碳、硅及其新型无机非金属材料-2025年高考化学大一轮复习讲义（新教材新高考）解析版

第20讲碳硅及其新型无机非金属材料

知识体系

硅及其化合物

存在।主要以氧化物和硅酸盐的形式存在，在地表中的含量列第二位.

,结构，与金刚石类似

物理性腐：灰黑色固体、熔点高、硬度大、有脆性，是艮好的半导体材料

化学性周：性度稳定

单质《常温下।Si+2Fa-SIF4Si+2NaOH+H2O-Na3SiO3+2HJt

加热时।Si+O2=SiO2St+2Cla=^S=SiC14

「用途।半导体材料，可作硅芯片、光电池等

（通称豉石，有晶体和无定形两类，石英、水晶、玛瑙是二氧化硅的晶体

结构：晶体是Si和。以1：2组成的立体网状结构

硅氧化学性质।性质稳定，不与水反应

化）常温下：SQ+4HF-SF«t+2H2。SiO2+2NaOH—NajSiCh+HaO

硅加热时：

SiOa+2C=^=St+COtSiOa+CaO-CaSiOj

ISiO2+Na2CO3=^^Na2SiO3+CO21CaCCh+SiOj^^CaSiOs+COjt

「性费।白色难溶的弱酸，受热可分解HaSiOj^HjO+SiOa

制备：Na2s。3溶液与酸反应制得

硅酸4NaaS^+CCh+HaO-NajCOj+HjSiOjI

NajSiOs+iHCb-2NaCl+H2SiO3I

,用途।制作硅胶，硅胶可作干燥用或催化用的概体

,大多数硅酸盐都难溶于不

硅硅酸纳可溶于水形成水玻璃,是制备硅胶和木材防火用的原料

【酸«组成表示方法：活泼金疽氧化物•较活泼金蜃氧化物•二氧化硅•水

盐「陶瓷।以站土为原料

〔硅酸盐工业《普通玻璃：决崛、石灰石和石英为原料

〔水泥，以黏土和石灰石为原料

毒知识梳理一

一、二氧化硅和硅酸

1.硅在自然界中的存在

⑴含量：硅在地壳中的含量占第二位，仅次于氧。

(2)原子结构特点

硅的原子结构示意图为GG)84，最外层有4个电子，和碳一样，其原子既不易失去

电子也不易得到电子，主要形成四价的化合物。硅是无机界的主角，碳是有机界的主角。

⑶硅元素的存在

硅主要以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在，它们占地壳质量的90%以上。在自然界中，

没有游离态的硅，只有化合态的硅。

2.二氧化硅

⑴二氧化硅的存在

SiO2是硅最重要的化合物，其存在形态有结晶形和无定形两大类，统称硅石。石英晶体是结

晶的二氧化硅，其中无色透明的晶体叫水晶，具有彩色环带状或层状的称为玛瑙。沙子中含

有小粒的石英晶体。

⑵二氧化硅的结构

Si5晶体有多种晶型，其基本结构单元如图所示：

该结构为四面体结构，每个Si周围有4个0,而每个。跟2个Si相结合，所以SiO2是由Si

和O按原子个数比为1：2所组成的具有立体网状结构的晶体，如图所示。

⑶物理性质

SiO2的网状结构决定SiCh是不溶于水的固体，熔、沸点高，硬度大。

⑷化学性质

①SiO2是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，在一定条件下能与碱性氧化物和碱反应生成

盐。SiO2是硅酸的酸酎，但不与水反应。

可以与强碱如等反应，方程式为：

a.NaOHSiO2+2NaOH=Na2SiO3+H20

特别提醒：

盛放NaOH(或其他碱性)溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，要用橡胶塞，因玻璃的主要成分

之一是会与在常温下反应生成特别是瓶颈的磨砂部分更易与

SiO2,NaOHNazSiCh,NaOH

反应。

b,与碱性氧化物反应，如域反应，化学方程式为：SiO：+域三=CaSiO3.

