第15讲-碳、硅及无机非金属材料(讲义)(解析版)-2024年高考化学一轮复习

第15讲碳、硅及无机非金属材料目录考情分析网络构建考点一碳及其化合物【夯基·必备基础知识梳理】知识点1碳单质知识点2碳的氧化物知识点3碳酸、碳酸盐知识点4碳元素在自然界中的循环知识点5CO2与碱、盐溶液的反应规律【提升·必考题型归纳】考向1考查碳及及其化合物性质和应用考向2考查CO2与碱反应图像分析考向3考查碳元素在自然界中的循环考点二硅及基化合物【夯基·必备基础知识梳理】知识点1单质硅知识点2二氧化硅知识点3硅酸知识点4硅酸盐知识点5碳、硅及其化合物性质“反常”小结【提升·必考题型归纳】考向1考查硅、二氧化硅的性质及其应用考向2考查硅的制备考向3考查硅酸、硅酸盐的性质及其应用考点三无机非金属材料【夯基·必备基础知识梳理】知识点1传统无机非金属材料知识点2新型无机非金属材料【提升·必考题型归纳】考向1考查传统无机非金属材料的分类和应用考向2考查传统无机非金属材料的分类和应用真题感悟考点要求考题统计考情分析碳及其化合物2023浙江1月卷7题，2分2022江苏卷7题，3分2021山东卷2题，2分分析近三年高考试题，高考命题在本讲有以下规律：1．从考查题型和内容上看，高考命题以选择题和非选择题呈现，考查内容主要有以下几个方面：(1)直接考查硅及其化合物、碳及其氧化物的结构、性质。(2)以传统文化、先进科学技术为素材考查无机非金属材料的组成、性质、应用等。(3)与环境相结合考查碳循环。(4)以水煤气变换为载体，考查盖斯定律、化学平衡等化学反应原理的内容。(5)原料中涉及硅元素的工艺流程中，考查硅及其化合物的性质。2．从命题思路上看，侧重从晶体结构、物质类型、化合价等方面多角度、多层次分析、认知碳、硅两种元素的单质及其重要化合物；以无机非金属材料为载体考查化学对社会发展的重大贡献；通过二氧化碳对环境的影响的考查，树立低碳绿色可持续发展意识。根据高考命题的特点和规律，复习时注意以下几个方面：(1)掌握C、Si单质及其重要化合物的主要性质及应用。(2)了解无机非金属材料对社会发展的影响。注重联系生活实际。(3)有意识运用相关知识或寻求相关证据参与社会性议题的讨论。硅及其化合物2023湖北卷3题，3分2022广东卷3题，2分2021辽宁卷1题，3分无机非金属材料2023浙江6月卷1题，2分2022河北卷1题，3分2021重庆卷1题，3分考点一碳及其重要化合物知识点1碳单质1.碳原子的结构及碳元素的存在：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。2.常见碳单质的结构和物理性质常见的碳单质有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯、碳纳米管等，它们互为同素异形体。3.碳单质化学性质a．与O2的反应(用化学方程式表示)：①O2不足：2C＋O2eq\o(=,\s\up11(点燃),\s\do4())2CO；②O2充足：C＋O2eq\o(=,\s\up11(点燃),\s\do4())CO2。b．与氧化物反应(用化学方程式表示)：①与CuO反应：2CuO＋C2Cu＋CO2↑；②与Fe2O3反应：Fe2O3＋3C2Fe＋3CO↑；③与CO2反应：CO2＋C2CO；④与水蒸气反应：C＋H2O(g)CO＋H2(制水煤气)；⑤与SiO2反应：SiO2＋2CSi＋2CO↑(制粗硅)；SiO2＋3CSiC＋2CO↑(制金刚砂)c．与强氧化性酸反应①与浓硫酸反应：C＋2H2SO4(浓)CO2↑＋2SO2↑＋2H2O。②与浓硝酸反应：C＋4HNO3(浓)CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。4.碳单质的用途：①金刚石结构坚硬，作玻璃刻刀、机器钻头、装饰品等；②石墨的细鳞片状结构质软、导电性、滑腻性、耐高温铅笔芯、电极、润滑剂、坩埚；③木炭和活性炭的疏松多孔的结构吸附性吸附食品色素、除臭、防毒面具、冰箱除味剂等；④作燃料，用于家庭取暖、做饭等；⑤作还原剂：冶炼金属，如冶炼金属铜、铁等。知识点2碳的氧化物CO和CO21.碳的氧化物的物理性质色态味密度(比空气)水溶性毒性相互转化CO无色、无味、气体小难溶有(易结合血红蛋白)CO2大能溶无(温室效应)2.碳的氧化物的化学性质①CO具有较强的还原性，可以与O2、金属氧化物等发生反应。如与Fe2O3反应：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2。②CO2是典型的酸性氧化物，也具有氧化性。a.酸性氧化物①与水反应：CO2＋H2OH2CO3②与碱反应：CO2少量：CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O；CO2足量：CO2＋NaOH=NaHCO3③与碱性氧化物反应：CO2＋CaO=CaCO3④与Ca(ClO)2盐溶液反应：Ca(ClO)2＋CO2＋H2O=CaCO3↓＋2HClO（CO2少量）；Ca(ClO)2＋2CO2＋2H2O=Ca(HCO3)2＋2HClO（CO2过量）；b.氧化性①与C反应：CO2＋C2CO；②与Mg反应：2Mg＋CO22MgO＋C【特别提醒】溶液中通入CO2气体产生沉淀的问题：向BaCl2或CaCl2溶液中通入CO2气体，由于盐酸的酸性比碳酸的强，不会产生BaCO3或CaCO3沉淀。