第5章 第7讲 碳、硅和无机非金属材料(教用Word)-【金榜题名】2026年高考化学一轮总复习

第七讲　碳、硅和无机非金属材料 高考目标定位　1.掌握碳、硅单质及其重要化合物的主要性质及应用。2.了解碳、硅单质及其重要化合物对环境的影响。3.了解常见的无机非金属材料。4.了解碳、硅单质及其重要化合物的制备方法。 考点一　碳、硅及其化合物 1．碳及其化合物 (1)碳族元素 碳、硅、锗、锡、铅均属于第ⅣA族元素，又称碳族元素，其价电子排布式为ns2np2。 (2)碳的单质 ①碳单质的存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为同素异形体。 ②几种单质的结构特点 金刚石：正四面体空间网状结构；石墨：平面正六边形层状结构，C60是由60个碳原子形成的足球状分子晶体。 (3)CO与CO2的比较 CO CO2 物理性质 无色无味气体，密度比空气小，难溶于水 无色无味气体，密度比空气大，可溶于水（溶解度小） 毒性 有毒（易结合血红蛋白） 无毒（温室效应） 化学性质 还原性 可燃性、还原氧化铁 无（灭火） 氧化性 — ①与炽热炭反应 ②Mg在CO2中燃烧 与水反应 无 CO2＋H2O⥫⥬H2CO3 与碱反应 （石灰水） 无 Ca(OH)2＋CO2===CaCO3↓＋H2O（检验CO2） 相互转化 CO2CO 续表 CO CO2 用途 燃料；冶炼金属 灭火；制汽水；植物肥料；化工原料等 思考1　 碳和碳的氧化物是生活中的常见物质，下列有关说法正确的是　　　　。 ①利用二氧化碳制造全降解塑料，可以减缓二氧化碳对环境的影响 ②金刚石、石墨、C60的化学性质相似，物理性质却有很大差异 ③木炭、一氧化碳在一定条件下都能还原氧化铜 ④大气中二氧化碳的消耗途径主要是绿色植物的光合作用 ⑤CO2是导致温室效应的主要气体 ⑥CO和CO2组成元素相同，但他们的化学性质不相同 ⑦在高温条件下，碳能使CO2转变成CO 提示　①②③④⑤⑥⑦ 2．硅单质 3．二氧化硅 4．硅酸和硅酸盐 (1)硅酸 (2)硅酸盐——硅酸钠 ①性质 硅酸钠是白色、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。写出下列反应的离子方程式： 与盐酸反应：SiO＋2H＋===H2SiO3↓。 与CO2水溶液反应：SiO＋H2O＋CO2（少量）===H2SiO3↓＋CO。 ②用途：黏合剂（矿物胶），耐火阻燃材料。 思考2　 (1)一般情况下，非金属单质为绝缘体，但石墨为　　　　、硅为　　　　。 (2)非金属单质一般不与酸反应，但　　 　既能与NaOH溶液反应又能与HF反应，与HF反应的方程式为________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)SiO2既能与酸(HF)反应，又能与碱(NaOH)反应，但SiO2　　　　　　两性氧化物，SiO2属于　　　　氧化物。 (4)SiO2能与氢氟酸反应，　　　　用玻璃容器盛放氢氟酸，可以用　　　　刻蚀玻璃。 (5)　　　　是H2SiO3的酸酐，但SiO2不溶于水，也不与水反应制备H2SiO3。 提示　(1)导体　半导体 (2)Si　Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑ (3)不是　酸性 (4)不能　氢氟酸 (5)SiO2 练一　碳、硅及其化合物的性质 1．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1 mol C60转变为C时，失去60 mol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 答案　C 解析　A．C60是单质，不是化合物，A项错误；B.C60是一个由60个C原子构成的分子，1 mol C60转变为C时，得到1 mol 电子，B项错误；C.C60转变为C时，得到电子，则铜催化剂中部分Cu0失去电子变成Cu＋，两者个数比减小，C项正确；D.题干中C60是电子缓冲剂，通过C60与C的切换起作用，不用补充C60，D项错误；故选C。 2．由下列实验事实得出碳元素与硅元素的非金属性强弱比较结论正确的是(　　) A．