c.高温条件下，S10：可与帆CO八Ca电等盐反应。

+SiO；==^=Na；SiO,+CO；t

他

SiO2+CaC03=CaSiO3+CO；f

②特性

与氢氟酸(HF)反应一一HF是唯一可以与Si(h发生反应的酸。

Si02化学性质很不活泼，除氢氟酸外不与其他酸反应，Si02与HF反应的化学方程式为：

故氢氟酸可用于刻蚀玻璃。

SiO2+4HF=SiF4f+2H2O,

特别提醒：

因为Si02是玻璃的主要成分之一，所以氢氟酸能腐蚀玻璃，因此，氢氟酸在保存时不能盛

放于玻璃瓶里，可以存在于塑料瓶里。

③弱氧化性

Si02中硅元素的化合价为+4价，是硅元素的最高价，因此Si02具有一定的氧化性，高温时

可被C还原。

,高提

Si02+2CSi+2C0f

⑸二氧化硅的用途

①以Si02为主要成分的沙子仍是基本的建筑材料；

②制备实验室使用的石英生烟；

③是信息调整公路的骨架一光导纤维的主要成分；

④用石英、玛瑙制作工艺饰品；

⑤电子工业的重要部件、光学仪器。

3碓酸

⑴硅酸的性质：硅酸是一种很弱的酸，其酸性比碳酸还弱，溶解度很小。

①不稳定性。

受熟或在干燥空气中易分解，化学方程式为H:SiO,=^=SiO;+HjOO

②弱酸性

硅酸是弱酸，酸性比碳酸弱。Na:SiO3+C02+H:0=Na£0,+

⑵硅酸的制备

二氧化硅是硅酸的酸酎，因Si02不溶于水，所以硅酸只能通过可溶性硅酸盐与其他酸反应

制得。

在饱和NazSiCh溶液中，滴加酚醐溶液呈红色。逐滴加入稀盐酸，有透明

现象

的凝胶产生，溶液红色逐渐变浅最后完全褪色。

硅酸钠水溶液呈碱性，在饱和NazSiOs溶液中，滴加稀盐酸，生成硅酸凝

结论

胶。

化学方程式Na2SiO3+2HCI=H2SiO31+2NaCI

离子方程式SiO32—+2H+=H2SiO31

特别提醒：硅酸制备过程中利用了复分解反应的一般规律：酸性较强的酸可制取酸性较弱的

酸。将纯净的二氧化碳气体通入硅酸钠溶液中，可看到有硅酸胶体生成，证明碳酸的酸性比

硅酸强。可利用如下实验装置进行实验，同时能证明酸性：盐酸〉碳酸〉硅酸。

A

饱和碳霰复的涔液

⑶用途

硅酸容易聚合形成硅酸溶胶，硅酸浓度较大时,则形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝胶。硅酸

凝胶经干燥脱水就形成硅酸干凝胶，称为“硅胶”。硅胶常用作食品等干燥剂,也可用作催化

剂的载体。

经典典例

1.某物质由原子序数依次增大的短周期元素X、Y、Z组成，其中Y、Z为金属元素，X、Y、

Z简单离子的核外电子排布相同，由X、Y、Z形成的物质的结构式如图所示，下列说法不正

A.Y在周期表中的位置是第三周期第IA族

B.X、Y、Z简单离子的半径大小Y+>Z3+>X-

C.Y最高价氧化物水化物和Z的最高价氧化物水化物之间能发生反应

D.X的氢化物可以用来雕刻玻璃

【答案】B

【分析】X、Y、Z为原子序数依次增大的短周期元素，Y、Z为金属元素，X、Y、Z简单离子

的核外电子排布相同，则Y和Z为第三周期金属元素，X为第二周期非金属元素，Y能形成

Y+,则Y为Na,X和Z共用一对电子达到稳定结构，则X最外层有7个电子，X为F、Z为

AL

【详解】A.Y为钠元素，在周期表中的位置是第三周期第IA族，故A正确；

B.X、Y、Z简单离子的核外电子排布相同，原子序数越大，离子半径越小，所以离子半径

大小顺序为X>Y+>Z3+，故B错误；

C.Y为钠元素，Z为铝元素，钠的最高价氧化物的水化物为氢氧化钠，铝的最高价氧化物的

水化物为氢氧化铝，氢氧化钠和氢氧化铝反应的离子方程式为AI（OH）3+OH-=[AI（OH）J,

故C正确；

D.X为氟元素，其氢化物可以和玻璃的成分二氧化硅反应，所以可以用来雕刻玻璃，故D

正确；

故答案为：Bo

2.工业上以石英砂（SQ2）为原料制取单质硅，其工艺流程如图所示。下列说法正确的是

①②③

「ClH,

石英砂(粗)入fSiJF-Si(纯)