3.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【易错提醒】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；②CO2、SO2通入CaCl2或BaCl2溶液均无沉淀产生。知识点3碳酸和碳酸盐1.碳酸二元弱酸、不稳定，常用CO2＋H2O代替H2CO3，但酸性比苯酚、次氯酸强。2.碳酸的正盐和酸式盐的比较正盐(COeq\o\al(2－,3))酸式盐(HCOeq\o\al(－,3))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COeq\o\al(2－,3)HCOeq\o\al(－,3)知识点4碳元素在自然界中的循环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：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。知识点5CO2与碱、盐溶液的反应规律1、与碱溶液的反应(1)反应原理NaOHeq\o(→,\s\up15(少量CO2))Na2CO3eq\o(→,\s\up15(CO2))NaHCO3(2)反应后溶质成分的判断x＝eq\f(nNaOH,nCO2)溶质成分x≤1∶1NaHCO31∶1<x<2∶1Na2CO3、NaHCO3x＝2∶1Na2CO3x>2∶1NaOH、Na2CO3也可用数轴来表示：①CO2＋Na2CO3＋H2O=2NaHCO3②CO2＋Na2SiO3＋2H2O=H4SiO4↓＋Na2CO3或CO2＋Na2SiO3＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3当CO2过量时，发生反应如下：2CO2＋Na2SiO3＋2H2O=H2SiO3↓＋2NaHCO3③CO2＋Ca(ClO)2＋H2O=CaCO3↓＋2HClO2、与盐溶液的反应(1)CO2与盐溶液的常见反应碳酸是一种弱酸，其酸性比盐酸、醋酸要弱，因此，盐酸、醋酸能与碳酸盐反应；其酸性又比硅酸、次氯酸、苯酚、偏铝酸等强，因此，将CO2气体通入Na2SiO3、NaClO、、NaAlO2等盐溶液中，均能发生反应而生成相应的弱酸和碳酸(氢)盐，这就是“强酸制弱酸”原理的应用。如：①CO2＋Na2CO3＋H2O=2NaHCO3②CO2＋Na2SiO3＋2H2O=H4SiO4↓＋Na2CO3或CO2＋Na2SiO3＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3当CO2过量时，发生反应如下：2CO2＋Na2SiO3＋2H2O=H2SiO3↓＋2NaHCO3③CO2＋Ca(ClO)2＋H2O=CaCO3↓＋2HClO当CO2过量时，发生反应如下：2CO2＋Ca(ClO)2＋2H2O=Ca(HCO3)2＋2HClO④CO2＋＋H2O→＋NaHCO3⑤CO2＋NaAlO2＋2H2O=Al(OH)3↓＋NaHCO3(CO2过量时)CO2＋2NaAlO2＋3H2O=2Al(OH)3↓＋Na2CO3(CO2少量时)(2)注意事项①“强酸制弱酸”是一个重要的化学反应规律，但不可认为弱酸就不能“制取”强酸。在某些条件下，当弱酸的酸根阴离子被沉淀或被氧化后，H＋就被“释放”出来，从而生成了强酸。如将H2S通入CuSO4溶液中或向氢硫酸中滴加氯水，均由氢硫酸这种弱酸生成了强酸：H2S＋CuSO4=CuS↓＋H2SO4(S2－与Cu2＋结合成难溶的CuS)，H2S＋Cl2=S↓＋2HCl(S2－被氧化)。②CO2与溶液反应的产物与CO2的用量无关，都生成NaHCO3，因为酸性H2CO3>>HCOeq\o\al(－,3)。③CO2与NaClO溶液反应的产物与CO2的量无关，也只能生成NaHCO3，不能生成Na2CO3，因为酸性H2CO3>HClO>HCOeq\o\al(－,3)。④CO2、SO2通入CaCl2或BaCl2溶液均不反应，无沉淀产生。考向1考查碳及及其化合物性质和应用例1．（2023·广东梅州·统考二模）为了获得良好的草酸酯加氢的催化效果，通常需要保持铜催化剂中Cu0和Cu+的组成相对稳定，将C60作为电子缓冲剂，通过中性碳团簇(C60)与负离子(C)的切换可有效地稳定铜催化剂中Cu0和Cu+的比例。下列说法正确的是A．C60是新型化合物B．当1molC60转变为C时，失去60mol电子C．当C60转变为C时，铜催化剂中Cu0和Cu+的个数比减小D．草酸酯催化加氢过程中，需要不断补充C60【解析】A．是单质，不是化合物，A项错误；B．是一个由60个C原子构成的分子，转变为时，得到电子，B项错误；C．转变为时，得到电子，则铜催化剂中部分失去电子变成，两者个数比减小，C项正确；D．题干中是电子缓冲剂，通过与的切换起作用，不用补充，D项错误；故选C。【答案】C【变式训练1】（2023·全国·高三专题练习）科学家发现了纯碳新材料“碳纳米泡沫”，每个泡沫含有约4000个碳原子，直径约6~9nm，在低于-183℃时，泡沫具有永久磁性。下列叙述错误的是A．“碳纳米泡沫”与石墨互为同素异形体B．把“碳纳米泡沫”分散到适当的溶剂中能产生丁达尔现象C．“碳纳米泡沫”是一种新型的碳单质D．“碳纳米泡沫”和金刚石的性质相同【解析】A．