第4章 第1讲 碳、硅及无机非金属材料-【金版教程】2025年高考化学一轮复习创新方案word（新教材，创新版）

金版教程　高考科学复习创新方案　化学 第1讲　碳、硅及无机非金属材料 【复习目标】　1.通过实验探究，了解C、Si单质及其重要化合物的制备方法和主要性质，认识这些物质在生产生活中的应用。2.结合实例认识无机非金属材料的性能及用途。 一、碳、硅及其氧化物 1．常见的三种碳单质 (1)金刚石 碳原子的排列方式：正四面体的空间网状结构 物理性质：熔点高，硬度大，不导电 (2)石墨 (3)足球烯(C60) 碳原子的排列方式：“足球”状分子，由正五边形和正六边形排列而成 物理性质：不导电 2．硅的结构与制备 3．碳、硅的化学性质 (1)碳的化学性质 与氧气反应 C＋O2CO2，2C＋O22CO 与H2O(g)反应 C＋H2O(g)CO＋H2 与CO2反应 C＋CO22CO 与SiO2反应 2C＋SiO2Si＋2CO↑ 与CuO反应 C＋2CuO2Cu＋CO2↑ 与浓硫 酸反应 2H2SO4(浓)＋CCO2↑＋2SO2↑＋2H2O 与浓硝 酸反应 C＋4HNO3(浓)CO2↑＋4NO2↑＋2H2O (2)硅的化学性质 反应物质 化学方程式 F2 Si＋2F2===SiF4 HF Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑ NaOH溶液 Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑ O2 Si＋O2SiO2 Cl2 Si＋2Cl2SiCl4 4.碳和硅的氧化物 (1)一氧化碳 ①物理性质：无色气体，有毒，难溶于水。 ②化学性质 a．燃烧：2CO＋O22CO2，蓝色火焰。 b．还原性，如还原CuO：CO＋CuOCu＋CO2(冶炼金属)。 (2)二氧化硅和二氧化碳的比较 物质 SiO2 CO2 结构 空间网状结构，不存在单个分子 存在单个CO2分子 主要物 理性质 硬度大，熔点高，不溶于水 常温下为气体，能溶于水 化学性质 与水 反应 不反应 CO2＋H2OH2CO3 与酸 反应 只与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 不反应 与碱(如 NaOH) 反应 SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞) CO2少量：CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O CO2过量：CO2＋NaOH=== NaHCO3 与盐反应 SiO2＋Na2CO3 Na2SiO3＋CO2↑ SiO2＋CaCO3 CaSiO3＋CO2↑ Na2SiO3＋H2O＋CO2(不足)=== H2SiO3↓＋Na2CO3或 Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(足量) ===H2SiO3↓＋2NaHCO3 与碱性氧 化物反应 与CaO反应： SiO2＋CaOCaSiO3 与Na2O反应： Na2O＋CO2 ===Na2CO3 用途 制光导纤维、光学仪器、电子部件、仪器轴承、石英坩埚、玻璃等 制饮料、制碳酸盐等 判断正误。正确的打“√”，错误的打“×”并指明错因。 (1)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应。(×) 错因：同素异形体之间的转化，化合价不变，不是氧化还原反应。 (2)向CaCl2溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失。(×) 错因：由于盐酸的酸性比碳酸强，CO2与CaCl2溶液不反应。 (3)向空气中排放二氧化碳会形成酸雨。(×) 错因：pH<5.6的雨水才是酸雨，CO2不能形成酸雨。 (4)工业上用焦炭和石英砂制取粗硅的反应方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑。(×) 错因：在高温条件下生成CO而不是CO2。 (5)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(如NaOH)，不溶于任何酸。(×) 错因：SiO2能与氢氟酸反应。 (6)Si和SiO2都可用于制造光导纤维。(×) 错因：Si不能用于制造光导纤维。 二、硅酸、硅酸盐和无机非金属材料 1．硅酸 2．硅酸盐——硅酸钠(Na2SiO3) 3．无机非金属材料 (1)传统无机非金属材料 水泥 玻璃 陶瓷 原料 石灰石、黏土 石灰石、纯碱、石英砂 黏土 主要 成分 硅酸二钙(2CaO·SiO2) 硅酸三钙(3CaO·SiO2) 铝酸三钙3CaO·Al2O3) Na2SiO3、CaSiO3、 SiO2 硅酸盐、铝硅酸盐 (2)新型无机非金属材料 ①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、磁学等方面具有很多新的特性和功能。例如，碳化硅俗称金刚砂，碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，具有优异的高温抗氧化性能，可用作砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。 ②碳纳米材料 碳纳米材料是一类新型的无机非金属材料。 a．类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。 