A.①②③均属于氧化还原反应

B.石英砂和C高温条件下还可以生成金刚砂(SiC)和CO,该反应中氧化产物和还原产物

的物质的量之比为1：2

C.二氧化硅为良好的半导体材料，可用于制造芯片

D.石灰石、纯碱、石英砂是生产玻璃的原料，玻璃是一种新型无机非金属材料

【答案】A

【分析】石英砂与碳在高温条件下反应生成粗硅和CO,粗硅与氯气在加热条件下反应生成

四氯化硅，四氯化硅与氢气在高温条件下反应生成纯硅和氯化氢；

【详解】A.①中碳、硅元素化合价发生变化，②中硅、氯元素化合价发生变化，③中硅、

氢元素化合价发生变化，均属于氧化还原反应，选项A正确；

高温

B.石英砂和C高温条件下还可以生成金刚砂(SiC)和CO,则反应为SiO?+3C‘二SiC+2cO，

该反应中氧化产物CO和还原产物SiC的物质的量之比为2：1,选项B错误；

C.硅的导电性介于导体与绝缘体之间是良好的半导体材料，所以晶体硅可以用于制造计算

机芯片和太阳能电池，而不是二氧化硅，选项c错误；

D.石灰石、纯碱、石英砂是生产玻璃的原料，玻璃是一种传统无机非金属材料，选项D错

误；

答案选A。

3.由粗$92制备纯的Si。?流程如图所示，下列说法不正确的是

郦两*溶液国号曳回警网

A.X具有黏结力强、耐高温等特性，可用作黏合剂和防火剂

B.步骤I的反应是NazSiOs+HzSOauHzSQ(+Na2s

C.步骤n中的稀硫酸可用co2替代

D.若在实验室中完成步骤m,一般在蒸发皿中进行

【答案】D

【分析】由流程可知，粗Si02溶于氢氧化钠溶液得到X为硅酸钠的水溶液，加入稀硫酸得

到Y为硅酸沉淀，过滤后灼烧硅酸分解生成二氧化硅。

【详解】A.由分析可知，X为硅酸钠溶液，具有不燃不爆耐高温的性质，可用作木材防火

剂，有黏性可作黏合剂，故A正确；

B.根据强酸制弱酸原理，步骤n的反应是NazSiCh+H2so4=H2SiO3j+Na2so4,故B正确；

C.碳酸的酸性比硅酸强，故步骤II中的稀硫酸可用C02替代，故C正确；

D.步骤ID是灼烧硅酸固体的过程，若在实验室中完成，一般在生烟中进行，故D错误；

答案选D。

4.固体X由四种元素组成，可用来治疗胃酸过多，其成分属于硅酸形成的复盐；为探究M

的具体组成，设计下列实验流程。

已知：K常用作高温耐火材料。

下列说法正确的是

A.生成L的离子方程式为2[A1(OH)]4+CO2=2A1(OH)3+COj+H2O

B.固体J和K都能溶于强酸和强碱

C.洗涤和灼烧过程中都要用到玻璃棒和烧杯

D.固体X的化学式为MgALSiOe

【答案】D

【详解】A.向溶液Z中加入足量NaOH溶液得到溶液N,再向溶液N中通入足量C02能生

成白色沉淀L,说明溶液N为Na[Al(OH)L溶液，通入足量C0?生成Al^H%,反应的离子

方程式为[A1(OH)]4+C02—Al(OH)3+HC0-,故A错误；

B.白色沉淀M应为碱，加热分解生成的氧化物能做耐火材料，则固体K为MgO,固体J

为A12C>3,MgO为碱性氧化物，不与强碱反应，故B错误；

C.灼烧需要用到用烟、玻璃棒和酒精灯，用不到烧杯，故c错误；

D.胶状沉淀为H^SiOs，则固体Y为Si。?，固体X中含Si的物质的量

"(Si)=J=。。5moi；同理，"A1)-°]x2=O.lmol；

60g•mol102g-mol

"(Mg)=2ao05mol,固体中含。的质量

40g-mol

m(O)=10.1g—0.05molx28g•mol-1—0.Imolx27g•mol-1—0.05molx24g•mol-1=4.8g,故

/7(O)==0.3mol,故H(A1):,?(Si):〃(O)=0.05:0.1:0.05:03=1:2:1:6,

故X的化学式为MgALSiOe,故D正确；

故选Do

■知识梳理二

二、硅酸盐

1.硅酸盐

⑴概念：硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称。

⑵性质

硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质，熔点较高，大多不溶于水，化学性质很稳定。

⑶存在

硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，自然界中存在各种天然硅酸盐矿物，约占地壳质量的

95%。

⑷硅酸盐组成的表示

①规律：硅酸盐结构复杂，常以氧化物形式表示(但不能认为它们的成分就是氧化物)。硅酸

盐中的Si元素，以SiO2的形式表示，金属元素如Na、K、Mg、Al、Ca等，以它们常见的氧

化物形式表示，H元素以比0的形式表示。氧化物的书写顺序一般是：较活泼金属氧化物一

较不活泼金属氧化物一二氧化硅一水。例如：

硅酸钠：Na2O•SiO2

石棉：CaO•3MgO•4SiO2

钾长石：K2O•AI2O3•6SiO2

普通玻璃：Na2O•CaO•6SiO2

②注意事项：氧化物化学式之间以“•”隔开；系数配置出现分数时应化为整数。

特别提醒：硅酸盐的组成与结构很复杂，氧化物形式只是一种表达方式，并不代表其真实的

组成。

2.最简的硅酸盐——硅酸钠(NazSiCh)

(1)物理性质

NazSiCh是白色固体，俗称泡花碱，易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，是无色黏稠状的液体,

是一种很好的黏合剂，所以盛放水玻璃的试剂瓶不能用玻璃塞，而要用橡胶塞。

(2)化学性质

①有很强的热稳定性，即能耐高温。

实蛉操作实险现象结论

蒸憎水浸过的滤纸，

水浸过的木材

当水分蒸发后就燃

不防火

***K,烧起来

皿屏1JC

饱和Na-SiO,溶液浸用Ha；SiO：水

过的滤纸条,水分蒸溶液浸泡物质

饱和

干后并不燃烧可防火

Na；SiO,溶液

②与比硅酸酸性强的一些酸反应，生成难溶于水的硅酸。

反应物或实验操化学方程式离子方程式

作

（2-2_

少量CO2通入Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3SiO3+CO2+H2O=CO3+H2SiO3

