高中化学必修第二册 无机非金属材料 知识清单

高中化学必修第二册无机非金属材料知识清单【学科导读】本部分内容属于《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中“常见的无机物及其应用”与“化学与社会发展”两大主题的交叉融合点。学习时需建立“结构决定性质，性质决定用途”的核心思维模型，并关注材料科学对社会发展的巨大推动作用。本章节内容在高考中通常以选择题形式出现，分值占比虽不大，但属于高频考点，侧重考查经典无机非金属材料（硅酸盐）与新型无机非金属材料的组成、特性及应用，强调化学与STSE（科学、技术、社会、环境）的紧密联系。一、★【基础】硅元素的自然存在与原子结构（一）【基础】硅元素的位置与含量硅元素位于元素周期表的第三周期、第ⅣA族。它是地壳中含量第二高的元素（仅次于氧），在地壳中的质量分数约为26.3%。硅是一种典型的亲氧元素，因此在自然界中不存在游离态（单质）的硅，它总是以熔点很高的氧化物（如二氧化硅）或复杂的硅酸盐形式存在于岩石、沙砾和土壤之中。地壳质量的90%以上由二氧化硅和硅酸盐构成。（二）【基础】硅原子的结构特征硅原子最外层有4个电子，既不容易完全失去电子，也不容易完全得到电子，在化学反应中主要形成共价键，生成+4价的化合物。这一结构特征决定了硅单质及其化合物的独特性质，特别是其介于金属和非金属之间的“半金属”特性，为硅作为半导体材料奠定了理论基础。二、★【基础】二氧化硅（SiO₂）（一）【重要】结构与物理性质二氧化硅具有空间立体网状结构，每个硅原子周围通过共价键连接4个氧原子，每个氧原子连接2个硅原子，形成无限延伸的[SiO₄]四面体结构单元。这种结构决定了其物理性质：熔点极高（>1600℃）、硬度大（石英的莫氏硬度为7）、不溶于水。天然存在的二氧化硅统称为硅石，常见的结晶形态有水晶（无色透明）、玛瑙（彩色环状）、石英等。（二）【高频考点】化学性质二氧化硅是酸性氧化物，但具有一些特殊的化学性质，这是考试中的易错点。1.与碱反应（【重点】）SiO₂作为酸性氧化物，能与强碱反应生成盐和水。这是其碱性氧化物属性的体现，但反应速度较慢。化学方程式：SiO₂+2NaOH→Na₂SiO₃+H₂O【易错警示】实验室盛放碱性溶液的试剂瓶必须使用橡胶塞或软木塞，不能用磨口玻璃塞。因为玻璃中含有SiO₂，与碱反应生成的Na₂SiO₃（水玻璃）具有黏性，会使瓶塞与瓶口粘连在一起，无法打开。2.与氢氟酸反应（特性反应）这是SiO₂区别于其他酸性氧化物的最显著特性。化学方程式：SiO₂+4HF→SiF₄↑+2H₂O【高频考点】这一性质在生产和实验中有两大重要应用：其一，氢氟酸（HF）能腐蚀玻璃，因此可用氢氟酸来雕刻玻璃或标记刻度；其二，氢氟酸不能盛放在玻璃试剂瓶中，必须使用塑料瓶。3.与碱性氧化物反应（高温条件）SiO₂在高温下能与碱性氧化物如氧化钙（CaO）反应，生成相应的硅酸盐。化学方程式：SiO₂+CaO—（高温）→CaSiO₃这是工业生产玻璃和水泥过程中的核心化学反应之一。4.弱氧化性在高温条件下，SiO₂能被碳等还原剂还原，用于制取粗硅。化学方程式：SiO₂+2C—（高温）→Si（粗硅）+2CO↑（三）【高频考点】用途二氧化硅的用途与其性质紧密相关：①光导纤维：纯净的SiO₂是制造光导纤维（光纤）的主要原料，利用的是其良好的导光性。【特别注意】光导纤维的主要成分是SiO₂，不是硅单质，这是高考选择题中的常见混淆项。②建筑材料：石英砂可用作建筑材料或玻璃原料。③光学仪器：石英可用于制造石英钟表、石英坩埚等。④饰品：水晶、玛瑙可用于制作工艺品和饰品。三、硅酸（H₂SiO₃）与硅酸盐（一）硅酸（H₂SiO₃）1.【基础】性质：硅酸是一种白色胶状沉淀，难溶于水，其酸性很弱，甚至比碳酸的酸性还弱（酸性：H₂CO₃>H₂SiO₃）。2.【重要】制备方法由于SiO₂不溶于水，不能直接用水与SiO₂反应制取硅酸，必须通过可溶性硅酸盐与酸反应。化学方程式：Na₂SiO₃+2HCl→H₂SiO₃↓+2NaCl也可向硅酸钠溶液中通入CO₂气体（利用强酸制弱酸原理）：Na₂SiO₃+CO₂+H₂O→H₂SiO₃↓+Na₂CO₃（若CO₂过量：Na₂SiO₃+2CO₂+2H₂O→H₂SiO₃↓+2NaHCO₃）3.