高考化学一轮复习讲义 大单元三　第七章　第26讲　碳、硅　无机非金属材料

第26讲碳、硅无机非金属材料[复习目标]1.了解碳、硅及其化合物的组成和成键特点。2.了解碳、硅两种元素单质及其重要化合物的性质及应用，能用化学方程式表示其主要化学性质。3.了解无机非金属材料的组成、分类及其应用价值。考点一碳及其化合物1.碳族元素(1)碳、硅、锗、锡、铅均属于第ⅣA族元素，又称碳族元素，其价层电子排布式为ns2np2。(2)碳单质的存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为同素异形体。2.金刚石、石墨、C60的物理性质金刚石石墨C60晶体类型共价晶体混合型晶体分子晶体物理性质熔点高，硬度大，不导电熔点高，硬度小，能导电熔点低，不导电主要用途钻石制作，切割工具，钻探机的钻头等做电极、润滑剂、铅笔芯广泛应用于超导、医学领域3.CO2在自然界中的循环(1)CO2的主要来源：大量含碳燃料的燃烧。(2)自然界消耗CO2的主要反应：①溶于江水、海水中：CO2+H2O⥬H2CO3；②光合作用将CO2转化为O2；③岩石的风化：CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2。4.碳酸及碳酸盐(1)碳酸：二元弱酸、不稳定，易分解，酸性比苯酚、次氯酸强。(2)碳酸及碳酸根离子结构：H2CO3中，碳原子的杂化方式为sp2。H2CO3属于分子晶体。CO32-中，碳原子的杂化方式为sp2，CO3(3)碳酸的正盐和酸式盐的比较正盐(CO3酸式盐(HCO3溶解性只有钾、钠、铵盐可溶一般都可溶热稳定性正盐>酸式盐溶液pH同浓度：正盐>酸式盐相互转化CO32-HC1.金刚石、石墨、C60都是由碳元素组成的单质()2.水墨画可长久保存不变色是因为在常温下碳的化学性质不活泼()3.二氧化碳能使紫色石蕊溶液变红，说明二氧化碳具有酸性()4.低碳环保中的“碳”是指二氧化碳()5.石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应()6.向空气中排放二氧化碳会形成酸雨()7.向CaCl2溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失()8.向氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体()答案1.√2.√3.×4.√5.×6.×7.×8.√1.碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。下列关于纳米管说法不正确的是()A.纳米管孔径较大，可以掺杂各种金属原子，体现特殊的催化活性B.碳纳米管拥有极高的熔点C.纳米管是一种新型有机纳米材料D.纳米管可以由石墨烯在特定条件下卷曲而成答案C解析碳纳米管只由碳原子构成，属于单质，不是有机化合物，故C错误。2.(2025·南通二模)CO2捕集包括CO2的吸收和解吸两个过程。利用捕集的CO2合成碳酸二甲酯有助于实现碳中和。DEA[(C2H4OH)2NH]是一种CO2捕集剂。室温下，将CO2体积分数为15%(其余为N2)的混合气以一定流速通过装有一定量DEA溶液的捕集器(N2不被吸收)，被吸收后的混合气在出口处通过CO2含量检测装置，直至捕集剂吸收CO2达到饱和。将吸收CO2饱和后的捕集器在120℃下充分加热，实现CO2解吸和捕集剂的再生。DEA吸收CO2的过程如图所示。(1)能说明DEA吸收CO2达到饱和的依据是。

(2)写出CO2解吸时发生反应的离子方程式：。

(3)衡量不同捕集剂的优劣，不仅需要比较捕集剂的成本、对环境的影响及单位物质的量的捕集剂吸收CO2的快慢和多少外，还需要进行比较的因素为(写一条)。

答案(1)出口处气体中CO2体积分数为15%(2)(C2H4OH)2NCOO-+(C2H4OH)2NH2+→2(C2H4OH)2NH+CO2↑(3)捕集剂解吸CO2的效率(或释放CO2解析(1)如果DEA吸收CO2达到饱和，则混合气体中CO2的体积分数在通过DEA溶液前后不变，则能说明DEA吸收CO2达到饱和的依据是出口处气体中CO2体积分数为15%。(3)根据题意，捕集剂吸收CO2达到饱和后，将吸收CO2饱和后的捕集器在120℃下充分加热，实现CO2解吸和捕集剂的再生，则衡量不同捕集剂的优劣，还需要进行比较的因素为捕集剂解吸CO2的效率或释放CO2的速率和程度。考点二硅及其化合物硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。1.硅和二氧化硅的物理性质硅单质二氧化硅物理性质共价晶体：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性共价晶体：熔点高，硬度大，难溶于水用途半导体材料、太阳能电池、计算机芯片和耐酸设备等光导纤维、光学仪器等2.硅酸钠(1)硅酸盐大多数不溶于水，但硅酸钠是白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，显碱性。