溶液中（胶体）

Na2SiO31（胶体）

过量通入2_-

co2Na2SiO3+2CO2+2H2O=SiO3+2CO2+2H2O=2HCO3+

溶液中

Na2SiO32NaHCO3+H2SiO3IH2SiO3J

（胶体）（胶体）

盐酸与硅酸钠2-+（胶体）

Na2SiO3+2HCI=2NaCI+H2SiO3ISiO3+2H=H2SiO3l

溶液的反应（胶体）

⑶用途：水玻璃是制备硅胶和木材防火剂等的原料。

3.三种常见的硅酸盐产品

人类创造出的三大传统硅酸盐产品有陶瓷、玻璃、水泥。它们是使用量最大的无机非金属材

料。

,L品名称生产原料主要设备反应条件或主要反应

陶姿黏土—高温烧结

纯碱、高;0

Na£O,+SiO------NaSiO,+C0f

玻璃石灰石、玻璃窑::

石英高H

CaCO,+SiO:------CaSiO,+CO：f

水泥黏土、水泥回转复杂的物理、化学变化

石灰石窑

4.新型含硅物质

物质名称性能主要用途

碳化硅（SiC,具有金刚石结构，硬度很大可用作砂纸、砂轮的磨料

俗称金刚砂）

硅钢含硅4%的钢，具有很［Wj的导磁性主要用作变压器铁芯

是目前最好的既耐高温又耐低温的橡用于制造火箭、导弹、飞机的零件

硅橡胶胶，在-60〜250℃仍能保持良好的弹性和绝缘材料等

分子筛人工制造的分子筛是一种具有均匀微主要用作吸附剂和催化剂等

孔结构的铝硅酸盐

5.新型陶瓷的性能及用途

品种主要性能主要用途

高温结构①耐高温；②耐氧化；耐高温材料，可用于洲际导弹的端头、火箭

陶瓷③耐磨蚀发动机的尾管及燃烧室等，也是汽车发动机、

喷气发动机的理想材料

压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转可用于电波滤波器、通话器、声纳探伤器、

化点火器等

透明陶瓷①优异的光学性能；可用于制高压钠灯的灯管、防弹“玻璃”

②耐高温；③绝缘性好

超导陶瓷超导性超导材料

6.硅酸盐的丰富性和多样性

A1与Si在元素周期表中位置相邻，粒子大小相近，AF+置换硅酸盐中部分+4价的Si,并

引入其他正离子使化合物保持电中性，从而形成复杂多样的硅酸盐。

硅酸盐品种的多样性和结构的复杂性，决定了其应用的选择性。例如，土壤胶体粒子因其

表面积巨大且带负电，能吸附NH4+、K+等数多种生物所需的营养离子，所以土壤具有保肥能

力。

经典典例

1.SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质。下列说法正确的是

Si（单晶硅）

HC1

A.图中所有反应都不属于氧化还原反应

B.硅酸盐的化学性质稳定，常用于制作光导纤维

C.可用盐酸除去石英砂（主要成分为SiO2）中少量的碳酸钙

D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的，其熔点是固定的

【答案】C

【分析】Si6与C在高温下反应产生Si、CO；Si与CI2在高温下反应产生SiCL,得到的粗硅

中的杂质与CI2反应产生相应的氯化物，它们的沸点不同，采用分储方法分离得到纯净SiCl4,

然后用H2还原得到Si单质；SiCh是酸性氧化物，能够与碱性氧化物CaO在高温下反应产生

CaSiO3；SiOz与盐CaCO3、Na2cO3在高温下反应产生CaSiCh、NazSiCh及82,CaSiO3>Na2SiO3

都是硅酸盐产品。

【详解】A.SiCh与C在高温下反应产生Si、CO,反应过程中元素化合价发生变化，故反应

属于氧化还原反应；Si与CI2在高温下反应产生SiCl4,及SiCl4与H2反应产生Si、HCI的反应

中元素化合价发生了变化，因此这些反应也都是氧化还原反应，A错误；

B.Si5能够使光线发生全反射，故可以作光导纤维，因此Si02是光导纤维的主要成分，B

错误；

C.SiC）2是酸性氧化物，与HCI不能反应，也不溶于水，以固体形式存在，而其中的杂质CaCO3

能够与HCI发生反应产生可溶性CaCL及出0、C02,从而使杂质与被提纯的Si5得到分离，

C正确；

D.玻璃中含有多种成分，属于混合物，没有固定的熔点，D错误;

故合理选项是是Co

2.水玻璃（NazSiCl,溶液）是一种重要的工业原料。下图是用稻壳灰（Si。?：65%〜70%、C：

30%〜35%）制取水玻璃的工艺流程，下列说法正确的是

A.操作A与操作B完全相同

B.该流程中硅元素的化合价发生改变

C.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

D.反应器中发生的复分解反应为SiO?+2NaOH=Na2SiO3+H2O

【答案】C

【详解】A.操作A为过滤，操作B为蒸发浓缩，是两种不同的操作，故A错误；

B.二氧化硅中硅元素的化合价是+4价，硅酸钠中硅元素的化合价也是+4价，所以该流

程中硅元素的化合价没有发生改变，故B错误；

C.稻壳灰来源广泛价格低廉，活性炭具有吸附性，有较高的经济价值，故C正确；

D.反应器中发生的反应为SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2。，不属于复分解反应，故D错误。