【拓展】硅胶：硅酸在浓度较大时易形成凝胶，将硅酸凝胶干燥脱水后得到的多孔性固体称为“硅胶”。硅胶具有很强的吸水性，常用作实验室和食品包装中的干燥剂，也可用作催化剂的载体。（二）硅酸盐1.【基础】定义与存在：硅酸盐是由硅、氧和金属元素（如铝、钠、钾、镁、钙等）组成的化合物的总称。结构复杂，化学性质稳定，是构成地壳岩石、土壤和许多矿物的主要成分。2.【重要】硅酸钠（Na₂SiO₃）这是硅酸盐中最常见的可溶性盐，俗称“泡花碱”。其水溶液俗称“水玻璃”，是一种矿物胶，具有黏结力强、耐酸（氢氟酸除外）、耐热、不燃烧等特点。【用途】用作肥皂的填料、木材的防火剂（浸渍木材后能防火）、纸张的防水剂、黏合剂等。3.【难点】硅酸盐的氧化物表示法硅酸盐的组成复杂，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。例如：①硅酸钠（Na₂SiO₃）表示为：Na₂O·SiO₂②高岭石[Al₂(Si₂O₅)(OH)₄]表示为：Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O③长石（KAlSi₃O₈）表示为：K₂O·Al₂O₃·6SiO₂四、★★【热点】传统无机非金属材料（硅酸盐材料）传统无机非金属材料主要是指以硅酸盐为主要成分的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥三大类。这是高考中结合生产生活实际考查的重点。（一）玻璃1.生产原料：纯碱（Na₂CO₃）、石灰石（CaCO₃）、石英砂（SiO₂）。2.生产设备：玻璃窑。3.核心化学反应（【高频考点】）：①Na₂CO₃+SiO₂—（高温）→Na₂SiO₃+CO₂↑②CaCO₃+SiO₂—（高温）→CaSiO₃+CO₂↑4.主要成分：普通玻璃的主要成分是硅酸钠（Na₂SiO₃）、硅酸钙（CaSiO₃）和过量的二氧化硅（SiO₂）熔合在一起形成的玻璃态物质，通常可用氧化物形式表示为：Na₂O·CaO·6SiO₂。5.【特点】玻璃不是晶体，没有固定的熔点，在某一温度范围内逐渐软化。（二）水泥1.生产原料：主要原料为黏土（提供硅、铝）和石灰石（提供氧化钙），并加入适量的石膏作为缓凝剂。2.生产设备：水泥回转窑。3.主要成分：硅酸三钙（3CaO·SiO₂）、硅酸二钙（2CaO·SiO₂）、铝酸三钙（3CaO·Al₂O₃）。4.【重要】特性：水泥具有典型的水硬性，不仅能与空气中的水反应而硬化，在水中也能硬化，因此被广泛用于建筑、水利等工程。（三）陶瓷1.生产原料：黏土（主要成分为含水的铝硅酸盐）。2.生产过程：混合、成型、干燥、烧结、冷却。3.性质：抗氧化、耐酸碱腐蚀、耐高温、绝缘。4.【文化拓展】陶瓷是中华民族对世界文明的伟大贡献之一，China既指中国，也指瓷器。五、★★【热点】新型无机非金属材料随着科技发展，传统硅酸盐材料已不能满足尖端技术的需求。新型无机非金属材料成为高考命题中体现“化学前沿”的载体。（一）新型陶瓷1.高温结构陶瓷（如氮化硅Si₃N₄）：①特性：硬度极高、耐磨损、抗热震、在高温下仍具有高强度。②制备：3Si+2N₂—（高温）→Si₃N₄③用途：制造汽车发动机部件、汽轮机叶片、轴承、切削刀具等。2.压电陶瓷（如钛酸钡）：①特性：具有压电效应（受压产生电流，通电产生形变）。②用途：电子打火机、声呐系统、扬声器等。3.透明陶瓷（如氧化铝陶瓷）：①特性：不仅透明，且熔点高、强度大。②用途：高压钠灯灯管、导弹整流罩等。（二）碳纳米材料这是近年来材料科学的研究热点，也是新教材中补充的重要内容。1.【基础】富勒烯（C₆₀）：由碳原子构成的一系列笼状分子的总称，形似足球，开启纳米材料研究的新时代。2.【重要】碳纳米管：由石墨烯卷成的管状结构，具有极高的强度（理论上强度是钢的100倍）和优异的导电、导热性能，可用于复合材料、纳米电子器件等。3.【热点】石墨烯：只有一个碳原子厚度的二维材料，是目前已知强度最高、导电导热性能最好的材料之一，在触摸屏、电池电极、超级电容器等领域具有广阔的应用前景。