SiO2能与HF反应，CO2不能与HF反应，可知碳的非金属性强于硅 B．反应Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑ 可知，硅的非金属性强于碳 C．CO2通入Na2SiO3溶液产生白色沉淀，酸性H2CO3>H2SiO3可知，碳的非金属性强于硅 D．由SiO2＋2CSi＋2CO↑ 可知，碳的非金属性强于硅 答案　C 解析　A．二氧化硅和氢氟酸反应是特殊反应，不能用于比较非金属性强弱，A错误；B.高温下的反应不能说明酸性强弱，也就不能说明非金属性的强弱，B错误；C.二氧化碳和硅酸钠反应生成硅酸沉淀，说明碳酸比硅酸酸性强，即可知碳的非金属性比硅强，C正确；D.反应中碳的还原性比硅强，不能比较非金属性强弱，D错误；故选C。 3．硅及其化合物广泛应用于生产生活，下列有关说法错误的是(　　) A．Si可以用作半导体材料 B．互联网通过光纤交换信息，光纤的主要原料是SiO2 C．硅酸钠的溶液俗称水玻璃，常用作木材的阻燃剂 D．玻璃上的精美刻花，是工艺师用盐酸刻蚀形成的 答案　D 解析　A项，硅是良好的半导体材料，正确；B项，二氧化硅可用于制造光导纤维，正确；C项，硅酸钠的溶液俗称水玻璃，硅酸钠不能燃烧，常用作木材的阻燃剂，正确；D项，二氧化硅能与氢氟酸反应，玻璃上的精美刻花是工艺师用氢氟酸刻蚀形成的，错误。 练二　高纯硅的制备 4．H2SO4－SiO2法生产多晶硅的流程如下。下列说法错误的是(　　) A．合成1反应中H2作氧化剂 B．合成2的反应为：SiF4＋NaAlH4===SiH4＋NaAlF4 C．上述流程说明SiO2可溶于H2SO4 D．净化、热解中生成的多晶硅为还原产物 答案　C 解析　合成1中发生Na＋Al＋2H2===NaAlH4，合成2中发生NaAlH4＋SiF4===SiH4＋NaAlF4，合成3制备四氟化硅，净化、热解SiH4步骤中四氢化硅分解为晶体硅和氢气，据此分析。A.合成1中发生Na＋Al＋2H2===NaAlH4，H由0价转化成－1价，化合价降低，氢气作氧化剂，故A说法正确；B.根据上述分析，合成2中发生NaAlH4＋SiF4===SiH4＋NaAlF4，故B说法正确；C.合成3中NaAlF4与硫酸反应生成HF，HF与二氧化硅反应生成SiF4，因此题中不能说明二氧化硅溶于硫酸，故C说法错误；D.四氢化硅分解为晶体硅和氢气，根据电负性分析，氢的电负性强于硅，硅元素显＋4价，化合价降低，因此晶体硅为还原产物，故D说法正确；答案为C。 5．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1 000～1 100 ℃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SiHCl3（沸点为36.5 ℃），只含有少量SiCl4（沸点为57.6 ℃）和HCl（沸点为－84.7 ℃），提纯SiHCl3的方法为　　　　　。 (2)用SiHCl3与过量H2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装置前应先打开A装置中分液漏斗的活塞，目的是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②C装置中烧瓶需要加热，采用的方法是　　　　　　　　。 答案　(1)蒸馏　(2)①排出装置内的空气，以防爆炸　②水浴加热 考点二　无机非金属材料 1．传统硅酸盐材料 (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。 思考　 生产硅酸盐水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是　　　　　，石英玻璃化学稳定性强、膨胀系数小，是一种特殊玻璃，石英玻璃的主要成分是　　　　　（填化学式）。 提示　石灰石　SiO2 2．新型无机非金属材料 (1)硅和二氧化硅 (2)新型陶瓷 如 (3)碳纳米材料 ①类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。 ②用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。 1．近年来开发的新型无机非金属材料种类众多、应用广泛，下列说法错误的是(　　) A．高纯硅可用来制作芯片和硅太阳能电池 B．二氧化硅可用来生产光导纤维和玻璃 C．新型陶瓷金刚砂(SiC)可用作耐高温结构材料 D．富勒烯、石墨烯都是有机化合物 答案　D 解析　A．硅是半导体，高纯硅可用来制作芯片和硅太阳能电池，故A正确；B.二氧化硅具有良好的光学性能等，二氧化硅可用来生产光导纤维和玻璃，故B正确；C.新型陶瓷金刚砂(SiC)熔沸点高，可用作耐高温结构材料，故C正确；D.富勒烯、石墨烯都是碳单质，不是有机化合物，故D错误；故选D。 2．原始瓷是中国乃至世界出现最早且初步具有瓷器特征的一种器物。考古工作者对某原始瓷文物分析发现，其中含有石英颗粒，还有一定量的莫来石(2Al2O3·xSiO2，1≤x≤1.5)等。下列说法正确的是(　　) A．石英的主要成分SiO2由大量的硅氧四面体基本单元构成 B．瓷器质地均匀，硬度高，是纯净物 C．莫来石的主要成分为氧化物 D．瓷器烧制前后颜色不同的现象称为“窑变”，“窑变”属于物理变化 答案　A 解析　A．石英的主要成分二氧化硅晶体由大量的硅氧四面体基本单元构成，选项A正确；B.瓷器为多种硅酸盐的混合物，不是纯净物，选项B错误；C.莫来石的主要成分为铝硅酸盐，选项C错误；D.“窑变”过程中发生复杂的化学变化和物理变化，选项D错误；答案选A。 3．光纤通信是光导纤维传送信号的一种通信手段，合成光导纤维及氮化硅（一种无机涂层）的工艺流程如图： 回答下列问题： (1)反应Ⅰ的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　，氧化剂为　　　　（填化学式）。 (2)经反应Ⅱ所得的四氯化硅粗品中所含的物质如表： 组分 名称 SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2 HCl BCl3 PCl3 质量 分数 0.545 0.405 0.046 2 0.000 3 0.001 93 0.001 57 沸点 /℃ 57.6 31.8 8.2 －85 12.5 75.5 图中“操作X”的名称为　　　　。 (3)反应Ⅲ和Ⅳ中尾气的用途为　　　　；反应Ⅳ的化学方程式为　　　　　　　　。 答案　(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑　SiO2 (2)精馏（或蒸馏） (3)制取盐酸（或其他合理答案） 3SiCl4＋4NH3Si3N4＋12HCl 解析　(1)反应Ⅰ的化学方程式为2C＋SiO2Si＋2CO↑，反应中Si元素化合价降低，是氧化剂，C元素化合价升高，是还原剂；该反应涉及的副反应可能有（碳不足）C＋SiO2Si＋CO2↑，碳足量的话，碳可以跟硅反应生成碳化硅，方程式是3C＋SiO2SiC＋2CO↑。(2)经过操作X得到四氯化硅，由表中数据可知各物质的沸点相差较大，因此操作X为精馏。(3)根据原子守恒可推断反应Ⅲ的尾气为HCl，反应Ⅳ也产生HCl，则反应Ⅲ和Ⅳ中尾气可以制备盐酸。反应Ⅲ为SiCl4与H2、O2在1500 ℃时反应生成SiO2和HCl，方程式为：SiCl4＋O2＋2H2SiO2＋4HCl，反应Ⅳ为SiCl4与NH3在1400 ℃时反应生成Si3N4和HCl，方程式为：3SiCl4＋4NH3Si3N4＋12HCl，所以反应Ⅲ和Ⅳ中尾气HCl的用途为制取盐酸。 考点三　化学品的合理使用 1．化肥、农药的合理施用 (1)化肥的合理施用 考虑 因素 土壤酸碱性、作物营养状况，根据化肥本身的性质进行科学施用 过量施 用化肥 的危害 ①部分化肥随着雨水流入河流和湖泊，造成水体富营养化，产生水华等污染现象。 ②不合理施用化肥会影响土壤的酸碱性和土壤结构 (2)农药的合理施用 ①农药的发展方向：高效→低毒→低残留。 ②不合理施用农药的危害： a．农药可能会破坏害虫与天敌之间的生态平衡，一些害虫还会产生抗药性。 b．蜜蜂等传粉昆虫对农药很敏感，大田用药如不注意就会引起这些昆虫的大量死亡。 c．农药施用方法、用量和时机不当，会造成土壤和作物的农药残留超标，以及大气、地表水和地下水的污染。 