综上所述，答案为C。

3.开发和利用矿物资源有重要的意义。某厂用无机矿物资源生产部分材料，其产品流程示

意图如下，下列有关说法正确的是

—铝土矿——>除杂——>AIO^SLAI

矿23

OLCu2s蛊*Cu（粗）里鸳Cu（精）

一黄铜矿蜂也问遍

物问血」FeO+SC）2+废渣

一石英会*Si（粗Si（纯）

资

天”天纯碱、石英"T而

源---石灰石----百遍---A玻璃

A.在制粗硅的反应中，还原剂与氧化剂的物质的量之比为1：1

B.生产铝、铜、高纯硅及玻璃的过程中都涉及氧化还原反应

C.黄铜矿冶炼钢时，产生的SO?可用于生产硫酸，产生的FeO可用作冶炼铁的原料

D.黄铜（CuFeSz）与。2反应产生的C^S、SO?均是还原产物

【答案】C

高温

【详解】A.制粗硅的反应为：SiO2+2C^Si+2CO个，该反应中C是还原剂、Si02是氧化剂,

还原剂与氧化剂的物质的量之比为2：1,故A错误；

高温

B.生产玻璃涉及到的反应有SiO2+Na2CO3^NazSiCh+COz个和

高温

SiO2+CaCO3^CaSiO3+CO2个，反应中没有化合价变化，不属于氧化还原反应，故B错误；

C.黄铜矿冶炼钢时，产生的S02可用于生产硫酸，产生的FeO可用作冶炼铁的原料，故C

正确；

D.黄铜（CuFeSz）与。2反应产生Cu?S、SO?的过程中Cu、。元素化合价降低，S元素化合价

上升，C%s是还原产物，so2既是氧化产物又是还原产物，故D错误；

故选Co

寿知识梳理三

三、硅单质

1.硅单质的种类及结构

与碳相似，硅单质也有晶体和无定形两种，晶体硅的结构与金刚石类似，都是空间网状结构。

2.晶体硅的物理性质

晶体硅是有金属光泽的灰黑色固体，熔点高、硬度大、有脆性。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。

3.化学性质

⑴在常温下，硅的化学性质不活泼，不易与。2、Cl2、H2SO4>HN03等发生反应，但能与F2、

HF和强碱反应。例如：Si+2NaOH+HzO=Na2SiO3+2H2t；Si+2F2=SiF4；Si+4HF=SiF4

t+2H2t。

(2)在加热时，纯硅能与某些非金属单质发生反应。如加热时研细的硅能在氧气中燃烧：

Si+03=^=SiO.

4.硅的制备

由于自然界中没有单质硅的存在，因此我们使用的硅，都是从它的化合物中提取的。在工业

上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅提纯后，可以得

到高纯硅。

制粗桂：SiO:+2CSi+2COf

制高纯硅：Si+2C1:===SiCl,SiCl,+2H-=^=Si+4HCl

5.硅的用途

⑴用作半导体材料，如制硅芯片促进信息技术革命。

⑵硅合金可用来制造变压器铁芯，耐酸设备等。

⑶制造光电池，将光能直接转换为电能，可用作计算器、人造卫星、火星探测器、

太阳能电动车等的动力，是极有发展前景的新型能源。

拓展点一：碳、硅单质及其氧化物性质的比较

碳、硅两种元素均为非金属元素，其原子的电子层数不同，但最外层电子数均为4,所以它

们的单质和化合物的性质既有相似性又有差异性。

1.单质碳和单质硅的比较

碳51

物理性质金刚石为无色透明晶体，溶、沸点

高，硬度大，是自然界中最硬的物晶体睢是灰黑色、有金属光

助石墨为深灰色、有金属光泽、泽、硬而脆的固体，是良好

不透明的细磷片状固体，质软、熔、的半导体材料

沸点高，能导电

△

Si+0—SiO；

与非金属单质反应.雌:

C+0：=co；

Si+2Cl:=^=SiCl4

Si+2F；=SiF4

单

C+2CuO=^COf+2Cu

质与氧化物反应2

的

2C+SiO=^=2COf+Si

化:

学■

C+4HN0：（浓）=^=C0f+4N0；t

性2不与HNO：、H；SO$反应，但能与

质与氧化性酸反应+2HQHF反应：

■Si+4HF=SiF,t+2H；t

C+2H：S0,（浓）=^=C0:f+2S0；f

+2HQ

与水或碱溶液反应3：-aSi+2NaOH+HJO=Na:SiO5+2H:f

C+HQ（g）—^-CO+H；

2.二氧化碳和二氧化硅的比较

二氧化碳二氧化一

化学式的SiO不能表示二氧化武的分子组成，

意义CO1可表示二氧化碳的分子组成仅表示二氧化武中让原子和氧原子

的个数比为1：2

存在空气中岩石中，石英'水晶'睢演土中都

含SiO；

物理性质熔'沸点低，常温时是气体，可溶坚硬难熔的固体，不溶于水。

于水

与碳高品高注

co：-+c----2C0SiO；+2C——Si+2COt

与水不反应

HO+COSHCO

化22=23

学

与酸不反应SiO;+4HF=SiF/+2H；0

性

与NaOHC0：（少量）+2NaOH=Na42O：WSiO+2NaOH=Na；SiO+HQ

质;5

溶液

与CaO

C0;-K：a0=CaC0;

