2025年高中化学新教材同步必修第二册 第5章　第3节　无机非金属材料

第三节无机非金属材料

[核心素养发展目标]1.了解传统无机非金属材料的原料、成分、性能及其在生产中的应用。2.了解硅、二

氧化硅的结构、性质及其在生产中的应用。3.知道几种常见的新型无机非金属材料的成分及在生产中的应

用。

一、硅酸盐材料

1.无机非金属材料

从组成上看，许多无机非金属材料含有硅、氧等元素，具有耐高温、抗腐蚀、硬度高等特点，以及特

殊的光学、电学等性能。

2.常见的硅酸盐材料

项目陶瓷普通玻璃普通水泥

纯碱(Na2CO3)、石灰石主要原料：石灰石、黏土

原料黏土

(CaCO3)、石英砂(SiO2)辅料：适量的石膏

设备陶瓷窑玻璃窑水泥回转窑

硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙

主要成分含水的铝硅酸盐—

(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2)

耐高温、硬度大、耐腐蚀、性透光性好、硬度大、无固遇水逐渐变硬(水硬性)，硬化

性能

质稳定定熔点后性质稳定

用于生产建筑材料、光学

用于生产建筑材料、绝缘材料、

用途仪器和各种器皿，还可制大量用于建筑和水利工程

日用器皿、卫生洁具等

造玻璃纤维等

思考1普通玻璃以纯碱、石灰石和石英砂为原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物

理和化学变化而制得。写出其中发生反应的化学方程式。

提示Na2CO3+SiO2CO2↑+Na2SiO3、CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。

思考2为什么陶瓷、玻璃、水泥都具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点？

提示在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体(结构如图所示)：硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐

材料大多具有硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等特点。

1.判断正误

(1)汉代烧制出的“明如镜、声如磬”的陶瓷，其主要原料是黏土()

(2)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分都是硅酸盐()

(3)玻璃和水泥生产中都发生复杂的物理和化学变化()

(4)陶瓷、玻璃、水泥的生产都需要在高温下进行()

答案(1)√(2)√(3)√(4)√

2.硅酸钠(俗名泡花碱)是一种最简单的硅酸盐，硅酸钠易溶于水，其水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、

耐高温等特性，常用作黏合剂和防火剂。

+

(1)硅酸钠溶液与盐酸反应生成硅酸(H2SiO3)沉淀，其离子方程式是Si+2H===H2SiO3↓。

2−

(2)过量的二氧化碳通入硅酸钠溶液中，反应的离子方程式是Si+2OC3O2+2H2O===H2SiO3↓+2HC。

2−−

3.(2023·日照高一月考)“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是O赞3誉越窑秘色瓷的诗句，描绘我国O古3

代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法正确的是()

A.玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品

B.制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英砂

C.硅酸盐制品的性质稳定、耐高温

D.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐

答案C

解析陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英砂是制玻璃的原料，而制水泥

的原料是黏土和石灰石，B项错误；硅酸盐制品性质稳定、耐高温，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，

黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。

硅酸(H2SiO3)的性质

(1)难溶于水的弱酸，其酸性不能使石蕊溶液变红。

(2)与碱反应：H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O。

(3)不稳定，受热易分解：H2SiO3H2O+SiO2。

二、新型无机非金属材料

1.硅和二氧化硅

(1)硅

硅元素位于元素周期表第三周期、第ⅣA族，处于金属与非金属的过渡位置。其单质的导电性介于导

体与绝缘体之间，是应用最广泛的半导体材料。

(2)粗硅的制备

工业上用焦炭还原石英砂可以制得含少量杂质的粗硅，化学方程式：SiO2+2CSi+2CO↑。

思考1高纯度单晶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：

其中涉及的主要反应的化学方程式是什么？

提示①SiO2+2CSi+2CO↑；②Si+3HClSiHCl3+H2；③SiHCl3+H2Si+3HCl。

思考2阅读情景素材，回答下列问题：

素材1SiO2是一种酸性氧化物，能与强碱溶液反应。例如，SiO2与NaOH溶液反应可生成Na2SiO3。

素材2氢氟酸是HF的水溶液，可与SiO2发生反应生成SiF4气体和水，可以用氢氟酸溶蚀玻璃生产

磨砂玻璃。

(1)SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与氢氟酸反应，能认为SiO2属于两性氧化物吗？

提示SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化

物。SiO2能与氢氟酸反应，但并不生成盐和水。

(2)能否用玻璃试剂瓶盛放氢氟酸？若不能，写出化学方程式，简述理由。

提示不能，玻璃中含有二氧化硅，能被氢氟酸腐蚀，发生反应的化学方程式为

SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。

(3)为什么不能用磨口玻璃塞的试剂瓶盛放氢氧化钠溶液？

提示NaOH能与磨口玻璃塞中的SiO2反应，生成具有黏性的Na2SiO3，把瓶塞与瓶口黏结在一起。

(4)SiO2属于酸性氧化物，能否用SiO2与水直接反应制取H2SiO3？由SiO2如何来制取H2SiO3？用化学

方程式表示。

提示不能，因为SiO2与水不反应。SiO2Na2SiO3H2SiO3。化学方程式为

SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O，Na2SiO3+H2O+CO2===Na2CO3+H2SiO3↓。

SiO2的性质

(3)硅和二氧化硅的用途

①高纯硅用于制造芯片和硅太阳能电池。

②二氧化硅用于生产光导纤维。

2.新型陶瓷

(1)组成：不再限于传统的硅酸盐体系。

(2)特性和功能：在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。

(3)碳化硅(SiC)俗称金刚砂，具有类似金刚石的结构，可用作磨料，还具有优异的高温抗氧化性能，可

用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。

(4)常见的类型：高温结构陶瓷、压电陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷。

3.碳纳米材料

碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等，广泛应用于能源、信息、医药等领域。

新型材料结构性能用途

由碳原子构成的一系列笼形分子的总

富勒烯—制碳纳米材料

称，如C60

由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺比表面积大，有相当高的生产复合材料、电池和传

碳纳米管

度的直径强度和优良的电学性能感器等

电阻率低、热导率高，具光电器件、超级电容器、

石墨烯只有一个碳原子直径厚度的单层石墨

有很高的强度电池、复合材料等

1.判断正误

(1)晶体硅熔点高、硬度大，故可用作半导体材料()

(2)石英砂可用于生产单晶硅()

(3)二氧化硅是酸性氧化物，所以能溶于水且可与水反应生成硅酸()

(4)氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料()

(5)向硅酸钠溶液中通入适量CO2，出现白色沉淀，证明碳的非金属性强于硅()

答案(1)×(2)√(3)×(4)√(5)√

2.(2024·广州高一期中)硅及其化合物是重要的新型无机非金属材料。下列说法不正确的是()

A.高温下用焦炭还原SiO2制备粗硅

B.SiO2与水反应生成硅酸

C.SiO2是制取传统硅酸盐产品玻璃的原料之一

D.“水玻璃”可以由SiO2与NaOH溶液反应制得

答案B

解析SiO2不与水反应，可以通过硅酸钠与盐酸反应制备硅酸，故选B。

3.(2024·黑龙江大庆高一期中)从科技前沿到人类的日常生活，化学无处不在。下列说法正确的是()

A.国产大型飞机C919用到的氮化硅高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料

B.量子通信材料螺旋碳纳米管与石墨烯互为同位素

C.清华大学获芯片领域重要突破，相关成果在《科学》杂志发表，芯片的主要成分是二氧化硅

D.常温下Si的化学性质稳定，在自然界中硅主要以单质形式存在

答案A

解析螺旋碳纳米管和石墨烯都是碳元素形成的单质，两者互为同素异形体，B错误；芯片的主要成分为

单质硅，C错误；常温下Si的化学性质稳定，但是在自然界中硅主要以化合态的形式存在，D错误。

1.(2024·哈尔滨高一期中)下列物质的主要成分不是二氧化硅的是()