b．用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。 　判断正误。正确的打“√”，错误的打“×”并指明错因。 (1)氮化硅陶瓷、超导陶瓷、透明陶瓷是新型无机非金属材料。(√) 错因：________________________________________________________________________ (2)合成纤维与光导纤维都是新型无机非金属材料。(×) 错因：合成纤维是有机物。 (3)生产陶瓷的原料主要是纯碱、石灰石和二氧化硅。(×) 错因：生产陶瓷的原料主要是黏土。 (4)硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中。(×) 错因：Na2SiO3具有黏性。 (5)传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐。(×) 错因：新型无机非金属材料组成不限于硅酸盐，如新型陶瓷碳化硅。 考点1　碳、硅及其氧化物 题组一　认知与探究碳及其氧化物的性质 1．近年来科学家制造出大量的新物质，对下列三种物质的相关说法错误的是(　　) 石墨烯：从石墨中分离出来，是最薄、最坚硬的纳米材料 石墨炔：平面网状结构的全碳分子，具有优良的化学稳定性 碳纳米管：具有优良的场发射性能，制作阴极显像管、储氢材料 A.石墨烯具有良好的导电性 B．上述三种物质与金刚石互为同素异形体 C．石墨炔孔径略大于H2分子的直径，可作H2的提纯薄膜 D．上述三种物质与浓硫酸都能发生反应，但反应产物不同 答案　D 2．(2023·广东四校高三综合测试)利用以下装置制备、纯化CO，并探究CO和Na2O2的反应(CO＋Na2O2===Na2CO3)。下列说法正确的是(　　) A．装置b中的试剂可选用无水CaCl2 B．装置d中的试剂可选用NaOH溶液 C．实验开始时，依次点燃a、c处酒精灯 D．加热一段时间后，硬质玻璃管中粉末由白色变为淡黄色 答案　C 解析　浓硫酸有强氧化性，故甲酸与浓硫酸反应还可能产生CO2、SO2，则b中应盛放碱石灰，A错误；CO与NaOH溶液不反应，故B错误；先点燃a处酒精灯，利用产生的CO排除装置中的空气，再点燃c处酒精灯，C正确；Na2O2生成Na2CO3，粉末由淡黄色变为白色，D错误。 题组二　认识与归纳硅及其氧化物的性质 3．有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列有关硅的说法中，不正确的是(　　) A．高纯度的硅广泛用于制作计算机中的芯片 B．硅可由二氧化硅还原制得 C．硅与一般的酸不反应，但能与氢氟酸反应 D．自然界中硅的储量丰富，存在大量的单质硅 答案　D 4．纯二氧化硅可用下列流程制得。相关说法不正确的是(　　) A．X的主要成分可用作木材防火剂 B．步骤Ⅰ的反应是SiO2＋2OH－===SiO＋H2O C．步骤Ⅱ中的稀硫酸可用通CO2来代替 D．步骤Ⅲ若在实验室完成，一般在蒸发皿中进行 答案　D C、Si及SiO2性质的特殊性 (1)一般情况下，非金属元素单质的熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石的熔、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的，但C在高温下能还原出Si：SiO2＋2CSi＋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(如NaOH)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)非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO2的熔、沸点很高。 (7)酸性氧化物一般与水反应生成相应的酸，但SiO2不溶于水也不与水反应。 (8)酸性氧化物一般不与酸发生反应，但SiO2能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。 考点2　硅酸盐和无机非金属材料 题组一　宏观识别硅酸盐 1．水玻璃(Na2SiO3溶液)广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。如图是用稻壳灰(SiO2：65%～70%、C：30%～35%)制取水玻璃的工艺流程： 下列说法正确的是(　　) A．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 B．操作A与操作B完全相同 C．该流程中硅元素的化合价发生改变 D．反应器中发生的反应为氧化还原反应 答案　A 2．中国科学院空天信息创新研究院根据玉兔二号提供的一个暗绿色闪光的“石块”信息进行分析，发现石块主要由约45%的斜长石(CaAl2Si2O8)、7%的辉石XYAl2－2nSi2O6(X、Y为单核离子，0<n≤1)和6%的橄榄石(M2SiO4，M为Mg、Fe)组成。下列关于上述“三石”的说法正确的是(　　) A．含硅元素，属于硅酸盐；含金属元素，属于金属材料 B．斜长石可以写为CaSiO3·Al2(SiO3)3的形式 C．橄榄石的氧化物形式一定为MgO·FeO·SiO2 D．若辉石中n＝1、Y为V3＋时，X可以是Na＋或Li＋等 答案　D 硅酸盐组成的表示方法 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： (1)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。 (2)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。 如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。 题组二　推理与认知无机非金属材料 3．“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是(　　) A．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高 B．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品 C．制水泥的原料主要为纯碱、石灰石和石英 D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐 答案　A 4．近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。下列关于碳纳米管说法不正确的是(　　) A．碳纳米管孔径较大，可以掺杂各种金属原子，体现特殊的催化活性 B．碳纳米管拥有极高的熔点 C．碳纳米管是一种新型有机纳米材料 D．碳纳米管可以由石墨烯在特定条件下卷曲而成 答案　C 解析　碳纳米管只由碳原子构成，属于单质，不是有机化合物，故C错误。 (1)用作半导体材料的是晶体硅，用于制作光导纤维的是SiO2，计算机芯片的成分是晶体硅。 (2)水晶、石英、玛瑙、硅石的主要成分是SiO2。 (3)晶体硅、晶体二氧化硅、新型陶瓷(如SiC、压电陶瓷、超导陶瓷)、碳纳米材料等均为新型无机非金属材料。 1．(2023·广东卷)“高山流水觅知音”。下列中国古乐器中，主要由硅酸盐材料制成的是(　　) A.九霄环佩木古琴 B.裴李岗文化骨笛 C.商朝后期陶埙 D.曾侯乙青铜编钟 答案　C 2．(2023·湖北卷)工业制备高纯硅的主要过程如下： 石英砂粗硅SiHCl3高纯硅 下列说法错误的是(　　) A．制备粗硅的反应方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑ B．1 mol Si含Si—Si键的数目约为4×6.02×1023 C．原料气HCl和H2应充分去除水和氧气 D．生成SiHCl3的反应为熵减过程 答案　B 解析　在晶体硅中，每个Si与其周围的4个Si形成共价键并形成空间网状结构，因此，平均每个Si形成2个共价键，1 mol Si含Si—Si键的数目约为2×6.02×1023，B错误。 3．(2022·河北高考)定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是(　　) A．传统陶瓷是典型的绝缘材料 B．陶瓷主要成分为SiO2和MgO C．陶瓷烧制的过程为物理变化 D．白瓷的白色是因铁含量较高 答案　A 4．(2021·浙江1月选考)铝硅酸盐型分子筛中有许多笼状空穴和通道(如图)，其骨架的基本结构单元是硅氧四面体和铝氧四面体，化学组成可表示为Ma[(AlO2)x·(SiO2)y]·zH2O(M代表金属离子)。下列推测不正确的是(　　) A．常采用水玻璃、偏铝酸钠在强酸溶液中反应后结晶制得分子筛 B．若a＝，则M为二价阳离子 C．调节(硅铝比)的值，可以改变分子筛骨架的热稳定性 D．分子筛中的笼状空穴和通道，可用于筛分分子 答案　A 解析　在强酸溶液中反应生成H2SiO3沉淀和Al3＋溶液，得不到分子筛，A错误。 5．(2020·浙江高考)Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一，其相关性质的说法不正确的是(　　) A．可发生反应：Ca3SiO5＋4NH4ClCaSiO3＋2CaCl2＋4NH3↑＋2H2O 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SiO2 答案　D 1．关于化合物H2CS3的性质，下列推测不合理的是(　　) A．在水中缓慢分解产生H2CO3和H2SO3 B．可由K2CS3酸化制成 C．水溶液为弱酸 D．易分解成H2S和CS2 答案　A 2．氮化硅(Si3N4)是一种重要的结构陶瓷材料。用石英砂和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流程如下(粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物)： 下列叙述正确的是(　　) A．“还原”时反应的方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑ B．“高温氮化”合成反应中N2是还原剂 C．“操作X”可将原料气通过灼热的铜粉 D．“稀酸Y”选用稀硫酸除去产物中的杂质 答案　C 解析　焦炭与石英砂发生反应SiO2＋2CSi＋2CO↑，焦炭被氧化成CO，A错误；“高温氮化”合成反应中N2是氧化剂，B错误；应该用稀硝酸除去Si3N4中的杂质，D错误。 课时作业 [建议用时：40分钟] 选择题(每小题只有1个选项符合题意) 1．有关碳、硅两种元素的说法中，不正确的是(　　) A．它们的原子都既不易得到电子也不易失去电子，主要形成四价的化合物 B．碳元素在自然界中存在游离态，而硅元素在自然界中只有化合态 C．它们的单质在空气中加热时都可以发生化学反应 D．