“碳纳米泡沫”与石墨分子为含碳原子的不同单质，两者互为同素异形体，A正确；B．“碳纳米泡沫”的粒子直径为6~9nm，分散到适当的溶剂中形成胶体，能产生丁达尔现象，B正确；C．“碳纳米泡沫”分子含碳原子，是一种新型的碳单质，C正确；D．“碳纳米泡沫”和金刚石互为同素异形体，化学性质相同，物理性质不同，D错误；故选D。【答案】D【变式训练2】（2023·山东济南·统考三模）下列关于“碳”的说法错误的是A．自然界中的14C来自宇宙射线(中子)撞击14N，其过程可表示为B．高压下制得的CO2共价晶体结构与SiO2晶体相似，其硬度和熔沸点均高于SiO2晶体C．石墨烯、石墨炔都是全碳二维平面结构材料，二者碳原子杂化方式完全相同D．用风能、光能等清洁能源代替煤和石油，有利于实现“双碳”目标【解析】A．自然界中的14C来自宇宙射线(中子)撞击14N，根据质量守恒可知，该过程可表示为，A正确；B．高压下制得的CO2共价晶体结构与SiO2晶体相似，由于C的原子半径比Si的小，则C-O键的键长比Si-O的短，C-O键的键能比Si-O键大，故其硬度和熔沸点均高于SiO2晶体，B正确；C．石墨烯含有碳碳双键，碳原子采用sp2杂化，而石墨炔中含有碳碳三键，故该碳原子采用sp杂化，故都是全碳二维平面结构材料，但二者碳原子杂化方式不完全相同，C错误；D．用风能、光能等清洁能源代替煤和石油，可以减少化石燃料的燃烧，减少CO2的排放，有利于实现“双碳”目标，D正确；故答案为：C。【答案】C考向2CO2与碱反应图像分析35．（2023·陕西西安·统考二模）室温下，向VmLcmol•L-1的NaOH溶液中通入CO2气体，溶液pH与通入气体的关系如图所示(忽略反应后溶液体积的变化)，下列说法错误的是A．通入CO2的过程中，a，b、c三点水的电离程度a＞b＞cB．a点溶液中c(HCO)+c(CO)=0.05mol•L-1C．b点溶液中c(HCO)+2c(CO)+c(OH-)=c(H+)+c(Na+)D．c点一定存在c(OH-)-c(H+)＜2c(H2CO3)-c(CO)【解析】A．与反应共有4种组成，分别为和、、和、，从溶液pH与通入气体的关系图像可知，a点溶质为，c点溶质为，b点为和的混合物，由起点，以及消耗的物质的量可推知，，所以a、b、c三点水的电离程度，A正确；B．a点处，由物料守恒，，B错误；C．b点溶质为和，根据电荷守恒成立，，C正确；D．c点溶质为，根据电荷守恒和物料守恒，即，所以，D正确；故选B。【答案】B【变式训练1】（2023·全国·高三专题练习）离子的摩尔电导率可用来衡量电解质溶液中离子导电能力的强弱，摩尔电导率越大，离子在溶液中的导电能力越强。已知Ca2＋、OH-、HCO的摩尔电导率分别为0.60、1.98、0.45，据此判断，向饱和的澄清石灰水中通入过量的CO2[方程式为：Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O，CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2]，溶液导电能力随CO2通入量的变化趋势正确的是A． B．C． D．【解析】向澄清石灰水中通入过量的CO2，先生成碳酸钙沉淀，钙离子、氢氧根离子浓度在减少，溶液导电能力减弱，后沉淀溶解生成碳酸氢钙溶液，钙离子、碳酸氢根离子的浓度在增大，钙离子的浓度与原来相等，碳酸氢根离子的浓度与原来氢氧根离子浓度相等，但OH-的摩尔导电率大于HCO3-的摩尔电导率，所以最后溶液的导电性小于原来，最后不变；D符合。答案选D。【答案】D【变式训练2】（2023·全国·高三专题练习）将足量的CO2不断通入KOH、Ba(OH)2、KAlO2的混合溶液中，生成沉淀的物质的量与所通入CO2的体积关系如图所示．下列关于整个反应过程中的叙述不正确的是A．Oa段反应的化学方程式是Ba(OH)2+CO2═BaCO3↓+H2OB．ab段与cd段所发生的反应相同C．de段沉淀减少是由于BaCO3固体消失D．bc段反应的离子方程式是2AlO2﹣+3H2O+CO2═2Al(OH)3↓+CO32﹣【解析】A.只要通入CO2，立刻就有沉淀BaCO3产生，首先Oa段发生反应Ba（OH）2+CO2=BaCO3↓+H2O，将Ba（OH）2消耗完毕，A正确；B.接下来消耗KOH，ab段发生反应2KOH+CO2=K2CO3+H2O，因而此段沉淀的量保持不变，然后沉淀量增大，bc段发生反应2AlO2﹣+3H2O+CO2=2Al（OH）3↓+CO32﹣，沉淀量达最大后，cd段再发生CO32﹣+CO2+H2O=HCO3﹣，ab段与cd段所发生的反应不相同，故B错误；C.最后de段发生反应BaCO3+CO2+H2O=Ba（HCO3）2，沉淀部分溶解，故C正确；D.bc段发生反应2AlO2﹣+3H2O+CO2=2Al（OH）3↓+CO32﹣，故D正确；故答案选B。【答案】B考向3考查碳元素在自然界中的循环的应用例3.（2023·黑龙江哈尔滨·哈尔滨三中校考二模）海洋碳循环在整个地球气候系统中具有重要地位，下列叙述错误的是A．海洋酸化会导致海水吸收CO2的能力减弱B．温室效应导致的海表温度上升，会增加海洋对CO2的吸收C．该循环中涉及反应CO2+H2O+CaCO3Ca(HCO3)2，CO2排放量的增加将影响珊瑚生存D．虽然塑料颗粒中含有的碳很难降解进入海洋碳循环，但仍会造成污染【解析】A．海洋酸化导致溶液酸性增加，会抑制海水吸收CO2的能力，故A正确；B．