(2)硅酸钠能与酸性比硅酸强的酸反应，写出水溶液中相应的化学方程式。与盐酸反应：Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓。与少量CO2反应：Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3↓。(3)用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。3.硅及其化合物的转化关系完成图中序号对应的化学方程式：①Si+4HF=SiF4↑+2H2↑；②SiO2+2CSi+2CO↑；③SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O；④SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑、SiO2+CaOCaSiO3；⑤SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O(可用于刻蚀玻璃)。1.硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应()2.工业上制取粗硅的反应是SiO2+CSi+CO2↑()3.晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料()4.非金属性：C>Si，则热稳定性：CH4>SiH4()5.SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸()6.SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃()7.石英是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能()8.因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸酸性比碳酸强()9.硅酸钠的水溶液俗称“水玻璃”，是一种建筑行业常用的黏合剂()10.向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶()11.将稀盐酸滴入硅酸钠溶液中，振荡，观察现象；非金属性：Cl>Si(2025·扬州中学2月月考)()12.SiO2(s)H2SiO3(s)Na2SiO3(aq)能一步转化实现(2025·盐城中学月考)()13.H2SiO3SiO2SiCl4能一步转化实现(2025·盐城期中)()14.CaCl2CaCO3CaSiO3能一步转化实现(2025·丹阳高级中学期中)()答案1.×2.×3.×4.√5.×6.√7.×8.×9.√10.√11.×12.×13.×14.×考点三无机非金属材料1.传统无机非金属材料——常见硅酸盐材料硅酸盐材料水泥普通玻璃陶瓷生产原料石灰石、黏土纯碱、石灰石、石英砂黏土主要设备水泥回转窑玻璃窑陶瓷窑玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑；CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。2.新型无机非金属材料(1)新型陶瓷，如SiC、BN、Si3N4、Al2O3等。(2)碳纳米材料①类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。②用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。(3)特殊功能的含硅材料①碳化硅为共价晶体，具有类似金刚石的结构，可用作磨料。②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。1.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐()2.碳化硅俗称金刚砂，它可用于高温结构陶瓷的制作()3.压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化()4.石墨烯的电阻率低，热导率也低()5.冰壶主材料花岗岩属于无机非金属材料(2022·辽宁，1A)()6.钢化玻璃与普通玻璃的主要成分不同()7.玻璃是一种晶体，有较高的熔点()8.水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱()9.玻璃钢是以玻璃纤维作增强体、合成树脂作基体的复合材料()10.水泥、玻璃、青花瓷、水晶、玛瑙都属于硅酸盐工业产品()11.氮化硅陶瓷和氮化铝陶瓷均为新型无机非金属材料()12.光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为SiO2()13.烧制陶器的主要原料为黏土、石灰石和石英砂()14.