SiO+CaO------CaSiO,

与某些Na；SiO：+HQ+C0;（不足）=H；SiO：

SiO+NaCOf^NaSiO+COt

盐|+Na£0：:::3:

NajCO4-H434-CO=2NaHCO

3;J■汨

SiO：+CaCO:fecaSiO,+CO：f

特别提醒：SiO2同C02一样为酸性氧化物，与碱反应是酸性氧化物的通性，而与氢氟酸反应

只是SiO2特性。

拓展点二：硅及其化合物的特性

l.Si的还原性大于C,但C却能在高温下还原出Si：SiO2+2C==Si+2cOt。

2.非金属单质跟碱溶液作用一般无出放出，但Si却放出H2：

Si+2NaOH+H20=Na2SiO3+2H2t0

3.非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si+4HF=SiF4t+2H2t。

4.非金属单质一般为非导体，但Si为半导体。

5.SiCh是H2SQ3的酸酊，但SiCh不溶于水，不能直接将SiO2与水作用制备H2SiC)3。

6.非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiCh的却很高。

7.酸性氧化物一般不与酸作用，但Si性能跟HF作用:SiO2+4HF=SiF4t+2H2O

8.无机酸一般易溶于水，H2SQ3却难溶于水。

9.因H2CO3的酸性大于H2SQ3,所以在NazSiCh溶液中通入少量的CO2能发生下列反应:

Na2SiO3+CO2+H20=H2SiO3I+NazCCh,若通入过量的82则发生下列反应:Na2SiC>3+2CO2+

2H2。=H2SiO3I+2NaHCO3,但在高温下NazCCh+SQ==Na2SiO3+CO2t也能发生,原因：

在高温下反应，生成的C02是气体，其生成后离开反应体系使反应向右进行到底。

10.硅酸盐大多数难溶于水，常见的可溶性硅酸盐为NazSiCh,其水溶液俗称水玻璃，可用做

黏胶剂和木材防火剂。

经典典例

1.随着科技的发展，对硅的纯度要求日益提高。某实验室利用区域熔炼技术制高纯硅的装

置剖面图如图1,将含微量杂质硼的硅晶棒装入石英保温管中，利用加热环自左向右缓慢移

动对其进行加热熔炼，已知杂质硼在不同状态的硅中含量分布如图2所示。

A.混有杂质硼的硅晶棒熔点低于纯硅

B.熔炼前，石英保温管中应排净空气后充入氤气

C.熔炼时，加热环移动速度过快可能导致杂质硼分离不彻底

D.熔炼后，硅晶棒纯度右端高于左端

【答案】D

【详解】A.混有杂质硼的硅晶棒是混合物，熔点低于纯硅，A正确；

B.为避免高温下与氧气反应，熔炼前，石英保温管中应排净空气后充入筑气，B正确；

C.熔炼时，若加热环移动速度过快可能导致硅晶棒未充分熔融，杂质硼分离不彻底，C正

确；

D.熔炼时，加热环自左向右缓慢移动对其进行加热熔炼，熔融态的硅在左侧再凝区凝固,

故熔炼后，硅晶棒纯度左端高于右端，D错误;

故选D。

2.云南合盛硅业有限公司水电硅循环经济项目在昭通市昭阳区小龙洞乡韭菜海子落地生根。

建成后，有机硅和工业硅年产达80万吨。下列说法正确的是

A.SiO2是目前最常用的半导体材料

B.硼硅玻璃耐高温、硬度大，属于传统无机非金属材料

C.光伏电池是以硅为基底的硅太阳能电池，将光能直接转化为电能

高温

D.粗硅的制取原理为Sio,+c—CO?+Si

【答案】C

【详解】A.晶体硅是良好的半导体材料，二氧化硅不具有此性质，故A错误；

B.硼硅玻璃耐高温、硬度大，属于新型无机非金属材料，故B错误；

C.晶体硅是良好的半导体材料，光伏电池是以硅为基底的硅太阳能电池，能将光能直接转

化为电能，故C正确；

高温小

D.粗硅的制取原理为SQ+2C—2coT+Si,故D错误;

故答案为：Co

3.实验室用H?还原SiHCh（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n、田中依次盛装的是浓硫酸、冰水

