2023届新高考化学一轮复习无机非金属材料学案

无机非金属材料【学科素养】1.宏观辨识与微观探析：了解C、Si单质及其重要化合物的主要性质及其应用。2．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。3．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；认识无机非金属材料对社会发展的重大贡献。考点考题考点一：硅无机非金属材料2021浙江6月选考第9题2021广东选择考第1题2021广东选择考第4题2021山东等级考第17题2021浙江1月选考第21题2021全国乙卷第26题2020山东等级考第4题2020浙江7月选考第9题2020浙江7月选考第24题2020浙江1月选考第8题2020山东等级考第9题2019全国Ⅰ卷第1、26题2019全国Ⅲ卷第1题2018全国Ⅲ卷第28题考点二：碳及其氧化物2021山东等级考第2题2020全国Ⅱ卷第9题2020全国Ⅲ卷第28题2019全国Ⅰ卷第28题2019全国Ⅱ卷第26题2018全国Ⅰ卷第13题2018全国Ⅱ卷第27题考点一：硅无机非金属材料(应用性考点)(一)多角度认识Si、SiO2、硅酸、硅酸盐Si元素原子结构示意图：，在自然界仅以化合态(氧化物和硅酸盐)形式存在。1．Si涉及的化学方程式为①Si＋O2SiO2②Si＋2F2=SiF4③Si＋2Cl2SiCl4④Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑⑤Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑辨易错(1)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料。(×)提示：制作半导体材料与熔点高、硬度大无关。(2)硅是构成岩石与许多矿物的基本元素。(√)提示：岩石与许多矿物的组成成分含有硅酸盐。(3)硅与铝单质均能与强碱溶液反应生成H2。(√)提示：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑2．SiO2涉及的化学方程式为 ①SiO2＋2CSi＋2CO↑②CaO＋SiO2CaSiO3③SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O④SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑⑤SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O深思考(1)保存NaOH溶液的试剂瓶为什么用橡胶塞而不用玻璃塞？提示：玻璃塞主要成分为SiO2，会发生反应：SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O，生成具有黏性的硅酸钠黏住瓶塞。(2)能否依据反应Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，说明H2SiO3的酸性比H2CO3强？提示：不能。强酸制弱酸规律仅适用于常温下水溶液中进行的反应，根据元素周期律知非金属性C>Si，酸性H2CO3>H2SiO3。3．硅酸盐(以Na2SiO3为例)硅酸(二)应用角度认识无机非金属材料1．传统无机非金属材料(1)传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，如水泥、玻璃、陶瓷等。类别水泥玻璃陶瓷主要成分硅酸盐Na2SiO3、CaSiO3和SiO2含水的铝硅酸盐生产原料石灰石、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(2)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)高纯度含硅元素的材料，如单晶硅、二氧化硅，具有特殊的光学和电学性能。(2)新型陶瓷新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面有很多新的特性和功能。碳化硅(SiC)俗称金刚砂，具有金刚石结构，可用作磨料，具有优异的高温抗氧化性能，可用作耐高温结构材料等。另外还有高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷等。(3)碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。能力点：硅的工业制取及提纯1．制粗硅：工业上，用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅。eq\x(石英砂)eq\x(粗硅)SiO2＋2CSi＋2CO↑2．粗硅制纯硅以制得纯度为98%左右的粗硅为原料制备高纯硅。例如，可将粗硅转化为三氯硅烷(SiHCl3)，再经氢气还原得到高纯硅。eq\x(粗硅)eq\x(SiHCl3)eq\x(高纯硅)Si＋3HClSiHCl3＋H2SiHCl3＋H2Si＋3HCl【典例】晶体硅是一种重要的非金属原料，由粗硅制备纯硅的主要步骤如下：①粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3：Si(粗)＋3HClSiHCl3＋H2；②经过纯化的SiHCl3与过量H2在1000～1100℃下反应制得纯硅。回答相关问题：(1)粗硅与HCl气体反应完全后，经冷凝得到eq\a\vs4\al(SiHCl3)eq\a\vs4\al(（沸点为36.5℃）)，只含有少量eq\a\vs4\al(SiCl4（沸点为)eq\a\vs4\al(57.6℃）和HCl（沸点为－84.7℃）)①，提纯SiHCl3的方法为___________________________________________。