硼硅玻璃中含有的Na2O·B2O3·SiO2是一种复杂的氧化物()答案1.×2.√3.√4.×5.√6.×7.×8.×9.√10.×11.√12.√13.×14.×1.(2025·云南，7)稻壳制备纳米Si的流程图如下。下列说法错误的是()A.SiO2可与NaOH溶液反应B.盐酸在该工艺中体现了还原性C.高纯Si可用于制造硅太阳能电池D.制备纳米Si：SiO2+2MgSi+2MgO答案B解析SiO2是酸性氧化物，与NaOH溶液反应生成Na2SiO3和H2O，A正确；盐酸参与的反应为MgO+2HCl=MgCl2+H2O，该反应是非氧化还原反应，盐酸只体现酸性，B错误；SiO2和Mg在650℃条件下发生置换反应得到MgO和纳米Si，反应的化学方程式为SiO2+2MgSi+2MgO，D正确。2.(2023·湖北，3)工业制备高纯硅的主要过程如下：石英砂粗硅SiHCl3高纯硅下列说法错误的是()A.制备粗硅的反应方程式为SiO2+2CSi+2CO↑B.1molSi含Si—Si的数目约为4×6.02×1023C.原料气HCl和H2应充分去除水和氧气D.生成SiHCl3的反应为熵减过程答案B解析在晶体硅中，每个Si与其周围的4个Si形成共价键并形成空间网状结构，因此，平均每个Si形成2个共价键，1molSi含Si—Si的数目约为2×6.02×1023，B说法错误；SiHCl3易水解，氢气中混有氧气易爆炸，原料气HCl和H2应充分去除水和氧气，C说法正确；Si+3HClSiHCl3+H2，该反应是气体分子数减少的反应，因此，生成SiHCl3的反应为熵减过程，D说法正确。3.[2025·江苏，16(1)]海洋出水铁质文物表面有凝结物，研究其形成原理和脱氯方法对保护文物意义重大。文物出水清淤后，须尽快浸泡在稀NaOH或Na2CO3溶液中进行现场保护。①玻璃中的SiO2能与NaOH反应生成(填化学式)，故不能使用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放NaOH溶液。

②文物浸泡在碱性溶液中比暴露在空气中能减缓吸氧腐蚀，其原因有。

答案①Na2SiO3②碱性环境抑制吸氧腐蚀正极反应的进行，反应速率减慢；碱性溶液中O2溶解度减小，减少文物与O2的接触，减缓吸氧腐蚀解析①二氧化硅为酸性氧化物，能与NaOH反应生成Na2SiO3和H2O，Na2SiO3水溶液具有黏合性，因此不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放NaOH溶液。课时精练[分值：100分](1~11题，每小题7分)1.(2026·南通开学考)制造5G芯片的氮化铝属于()A.金属材料 B.无机非金属材料C.复合材料 D.有机高分子材料答案B解析B项，氮化铝是一种新型陶瓷材料，属于无机非金属材料，正确。2.(2025·江苏各地模拟重组)下列叙述正确的是()①“C919”大飞机使用的氮化硅陶瓷属于传统硅酸盐材料②“天和”核心舱电推进系统中的霍尔推力器腔体使用的氮化硼陶瓷属于新型无机非金属材料③“神舟十三号”宇宙飞船返回舱所用高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料④相控阵雷达使用的碳化硅陶瓷属于新型有机材料A.①④ B.②③ C.①③ D.②④答案B解析氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、高温结构陶瓷、碳化硅陶瓷都属于新型无机非金属材料。3.下列说法正确的是()A.单晶硅熔点高，因此可用作半导体材料[2025·泰州期末]B.量子计算机“悟空”面世，其传输信号的光纤主要成分为SiO2[2025·盐城期末]C.“玉兔二号”月球车首次实现在月球背面着陆，其太阳能电池帆板的主要材料是SiO2[2025·海安高级中学12月月考]D.“天问一号”选择使用新型SiC增强铝基复合材料的主要依据是其导电性好[2025·无锡期末]答案B解析A项，单晶硅用作半导体材料是因为其导电特性，错误；C项，太阳能电池帆板的主要材料是Si，错误；D项，“天问一号”选择使用新型SiC增强铝基复合材料的主要依据是其硬度大，熔、沸点高，错误。4.(2025·扬州中学月考)通过SiHCl3+H2Si+3HCl可获取晶体硅。下列说法正确的是()A.Si原子的结构示意图为B.SiHCl3的电子式为C.该反应属于置换反应D.HCl属于离子化合物答案C解析A项，Si原子的结构示意图为，错误；B项，Cl原子应满足8电子稳定结构，其电子式为，错误；C项，该反应由单质和化合物反应生成另一单质和另一化合物，属于置换反应，正确；D项，氯化氢中氢原子与氯原子通过共用电子对结合，只含共价键，属于共价化合物，错误。5.(2021·湖北，1)“碳中和”有利于全球气候改善。