2．合理用药 (1)药物的分类 按照来源 分为天然药物与合成药物 按照作用 分为抗酸药、解热镇痛药、抗生素、合成抗菌药、安眠药、镇静药、止泻药等 (2)阿司匹林 ①阿司匹林的化学名称为乙酰水杨酸，具有解热镇痛作用。 ②以水杨酸为原料制取阿司匹林的化学方程式为 3．食品添加剂的使用 (1)食品添加剂 是指为改善食品品质和色、香、味，以及防腐、保鲜和加工工艺的需要而加入食品中的人工合成或天然物质。 (2)食品添加剂分类 按照来源 分为天然和人工合成 按照功能 分为着色剂、防腐剂、抗氧化剂等 (3)常见食品添加剂 着色剂 增味剂 膨松剂 凝固剂 防腐剂 抗氧 化剂 营养强 化剂 β－胡 萝卜素 味精 NH4HCO3 NaHCO3 盐卤 苯甲酸 及其钠盐 维生 素C 碘酸钾 1．某地筹建中的“生态农业科技园区”，不仅是农业高新技术示范和推广基地，也将是一个观光休闲的生态农业园区。在一些生产思路上你认为不妥当的是(　　) A．将农家肥与化肥综合施用，以提高增产效益 B．对大棚中的植物施加适量的CO2，以促进其光合作用 C．种植、养殖、制沼气相结合，既可改善环境又可提高农畜牧业的产量 D．将硝酸铵和熟石灰混合使用，在给作物提供营养元素的同时，又能降低土壤的酸性 答案　D 解析　熟石灰和硝酸铵混合后会发生反应，生成NH3逸出，损失肥效。 2．人体胃酸的主要成分是盐酸。胃酸可助消化食物，但胃酸过多会损伤胃粘膜，使人感觉不适。抗酸药（又称抑酸剂）可以中和胃里过多的胃酸。下列物质不属于抗酸药的是(　　) A．阿司匹林（主要成分：） B．胃舒平[主要成分：Al(OH)3] C．碳酸氢钠片（主要成分：NaHCO3） D．胃得乐（主要成分：MgCO3） 答案　A 解析　阿司匹林的主要成分含有羧基，不能与盐酸反应，因此不能用作抗酸药，故选A；氢氧化铝能够与盐酸反应生成氯化铝和水，消耗氢离子，所以可以用于治疗胃酸过多，故不选B；碳酸氢钠能够与盐酸反应生成氯化钠、水和二氧化碳，消耗氢离子，所以可以用于治疗胃酸过多，故不选C；碳酸镁能够与盐酸反应生成氯化镁、水和二氧化碳，消耗氢离子，所以可以用于治疗胃酸过多，故不选D。 3．科学合理地使用食品添加剂能保障食品质量与安全。下列说法错误的是(　　) A．“甜味剂”甜蜜素(C6H11NHSO3Na)属于糖类 B．“膨松剂”碳酸氢铵受热能放出氨气和二氧化碳 C.“防腐剂”亚硝酸钠长期超量食用容易引发人体细胞癌变 D.“增稠剂”MG(C17H35COOCH2CHOHCH2OH)水解可生成甘油 答案　A 解析　A．糖类为多羟基醛、多羟基酮以及能水解生成它们的物质，含有C、H、O元素，而甜蜜素(C6H11NHSO3Na)含有Na、S元素，不属于糖类，故A错误；B.碳酸氢铵在加热时或酸性条件下会分解成水，氨气和二氧化碳气体，由于快速释放，氨气在成品里残留很少，不会在成品里尝出氨味，所以可用于制作糕点时的膨松剂，故B正确；C.亚硝酸钠是一种防腐剂和增色剂，但在食品中过量时会对人体产生危害，故C正确；D.C17H35COOCH2CHOHCH2OH水解可以生成丙三醇即甘油，故D正确；故选A。 1. （2024·河北高考）燕赵大地历史悠久，文化灿烂。对下列河北博物院馆藏文物的说法错误的是(　　) A．青铜铺首主要成分是铜锡合金 B．透雕白玉璧主要成分是硅酸盐 C．石质浮雕主要成分是碳酸钙 D．青花釉里红瓷盖罐主要成分是硫酸钙 答案　D 解析　A．青铜铺首是青铜器，青铜的主要成分是铜锡合金，A正确；B.透雕白玉璧是玉石，玉石的主要成分是硅酸盐，B正确；C.石质浮雕是汉白玉，汉白玉的主要成分是碳酸钙，C正确；D.青花釉里红瓷盖罐是陶瓷，陶瓷的主要成分是硅酸盐，D错误；故选D。 2．（2023·湖北高考）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　A.SiO2和C在高温下发生反应生成Si和CO，因此制备粗硅的反应方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，A说法正确；B.