【易错提醒】碳纳米材料的主要成分是碳单质，因此属于无机非金属材料，而非有机材料。（三）光导纤维1.【重要】主要成分：二氧化硅（SiO₂）。2.原理：利用光在光纤中发生全反射原理进行信号传输。3.优点：信息容量大、抗干扰性能好、传输速度快、保密性强。4.【易错辨析】“光纤”传输的是光信号，主要材料是SiO₂；“芯片”处理的是电信号，主要材料是晶体硅（Si）。两者不能混淆。六、【难点与易错点】核心化学反应与工业制备流程（一）高纯硅的制备（工业流程题高频素材）工业上利用二氧化硅制备高纯硅的过程涉及三步核心反应，每一步都有特定的考查点。第一步：粗硅的制取（在电弧炉中进行）SiO₂+2C—（高温）→Si（粗硅）+2CO↑【考点】此反应中，碳作还原剂，得到的硅纯度约为97%，称为粗硅。第二步：粗硅转化为四氯化硅（或三氯氢硅）Si（粗硅）+2Cl₂—（高温）→SiCl₄或者：Si+3HCl—（高温）→SiHCl₃+H₂【考点】这一步的目的是将固体粗硅转化为易挥发、易于提纯的液体或气体化合物（SiCl₄沸点低，便于蒸馏提纯）。第三步：高纯硅的还原SiCl₄+2H₂—（高温）→Si（高纯）+4HCl或者：SiHCl₃+H₂—（高温）→Si（高纯）+3HCl【考点】利用氢气还原，得到纯度极高的电子级硅（纯度高达99.%以上）。整个制备过程体现了物质转化和分离提纯的化学思想。（二）性质“反常”与易错辨析1.【易错点】“硅是良好的半导体，所以二氧化硅也是半导体。”【辨析】错误。单晶硅是半导体，但二氧化硅是绝缘体。2.【易错点】“二氧化硅既能与氢氟酸反应，又能与氢氧化钠反应，所以二氧化硅是两性氧化物。”【辨析】错误。两性氧化物是指既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物。SiO₂与HF反应生成的不是盐和水（生成SiF₄气体和水），SiF₄不属于盐类。因此，SiO₂不属于两性氧化物，只是特性反应。3.【易错点】“SiO₂溶于水生成硅酸，因此可用SiO₂与水反应制备硅酸。”【辨析】错误。SiO₂不溶于水，也不与水反应。4.【易错点】“玻璃瓶盛装NaOH溶液，瓶口用玻璃塞还是橡胶塞？”【辨析】用橡胶塞。NaOH会与玻璃中的SiO₂反应生成黏性的Na₂SiO₃。七、【解题指导】考点、考向与题型分析（一）常见考查方式本部分内容的考查以选择题为主，偶尔在工艺流程题或综合填空题中作为某一小问出现。选择题通常有以下几种设问方式：①“下列有关无机非金属材料的说法正确的是/错误的是”②“下列物质的主要成分不属于硅酸盐的是”③“下列材料中，其主要成分与光导纤维相同的是”④结合化学与生活，判断物质用途是否正确。（二）【高频考点】核心考点归纳1.物质成分辨析：水晶、石英、玛瑙、光导纤维（主要成分均为SiO₂）；芯片、太阳能电池、计算机存储器（主要成分为Si）；水玻璃、泡花碱（主要成分为Na₂SiO₃溶液）。2.性质与用途对应关系：SiO₂导光性（光纤）vsSi导电性（半导体）。3.特性反应：HF能腐蚀SiO₂。4.传统材料原料：水泥（石灰石+黏土）、玻璃（纯碱+石灰石+石英砂）、陶瓷（黏土）。5.新材料名称：氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC，金刚砂）、石墨烯、富勒烯。（三）【重要】解题三步法第一步：审题定位——明确题目问的是“硅单质”、“二氧化硅”还是“硅酸盐材料”。第二步：性质回溯——在脑海中快速调取该物质对应的物理性质、化学特性（特别是特性反应）。第三步：辨析排除——重点关注选项中的“张冠李戴”（如把SiO₂的用途安在Si上）和“概念混淆”（如两性氧化物的误判）。（四）典型例题思维【例题】下列说法正确的是（）A.二氧化硅溶于水显酸性B.光导纤维的主要成分是硅单质C.水泥和陶瓷的生产原料中都有黏土D.高纯硅可用于制作光导纤维【思维路径】A：SiO₂不溶于水，也不与水反应，错误。B：光导纤维是SiO₂，硅单质是芯片材料，张冠李戴，错误。D：光导纤维是SiO₂，高纯硅用于半导体，再次混淆，错误。C：水泥原料：石灰石+黏土；陶瓷原料：黏土。二者都有黏土，正确。八、【学科素养拓展】跨学科视野下的无机非