶饰品等。（三）硅酸与硅酸盐——传统材料的核心【基础】1.硅酸（H₂SiO₃）：一种白色胶状沉淀，难溶于水，酸性比碳酸还弱（可用强酸制弱酸的原理论证，但实际反应复杂）。【重要实验】向硅酸钠（Na₂SiO₃）溶液中通入CO₂气体或滴加稀盐酸，可制得硅酸。Na₂SiO₃+CO₂+H₂O=H₂SiO₃（胶体）↓+Na₂CO₃（这个反应证明了酸性：H₂CO₃>H₂SiO₃）。硅酸在空气中失水形成硅胶，硅胶多孔，吸附能力强，常用作干燥剂和催化剂的载体。【基础】2.硅酸钠（Na₂SiO₃）：最简单的硅酸盐，可溶于水，其水溶液俗称“水玻璃”，是一种矿物胶，具有粘合、防腐、阻燃等特性。【高频考点】水玻璃的用途：肥皂填料、木材（防火处理）与织物防火剂、矿物胶粘剂。因其溶液呈碱性，故不能盛放在磨口玻璃塞的试剂瓶中。【难点】3.硅酸盐的组成表示：硅酸盐种类繁多，结构复杂，通常用二氧化硅和金属氧化物的形式来表示其组成。书写顺序为：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。不同氧化物之间用“·”隔开。【示例】将硅酸钠（Na₂SiO₃）表示为：Na₂O·SiO₂。【示例】将普通玻璃的主要成分（CaSiO₃和Na₂SiO₃的混合熔融物）表示为：Na₂O·CaO·6SiO₂。【示例】将石棉（CaMg₃Si₄O₁₂）表示为：CaO·3MgO·4SiO₂。【例题】高岭土（Al₂(Si₂O₅)(OH)₄）的氧化物形式为：Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O。三、无机非金属材料——从传统走向未来（一）传统硅酸盐材料【基础】硅酸盐材料是人类最早利用的化学材料之一，具有抗腐蚀、耐高温、不易氧化等优良特性。它们都是以黏土、石英、石灰石等天然矿物为原料，经过高温烧结或熔融而制得。1.陶瓷：原料为黏土（主要成分为硅酸盐），经高温烧结，部分熔融形成坚韧的瓷质结构。【人文拓展】“China”既指中国，也指陶瓷，体现了陶瓷在中华文明中的重要地位。2.玻璃：【重要】原料为纯碱（Na₂CO₃）、石灰石（CaCO₃）和石英砂（SiO₂）。在玻璃窑中发生复杂的物理化学变化，主要反应有：SiO₂+Na₂CO₃Na₂SiO₃+CO₂↑SiO₂+CaCO₃CaSiO₃+CO₂↑【易错点】这两个反应并非复分解反应，而是利用了SiO₂作为酸性氧化物，在高温下与盐发生反应生成硅酸盐和CO₂，体现了“高沸点酸制低沸点酸”的原理（H₂SiO₃不挥发，CO₂挥发）。普通玻璃的主要成分是Na₂SiO₃、CaSiO₃和过量的SiO₂的熔融混合物，不是晶体，故称为玻璃态物质。3.水泥：【重要】原料为黏土和石灰石，辅料为石膏。在水泥回转窑中高温煅烧，发生复杂的物理化学变化，成熟料后再与石膏混合研磨而成。石膏的作用是调节水泥的硬化速率。水泥具有水硬性，能与沙子、碎石等骨料结合，是重要的建筑材料。（二）新型无机非金属材料【热点】与传统材料相比，新型无机非金属材料具有更多优异的性能，如耐高温、高强度、良好的电学和光学性能等。1.硅和二氧化硅在信息技术领域的应用：高纯硅用于制造半导体芯片、太阳能电池板，是信息时代的核心元件。二氧化硅（光导纤维）用于通信领域，传输容量大、速度快、抗干扰。2.新型陶瓷：突破了传统硅酸盐体系的范畴，在组成、结构和性能上都有重大突破。（1）高温结构陶瓷：如氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）等，具有耐高温、抗氧化、耐磨损等特性，用于制造火箭发动机喷嘴、汽车发动机部件、切削刀具等。（2）压电陶瓷：如钛酸钡（BaTiO₃），能将机械能转化为电能，反之亦然。用于制造打火机点火元件、声呐系统、扬声器等。（3）透明陶瓷：如氧化铝透明陶瓷，具有优异的光学性能和耐高温性，用于制造高压钠灯灯管、导弹整流罩等。（4）超导陶瓷：在临界温度以下电阻为零的陶瓷材料，用于磁悬浮列车、核磁共振成像等领域。3.碳纳米材料：【热点与前沿】这是材料科学的前沿领域，主要由碳元素组成的具有纳米尺寸的材料。（1）富勒烯（C₆₀）：由60个碳原子构成的球形分子，形似足球，又称“足球烯”，开启了纳米材料科学的新纪元5。（2）碳纳米管：由石墨烯卷曲而成的管状结构，具有极高的强度和优异的导电、导热性能。（3）石墨烯：由单层碳原子构成的二维晶体，是目前已知强度最高、导电性最好的材料之一，在电池、显示屏、传感器等领域有广阔的应用前景5。四、学科思想与方法建构（一）“结构决定性质，性质决定用途”的认知模型本章充分体现了这一核心化学观念。