第09讲无机非金属材料（讲）-2023年高考化学一轮复习（解析版）

第09讲无机非金属材料

日考纲考情

1.结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解碳、硅及其重要化合物的主要性质，认识其在生

产中的应用和对生态环境的影响。

2.结合实例认识碳、硅及其化合物性质的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转

化，认识物质及其转化在自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。

3.能借助国家关于安全生产、环境保护、食品安全、药物开发等方面的法律法规分析与化学有关的社

会热点问题。

4.能列举常见的大气、水体和土壤的污染物及其危害，能说明常见污染的成因和防治措施的化学原理。

【核心素养分析】

1.变化观念与平衡思想：根据碳、硅的结构，预测在一定条件下碳、硅及其化合物可能发生的化学变

化。

2.科学态度与社会责任：关注与碳、硅有关的热点问题(如光导纤维、硅电池、半导体材料)，形成

可持续发展的意识；知道碳、硅及其化合物对社会发展的重大贡献。

⑥考点梳理

知识点一碳及其重要化合物

1.碳单质

(1)结构、存在形态、物理性质和用途

存在形态游离态和化合态

金刚石：空间网状结构；

结构

石墨：层状结构

同素异形体

金刚石、石墨、C60、C7O

金刚石：熔点高、硬度大；

物理性质

石墨：硬度小、电的良导体、有滑腻感

用途金刚石用作切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯、高温润滑剂

(2)主要化学性质——还原性

一占燃占燃

可燃性2C+Ch(不足产叁2CO、C+Ch(足量产餐Co2

CuO：2CUO+C=^=2CU+CO2T（冶炼金属）

与氧化高*日

SiO2:Sio2+2C=≡=≡⅛i+2C0f（制取粗硅）

物反应

yi≡

H2O:C+H2O（g）=旦==CO+H2（制取水煤气）

浓（浓）=屋

与强氧化H2SO4;C+2H2SO4==CO2T+2SO2T+2H2O

性酸反应

浓HNO3:C+4HNO3（^）=^==CO2↑+4NO2↑+2H2O

2.一氧化碳(Co)

(1)物理性质

无色气体，有毒，难溶于水。

(2)化学性质——还原性

①燃烧：2CO+O2='W区'=2Co2，淡蓝色火焰；

②还原CuO：CUO+CO=屋==Cu+CC>2(冶炼金属)。

3.二氧化碳(Co2)

(1)物理性质：CO2是一种无色、无味的气体，能溶于水，固态C02俗称干冰。

(2)化学性质：与H2O、Na20、Ca(OH)2(足量、澄清)、Mg反应的方程式分别为Co2+H2OH2CO3^

占燃

Na2O+CO2==Na2CO3CO2+Ca(OH)2==CaCO3J,+H2O2Mg+C02='9=2Mg0+C°

(3)Co2在自然界中的循环

①CCh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：

a.溶于江水、海水中：CO2+H2OH2CO3:

b.光合作用将CO2转化为O2；

c.岩石的风化：CaCO3+H2O+CO2==Ca(HCO3)2«

(4)C0、CO2气体的除杂方法

CO中混有CO2通过盛有NaOH溶液的洗气瓶，然后干燥气体

CO2中混有CO通过盛有灼热CuO的硬质试管

通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶，然后干

CO2中混有少量SO2或HCl

燥气体

①澄清石灰水只用于检验CO2,不能用于除去混合气体中的C02,应用NaOH溶液除去；

②CO2、SO2通入CaCl2或BaCl2溶液均无沉淀产生

4.碳酸(H2CO3)

弱酸、不稳定。碳酸(H2CO3)只能在水中存在。H2CO3在水中与CCh共存，因此常把CO2+H2O当碳酸

用。

5.碳酸的酸式盐和正盐的比较

(1)在水中的溶解性

①含K+、Na∖NH；的正盐易溶于水，其余一般不溶于水；酸式盐均能溶于水。

②一般来说，在相同温度下，难溶性正盐溶解度小于其酸式盐溶解度，如溶解度：Ca(HC03)2>CaC03;