A.水晶B.光导纤维

C.石英D.纯碱

答案D

解析纯碱的主要成分是碳酸钠，故选D。

2.(2024·安徽蚌埠高一段考)“中国芯”的发展离不开高纯单晶硅。由石英砂(主要成分为SiO2)制取高纯

硅涉及的主要反应用流程图表示如下：

下列说法错误的是()

A.反应①②③均为置换反应

B.SiO2能溶于烧碱溶液和氢氟酸，故为两性氧化物

C.X为CO

D.流程中HCl和H2可以循环利用

答案B

解析石英砂与焦炭在高温下发生置换反应，生成CO和粗硅；粗硅与HCl在300℃时发生置换反应生成

SiHCl3和H2；SiHCl3与H2在高温下发生置换反应，可制得高纯硅和HCl，反应①②③均为置换反应，A、

C正确；SiO2是酸性氧化物，B错误；流程中HCl和H2都是既在反应中使用，又在反应中生成，所以二者

都可以循环利用，D正确。

3.(2023·西安第八十五中学高一期中)下列溶液的存放不能使用磨口玻璃塞的是()

①氢氟酸②NaHSO4③KNO3④石灰水⑤CuSO4⑥NaOH⑦Na2SiO3

A.④⑧⑦B.①④⑥⑦

C.①③⑤D.①④⑥

答案B

解析氢氟酸与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，所以存放HF不能使用磨口玻璃塞，①符合题意；

NaHSO4、KNO3与二氧化硅不反应，可以使用磨口玻璃塞，②③不符合题意；石灰水中的氢氧化钙溶液显

碱性，能和二氧化硅反应，不能使用磨口玻璃塞，④符合题意；CuSO4与二氧化硅不反应，可以使用磨口

玻璃塞，⑤不符合题意；NaOH与二氧化硅反应生成黏性的硅酸钠，导致玻璃塞和试剂瓶黏结在一起而打

不开，所以存放氢氧化钠溶液不能使用磨口玻璃塞，⑥符合题意；黏性的硅酸钠，会导致玻璃塞和试剂瓶

黏结在一起而打不开，不能使用磨口玻璃塞，⑦符合题意。

4.(2024·乌鲁木齐高一段考)硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以

上。请回答下列问题：

(1)下列物质不属于硅酸盐的是(填字母)。

A.陶瓷B.玻璃C.水泥D.生石灰

(2)可用于制作计算机芯片和太阳能电池的是(填化学式)，SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2

与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为。

(3)工艺师常用(填物质名称)来雕刻玻璃，该反应的化学方程式为。

(4)工业上常用2C+SiO2Si+2CO↑制备硅单质，该反应中有元素化合价升高的物质是(填化

学式，下同)，氧化剂是。

答案(1)D(2)SiSiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O(3)氢氟酸SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O(4)CSiO2

课时对点练[分值：100分]

(选择题1~11题，每小题6分，共66分)

题组一硅酸盐材料

1.(2024·山东聊城高一段考)世界瓷都——泉州德化盛产陶瓷，下列说法不正确的是()

A.陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点

B.陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐

C闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成

D.高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物

答案D

解析瓷器属于硅酸盐材料，由多种物质构成，属于混合物，故选D。

2.(2024·哈尔滨高一期中)下面关于硅及其化合物的叙述错误的是()

A.普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料在玻璃窑中熔融制成

B.玻璃、陶瓷、水泥、碳化硅都属于传统的硅酸盐产品

C.因为玻璃中含有SiO2，所以不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛装碱性溶液

D.太阳能电池的主要成分是硅，太阳能电池在生活中的应用有利于环保、节能

答案B

解析玻璃、陶瓷、水泥属于传统的硅酸盐产品，碳化硅属于新型无机非金属材料，故选B。

3.下列关于水玻璃的性质和用途的叙述不正确的是()

A.水玻璃是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀

B.在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料

C.木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧

D.水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质

答案D

解析水玻璃为硅酸钠的水溶液，其化学性质稳定，但可与空气中的二氧化碳反应生成硅酸沉淀。

题组二新型无机非金属材料

4.(2024·三亚高一检测)下列关于二氧化硅的说法正确的是()