它们的单质都能和氢氧化钠溶液反应 答案　D 2．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．硅是良好的半导体材料，可以制成光导纤维 D．氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，化学式为Si3N4 答案　C 3．《本草纲目》中对玻璃有如下叙述：“本作颇黎。颇黎，国名也。其莹如水，其坚如玉，故名水玉，与水精(即水晶，主要成分为SiO2)同名……有酒色、紫色、白色，莹澈与水精相似”。下列说法错误的是(　　) A．文中所描述玻璃的颜色来自某些金属氧化物 B．玻璃质地坚硬，不易破碎 C．将石灰石、纯碱、石英砂在高温下熔融，可制得普通玻璃 D．不能用带有磨口玻璃塞的玻璃试剂瓶盛放NaOH溶液 答案　B 4．由下列实验事实得出的结论正确的是(　　) A．由SiO2＋2CSi＋2CO↑可知，碳的非金属性强于硅的 B．由SiO2不能与水反应生成H2SiO3可知，SiO2不是H2SiO3的酸酐 C．由SiO2可与NaOH溶液反应，也可与氢氟酸反应可知，SiO2为两性氧化物 D．由CO2通入Na2SiO3溶液产生白色沉淀可知，酸性：H2CO3>H2SiO3 答案　D 解析　由SiO2＋2CSi＋2CO↑不能比较C、Si的非金属性，A错误；SiO2是H2SiO3的酸酐，B错误；两性氧化物是指和酸、碱反应生成盐和水的氧化物，二氧化硅和氢氟酸反应是其特殊性质，不能和其他酸发生反应，二氧化硅和碱溶液反应生成盐和水，是酸性氧化物，C错误。 5．(2023·广东六校高三联考)我国正面临巨大的CO2减排压力。燃煤电厂是CO2的主要排放源，直接从燃煤烟气中捕获CO2是缓解CO2排放危机最有效的手段。一种钙基吸收剂(主要成分为CaO)循环捕集烟气中CO2的过程如图所示，下列说法中错误的是(　　) A．碳酸化反应器中发生了化合反应，且为放热反应 B．生成的CaCO3附着在钙基吸收剂表面会堵塞孔隙，导致其捕集性能下降 C．1 mol CO2中含有16NA个电子 D．封存的CO2可以转化为甲醇等产品 答案　C 6．材料新秀——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；氧化石墨烯因为还含有氢元素，故不是石墨烯的氧化物，也不是碳的同素异形体，B、C错误。 7．用4种溶液进行实验，下表中“操作及现象”与“溶液”对应关系错误的是(　　) 选项 操作及现象 溶液 A 通入CO2，溶液不变浑浊，先通入CO2再通入氨气，溶液变浑浊 CaCl2溶液 B 通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失 Na2SiO3溶液 C 通入CO2，溶液变浑浊，再加入品红溶液，红色褪去 Ca(ClO)2溶液 D 通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失，再加入足量NaOH溶液，又变浑浊 Ca(OH)2溶液 答案　B 8．陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是(　　) A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁 B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成 C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐 D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点 答案　A 9．石膏、水泥和石灰是传统的无机胶凝材料中的三大支柱。如图是石膏的部分层状结构，中间的虚线代表层与层的分界线。下列说法错误的是(已知：) (　　) A．无水CaSO4可以用作干燥剂 B．每个H2O连接在1个Ca2＋和相邻两层各1个SO的O上 C．加热石膏可以破坏层与层之间的氢键，只发生物理变化 D．工业制备水泥以黏土、石灰石为主要原料，辅料石膏可以调节水泥的硬化速度 答案　C 解析　加热石膏可失去结晶水，存在化学变化，C错误。 10．硅及其化合物在自然界广泛存在并被人类应用。 氮化硅可用作高温陶瓷复合材料，在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。由石英砂合成氮化硅粉末的路线如图所示： 其中—NH2中各元素的化合价与NH3相同。请回答下列问题： (1)石英砂不能与碱性物质共同存放，以NaOH为例，用化学方程式表示其原因：________________________________。 (2)图示①～⑤的变化中，属于氧化还原反应的是________。 (3)在反应⑤中，3 mol Si(NH2)4在高温下加热可得1 mol氮化硅粉末和8 mol A气体，则氮化硅的化学式为________。 (4)在高温下将SiCl4在B和C两种气体的气氛中，也能反应生成氮化硅，B和C两种气体在一定条件下化合生成A。写出SiCl4与B和C两种气体反应的化学方程式：________________________________。 答案　(1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O (2)①②　 (3)Si3N4 (4)3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl 9 学科网（北京）股份有限公司 $$