(2)用eq\a\vs4\al(SiHCl3与过量H2)②反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置已略去)：①在加热D处前应先打开A处分液漏斗的活塞，目的是__________________________________________________________________。②C处烧瓶需要加热，采用的方法是_______________________________。③D处发生反应的化学方程式为__________________________________。[解题思维]解答本题的思维流程如下：信息提取①SiHCl3、SiCl4、HCl沸点②SiHCl3与过量H2反应信息转化①SiHCl3、SiCl4、HCl沸点不同，则采用蒸馏方法分离其混合物②反应中有过量H2参与反应，在加热反应装置前需要排出装置中的空气，防止空气与一定量H2在加热时发生爆炸联想质疑装置B中试剂是什么？有何作用？提示：SiHCl3能与水发生反应SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑，因此装置中B的作用是除去水蒸气，试剂为浓硫酸【解析】(1)SiHCl3、SiCl4、HCl沸点不同，提纯SiHCl3的方法为蒸馏；(2)SiHCl3与过量H2在装置D中反应，防止加热中空气与H2混合发生爆炸，需要先通一段时间H2排出装置中的空气，具体操作为在加热D处前应先打开A处分液漏斗的活塞；装置C中加热温度高于SiHCl3的沸点，将SiHCl3汽化进入装置D中反应。答案：(1)蒸馏(2)①排出系统内的空气，以防爆炸②水浴加热③SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl思维拓展·延伸设问(1)有同学认为粗硅制备纯硅中第一步反应与第二步反应互为可逆反应，该认识是否正确？不正确，原因是反应条件不同。(2)粗硅制备能否通过SiO2SiCl4Si实现？为什么？不可以，SiO2与HCl(aq)不反应。·命题角度一：硅及其化合物之间的转化1．下列关于硅及其化合物的说法不正确的是()A．二氧化硅熔点低于晶体硅B．玻璃、陶瓷和水泥都是传统硅酸盐材料C．自然界中硅元素多以化合态存在D．高温下用纯碱和二氧化硅可制得硅酸钠【解析】选A。A.硅和二氧化硅都是共价晶体，氧的原子半径小于硅的原子半径，Si—O键的键能大于Si—Si键的键能，二氧化硅的熔点高于晶体硅，故A错误；B.水泥、玻璃、陶瓷都是传统无机非金属材料，主要是硅酸盐产品，制备原料都需要用到含硅元素的物质，故B正确；C.Si是亲氧元素，不能以单质形式存在于自然界中，主要以二氧化硅和硅酸盐形式存在，故C正确；D.高温下，纯碱和二氧化硅发生反应，生成硅酸钠和CO2，即Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，所以高温下用纯碱和二氧化硅可制得硅酸钠，故D正确。2．常温下，下列各组物质不发生反应的是()①硅与NaOH溶液②硅与盐酸③硅与氢氟酸④二氧化硅与碳酸钠⑤二氧化硅与NaOH溶液⑥二氧化硅与浓硝酸A．①②④ B．③④⑥C．②⑤⑥ D．②④⑥【解析】选D。常温下，能发生反应①Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑，③Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑，⑤SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O。·命题角度二：硅及其化合物的性质与应用3．下列说法不正确的是()A．SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶C．氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，化学式为Si3N4D．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【解析】选D。氢氟酸与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，故HF可用于刻蚀玻璃，故A正确；盐酸的酸性强于硅酸，所以向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸可制备硅酸凝胶，故B正确；根据N的非金属性强于Si及化合物中正负化合价的代数和为0的原则，得氮化硅的化学式为Si3N4，故C正确；晶体硅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，而不是二氧化硅，故D错误。4．下列关于二氧化硅的说法正确的是()A．二氧化硅是酸性氧化物，能与水反应生成硅酸B．二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆C．二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应D．用二氧化硅制取粗硅时，当生成2.24L气体(标准状况)时，得到2.8g硅【解析】选C。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，故A错误；二氧化硅制成的光导纤维，由于其良好的光学特性而被用于制造光缆，故B错误；碳酸的酸性强于硅酸，二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但在高温时，二氧化硅能够与碳酸钠固体反应生成硅酸钠和二氧化碳，故C正确；由化学方程式SiO2＋2CSi＋2CO↑，可知当生成2.24L(标准状况)即0.1mol气体时，得到0.05mol即1.4g硅，故D错误。