2020版高考化学（经典版）一轮复习教师用书：第四章第1节碳、硅及无机非金属材料

第1节　碳、硅及无机非金属材料

[考试说明]　1.了解碳、硅单质及其化合物的主要性质及应用。2.了解碳、硅及其化合物对环境质量的影响。3.了解常见无机非金属材料的性质和用途。

[命题规律]　碳、硅及其化合物的性质是高考的常考点，其考查方式有：结合原子结构、元素周期律以选择题型考查碳、硅及其化合物的性质及应用；以新材料、新技术为背景结合工艺流程图以填空题型考查碳、硅的化合物的性质及应用等。

考点1　碳、硅单质及其氧化物的性质

知识梳理

1.碳单质的存在、性质和用途

2．硅单质的存在、性质和制备

(1)存在、结构及物理性质

(2)化学性质

硅的化学性质不活泼，常温下不能被浓硫酸、浓硝酸等强氧化剂氧化，只能与F2、氢氟酸、强碱溶液反应；在加热条件下，能与O2、Cl2等少数非金属单质化合。

写出下列相关反应的化学方程式：

(3)工业制备

反应原理：①制粗硅SiO2＋2CSi＋2CO↑，

②粗硅的提纯Si＋2Cl2SiCl4、SiCl4＋2H2Si＋4HCl。

3．碳和硅的氧化物

(1)一氧化碳

CO是无色无味的有毒气体，不溶于水，可用作气体燃料和冶金工业的还原剂。

(2)二氧化碳和二氧化硅

(1)硅与碱溶液反应时，硅为还原剂，H2O为氧化剂。

(2)不能依据反应2C＋SiO2Si＋2CO↑来说明C的还原性比Si强，也不能依据反应SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑来说明SiO2水化物的酸性比H2CO3强。

(3)用于半导体材料的是高纯的晶体硅，用作光导纤维材料的是SiO2。

(4)SiO2是酸性氧化物，但能与HF反应，因此盛放氢氟酸不能用玻璃瓶，要用特制的塑料瓶。盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，因为SiO2与碱溶液反应生成具有黏性的Na2SiO3。

判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，错误的指明错因。

(1)硅单质广泛存在于自然界中，天然存在的单质硅叫硅石。(×)

错因：硅在自然界中只以化合态存在。

(2)SiO2既可以和氢氟酸反应，又可以和NaOH溶液反应，是两性氧化物。(×)

错因：SiO2仅与氢氟酸反应，没有盐生成，与其他酸均不反应，故SiO2不属于两性氧化物。

(3)碳和硅的氧化物都能与NaOH溶液反应。(×)

错因：一氧化碳与NaOH溶液不反应。

(4)光导纤维具有很强的导电能力，所以大量用于制造通信光缆。(×)

错因：光导纤维具有很强的导光能力，所以大量用于制造通信光缆。

(5)单质硅是半导体材料，常用于制造光导纤维。(×)

错因：单质硅常用于制造硅芯片和硅太阳能电池，SiO2用于制造光导纤维。

题组训练

题组一 碳、硅及其氧化物的性质和应用

1．碳及其化合物与科学、技术、社会、环境密切相关。下列有关说法中正确的是(　　)

A．12C、13C、14C、C60、石墨烯、金刚石都是碳的同素异形体，用途广泛

B．用二氧化碳合成可降解的聚碳酸酯塑料，可以实现“碳”的循环利用

C．石墨烯和碳纤维都是新型有机高分子材料

D．碳纳米管是一种有机合成纤维，其比表面积大，可用作新型储氢材料

答案　B

解析　12C、13C、14C是碳元素的三种核素，不是同素异形体，A错误；用CO2合成可降解的聚碳酸酯塑料，可以实现“碳”的循环利用，B正确；石墨烯、碳纤维、碳纳米管都是碳的单质，是无机非金属材料，不是有机材料，C、D错误。

2．有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列有关硅的说法中，不正确的是(　　)

A．高纯度的硅广泛用于制作计算机中的芯片

B．硅可由二氧化硅还原制得

C．低温时，硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸反应

D．自然界中硅的储量丰富，自然界中存在大量的单质硅

答案　D

解析　硅是重要的半导体材料，可用于生产制造计算机中的芯片，A正确；2C＋SiO2Si＋2CO↑，B正确；常温下，Si的性质稳定，但可以与F2、HF、强碱溶液反应，C正确；自然界中不存在单质硅，D错误。

题组二 硅的制备

3．半导体工业中，有一句行话：“从沙滩到用户”，即由SiO2制取Si。制取过程中不涉及的化学反应是(　　)

A．2C＋SiO2Si＋2CO↑

B．SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

C．Si＋2Cl2SiCl4

D．SiCl4＋2H2Si＋4HCl

答案　B

解析　工业制取纯硅的工艺流程为SiO2粗硅SiCl4纯硅，该工艺流程中不涉及SiO2与NaOH溶液的反应。

4．高纯度晶体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”。它可以按下列方法制备：

SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)