可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度，如溶解度：Na2CO3>NaHCO3o

(2)热稳定性

一般来说，热稳定性顺序为正盐>酸式盐>碳酸，如稳定性：Na2CO3>NaHCO3>H2CO30可溶性正盐>难

溶性正盐，如CaCO3高温分解，而K2CO3不易分解。

(3)水溶液酸碱性

物质的量浓度相同时，正盐溶液的PH大于其酸式盐溶液，如pH：Na2CO3溶液>NaHCO3溶液。

(4)与酸的反应

①CaeO3与盐酸反应的离子方程式：

+2+

CaCO3+2H===H2O+C02↑+Ca«

②Ca(HCO3)2与盐酸反应的离子方程式：

-+

HCO3+H===H2O+CO2T-.

(5)与碱的反应

ΦNa2CO3与Ca(OH)2反应的离子方程式：

CO?+Ca2+=CaCOsIo

②NaHCo3与足量Ca(OH)2反应的离子方程式：

2+

HCO；+Ca+OH^==CaCO3l+H2Oŋ

Ca(OH)2与足量NaHCO3反应的离子方程式：

2+

Ca+2OH+2HC0；=CaCO3I+COΓ+2H2Oo

知识点二硅无机非金属材料

一、硅单质

1.存在

硅单质主要有晶体和无定形两大类。

2.物理性质

带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。

3.化学性质

常温下与F2、HF、NaOH反应；加热时能与Hz化合生成不稳定的氢化物SiEU,加热时还能与CI2、O2

化合分别生成SiCI公SiO20涉及的化学方程式如下：

(△

02：Si+O2===Siθ2

①与非金属单质反应｛F2:Si+2F2==SiF4

ʃh;Si+2Cl2=^=SiCl4

②与氢氟酸反应：Si+4HF==SiF4↑+2H2↑o

③与NaOH溶液反应：

Si+2NaOH+H2O==Na2SiO3+2H2↑O

(4)制备方法

①制取粗硅：工业上，用焦炭在电炉中还原Sio2得到含有少量杂质的粗硅：Sio?+2C=®圭Si+2C0J

②粗硅提纯：Si+2Cb=®选SiCl4，SiCLt+2H2=国选Si+4HC10

【特别提醒】①用焦炭还原Siθ2,产物是CO而不是CO2。

②粗硅中含碳等杂质，与CL反应生成的SiCI4中含有CCL1等杂质，经过分憎提纯SiCI4后，再用H2还

原，得到高纯度硅。

(5)主要用途

①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。

二、二氧化硅

1.存在

自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存

在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石。

2.结构

SiCh晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接

为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故

SiO2晶体中Si和0的比例为1:2。

3.二氧化硅的性质及用途

物理性质硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水

与水反应不反应

与酸反应

只与氢氟酸反应：SiO2+4HF==SiF4↑+2H2O

化学如与NaOH反应：SiO,+2NaOH-Na2SiO3+H2O(盛碱液的试

与碱反应

性质剂瓶用橡胶塞)

如与Na2CO3反应：

与盐反应

sio2+Na2co3=≡==Na2sio3+co2↑

与碱性氧

如与CaC）反应：CaO+SiO=M=CaSiO

化物反应23

用途光导纤维、光学仪器、电子部件

【特别提醒】

①SiO2是H2SiO3的酸酎，但SiO2不与水反应，不能用SiCh直接与水作用制备H2SiO3O

②氢氟酸能与SiCh反应，故氢氟酸不能盛放在玻璃瓶中，而应存放在塑料瓶中。

三、硅酸、硅酸盐

1.硅酸

(1)物理性质

硅酸的溶解度小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。

(2)化学性质

①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3+ZNaOH==Na2SiO3+2H2O»