温度升高，气体的溶解度减小，故海表温度上升，会减小海洋对CO2的吸收，故B错误；C．该循环中涉及反应CO2+H2O+CaCO3Ca(HCO3)2，CO2排放量的增加导致碳酸钙转化为可溶性碳酸氢钙，会将影响珊瑚生存，故C正确；D．虽然塑料颗粒中含有的碳很难降解进入海洋碳循环，但仍会造成白色污染，故D正确；故选B。【答案】B【变式训练1】（2023秋·江苏盐城·高三校联考期末）我国提出争取在2030年前实现碳达峰，2060年实现碳中和。下列说法正确的是A．“碳达峰”和“碳中和”中的“碳”都是指碳元素B．光催化CO2和H2O合成甲醇是实现碳中和的有效手段C．在燃煤中加入生石灰是实现碳中和的重要途径D．利用火力发电产生的电能电解水制氢有利于实现碳中和【解析】A．“碳达峰”是指在某一个时间点，二氧化碳的排放不再增长，达到峰值，之后逐渐回落，“碳中和”是指二氧化碳的排放总量和减少总量相当，所以这里的“碳”都是指二氧化碳，A错误；B．光催化CO2和H2O合成甲醇是实现碳中和的有效手段，B正确；C．在燃煤中加入生石灰能减少SO2排放，减少空气污染，不能减少二氧化碳排放，C错误；D．火力发电以化石燃料为原料进行发电，不利于实现碳中和，D错误；故答案选B。【答案】B【变式训练2】（2023春·上海浦东新·高三上海市实验学校校考阶段练习）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【解析】A项，光合作用消耗CO2，光合作用的总方程式可表示为6CO2+6H2OC6H12O6+6O2，光合作用会引起大气中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，煤、石油、天然气中都含C元素，C元素燃烧后生成CO2，化石燃料的燃烧会引起大气中CO2含量上升；D项，碳酸盐沉积指由形成于海洋或湖泊底部的粒装泥状碳酸盐矿物及其集合体，通过生物作用或从过饱和碳酸盐的水体中直接沉淀，水体中生物活动消耗CO2，有利于碳酸盐沉积，碳酸盐沉积不会引起大气中CO2含量上升；化石燃料的燃烧会引起大气中CO2含量上升；答案选C。【答案】C考点二硅及其化合物知识点1单质硅1.硅的存在、结构与物理性质(1)存在：单质硅有晶体硅和无定形硅两大类，自然界中无游离态硅——单质硅，硅以化合态存在，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在地壳中，含量仅次于氧，位列第二。(2)单质硅结构：硅元素原子序数为14，基态原子的简化电子排布式为[Ne]_3s23p2，核外电子的空间运动状态有8种，不成对电子数有2个；单晶硅为共价晶体，晶体中每个Si原子以sp3杂化，分别与4个相邻的Si原子形成4个σ键，Si原子的配位数为4，晶体中最小的环是6元环，1个环中平均含有0.5Si原子，含Si—Si键数为1。(2)物理性质：灰黑色固体，有金属光泽，熔、沸点高，硬度大，有脆性，是常见的半导体材料和合金材料。金刚石、晶体硅、碳化硅中熔点从高到低的顺序是金刚石、碳化硅、晶体硅。2.单质硅化学性质a．常温①与氢氟酸反应的化学方程式：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；②与NaOH溶液反应的化学方程式：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑；③与F2反应的化学方程式:Si＋2F2=SiF4b．高温①与O2反应：Si＋O2SiO2。②与Cl2反应：Si＋Cl2SiCl43.单质硅的工业制法①原料：石英砂和焦炭②制备：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up11(高温),\s\do4())Si(粗)＋2CO↑③提纯：Si(粗)＋2Cl2SiCl4；SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl【特别提醒】①用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。②粗硅中含碳等杂质，与Cl2反应生成的SiCl4中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。4.单质硅的用途：半导体材料、太阳能电池、计算机芯片和耐酸设备等。知识点2二氧化硅1.存在：硅石、石英、水晶、玛瑙、沙子等2.二氧化硅的结构特点在SiO2晶体中，每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在4个顶角；许多这样的四面体又通过顶角的O相连接，每个O为两个四面体所共有，即每个O与2个Si相结合。实际上，SiO2晶体是由Si和O按1∶2的比例所组成的立体网状结构的晶体。由结构可知，二氧化硅的化学性质很稳定。3.物理性质：熔点高，硬度大，不溶于水4.化学性质：a.酸性氧化物①与碱反应:SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O；②与CaO碱性氧化物反应：SiO2＋CaOCaSiO3③与盐反应：SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑（工业制玻璃）b.