下列说法正确的是(　　)

A．步骤①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑

B．步骤①②③中每生成或反应1 mol Si，转移4 mol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(沸点为33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点为67.6 ℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3

答案　D

解析　A项，步骤①的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑；B项，步骤②③中每生成或反应1 mol Si，转移2 mol电子；C项，硅能与氢氟酸反应生成SiF4和氢气；D项，SiHCl3和SiCl4的沸点相差较大，可通过蒸馏(或分馏)提纯SiHCl3。

考点2　硅酸、硅酸盐和无机非金属材料

知识梳理

1.硅酸

(1)弱酸性：H2SiO3难溶于水，其酸性比碳酸弱，不能使指示剂变色，能与强碱(如NaOH)反应，反应的化学方程式为2NaOH＋H2SiO3===Na2SiO3＋2H2O。

(2)不稳定性：H2SiO3不稳定，受热易分解，反应的化学方程式为H2SiO3SiO2＋H2O。

(3)硅酸的制备及硅胶

①制备原理：可溶性硅酸盐(如Na2SiO3)与其他酸(如盐酸)反应的化学方程式为Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。

②硅胶(化学式：mSiO2·nH2O)：硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶，经干燥脱水后即得硅胶，常用作干燥剂和作为催化剂的载体。

2．硅酸盐

(1)概念：由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。

(2)硅酸盐组成的表示：通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成，如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。

书写规律：化合价不变，原子个数比不变。

(3)硅酸钠(Na2SiO3)

①白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。

②它能与酸反应，如与盐酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓；与CO2水溶液反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。

③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。

3．无机非金属材料

(1)传统无机非金属材料

如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。

(2)新型无机非金属材料，指的是一类新型的具有特殊结构和特殊功能的非硅酸盐材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。

(3)特殊功能的含硅物质

①碳化硅具有金刚石结构，硬度大，可用作磨料。

②含硅4%的硅钢具有导磁性，用作变压器铁芯。

③硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。

(1)Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，与玻璃的成分不相同；水玻璃又称为泡花碱，但它却是盐溶液(存放的试剂瓶不能用玻璃塞)，而不是碱溶液。

(2)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：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置计量数，且不同氧化物间以“·”隔开。

③当计量数配置出现分数时应化为整数。如长石：

KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。

判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，错误的指明错因。

(1)玻璃是一种晶体，有较高的熔点。(×)

错因：玻璃是非晶体，没有固定的熔点。

(2)Si→SiO2→H2SiO3均能一步转化。(×)

错因：SiO2与H2O不反应，不能一步生成H2SiO3。

(3)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱。(×)

错因：水玻璃是硅酸钠的水溶液，又称泡花碱，属于盐类。

(4)玛瑙手镯、水晶镜片、玻璃所用材料均为硅酸盐。(×)

错因：玛瑙、水晶主要成分是二氧化硅。

(5)2MgO·SiO2中的酸根阴离子为SiO。(×)

错因：2MgO·SiO2写成盐的形式为Mg2SiO4，故酸根阴离子为SiO。

题组训练

题组一 无机非金属材料

1．下列我国古代优秀艺术作品中，所用材料不属于无机非金属材料的是(　　)

答案　A

解析　青铜器属于金属材料，陶瓷是无机非金属材料。

2．硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述正确的是(　　)

A．SiO2熔点高，硬度大，不与任何无机酸反应

B．碳化硅(SiC)的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承

C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为SiO2，是一种高质量传导光的纤维，耐酸碱腐蚀

D．二氧化硅分子中硅原子与氧原子个数之比为1∶2

答案　B

解析　二氧化硅能与氢氟酸反应，A错误；光导纤维的主要成分是SiO2，是酸性氧化物，可与强碱溶液反应，C错误；二氧化硅中不存在分子，D错误。

题组二 硅酸盐的结构和性质

3．将足量CO2气体通入水玻璃(Na2SiO3溶液)中，然后加热蒸干，再在高温下充分灼烧，最后得到的固体物质是(　　)

A．Na2SiO3   B．Na2CO3、Na2SiO3

C．Na2CO3、SiO2   D．SiO2

答案　A

解析　将足量CO2气体通入水玻璃中，发生反应：2CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3；加热蒸干高温灼烧时发生反应：H2SiO3H2O＋SiO2；2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O；SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，最后所得固体物质是Na2SiO3，故选A。

4．青石棉是世界卫生组织确认的一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一。青石棉的化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸处理时，还原产物只有NO。下列说法中正确的是(　　)