·命题角度三：无机非金属材料5．化学与社会、科学、技术、环境密切相关。下列说法正确的是()A．目前提岀的“低碳经济”，即减少向环境排放CO2，抑制酸雨的形成B．推广使用燃料电池汽车，可减少固体颗粒物、CO等有害物质的排放C．高纯度的硅广泛用于制作光导纤维，光导纤维遇强碱会“断路”D．水泥、玻璃、青花瓷、水晶、玛瑙都属于硅酸盐材料【解析】选B。目前提岀的“低碳经济”，即减少向环境排放CO2，可减缓温室效应，SO2、NOx可引起酸雨的形成，故A错误；推广使用燃料电池汽车，可以减少机动车化石燃料的燃烧，因此可以减少固体颗粒物、CO等有害物质的排放，故B正确；高纯度的二氧化硅广泛用于制作光导纤维，二氧化硅可与强碱反应，因此光导纤维遇强碱会“断路”，故C错误；水泥、玻璃、青花瓷属于硅酸盐材料，水晶、玛瑙的主要成分是二氧化硅，不属于硅酸盐材料，故D错误。6．(2022·佛山模拟)2021年“神舟十二号”载人飞船成功发射，“天问一号”开启火星探测之旅，对其所涉及材料说法正确的是()A．飞船船体覆盖的耐高温陶瓷材料属于传统无机非金属材料B．“天问一号”所用的太阳能电池板使用的主要原料是SiO2C．航天员所使用的操纵杆采用碳纤维材料制作，碳纤维属于有机高分子材料D．探测器使用了大量的镁铝合金材料，是因为镁铝合金的密度小、强度高【解析】选D。A.飞船船体覆盖的耐高温陶瓷材料属于新型无机非金属材料，故A错误；B.晶体硅为良好的半导体材料，是制造太阳能电池板的主要原料，二氧化硅不具有此性质，故B错误；C.碳纤维为碳单质，不属于有机高分子材料，故C错误；D.镁铝合金密度小、硬度大，适合制作探测器，故D正确。考点二：碳及其氧化物(基础性考点)一、碳单质C元素原子结构示意图：，在自然界以化合态和游离态形式存在。(1)碳单质结构、物理性质和用途金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、活性炭均属于碳单质，它们互为同素异形体。(2)化学性质涉及的化学方程式为二、碳的氧化物(一)CO与CO2对比1．物理性质CO：无色无味气体，密度比空气小，难溶于水；CO2：无色无味气体，密度比空气大，可溶于水(1∶1)。2．化学性质(1)毒性：CO：有毒(易结合血红蛋白)；CO2：无毒(温室效应)。(2)还原性：CO具有还原性，能够还原氧化铁。(3)氧化性：CO2具有氧化性。①与炽热炭反应C＋CO22CO②Mg在CO2中燃烧2Mg＋CO22MgO＋C(4)酸性氧化物CO2是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性①与水反应CO2＋H2OH2CO3②与碱性氧化物反应Na2O＋CO2=Na2CO3③与碱[Ca(OH)2]反应CO2＋Ca(OH)2=CaCO3↓＋H2O(检验CO2)3．相互转化CO2CO辨易错(1)金刚石和石墨由相同的元素组成，因此它们具有相同的性质。(×)提示：它们的化学性质相似，但物理性质不同。(2)氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体。(√)提示：侯氏制碱NaCl＋NH3＋CO2＋H2O=NaHCO3↓＋NH4Cl。(3)CO2是一种常用灭火剂，故Na、Mg着火时可用液态二氧化碳灭火。(×)提示：CO2与Na2O2反应生成O2，与Mg反应会生成可燃性物质。(二)CO、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的硬质玻璃管CO2中混有O2通过盛放灼热铜网的硬质玻璃管CO2中混有少量SO2通过盛有饱和NaHCO3溶液或酸性KMnO4溶液的洗气瓶，然后干燥气体CO2中混有少量HCl通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶，然后干燥气体微点拨1．澄清石灰水只用于检验CO2，不能用于除去混合气体中的CO2，应用NaOH溶液除去；2．CO2、SO2通入CaCl2或BaCl2溶液均无沉淀产生。能力点一：CO2在自然界中的循环1．(2020·全国Ⅱ卷)二氧化碳的过量排放可对海洋生物的生存环境造成很大影响，其原理如下图所示。下列叙述错误的是()A.海水酸化能引起HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))浓度增大、COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))浓度减小B．海水酸化能促进CaCO3的溶解，导致珊瑚礁减少C．CO2能引起海水酸化，其原理为HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))H＋＋COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))D．使用太阳能、氢能等新能源可改善珊瑚的生存环境【解析】选C。二氧化碳溶于水生成碳酸，H2CO3H＋＋HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))，使c(H＋)、c(HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))增大，C错误；产生的H＋与碳酸钙溶解得到的COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))发生反应H＋＋COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))，使c(COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3)))减小，c(HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))增大，溶解平衡右移，促进CaCO3的溶解，导致珊瑚礁减少，A、B正确；使用太阳能、氢能等新能源可减少CO2的排放，改善珊瑚的生存环境，D正确。