氧化性：①与碳反应：SiO2+2CSi+2CO↑(制粗硅)；SiO2＋3CSiC＋2CO↑(制金刚砂)；②与Mg反应：4Mg＋SiO22Mg2Si＋2MgO；Mg2Si＋2H2O=SiH4↑＋2Mg(OH)2(制硅化氢)；c.特性：与氢氟酸反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O5.用途①水晶可用于电子工业的部件、光学仪器、工艺品②SiO2是制光导纤维的重要原料③较纯的石英用于制造石英玻璃④石英砂用于制玻璃的原料及建筑材料【特别提醒】（1）由于玻璃的成分中含有SiO2，故实验室盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞。（2）未进行磨砂处理的玻璃，在常温下是不易被强碱腐蚀的。（3）因为氢氟酸腐蚀玻璃，与玻璃中的SiO2反应，所以氢氟酸不能用玻璃瓶保存，而应保存在塑料瓶或铅皿中。（4）SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不与水反应，不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。知识点3硅酸1.物理性质：硅酸是一种白色胶状物质，不溶于水，能形成胶体。新制备的硅酸为透明、胶冻状，硅酸经干燥脱水形成硅酸干凝胶——“硅胶”。2.化学性质：a.弱酸性：硅酸的酸性很弱，比碳酸的酸性还弱，在与碱反应时只能与强碱反应。如：H2SiO3+2NaOH==Na2SiO3+2H2O。b.不稳定性：硅酸的热稳定性很差，受热分解为SiO2和H2O：H2SiO3eq\o(=====,\s\up7(△))SiO2＋H2O。3.制备：由于SiO2不溶于水，所以硅酸是通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得的。Na2SiO3+2HCl==H2SiO3↓+2NaCl，Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3（证明酸性：H2CO3＞H2SiO3）。4.用途：硅胶可作催化剂的载体和袋装食品、瓶装药品的干燥剂。知识点4硅酸盐1.概念：由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。2.硅酸盐的氧化物表示方法——常用氧化物的形式表示：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，不同氧化物间以“·”隔开。如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。【特别提醒】（1）氧化物之间以“·”隔开；（2）计量数配置出现分数应化为整数。硅酸盐改写为氧化物形式时，各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。当系数配置出现分数时一般应化为整数。如上例中KAlSi3O8，将eq\f(1,2)K2O·eq\f(1,2)Al2O3·3SiO2，要写成K2O·Al2O3·6SiO2。3.硅酸钠(Na2SiO3)——又称泡花碱①物理性质：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化学性质——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＋H2SiO3↓。b．与CO2水溶液反应的化学方程式：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。③用途：黏合剂(矿物胶)、防腐剂和耐火阻燃材料。【特别提醒】①Na2SiO3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；Na2SiO3易与空气中的CO2、H2O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。知识点5碳、硅及其化合物性质“反常”小结1.一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。2.一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。3.Si的还原性强于C，但C在高温下能还原出Si：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高温))Si＋2CO↑。4.非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。5.非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑。6.一般情况下，碱性氧化物＋酸→盐＋水，二氧化硅是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O(SiF4不属于盐，故SiO2不是两性氧化物)。7.一般情况下，无机酸能溶于水，但硅酸却难溶于水。8.一般情况下，较强酸＋较弱酸的盐→较弱酸＋较强酸的盐(溶液中的反应)。因碳酸的酸性强于硅酸，所以水玻璃在空气中易变质：Na2SiO3＋H2O＋CO2=Na2CO3＋H2SiO3(胶体)。