B.实验时，应先加热管式炉，再打开活塞K

C.为鉴定制得硅中是否含有微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、KSCN溶液

D.该实验中制备氢气的装置也可用于硫酸与Na2SO3反应制备S02

【答案】C

【分析】I为氢气的发生装置，n为干燥装置，浓硫酸是常用的干燥剂，装置m需水浴加热,

目的是加快反应的速率，且保持稳定恒定；装置IV不能采用普通玻璃管的原因是温度太高，

普通玻璃管易熔化；保证实验成功的关键是：装置要严密；控制好温度等，以此解答该题。

【详解】A.本题制备高纯硅，反应H2+SiHCb"="si+3HCI应在装置IV中进行，装置工的目的

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n的作用是除

去氢气中的水蒸气，即装置n中盛放浓硫酸，装置ID的作用是提供SiHCb气体，因此在水浴

中加热，不能使用冰水，故A错误；

B.实验时应先通入氢气，目的是排出装置中的空气，防止氢气不纯，在加热时爆炸，故B

错误；

C.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，故C正确；

D.Na2s易溶于水，不能用启普发生器发生反应，因此不能用于硫酸与Na2sO3反应制备

SO2,故D错误。

答案选C。

4.近日，清华大学等重点高校为解决中国"芯"一一半导体芯片，成立了“芯片学院"。某小组

拟在实验室制造硅，其流程如下图。

已知：Mg2si+4HC1=2Mge%+SiH”T。

下列说法中错误的是

A.点燃镁条引发反应的过程中，涉及两种晶体类型的变化

B.CO?氛围是为了阻止Si被二次氧化和SiH,自燃

C.操作2为用去离子水洗涤并烘干

D.Imol镁粉生成Mg。和Mg?Si的混合物，转移2moi电子

【答案】A

【详解】A.根据分析，点燃镁条引发反应的过程中发生的反应为：2Mg+SiO2—2MgO+Si,

高温

2Mg+Si-Mg2Si,涉及到金属晶体、共价晶体、分子晶体类型的变化，A错误；

B.CO?氛围是为了阻止Si被二次氧化和SiH』自燃，B正确；

C.根据分析，操作2为用去离子水洗涤并烘干，C正确；

D.Imol镁粉生成MgO和Mg?Si的混合物，Mg由0价全部变为+2价，转移2moi电子，D

正确；

故选A。

5.部分含Si物质的分类与相应化合价关系如图所示。下列说法不正确的是

+4

+3

+2

+O1

氢化物单质氧化物氧化物钠盐

对应的

水化物

A.化合物c是现代信息技术的基础材料

B.工业制取单质b时同时产生氧化产物CO

C.向溶液中通入CO?,可以实现efd的转化

D.化合物a的热稳定性大于甲烷

【答案】D

【分析】根据价类二维图，a、b、c、d、e分别为SiH4、Si、SiO2>H2SiO3>Na2SiO3；

【详解】A.Si02是光导纤维的主要成份，是现代信息技术的基础材料，A正确；

B.工业制取单质b时同时产生氧化产物CO,SiO2+2C=Si+2CO,B正确；

C.碳酸酸性大于硅酸，可以强酸制弱酸，C正确；

D.Sil和CH4,非金属性越强，对应气态氢化物越稳定，所以稳定性；SiH4<CH4,D错误;

故选Do

型知识梳理四

四、新型无机非金属材料

1.压电材料

受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。把重物放在石英晶体上，晶体某些表面

会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。压电材料受压力作用形变时

两端面会出现异号电荷。利用压电材料的这些特性可实现机械振动(声波)和交流电的互相

转换。因而压电材料广泛用于传感器元件中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元

件以及电声传感器等。这类材料被广泛运用，举一个很生活化的例子，打火机的火花即运用

此技术。BaTiO,是一种具有代表性的压电材料

2.激光材料

激光材料是把各种激发能量(电、光、射线)或泵浦能量转换成激光的材料，即激光器的工作

物质。激光材料主要是凝聚态物质，又以固体物质为最主要，其具有激活离子浓度高，振荡

频带宽并能产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的力学性能和稳定的化学性能。固体激光材

料分为两类。一类是以电激励为主的半导体激光材料，一般采用异质结构，由半导体薄膜组

成，用外延方法和气相沉积方法制得。另一类是通过分立发光中心吸收光泵能量后转换成激

光输出的发光材料。这类材料以固体电介质为基质，分为单晶体、玻璃以及近些年发展起来

的透明多晶陶瓷三种。铝(Y)作为稀土元素之一，在激光材料和超导材料方面有着重要的应

用。

3.氮化硼(BN)

氮化硼具有抗化学侵蚀性质，不被无机酸和水侵蚀。在热浓碱中硼氮键被断开。1200℃以上

开始在空气中氧化。真空时约2700℃开始分解。微溶于热酸，不溶于冷水，相对密度2.29。

压缩强度为170MPa。在氧化气氛下最高使用温度为900℃,而在非活性还原气氛下可达

2800℃,但在常温下润滑性能较差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更优。对于六方氮化硼：

摩擦系数很低、高温稳定性很好、耐热震性很好、强度很高、导热系数很高、膨胀系数较低、

电阻率很大、耐腐蚀、可透微波或透红外线。

4.氮化铝(AIN)