2．(2022·江门模拟)碳元素以多种形态存在于自然界中，其化合价与物质类别间的关系如图所示。下列说法错误的是()A.a存在多种同素异形体B．正常雨水的pH约为5.6，是因为含有dC．若e和f都是钙盐，热稳定性：f＞eD．用同一氧化剂可实现a→b→c的转化【解析】选C。A.碳的单质有金刚石、石墨、活性炭等，为碳元素的同素异形体，存在多种同素异形体，故A正确；B.正常雨水中因为溶解了一定量的二氧化碳生成碳酸而显酸性，pH约为5.6，故B正确；C.若e和f都是钙盐，为碳酸钙和碳酸氢钙，碳酸钙高温煅烧分解，碳酸氢钙加热分解，热稳定性e＞f，故C错误；D.碳不充分燃烧生成一氧化碳，一氧化碳燃烧生成二氧化碳，用同一氧化剂可实现a→b→c的转化，故D正确。能力点二：CO2与碱或盐反应1．CO2与碱反应(1)CO2与单一碱溶液反应，如CO2逐渐通入NaOH溶液，发生的反应如下：①CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O②Na2CO3＋CO2＋H2O=2NaHCO3具体分析过程用数轴表示如下：(2)CO2与混合碱溶液反应，如CO2逐渐通入NaOH、Ca(OH)2的混合溶液中，反应的顺序：①Ca2＋＋2OH－＋CO2=CaCO3↓＋H2O②2OH－＋CO2=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋H2O③COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋CO2＋H2O=2HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))④CaCO3＋CO2＋H2O=Ca2＋＋2HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))2．CO2与盐反应(一般利用强酸制弱酸原理)由于碳酸比硅酸、次氯酸、苯酚、Al(OH)3的酸性强，向上述物质对应的盐溶液中通入CO2可生成对应弱酸。(1)酸性：H2CO3＞HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))＞Al(OH)3/H2SiO3CO2(过量)＋NaAlO2＋2H2O=Al(OH)3↓＋NaHCO3CO2(少量)＋2NaAlO2＋3H2O=2Al(OH)3↓＋Na2CO32CO2(过量)＋Na2SiO3＋2H2O=H2SiO3↓＋2NaHCO3CO2(少量)＋Na2SiO3＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3(2)酸性：H2CO3＞HClO/OH＞HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))CO2＋ONa＋H2O→OH＋NaHCO3CO2＋NaClO＋H2O=HClO＋NaHCO3·命题角度一：CO2与碱反应产物判断1．标准状况下，将3.36LCO2气体通入200mL1.00mol·L－1NaOH溶液中，充分反应后溶液中c(COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3)))与c(HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))的比值为(不考虑COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))、HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))的水解)()A．1∶1B．1∶2C．2∶1D．1∶3【解析】选B。n(CO2)＝eq\f(3.36L,22.4L·mol－1)＝0.150mol，n(NaOH)＝0.200L×1.00mol·L－1＝0.200mol，eq\f(n（NaOH）,n（CO2）)＝eq\f(0.2mol,0.15mol)＝eq\f(4,3)，即1<eq\f(n（NaOH）,n（CO2）)<2，反应产物为Na2CO3、NaHCO3，设其物质的量分别为x、y，则eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(2x＋y＝0.2mol,x＋y＝0.15mol))，解得eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(x＝0.05mol,y＝0.10mol))，eq\f(n（COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))）,n（HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))）)＝1∶2。·命题角度二：CO2与碱反应图像分析2．将足量CO2通入KOH和Ba(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量(n)和通入CO2体积(y)的关系正确的是()【解析】选D。向KOH和Ba(OH)2的混合稀溶液中通入CO2，二氧化碳先和氢氧化钡反应生成碳酸钡沉淀，沉淀量逐渐增加，当氢氧化钡消耗完时，沉淀量最大，继续通入二氧化碳，二氧化碳和氢氧化钾反应生成碳酸钾，再生成碳酸氢钾，沉淀量不变，当碳酸钾完全反应后，继续通入二氧化碳，二氧化碳和碳酸钡、水反应生成可溶性的碳酸氢钡，碳