但在高温下，可发生反应Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up15(高温))Na2SiO3＋CO2↑(CO2离开反应体系促进反应的正向进行)。9.一般情况下，金属(Na、K)能置换出水中的氢，但C在高温下也能置换出H2O中的氢：C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up15(高温))H2＋CO。10.一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不与水反应。考向1考查硅、二氧化硅的性质及其应用例1．（2023·全国·高三专题练习）下列有关硅及其化合物的说法正确的是A．在粗硅的制取中发生反应，硅被还原，所以碳的还原性大于硅的B．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中C．用制取硅酸，应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应，然后通入D．由可知，硅酸的酸性大于碳酸的【解析】A．的还原性比C的强，反应在高温下进行，且产物中有气体生成，气体从反应体系中逸出，有利于反应的进行，A项错误；B．不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放溶液，因为溶液本身是一种黏合剂，B项错误；C．不能与水直接反应，所以制取硅酸可用可溶性硅酸盐与或盐酸反应：、，C项正确；D．的酸性比的强，反应能在高温下进行，主要是因为产物中有气体生成，气体从反应体系中逸出，有利于反应的进行，与酸性无关，D项错误；答案选C。【答案】C【变式训练】（2022·全国·高三专题练习）硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅及其化合物的叙述错误的是A．氮化硅陶瓷是一种高温结构陶瓷，其化学式为Si3N4B．高纯硅可以制成计算机、通信设备等的芯片C．硅可以用来生产新型无机非金属材料——光导纤维D．二氧化硅为立体网状结构，每个硅原子结合4个氧原子【解析】A．氮化硅陶瓷是一种高温结构陶瓷，氮化硅中各元素的原子最外层达到8电子稳定结构，Si原子最外层电子数为4，N原子最外层电子数为5，要形成8电子稳定结构，则二者个数比值为3∶4，其化学式为Si3N4，故A正确；B．高纯硅具有良好的半导体性能，可以制成计算机、通信设备等的芯片，故B正确；C．光导纤维的主要成分是二氧化硅，属于新型无机非金属材料，故C错误；D．二氧化硅为原子晶体，为立体网状结构，其晶体中每个硅原子结合4个氧原子，每个氧原子结合2个硅原子，硅原子和氧原子个数之比为1∶2，故D正确；故选C。【答案】C【名师点睛】选项D是解答的易错点，注意不能依据Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑说明H2SiO3的酸性比H2CO3强，这是由于强酸制弱酸的规律：强酸＋弱酸盐＝强酸盐＋弱酸，仅适用于常温下水溶液中进行的反应，而该反应是在高温且干态下进行，因此不能说明H2SiO3的酸性比H2CO3强。而上述反应之所以能进行，是因为该反应是在高温干态条件下进行的，可从化学平衡角度理解，高温时，SiO2这种高沸点、难挥发的固体制得了低沸点、易挥发的CO2气体，因CO2生成后离开反应体系，使反应向右进行到底。考向2考查硅的制备例2．（2023·海南海口·统考模拟预测）设为阿伏加德罗常数的值。工业上制备高纯度硅的反应有：①②③已知：H、Si的电负性依次为2.1、1.8.下列有关说法正确的是A．①中，30g氧化剂含极性键数目为 B．②中，生成1g时转移电子数为C．②和③互为可逆反应 D．②和③的目的是除去粗硅中的杂质【解析】A．①中Si元素化合价降低，是氧化剂，30g的物质的量为=0.5mol，含Si-O极性键0.5mol4=2mol，数目为2，故A错误；B．已知：H、Si的电负性依次为2.1、1.8，中H和Cl元素为-1价，Si为+4价，②中，部分H元素由+1价下降到0价，部分由+1价下降到-1价，1g的物质的量为=0.5mol，生成0.5mol时转移0.5mol2+1mol=2mol电子，数目为2，故B错误；C．②和③反应条件不同，不互为可逆反应，故C错误；D．②和③的目的是除去粗硅中的杂质，故D正确；故选D。【答案】D【变式训练1】（2023·湖北·高三统考专题练习）多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料。已知多晶硅第三代工业制取流程如图所示。已知：SiHCl3遇水剧烈水解。下列说法错误的是A．Y、Z分别为H2、Cl2B．制取粗硅过程可能发生反应：C．提纯SiHCl3可采用萃取、分液的方法D．为防止SiHCl3水解而损失及氢气燃炸，“还原”步骤在无水、无氧条件下进行【分析】电解饱和NaCl溶液，反应产生NaOH、H2、Cl2，X是NaOH，H2、Cl2反应产生HCl，焦炭与石英在高温下反应产生粗Si，HCl与粗硅反应产生SiHCl3和少量SiCl4，SiHCl3和SiCl4是沸点不同的混合物，经分馏分离提纯得到SiHCl3，SiHCl3和H2在加热条件下反应产生多晶硅和HCl，所以Y是H2，Z是Cl2。