晶体硅和金刚石的结构相似，因此都具有高硬度、高熔点的特性，但硅是半导体而金刚石是绝缘体，这与硅原子中电子能级的特殊性有关。二氧化硅的立体网状结构决定了它熔点高、硬度大，而这种结构中存在SiO键，使得其化学性质相对稳定，但能与破坏SiO键的物质（如HF、强碱、高温下的碳）反应。正是基于这些性质，二氧化硅被用作光导纤维、石英坩埚和建筑材料。（二）元素化合物的二维认知图（价类二维图）对于硅元素，可以从“物质类别”（纵坐标：单质、氧化物、酸、盐）和“元素价态”（横坐标：0、+4）两个维度来系统认识其转化关系。【非常重要】绘制并理解硅及其化合物的价类二维转化关系图：（1）单质硅（0价）处于中间位置。（2）向左/上/下可通过氧化反应（如与O₂、Cl₂反应）或歧化反应（实际不常见，主要是与碱反应生成+4价的硅酸盐和H₂）转化为+4价化合物。（3）二氧化硅（+4价）作为酸性氧化物，可与碱反应生成硅酸盐（+4价盐），也可与水（实际不反应，但可通过间接方法）生成硅酸（+4价酸）。（4）硅酸（+4价酸）可与碱反应生成硅酸盐，也可加热分解生成二氧化硅。（5）硅酸盐（+4价盐）可由可溶性硅酸盐与酸反应生成硅酸，或与更强的酸（如CO₂+H₂O）发生复分解反应（体现弱酸盐的性质）。【解题指导】掌握价类二维图，可以帮助我们预测物质的性质和可能的转化路径。例如，若要制备硅酸，我们可以从二氧化硅（氧化物）或硅酸盐（盐）出发，选择适当的反应。五、实验探究与考点透视（一）核心实验深度剖析【基础实验】1.硅酸的制备：向饱和Na₂SiO₃溶液中滴加稀盐酸，观察现象（生成白色胶状沉淀）。【思考】为何不用CO₂通入Na₂SiO₃溶液来证明碳酸酸性强于硅酸？这个实验是可行的，现象是生成白色胶状沉淀，证明有硅酸生成。但要注意，若CO₂过量，可能将生成的Na₂CO₌转化为NaHCO₃，但沉淀不会溶解，因为硅酸不溶于过量CO₂。【探究实验】2.“水玻璃”的阻燃性实验：将一块普通木材和一块用水玻璃浸泡后晾干的木材，分别放在酒精灯火焰上灼烧。观察发现，浸泡过的木材不易燃烧，且表面形成一层坚硬的外壳。【原理】水玻璃（Na₂SiO₃溶液）涂在木材表面，受热时水分蒸发，硅酸钠沉积在木材表面形成一层致密的玻璃状保护层，隔绝了空气，从而起到阻燃作用。（二）高频考点与解题策略【高频考点A】——SiO₂与NaOH、HF的反应及应用考查方式：选择题、填空题。解题要点：（1）明确SiO₂是酸性氧化物，能与碱反应，不能与酸反应（HF除外）。（2）试剂瓶的选用：盛放碱性溶液（如NaOH、Na₂SiO₃溶液）的瓶不能用玻璃塞，要用橡胶塞；盛放氢氟酸不能用玻璃瓶，要用塑料瓶。【例题】下列试剂能用带玻璃塞的玻璃瓶保存的是（）A.Na₂SiO₃溶液B.氢氟酸C.NaOH溶液D.浓硫酸【解析】Na₂SiO₃（A）和NaOH（C）溶液均呈碱性，会与玻璃中的SiO₂反应，使瓶塞粘连，不能用玻璃塞，应用橡胶塞。氢氟酸（B）会腐蚀玻璃，不能用玻璃瓶。浓硫酸（D）呈酸性，不与玻璃反应，可用玻璃塞。答案：D。【高频考点B】——硅酸盐的氧化物形式改写考查方式：填空题、推断题。解题步骤：第一步：将除O和H外的元素按金属活动性顺序（或书写顺序）排列，写出其氧化物形式（如K₂O、Na₂O、CaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂等）。第二步：根据原化学式中的原子个数，确定各氧化物的物质的量之比。第三步：如有H元素，最后以H₂O的形式补齐。【例题】将镁橄榄石（Mg₂SiO₄）改写为氧化物形式。【解析】金属氧化物为MgO，个数为2；非金属氧化物为SiO₂，个数为1。故改写为：2MgO·SiO₂。【高频考点C】——无机非金属材料在现代科技中的应用考查方式：结合最新科技成果（如诺贝尔奖、国家科技奖）的选择题。解题要点：准确记忆各种新型材料的核心用途。（1）芯片、太阳能电池→晶体硅（单质硅）5。（2）光导纤维→二氧化硅5。（3）干燥剂、催化剂载体→硅胶（硅酸干凝胶）。（4）阻燃剂、矿物胶→硅酸钠（水玻璃）。（5）制造发动机、切削刀具的高温结构陶瓷→氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）。（6）制造点火元件、声呐的压电陶瓷→钛酸钡（BaTiO₃）。（7）发现于1985年，形似足球的碳纳米材料→富勒烯（C₆₀）。（8）目前已知强度最大、导电性最好的二维材料→石墨烯35。【难点与易错点剖析】1.二氧化硅是酸性氧化物，但能与氢氟酸反应