下列有关CO2的说法错误的是()A.CO2是V形的极性分子B.CO2可催化还原为甲酸C.CO2晶体可用于人工增雨D.CO2是侯氏制碱法的原料之一答案A解析CO2中C采取sp杂化，空间结构为直线形，CO2是非极性分子，A项错误；CO2在电催化下与氢气反应可以降低碳的化合价，生成一系列化合物，如CH4、CH2=CH2、CH3OH、HCOOH等，B项正确；干冰气化时吸收大量热量，使水蒸气液化而增雨，C项正确；侯氏制碱法的化学反应原理是NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl，2NaHCO3Na2CO3+CO2↑+H2O，D项正确。6.(2022·河北，1)定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是()A.传统陶瓷是典型的绝缘材料B.陶瓷主要成分为SiO2和MgOC.陶瓷烧制的过程为物理变化D.白瓷的白色是因铁含量较高答案A解析陶瓷是良好的绝缘体，传统陶瓷是典型的绝缘材料，A正确；陶瓷的主要成分为硅酸盐，而不是SiO2和MgO，B错误；陶瓷烧制过程发生复杂的化学反应，有新物质生成，属于化学变化，C错误；由于Fe2+、Fe3+和铁的氧化物均有颜色，故陶瓷中含铁量越高，陶瓷的颜色越深，白瓷的白色是因为铁含量较低甚至几乎不含，D错误。7.碳化硅(SiC)晶体结构与金刚石相似，且碳原子和硅原子的位置是交替的。下列说法错误的是()A.碳化硅的熔点低于金刚石B.碳化硅熔化时破坏共价键C.晶体中所含化学键均为非极性键D.晶体中所有原子均采取sp3杂化答案C解析碳化硅(SiC)晶体结构与金刚石相似，二者均为共价晶体，金刚石中C—C键长更短、键能更大，故熔点高于SiC，A正确；碳化硅(SiC)晶体结构与金刚石相似，二者均为共价晶体，共价晶体熔化时需破坏共价键，B正确；Si—C为极性共价键，因此碳化硅晶体中存在极性键，C错误；金刚石中C原子均以单键相连，形成空间网状结构，碳原子为sp3杂化，SiC结构类似，故晶体中所有原子均采取sp3杂化，D正确。8.下列有关说法或判断正确的是()A.石英坩埚耐高温，可用于加热熔化纯碱、烧碱等固体B.高纯硅制成的太阳能电池可将太阳能转化为电能C.单晶硅芯片的主要成分不会被任何酸腐蚀D.因为Si的熔点高、硬度大，所以利用Si制作各种芯片答案B解析石英的主要成分是SiO2，高温条件下，该物质能与烧碱、纯碱反应，不能用来加热熔化烧碱、纯碱等固体，A错误；硅单质具有良好的半导体性能，高纯硅制成的太阳能电池可将太阳能直接转化为电能，B正确；硅能与氢氟酸反应生成四氟化硅和氢气，C错误；Si的导电性介于导体与绝缘体之间，是良好的半导体材料，可用于制作各种芯片，与Si的硬度和熔点无关，D错误。9.我国在航空航天、通信、环保等领域取得了举世瞩目的成就。下列说法正确的是()A.富勒烯、石墨烯和碳纳米管等碳纳米材料均属于新型无机非金属材料B.Si3N4俗称金刚砂，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料C.“神舟十四号”载人飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐D.二氧化硅常被用于制造光缆，是由于其导电能力强答案A解析富勒烯、石墨烯和碳纳米管都是由碳元素组成的单质，均属于新型无机非金属材料，A项正确；碳化硅俗称金刚砂，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料，B项错误；高温结构陶瓷的主要成分是氮化硅等，属于新型无机非金属材料，C项错误；二氧化硅不导电，可用于制造光缆是由于其能够传导光信号，D项错误。10.H2SO4-SiO2法生产多晶硅的流程如下。下列说法错误的是()A.合成1反应中H2作氧化剂B.合成2的反应为SiF4+NaAlH4=SiH4+NaAlF4C.上述流程说明SiO2可溶于H2SO4D.净化、热解中生成的多晶硅为还原产物答案C解析合成1中发生反应：Na+Al+2H2=NaAlH4，合成2中发生反应：NaAlH4+SiF4=SiH4+NaAlF4，合成1中H由0价变为-1价，化合价降低，氢气作氧化剂，故A、B正确；合成3中NaAlF4与硫酸反应生成HF，HF与二氧化硅反应生成SiF4，因此题中不能说明二氧化硅可溶于硫酸，故C错误；SiH4分解为晶体硅和氢气，根据电负性分析，氢的电负性强于硅，硅元素显+4价，化合价降低，因此晶体硅为还原产物，故D正确。11.在20世纪90年代末，科学家发现碳有新的单质形态C60存在。后来人们又相继得到了C70、C76、C84、C90、C94等另外一些球碳分子。21世纪初，科学家又发现了管状碳分子和洋葱状碳分子，大大丰富了碳元素单质的家族。下列有关碳元素单质的说法错误的是()A.金刚石和石墨的熔点肯定比C60高B.熔点：C60<C70<C90C.球碳分子、管状碳分子和洋葱状碳分子都不能与O2发生反应D.金刚石以非分子形式的粒子存在，属于共价晶体；C60、C70、管状碳分子和洋葱状碳分子以分子形式的粒子存在，属于分子晶体；这些碳单质互为同素异形体答案C解析金刚石属于共价晶体，石墨属于混合型晶体，C60属于分子晶体，因此金刚石和石墨的熔点肯定比C60高，故A正确；分子晶体的相对分子质量越大，熔点越高，因此熔点：C60<C70<C90，故B正确。12.(5分)(2025·江苏各地