【解析】A．根据上述分析可知X是NaOH，Y是H2，Z是Cl2，A正确；B．焦炭与SiO2在高温下发生反应制取粗Si、CO，反应的化学方程式为，同时可能发生副反应：，B正确；C．SiHCl3和SiCl4是沸点不同的互溶的液体混合物，可以采用蒸馏方法进行分离，而不是采用萃取、分液的方法，C错误；D．已知：SiHCl3遇水剧烈水解，且H2是可燃性气体，与O2混合点燃可能会发生爆炸，因此为防止SiHCl3水解而损失及氢气燃炸，“还原”步骤在无水、无氧条件下进行，D正确；故合理选项是C。【答案】C【变式训练2】（2023·全国·高三专题练习）二氧化硅又称硅石，是制备硅及其含硅化合物的重要原料。部分转化过程如图所示，下列说法正确的是A．SiO2既能与HF反应，又能与NaOH反应，属于两性氧化物B．因为在高温条件下二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以H2SiO3的酸性比H2CO3强C．SiO2在高温条件下能与过量的碳反应生成SiC，体现了二氧化硅的氧化性D．除Si的制取过程中涉及的反应外，图中所示其他反应都是非氧化还原反应【解析】A.SiO2既能与HF反应，又能与NaOH反应，但属于酸性氧化物，因为二氧化硅只能与一种酸反应，且生成的四氟化硅不是盐，A错误；B.高温条件下，二氧化硅和碳酸钠反应生成硅酸钠和二氧化碳，常温下，二氧化硅和碳酸钠不反应，所以不能说明H2SiO3的酸性强于H2CO3，事实上碳酸的酸性强于硅酸，B错误；C.SiO2在高温条件下能与过量的碳反应生成SiC，反应中硅元素的化合价不变，不能体现二氧化硅的氧化性，C错误；D.图中氧化还原反应有3个，即Si的制取过程中涉及的反应，其它反应都是非氧化还原反应，D正确；答案选D。【答案】D【归纳总结】在设计制备纯硅的实验题中，常遇到的知识点(1)粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si(粗)＋3HCleq\o(=,\s\up7(高温),\s\do4())SiHCl3＋H2(2)SiHCl3与过量H2在高温下反应制得纯硅：SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(高温),\s\do4())Si(纯)＋3HCl(3)SiO2＋2Mgeq\o(=,\s\up7(高温),\s\do4())2MgO＋Si(4)SiHCl3、SiCl4能与水发生反应：SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑SiCl4＋3H2O=H2SiO3↓＋4HCl(5)SiH4在空气中易自燃考向3考查硅酸、硅酸盐的性质及其应用例3．（2023·山西·校联考模拟预测）地球上的硅大部分以二氧化硅及硅酸盐的形式存在，它们的基本结构单位是硅氧四面体[](图1)。石英晶体中的硅氧四面体相连构成螺旋链(图2)。天然硅酸盐组成复杂，硅、氧原子通过共用氧原子形成各种不同的硅酸根阴离子，一种层状硅酸根阴离子结构如图3所示。下列说法正确的是A．基态Si原子的原子核外的电子有14种空间运动状态B．二氧化硅中硅原子的配位数是2C．图2中Si原子的杂化轨道类型是D．图3层状硅酸根阴离子结构中硅和氧的原子个数比为2∶5【解析】A．1个原子轨道称为1种空间运动状态，基态Si原子的电子排布式为，原子核外的电子的空间运动状态数目为，即有8种空间运动状态，A错误；B．二氧化硅中硅原子的配位数是4，B错误；C．晶体的结构中有顶角相连的硅氧四面体，所以Si原子的杂化轨道类型是，C错误；D．由图3可知，每个硅氧四面体分别以三个顶角氧和其他相邻的三个硅氧四面体共享，根据均摊法，每个硅氧四面体含有的氧原子数为，含有的硅原子数为1，则硅和氧的原子个数比为，D正确；故选D。【答案】D【变式训练1】（2023·黑龙江大庆·统考一模）北京故宫的屋顶有各种颜色的琉璃瓦，其坚实耐用，经历几百年的风雨洗礼仍能保存完整，下列说法错误的是A．琉璃瓦的主要成分是硅酸盐 B．制作琉璃瓦的主要原料是黏土C．琉璃瓦坚实耐用取决于硅酸盐的结构 D．黄色和绿色琉璃瓦中分别含有、【解析】A．琉璃瓦的主要成分是硅酸盐，故A正确，不符合题意；B．制作琉璃瓦的主要原料是黏土，故B正确，不符合题意；C．琉璃瓦坚实耐用取决于硅酸盐的结构，故C正确，不符合题意；D．黄色琉璃瓦中可能含有Fe3+，故D错误，符合题意。故选D。【答案】D【变式训练2】（2023·全国·高三专题练习）下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是