A.工业上用二氧化硅制取单质硅时，理论上1molC能置换出1molSi

B.二氧化硅具有酸性氧化物的通性

C.二氧化硅能与碱反应，不能与任何酸反应

D.由于硅酸比碳酸的酸性弱，故二氧化硅不能与碳酸钠反应

答案B

解析由SiO2+2C===Si+2CO↑可知1molC理论上能置换出0.5molSi，A错误；SiO2能与氢氟酸反应，C

错误；硅酸的酸性比碳酸弱，所以SiO2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

错误。

5.(2024·贵州遵义高一段考)贵州三大代表性陶器品类包括平塘牙舟陶、织金砂陶和遵义余庆陶。下列有关

陶瓷的说法错误的是()

A.陶瓷烧制过程中发生了化学变化

B.新型陶瓷和传统陶瓷一样都是硅酸盐材料

C.新型超导陶瓷可应用于磁悬浮技术

D.高温结构陶瓷可应用于火箭发动机

答案B

解析新型陶瓷不限于传统的硅酸盐体系，故选B。

6.碳纳米管是由石墨烯卷曲成的单层或多层的直径为2~20nm的中空管状结构。下列说法不正确的是()

A.碳纳米管是一种胶体

B.石墨烯卷成管状结构发生了化学变化

C.石墨烯和碳纳米管互为同素异形体

D.根据碳纳米管的形状可推测它可以用作催化剂的载体

答案A

解析胶体是分散系，是混合物，而碳纳米管是纯净物，不是胶体，A错误；石墨烯和碳纳米管是碳元素

的两种不同的单质，两者互为同素异形体，C正确；碳纳米管有较大的表面积，可以用作催化剂的载体，

D正确。

7.(2023·安徽阜阳高一检测)下列表述正确的是()

A.SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以SiO2属于两性氧化物

B.因为Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强

C.CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂

D.CO2和SiO2都是由分子构成的化合物，所以两者物理性质相似

答案C

解析二氧化硅与HF反应不生成盐，则二氧化硅不是两性氧化物，A错误；CO2与碳反应生成一氧化碳，

二氧化碳中碳的化合价降低，作氧化剂，SiO2与碳反应生成一氧化碳和硅，二氧化硅中硅元素化合价降低，

作氧化剂，C正确；CO2是由分子构成的化合物，SiO2是由原子构成的化合物，二者物理性质不同，D错

误。

8.(2023·威海高一期中)由粗SiO2制备纯SiO2的流程如图所示，下列说法不正确的是()

A.SiO2可用于制造光导纤维

B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4

C.步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代

D.若在实验室中完成步骤Ⅲ，一般在蒸发皿中进行

答案D

解析步骤Ⅱ中硅酸钠和稀硫酸反应生成硅酸沉淀，化学方程式是Na2SiO3+H2SO4===H2SiO3↓+Na2SO4，

B项正确；碳酸的酸性强于硅酸，因此步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2替代，C项正确；若在实验室中完成步

骤Ⅲ，一般在坩埚中进行，蒸发皿不能用于灼烧固体，D项错误。

9.(2024·南宁高一期中)下列关于硅元素及其化合物的说法正确的是()

①硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水等特点

②现代建筑物大量使用的沙子和水泥都是硅酸盐材料

③水晶项链和石英玻璃都是硅酸盐材料

④陶瓷是具有悠久历史的硅酸盐材料

⑤光导纤维的主要原料是二氧化硅

⑥高纯度的硅单质具有非常好的导电能力

A.①④⑤B.①②③⑥

C.①②④⑤D.②③④⑥

答案A

解析②沙子、③水晶和石英的主要成分为二氧化硅，二氧化硅为氧化物，不是硅酸盐；⑥硅导电性介于

导体与绝缘体之间，是良好的半导体材料。

-3

10.(2024·重庆高一期中)实验室用H2还原SiHCl3(沸点：31.85℃，密度为1.34g·cm)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Ⅲ的烧杯中盛装的是冰水