②不稳定性：受热易分解，反应的化学方程式为

H2SiO3==SiO2+H2O0

(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：Na2SiO3+2HCl-=2NaCl

+H2SiO3(胶体)。

(4)用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。

2.硅酸盐

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与酸性较硅酸强的酸反应：

a.与盐酸反应的化学方程式：

Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3J,«

b.与CO2水溶液反应的化学方程式：

Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2Si03∣o

③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。

(3)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。如硅酸钠可表示为

(Na2SiO3)Na2QSiQ2,

石棉(CaMg3SiQ2)可表示为CaC)∙3MgO∙4SiC>20

推背图①的水溶液是一种黏合剂，是制备硅胶和木材防火剂等的原料；易与空气中的

Na2SiO3Na2SiO3

Co2、比0反应，要密封保存。

②可溶性碳酸盐、硅酸盐的水溶液呈碱性，保存该溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，应用橡胶塞。

四、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。

(1)常见硅酸盐材料比较

水泥玻璃陶瓷

生产原料石灰石、黏土纯碱、石灰石、石英黏土

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：；屋通

(2)Na2CO3+SiO2=≡≈Na2SiO3+CO2↑CaCo3+SiCh=CaSiO3+

CO2↑o

2.新型无机非金属材料

材料类别主要特性示例用途

ι⅛温结构能承受l⅛温，

氮化硅陶瓷汽轮机叶片、轴承、永久性模具等

陶瓷强度高

半导体陶瓷具有电学特性二氧化锡陶瓷集成电路中的半导体

光学材料具有光学特性光导纤维光缆通讯、医疗、照明等

生物陶瓷具有生物功能氧化铝陶瓷人造骨骼、人造关节、接骨螺钉

国题型剖析

高频考点一硅和二氧化硅

例I.(2022•浙江卷)下列说法不正砚的是

A.晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，常用于制造光导纤维

B.高压钠灯发出的黄光透雾能力强、射程远，可用于道路照明

C.氧化铝熔点高，常用于制造耐高温材料

D.用石灰右-石膏法对燃煤烟气进行脱硫，同时可得到石膏

【答案】A

【解析】晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，可用于制造晶体管、集成电

路等，而二氧化硅常用于制造光导纤维，A错误；钠的焰色反应为黄色，可用作透雾能力强的高压钠灯，B

正确；耐高温材料应具有高熔点的性质，氧化铝熔点高，可用作耐高温材料•，C正确；石灰石的主要成分为

碳酸钙，石灰石-石膏法脱硫过程中发生反应：CaCo3=星造CaO+Co2↑,SO2+CaCO3=CaSO3+CO2,

2CaSO3+O2=2CaSO4,得到了石膏，DlE确；答案选A。

【变式探究】(2022•广东卷)陈述□和口均正确但不具有因果关系的是

选项陈述□陈述口

A用焦炭和石英砂制取粗硅Siθ2可制作光导纤维

B利用海水制取溪和镁单质Br-可被氧化，Mg?+可被还原

