高考化学一轮复习 讲义 第五章　第21讲　碳、硅　无机非金属材料（基础版）

第21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()7.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.√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.我国倡导低碳生活，减少二氧化碳的排放，“碳捕捉技术”可实现二氧化碳的分离、储存和利用。实际生产中，常利用NaOH溶液来“捕捉”CO2，其工艺流程如图所示(部分条件及物质未标出)，下列说法正确的是()A.CO2是引起酸雨的主要物质之一B.整个过程中，只有CO2可循环利用C.能源消耗低是该技术的一大优点D.该生产过程中，没有涉及氧化还原反应答案D解析酸雨是氮氧化物、二氧化硫的排放引起的，与二氧化碳无关，故A错误；由图可知，CaO、氢氧化钠等均可以循环利用，故B错误；高温反应炉需要消耗大量的能量，能量消耗较高，故C错误；由流程图可知，该过程中主要涉及CO2和NaOH的反应，CaO和水的反应，氢氧化钙和碳酸钠的反应及碳酸钙的分解等，均没有涉及到氧化还原反应，故D正确。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.晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料()2.非金属性：C>Si，则热稳定性：CH4>SiH4()3.SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸()4.SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃()5.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()6.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()7.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()8.向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶()答案1.×2.√3.×4.√5.×6.×7.√8.√1.下列判断或说法正确的是()A.如图探究醋酸、碳酸、硅酸酸性的相对强弱B.二氧化硅是酸性氧化物，因此能与水反应生成硅酸C.2mL5mol·L-1的硅酸钠溶液和盐酸反应后制得硅酸胶体，胶粒数为0.01NA(NA为阿伏加德罗常数的值)D.实验室制硅酸流程：SiO2Na2SiO3H2SiO3答案D解析醋酸是挥发性酸，醋酸和碳酸钠反应生成的二氧化碳中含有醋酸，因此不能确定是碳酸还是醋酸与硅酸钠反应，不能达到实验目的，A错误；二氧化硅是酸性氧化物，但是二氧化硅不溶于水，与水不反应，B错误；胶体为粒子集合体，即2mL5mol·L-1的硅酸钠溶液和盐酸反应后制得的硅酸胶体的胶粒数小于0.01NA，C错误；SiO2与NaOH溶液反应生成Na2SiO3溶液，向Na2SiO3溶液中通入足量CO2，可得白色沉淀H2SiO3，D正确。2.纯二氧化硅可用下列流程制得。下列说法不正确的是()A.X可用作木材防火剂B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4=H2SiO3↓+Na2SO4C.步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2来代替D.SiO2既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，所以SiO2是两性氧化物答案D解析碳酸、硫酸的酸性都强于硅酸，能够与硅酸钠溶液反应生成硅酸，B、C正确；SiO2既能和NaOH溶液反应又能和氢氟酸反应，但与氢氟酸反应的生成物不是盐，所以二氧化硅不是两性氧化物，而是酸性氧化物，D不正确。3.实验室用H2还原SiHCl3(沸点：31.85℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法正确的是()A.装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓H2SO4、冰水B.实验时，应先加热管式炉，再打开活塞KC.为鉴定制得的硅中是否含微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、硫氰化钾溶液D.该实验中制备氢气的装置也可用于稀氢氧化钠溶液与氯化铵固体反应制备氨答案C解析反应H2+SiHCl3Si+3HCl应在装置Ⅳ中进行，装置Ⅰ的目的是制备氢气，氢气中含有水蒸气，对后续实验产生干扰，必须除去，因此装置Ⅱ的作用是除去氢气中的水蒸气，即装置Ⅱ中盛放浓硫酸，装置Ⅲ的作用是提供SiHCl3气体，因此需在水浴中加热，A错误；实验时应先通入氢气，目的是排出装置中的空气，防止发生危险，B错误；硅单质不与盐酸反应，铁与盐酸反应生成Fe2+，Fe2+被H2O2氧化成Fe3+，Fe3+与KSCN溶液反应，溶液变红色，可以鉴定是否含有铁单质，C正确；用稀NaOH溶液制备氨，需要加热，装置Ⅰ中没有加热装置，且NH4Cl固体不是块状固体，因此不能用该装置制备氨，D错误。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黏土、石灰石纯碱、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()答案1.×2.√3.√4.×5.√6.×7.×8.×9.√10.×11.√12.√1.(2024·江西，1)景德镇青花瓷素有“国瓷”的美誉。以黏土为原料，用含钴、铁的颜料着色，上釉后一次性高温烧制而成的青蓝色彩瓷。下列关于青花瓷说法正确的是()A.青蓝色是由于生成了单质钴B.表面的釉属于有机高分子膜C.主要成分为铝硅酸盐D.铁元素的存在形式只有Fe2O3答案C解析青花瓷经高温烧制而成，不会生成钴单质，A项错误；表面的釉为无机物，B项错误；陶瓷的主要成分为铝硅酸盐，C项正确；青花瓷为青蓝色，不能确定铁元素的存在形式，D项错误。2.(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。3.(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。课时精练[分值：100分](1～8题，每小题6分，9～12题，每小题7分)1.(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。2.(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。3.(2025·济南期末)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。4.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。5.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。6.“千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金。”诗句中的“沙”的主要成分是SiO2，下列说法错误的是()A.“从沙滩到用户”这句话涉及工业上制备粗硅的工艺B.“水玻璃”可以由SiO2与NaOH溶液反应制得C.SiO2是制取传统硅酸盐产品玻璃的原料之一D.SiO2属于酸性氧化物，不与任何酸反应答案D解析SiO2属于酸性氧化物，但是可以和HF反应，D错误。7.陶瓷是以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料，经高温烧结而成。唐三彩是我国古代陶瓷中的艺术瑰宝，利用X射线衍射实验测得某“唐三彩陶瓷残片”和“现代陶瓷碎片”的釉料中部分成分及含量数据如下表所示。下列说法错误的是()釉料成分质量分数/%SiO2K2OFe2O3MnOPbO唐三彩陶瓷残片28.050.3410.810.0846.56现代陶瓷碎片29.740.404.220.0551.42A.现代陶瓷是一种耐高温、耐腐蚀的金属材料B.唐三彩烧制过程中发生了复杂的物理和化学变化C.X射线衍射实验可用于鉴定陶瓷类文物的真伪D.唐三彩的绚丽色彩与釉料的组成及各组分的含量有关答案A解析现代陶瓷是一种耐高温、耐腐蚀的无机非金属材料，A符合题意；X射线衍射实验可对晶体结构进行测定，也可通过测定相同组分的含量作为识别真伪的重要参考依据，C不符合题意；釉料中不同金属氧化物成分(如Fe2O3、MnO等)的含量不同，在烧制后呈现不同颜色，D不符合题意。8.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。9.水玻璃(Na2SiO3溶液)广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。如图是用稻壳灰(SiO2：65%～70%、C：30%～35%)制取水玻璃的工艺流程：下列说法正确的是()A.原材料稻壳灰价格低廉，且副产品活性炭有较高的经济价值B.操作A与操作B完全相同C.该流程中硅元素的化合价发生改变D.反应器中发生的反应为氧化还原反应答案A解析操作A为过滤、操作B为蒸发浓缩，是两种不同的操作，B错误；二氧化硅和硅酸钠中硅元素的化合价均是+4价，所以该流程中硅元素的化合价没有发生改变，C错误；反应器中发生的反应为SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O，此反应不属于氧化还原反应，D错误。10.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