①硅是构成一些岩石和矿物的基本元素②水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料A．①② B．②③ C．①④ D．③④【解析】①硅元素是地壳中大量存在的元素，是许多种岩石和矿物的基本构成元素之一，故①正确；②水晶主要成分是二氧化硅，不是硅酸盐，故②错误；③光导纤维的主要成分是二氧化硅，故③错误；④陶瓷的主要成分是硅酸盐且陶瓷应用极早，故④正确。综上所述，本题正确答案为C。【答案】C考点三无机非金属材料知识点1传统无机非金属材料1.含义：传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。2.分类（1）陶瓷：陶瓷以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料，经高温烧结而成的。（2）玻璃：普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2，它是以纯碱、石灰石和石英砂为主要原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化而制得的，玻璃可用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，还可制造玻璃纤维，用于高强度复合材料等。（3）水泥：普通硅酸盐水泥的主要原料是黏土和石灰石，二者与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理变化和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再研成细粉得到普通水泥。混凝土是水泥、沙子和碎石等与水混合得到的。3.传统无机非金属材料比较水泥玻璃陶瓷主要原料黏土、石灰石、石膏石灰石、石英砂、纯碱黏土主要设备水泥回转窑玻璃窑陶瓷窑变化复杂的物理、化学变化过程主要反应：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up14(高温),\s\do14())Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up14(高温),\s\do14())CaSiO3＋CO2↑复杂的物理、化学变化过程组成硅酸三钙(3CaO·SiO2)硅酸二钙(2CaO·SiO2)铝酸三钙3CaO·Al2O3)硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅硅酸盐用途重要的建筑材料制化学实验用的玻璃仪器、窗玻璃等在工农业、科技、生活、实验室中使用广泛知识点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（1）含义：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、磁学等方面具有很多新的特性和功能。（2）新型陶瓷的种类与用途材料类型主要特性示例用途高温结构陶瓷耐高温、抗氧化、耐磨蚀碳化硅、氮化硅与某些金属氧化物等烧结而成火箭发动机的尾管及燃烧室、汽车发动机、高温电极材料等压电陶瓷实现机械能与电能的相互转化钛酸盐、锆酸盐滤波器、扬声器、声纳探伤器、点火器等透明陶瓷优异的光学性能，耐高温，绝缘性好氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙高压钠灯、激光器、高温探测窗等超导陶瓷在某一临界温度下电阻为零可用于电力、交通、医疗等领域3.碳纳米材料(1)含义：碳纳米材料是一类新型的无机非金属材料。(2)类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。(3)用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。材料类型性能用途碳纳米管比表面积大，高强度，优良的电学性能生产复合材料、电池和传感器等石墨烯电阻率低，热导率高，具有很高的强度用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等考向1考查传统无机非金属材料的分类和应用例1．（2023·全国·高三专题练习）下列关于无机非金属材料的说法不正确的是A．传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料B．新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差C．高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分不同【解析】A．无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两大类。传统无机非金属材料是指我们常说的硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、砖瓦、陶瓷等，故A正确；B．新型无机非金属材料是指一些新型的具有特殊结构和特殊功能的非硅酸盐型材料，新型非金属材料具有以下四个特点：①承受高温，强度高，②具有光学特性，③具有电学特性，④具有生物功能，故B错误；C．高温结构陶瓷具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，故C正确；D．传统无机非金属材料，如：水泥、玻璃、陶瓷等主要成分是硅酸盐，而新型无机非金属材料，如：高温结构陶瓷、光导纤维等主要成分不是硅酸盐，故D正确；故答案选B。【答案】B【变式训练】（2023·北京·高三专题练习）陶瓷版“冰墩墩”和“雪容融”均产自中国陶瓷之乡——福建德化县。德化陶瓷早在宋元时期就是“海上丝绸之路”的重要出口商品。下列说法不正确的是A．陶瓷、玻璃和水泥均属于传统无机非金属材料B．陶瓷版“冰墩墩”上黑色涂料的主要成分为Fe2O3C．高温结构陶瓷具有耐高温、耐氧化、耐磨蚀等优良性能D．陶瓷是以粘土及天