氮化铝是一种以共价键相连的物质，它有六角晶体结构，与硫化锌、纤维锌矿同形。要以热

压及焊接式才可制造出工业级的物料。物质在惰性的高温环境中非常稳定。在空气中，温度

高于700℃时，物质表面会发生氧化作用。在室温下，物质表面仍能探测到5-10纳米厚的

氧化物薄膜。直至1370℃,氧化物薄膜仍可保护物质。但当温度高于1370℃时，便会发生

大量氧化作用。直至980℃,氮化铝在氢气及二氧化碳中仍相当稳定。矿物酸通过侵袭粒状

物质的界限使它慢慢溶解，而强碱则通过侵袭粒状氮化铝使它溶解。物质在水中会慢慢水解。

氮化铝可以抵抗大部分融解的盐的侵袭，包括氯化物及冰晶石〔即六氟铝酸钠）。

5.磁性材料

能对磁场作出某种方式反应的材料称为磁性材料。按照物质在外磁场中表现出来磁性的强

弱，可将其分为抗磁性物质、顺磁性物质、铁磁性物质、反铁磁性物质和亚铁磁性物质。大

多数材料是抗磁性或顺磁性的，它们对外磁场反应较弱。铁磁性物质和亚铁磁性物质是强磁

性物质，通常所说的磁性材料即指强磁性材料。铁磁性材料一般是Fe,Co,Ni元素及其合

金，稀土元素及其合金，以及一些Mn的化合物。磁性材料按照其磁化的难易程度，一般分

为软磁材料及硬磁材料。

经典典例

1.高纯碳酸铳广泛应用于电子工业，是制备高性能磁性材料的原料。某化学小组在实验室

模拟用软锦矿粉（主要成分为Mn。?）制备MnCOs。回答下列问题:

（1）制备MnSO,溶液：将力圾软锦矿粉经除杂后制得MnO2浊液，向MnO?浊液中通入SO2,

制得MnSO,溶液，实验装置如图所示（夹持和加热装置略）。

①通过装置A可观察通入SO2与N2的快慢，则A中加入的最佳试剂是，

②MnO2转化为MI?+的离子方程式为。

煨烧制a-Fe2O3

⑵将所得铁黄晶体洗净后煨烧，得a-FezCh,下图为其他条件相同时不同煨烧温度对产品中

FezS质量分数的影响。当燃烧温度高于800℃时，产品中FezS质量分数降低，铁元素质量

⑶燃烧FeCO?也能生成a-FezCh实验室以100mL0.1mol.L」FeSO4溶液为原料制备高产率、较

纯净的a-Fe2O3,已知：Fe（OH）2开始沉淀的pH=6.5,请补充完整实验方案：在搅拌

下，将固体干燥，得到纯净的FeCOs放入管式炉内燃烧2h,获得产品a-Fe2O3.（必

须使用的试剂：O.lmobUNHRCOs溶液、2moi盐酸、BaCl?溶液、蒸储水）。

2+

【答案】（1）饱和NaHSCb溶液Mn02+S02=Mn+SO^

（2）部分Fe2O3分解生成Fe3O4或FeO

⑶向lOOmLO.lmohl/iFeSCU溶液中缓慢滴加约200mL0.1mol-L"NH4HC03溶液，静置后过滤，

所得沉淀用蒸储水洗涤2〜3次：取最后一次洗涤后的滤液，滴入2moi七1盐酸酸化后再滴

加BaCb溶液，无浑浊

【分析】A中通过气体的气泡的快慢来调节气体的通入速率，故该试剂不能和二氧化硫反应,

为使S02尽可能转化完全，就是要使装置中的二氧化硫全部进入烧瓶中，MnCh和二氧化硫

反应生成硫酸镐，实验中若将N2换成空气，则空气中的氧气可以将二氧化硫氧化生成硫酸

根离子；

【详解】（1）①A中通过气体的气泡的快慢来调节气体的通入速率，故该试剂不能和二氧

化硫反应，故A中加入的最佳试剂是饱和NaHSCb溶液；

②MnCh和二氧化硫反应生成硫酸镒，反应的离子方程式为MnO2+SO2=Mn2++SO：；

（2）当燃烧温度高于800℃时，产品中Fe20质量分数降低，铁元素质量分数升高，则表明

FezCh转化为其它的铁的氧化物，同时生成。2,其可能原因是：部分FezQ分解生成Fe3O4

或FeO,故答案为：部分Fez2分解生成FesCU或FeO；

(3)FeSC>4生成FeCCh,显然需要加入NH4HCO3,要得到纯净的FeCCh,需要对沉淀进行洗

涤、检验最后一次洗涤液中是否含有SO〉需要加入盐酸酸化的BaCb溶液，所以完整实验

方案：在搅拌下向100mL0.1mol-15FeSC)4溶液中缓慢滴加约2000mL0.1mol-LUNH4HC03溶液,

静置后过滤，所得沉淀用蒸储水洗涤2〜3次：取最后一次洗涤后的滤液，滴入2moi七】盐

酸酸化后再滴加BaCb溶液，无浑浊，将固体干燥，得到纯净的FeCCh放入管式炉内燃烧2h,

获得产品a-Fe2C)3,故答案为：向lOOmLO.lmol-l/iFeSCU溶液中缓慢滴加约

200mL0.1mol-LUNH4