C石油裂解气能使漠CCl4的溶液褪色石油裂解可得到乙烯等不饱和燃

DFeCb水解可生成Fe(OH)3胶体FeCb可用作净水剂

【答案】A

【解析】焦炭具有还原性，工业上常利用焦炭与石英砂(SiO2)在高温条件下制备粗硅，这与Sio2是

否做光导纤维无因果关系，故A符合题意；海水中存在滨离子，可向其中通入氯气等氧化剂将其氧化为浪

单质，再经过萃取蒸储物理操作分离提纯漠单质，另外，通过富集海水中的镁离子，经过沉淀、溶解等操

作得到无水氯化镁，随后电解熔融氯化镁可制备得到镁单质，陈述I和陈述H均正确，且具有因果关系，B

不符合题意；石油在催化剂加热条件下进行裂解可得到乙烯等不饱和烧，从而使漠的CCLt溶液褪色，陈述

I和陈述∏均正确，且具有因果关系，C不符合题意；FCCb溶液中铁离子可发生水解，生成具有吸附性的

氢氧化铁胶体，从而可用作净水机，陈述I和陈述II均正确，且具有因果关系，D不符合题意；综上所述,

答案为A。

【变式探究】下列说法错误的是（）

A.（2019新课标HI）高纯硅可用于制作光感电池

B.（2019江苏）SiCh熔点高硬度大，可用于制光导纤维

C.（2019浙江）天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅

D.（2018天津）汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土

【答案】B

【解析】硅是半导体，高纯硅可用于制作光感电池，A正确；Siθ2传导光的能力非常强，用于制光导

纤维，SiOz用于制光导纤维与SiCh熔点高硬度大没有对应关系，B错误：石英、水晶、硅石、沙子的主要

成分均为二氧化硅，C正确；陶瓷的制造原料为黏土，D正确。

高频考点二硅酸盐及其应用

例3.（2021•浙江卷）下列说法不走砸的是（）

A.硅酸钠是一种难溶于水的硅酸盐B.镁在空气中燃烧可生成氧化镁和氮化镁

C.钠与水反应生成氢氧化钠和氢气D.常温下，铝遇浓硝酸或浓硫酸时会发生钝化

【答案】A

【解析】硅酸钠是溶于水的硅酸盐，故A错误；镁在空气中燃烧时，与氧气和二氧化碳反应生成氧化

镁，与氮气反应生成氮化镁，故B正确；钠具有强还原性，能与冷水反应生成氢氧化钠和氢气，故C正确；

浓硫酸和浓硝酸具有强氧化性，铝在浓硫酸和浓硫酸中会发生钝化，阻碍反应的继续进行，故D正确；

故选A。

【举一反三】（2020∙浙江卷）Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一,其相关性质的说法不氐理的是（）

A.可发生反应：Ca,SiO,+4NHC^CaSiO,+2CaCl,+4NH,T+2H^

Jj4jZɔZ

B.具有吸水性，需要密封保存

C.能与SO2,反应生成新盐

D.与足量盐酸作用，所得固体产物主要为SiOz

【答案】D

【解析】Ca3SiO5与NHQ反应的方程式为：Ca3Siθ5+4NH4Cl=^=CaSiθ3+2CaCl2+4NH3↑+2H2O,A

正确；Cao能与水反应，所以需要密封保存，B正确；亚硫酸的酸性比硅酸强，当二氧化硫通入到Ca3SiO5

溶液时，发生反应：3SO2+H2O+Ca3SiO5=3CaSO3+H2SiO3,C正确；盐酸的酸性比硅酸强，当盐酸与Ca3SiO5

反应时，发生反应：6HC1+Ca3SiO5=3CaC12+H2SiO3+2H2O,D不正确；故选D。

高频考点三无机非金属材料

例3.（2019•北京卷）下列我国科研成果所涉及材料中，主要成分为同主族元素形成的无机非金属材

料的是

Λ矗

A.4.03米大口径碳化硅B.2022年冬奥会聚C.能屏蔽电磁波的碳包覆D.“玉兔二号”钛合

反射镜氨酯速滑服银纳米线金筛网轮

【答案】A

【解析】碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素组成的无机非金属材料，且碳元素与硅元素均位于元素周期