B.实验时，应先加热管式炉，再打开活塞K

C.该实验中滴加13.55mLSiHCl3，制得高纯硅2.814g，则SiHCl3的利用率为75%

D.为鉴定高纯硅中是否含微量铁单质，需要用的试剂为盐酸、硫氰化钾溶液

答案C

解析装置Ⅰ制备氢气，氢气中含有水蒸气，会对后续实验产生干扰，必须除去，因此装置Ⅱ的作用是除

去氢气中的水蒸气，即装置Ⅱ中盛放浓硫酸，装置Ⅲ的作用是提供SiHCl3气体，应在水浴中加热，A错误；

-3

实验时应先通入氢气，目的是排出装置中的空气，防止发生危险，B错误；SiHCl3的密度为1.34g·cm，

体积13.55mL，则SiHCl4的质量为18.157g，根据SiHCl3+H2Si+3HCl，实际消耗SiHCl3的质量为

-1

×135.5g·mol=13.61775g，则SiHCl3的利用率为×100%=75%，C正确；铁单质与盐酸反

2.814g13.61775g

−1

应28g生·m成ol亚铁离子，不能用硫氰化钾溶液检验，D错误。18.157g

11.氮化硅(Si3N4)是一种重要的高温结构陶瓷材料，用石英砂和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流

程如图(粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物)：

下列叙述不正确的是()

A.“还原”反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑

B.粗硅提纯所得的高纯硅是制造光导纤维的材料

C.“操作X”可将原料气通过灼热的铜网

D.“稀酸Y”可选用稀硝酸

答案B

解析“还原”反应是用焦炭把二氧化硅还原为粗硅，反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑，故A

正确；粗硅提纯所得的高纯硅是制造芯片的材料，故B错误；“操作X”是除去氮气中的少量氧气，可将

原料气通过灼热的铜网，故C正确；粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物，硝酸能溶解Fe、Cu，所以

“稀酸Y”可选用稀硝酸，故D正确。

12.(10分)高纯硅用于制作光伏电池，如图是一种生产高纯硅的工艺流程图：

已知：①流化床反应器的主反应：Si+3HClSiHCl3+H2；②还原炉的主反应：

SiHCl3+H2Si+3HCl；③SiHCl3极易水解。

(1)电弧炉中生成粗硅，反应的化学方程式为。若电弧炉中焦炭过量，还会有

SiC生成，石英砂和焦炭生成SiC的反应中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为。

(2)整个操作流程都需隔绝空气，原因是(答出两条即可)。

(3)SiHCl3极易发生水解反应，其生成物之一是一种可燃性气体，则SiHCl3水解的化学方程式

为。

(4)上述操作流程中可以循环利用的物质是。

答案(1)SiO2+2CSi+2CO↑1∶2

(2)防止SiHCl3发生水解、防止硅被氧化、防止氢气与氧气反应而发生爆炸(任写两条)

(3)SiHCl3+3H2O===H2↑+H2SiO3↓+3HCl

(4)H2、HCl

解析(1)石英砂与焦炭在高温下反应制备粗硅的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑；石英砂和焦炭生成

SiC的化学方程式为SiO2+3CSiC+2CO↑，氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2。

(2)SiHCl3极易水解，反应产生的氢气与氧气反应易发生爆炸，并且硅也与O2反应，因此整个操作流程都

需隔绝空气。

(3)根据题意，SiHCl3极易发生水解反应生成H2，同时反应产生HCl、H2SiO3，则SiHCl3水解的化学方程

式为SiHCl3+3H2O===H2↑+H2SiO3↓+3HCl。

(4)还原炉中SiHCl3与H2反应生成硅单质，化学方程式为SiHCl3+H2===Si+3HCl，根据流程转化分析可知

上述操作流程中可以循环利用的物质是H2、HCl。

13.(10分)如图是硅及其化合物的“价—类”二维图，根据要求完成下列化学(或离子)方程式。

(1)利用焦炭在电炉中还原二氧化硅的化学方程式为。

(2)利用氢氟酸刻蚀玻璃的化学方程式为。

(3)硅酸钠与强酸反应转化为硅酸的离子方程式为