A．青石棉是一种易燃品且易溶于水

B．青石棉的化学组成用氧化物的形式可表示为Na2O·FeO·2Fe2O3·8SiO2·H2O

C．1 mol  Na2Fe5Si8O22(OH)2与足量的硝酸作用，至少需消耗6 L 3 mol·L－1 HNO3溶液

D．1 mol Na2Fe5Si8O22(OH)2与足量氢氟酸作用，至少需消耗5.5 L 2 mol·L－1 HF溶液

答案　C

解析　根据青石棉的组成可知，该物质属于硅酸盐，不是一种易燃品且难溶于水，A错误；根据氧原子守恒可知应该是Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O，B错误；根据组成可知和硝酸作用生成2 mol 硝酸钠、5 mol硝酸铁和1 mol NO，因此需要硝酸的物质的量是18 mol，C正确；和氢氟酸反应生成SiF4、NaF的物质的量分别是8 mol 和2 mol，所以需要HF的物质的量是34 mol，D错误。

高考真题实战

1．(高考集萃)判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。

(1)(2018·天津高考)商代后期铸造出工艺精湛的后(司)母戊鼎，该鼎属于铜合金制品。(　　)

(2)(2017·天津高考)硅太阳能电池工作时，光能转化为电能。(　　)

(3)(2017·江苏高考)SiO2硬度大，故可用于制造光导纤维。(　　)

(4)(2017·江苏高考)利用：CaCO3CaOCaSiO3可实现物质间的转化。(　　)

(5)(2016·四川高考)硅胶作袋装食品的干燥剂，没有发生化学变化。(　　)

(6)(2016·江苏高考)向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸离子方程式：Na2SiO3＋2H＋===H2SiO3↓＋2Na＋。(　　)

(7)(2016·全国卷Ⅲ)HF与SiO2反应，所以可用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记。(　　)

(8)(2016·江苏高考)下述变化可以实现：SiO2HCl(aq),SiCl4Si。(　　)

答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)√　(6)×　(7)√　(8)×

解析　(3)SiO2用于制造光导纤维是其导光性能好。

(5)硅胶吸收H2O(g)是物理吸附，所以正确。

(6)离子方程式中Na2SiO3可拆为Na＋和SiO。

(8)SiO2不与HCl(aq)反应。

2．(2018·江苏高考)CO2是自然界碳循环中的重要物质。下列过程会引起大气中CO2含量上升的是(　　)

A．光合作用   B．自然降雨

C．化石燃料的燃烧   D．碳酸盐的沉积

答案　C

解析　A项，光合作用消耗CO2，会引起大气中CO2含量下降；B项，自然降雨时H2O会与少量CO2反应生成H2CO3，不会引起CO2含量的上升；C项，化石燃料指煤、石油、天然气，它们都含C元素，燃烧后生成CO2，会引起大气中CO2含量上升；D项，碳酸盐沉积不会引起大气中CO2含量上升。

3．(2017·全国卷Ⅱ节选)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：

回答下列问题：

(1)在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是______________________________，还可使用________代替硝酸。

(2)沉淀A的主要成分是________，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为_____________________________________________________

________________。

答案　(1)将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋　H2O2

(2)SiO2(或H2SiO3)　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(或H2SiO3＋4HF===SiF4↑＋3H2O)

解析　(1)由题意知，水泥样品中含有铁、铝和镁等金属的氧化物，后面操作有加入氨水调节pH＝4～5，目的是除去Al元素和Fe元素，而在此pH范围内，Fe元素只有转化为Fe3＋才能完全生成沉淀，因此加入硝酸的目的是将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋；还可以使用双氧水等其他氧化剂代替硝酸。

(2)水泥样品中的SiO2、CaO及铁、铝、镁等金属的氧化物，只有SiO2(或反应生成的H2SiO3)不溶于盐酸，所以沉淀A的主要成分是SiO2(或H2SiO3)。SiO2(或H2SiO3)不与强酸反应，但可溶于氢氟酸中，反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(或H2SiO3 ＋4HF===SiF4↑＋3H2O)。

4．(2015·海南高考)单质Z是一种常见的半导体材料，可由X通过如下图所示的路线制备。其中X为Z的氧化物；Y为氢化物，分子结构与甲烷相似。回答下列问题。

(1)能与X发生化学反应的酸是________；由X制备Mg2Z的化学方程式为____________________________________________________________________。

(2)由Mg2Z生成Y的化学方程式为___________________________________

____________________________________________________________________，

Y分子的电子式为____________。

答案　(1)氢氟酸　SiO2＋4MgMg2Si＋2MgO

(2)Mg2Si＋4HCl===SiH4↑＋2MgCl2　

解析　(1)根据题中信息可确定Z为Si，其氧化物X的化学式为SiO2，能与SiO2反应的酸只有氢氟酸；由SiO2制备Mg2Si的化学方程式为SiO2＋4Mg2MgO＋Mg2Si。

(2)Y为SiH4，结合图示可写出Mg2Si与盐酸的反应方程式为Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑；C、Si为同主族元素，根据CH4的电子式可写出SiH4的电子式。