表第IVA族，故A符合题意；聚氨酯为有机高分子化合物，不属于无机非金属材料•，故B不符合题意；碳

包覆银纳米材料属于复合材料，不属于无机非金属材料，且银不是主族元素，故C不符合题意：钛合金为

含有金属钛元素的合金，其属于金属材料，不属于无机非金属材料，故D不符合题意；综上所述，本题应

选Ao

【变式探究】新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课

题。其结构模型如图所示：

下列有关说法正确的是（）

A.石墨烯是一种新型化合物

B.氧化石墨烯即石墨烯的氧化物

C.二者和石墨都是碳的同素异形体

D.氧化石墨烯具有一定的亲水性

【答案】D

【解析】石墨烯是碳的单质，A错误；氧化石墨烯含有氢元素，故不是石墨烯的氧化物，也不是碳的

同素异形体，B、C错误；由于氧化石墨烯结构中含有羟基和竣基等亲水基团，所以它具有一定的亲水性，

D正确。

高频考点四与SiCh有关的无机化工流程题

例4.(2021•湖南卷)Ce2(CO3)3可用于催化剂载体及功能材料的制备。天然独居石中，钵(Ce)主要以CePO4

形式存在，还含有Sio2、AI2O3ʌFe2θ3∖CaF2等物质。以独居石为原料制备Ce2(CO3)3∙，汨2。的工艺流程如

下：

①Mgo调pll=5

浓HzSO,H2OFea3溶液②絮凝剂NHHCO3溶液

独J1JJ,

居f焙烧―水浸f除磷—»聚沉—•沉钵----

石―L―IIII

酸性废气滤渣I滤渣∏滤渣In滤液

Ce2(CO3)3∙∏H20■"—

回答下列问题：

(1)铀的某种核素含有58个质子和80个中子，该核素的符号为O

(2)为提高“水浸”效率，可采取的措施有______________________________________

_________________________________________________________________(至少写两条)。

(3)滤渣口的主要成分是(填化学式)。

(4)加入絮凝剂的目的是0

(5)“沉钵”过程中，生成Ce2(CO3)3FH2O的离子方程式为,

5

常温下加入的NH4HCO3溶液呈(填“酸性”“碱性”或“中性”)(已知：NH3H2O的/Cb=1.75×10^,

-11

H2CO3的Kai=4.4x10，Ara2=4.7×10)o

(6)滤渣口的主要成分为FePO4,在高温条件下，Li2CO3＞葡萄糖96日2。6)和FePo4可制备电极材料

LiFePO4,同时生成CO和H2O,该反应的化学方程式为。

【解析】(1)由质量数=质子数+中子数可知，钵的质量数=58+80=138,因此该核素的符号为蹙Ce。

(2)为提高“水浸”效率，可采取搅拌、适当升高温度、研碎等措施。(3)根据流程及题中信息分析可知，滤渣

为SiO2、CaSO4,滤渣［为FePO4,滤渣1的主要成分为Al(OH)3。(4)加入絮凝剂的目的是使悬浮粒子聚集

变大，加快粒子聚沉速度，更快地形成沉淀。(5)“沉铺”过程中，Ce3+与HCO3反应生成Ce2(CO3)3"H2O,反

应的离子方程式为2Ce3++6HC(X+(,L3)H2θ=Ce2(Cθ3)3∙“H2θl+3Cθ2f;由于NH；水解溶液显酸性，

K1n^l4

HCo9水解溶液显碱性，根据题中提供的电离平衡常数，可计算出NH；的水解平衡常数为冒=丁西］

K1014

l

≈5.71×10^°,HCo3的水解平衡常数为Nɪ=,八,37≈2∙3x105所以HCoI的水解程度大于NH；的水解程

度，所以溶液显碱性。(6)根据题中信息，可知反应物为U2CO3、C6H∣2θ6和FCPO4,生成物为LiFCPo4、CO

和H2O,根据元素的化合价变化，C：+4价一+2价，0价一+2价，Fe：+3价一+2价，则反应的化学

高汨

方程式为6FePθ4+3Li2CO3+C6H,2θ6=^≡=6LiFePθ4+9CO↑+6H2θ↑o

【答案】(1)嫩Ce

(2)搅拌、适当升高温度(合理即可)

(3)A1(OH)3

(4)促进Al(OH)3胶体聚沉，便于分离

3

(5)2Ce+6HCO；+(«-3)H2O^—Ce2(CO3)3∙MH2O∣+3CO2↑碱性

(6)6FePO4+3Li2CO3+C6H12O6=^≡=6LiFePO4+9C0↑+6H2O↑

【变式探究】(2021•全国乙卷)磁选后的炼铁高钛炉渣，主要成分有Tio2、Sio2、Al2O3,Mg0、CaO以

及少量的FezCh。为节约和充分利用资源，通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。

(NHJ2SO4热水氨水

高钛炉渣→⅛H¾j^l氢氧化物沉淀

I水港渣IJG

尾气母液①

T酸溶I----------，水解—TiO2XH2O

酸酸溶渣热水母液②

该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的PH见下表：

金属离子Fe3+AP+Mg2+Ca2

开始沉淀的PH2.23.59.512.4

沉淀完全(C=LOXloFmolLr)的PH3.24.711.113.8

回答下列问题：

⑴“焙烧”中，TiO2、SiCh几乎不发生反应，AI2O3>Mg0、CaO.Fe2O3转化为相应的硫酸盐。写