在晶体硅中，每个Si与其周围的4个Si形成共价键并形成立体空间网状结构，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说法错误；C.SiHCl3和水蒸气反应，硅和氧气反应，因此原料气HCl和H2应充分去除水和氧气，C说法正确；D.Si(s)＋3HCl(g)SiHCl3(g)＋H2(g)，该反应是气体分子数减少的反应，因此生成SiHCl3的反应为熵减过程，D说法正确。 3．（2024·湖北高考）劳动人民的发明创造是中华优秀传统文化的组成部分。下列化学原理描述错误的是(　　) 发明 关键操作 化学原理 A 制墨 松木在窑内焖烧 发生不完全燃烧 B 陶瓷 黏土高温烧结 形成新的化学键 C 造纸 草木灰水浸泡树皮 促进纤维素溶解 D 火药 硫黄、硝石和木炭混合，点燃 发生氧化还原反应 答案　C 解析　A．松木在窑中不完全燃烧会生成碳单质，可以用来制造墨块，A正确；B.黏土在高温中烧结，会发生一系列的化学反应，此过程有新化学键的形成，B正确；C.草木灰主要成分为碳酸钾，浸泡的水成碱性，用于分离树皮等原料中的胶质，纤维素不能在碱性条件下水解，此过程并没有使纤维素发生水解，C错误；D.中国古代黑火药是有硫磺、硝石、木炭混合而成的，在点燃时发生剧烈的氧化还原反应，反应方程式为S＋2KNO3＋3C===K2S＋3CO2↑＋N2↑，D正确；故答案选C。 4．（2023·山东高考）三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高纯硅的重要原料，常温下为无色液体，沸点为31.8 ℃，熔点为－126.5 ℃，易水解。实验室根据反应Si＋3HClSiHCl3＋H2，利用如下装置制备SiHCl3粗品（加热及夹持装置略）。回答下列问题： (1)制备SiHCl3时进行操作：(ⅰ)……；(ⅱ)将盛有硅粉的瓷舟置于管式炉中；(ⅲ)通入HCl，一段时间后接通冷凝装置，加热开始反应。操作(ⅰ)为________________________________________________________________________； 判断制备反应结束的实验现象是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 图示装置存在的两处缺陷是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)已知电负性Cl>H>Si，SiHCl3在浓NaOH溶液中发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (3)采用如下方法测定溶有少量HCl的SiHCl3纯度。 m1 g样品经水解、干燥等预处理过程得硅酸水合物后，进行如下实验操作：①________________________________________________________________________， ②　　　　　　　（填操作名称），③称量等操作，测得所得固体氧化物质量为m2 g，从下列仪器中选出①、②中需使用的仪器，依次为　　　　（填标号）。测得样品纯度为　　　　　　　（用含m1、m2的代数式表示）。 答案　(1)检查装置气密性　当管式炉中固体消失，烧瓶中无液体滴下　C、D之间没有吸水装置，缺少氢气的处理装置　(2)SiHCl3＋5NaOH===Na2SiO3＋3NaCl＋H2↑＋2H2O　(3)高温灼烧　冷却　AC　×100% 解析　氯化氢气体通入浓硫酸干燥后，在管式炉中和硅在高温下反应，生成三氯甲硅烷和氢气，由于三氯甲硅烷沸点为31.8 ℃，熔点为－126.5 ℃，在球形冷凝管中可冷却成液态，在装置C中收集起来，氢气则通过D装置排出，同时D可处理多余的氯化氢气体，据此解答。(1)制备SiHCl3时，由于氯化氢、SiHCl3和氢气都是气体，所以组装好装置后，要先检查装置气密性，然后将盛有硅粉的瓷舟置于管式炉中，通入氯化氢气体，排出装置中的空气，一段时间后，接通冷凝装置，加热开始反应，制备反应结束时，Si完全反应，SiHCl3（常温下为无色液体）不再增加，则实验结束的现象是管式炉中固体消失、烧瓶中无液体滴下。SiHCl3容易水解，D中水蒸气容易进入C中，C和D之间应增加吸收水蒸气的装置，同时应增加氢气的处理装置；(2)已知电负性Cl＞H＞Si，则SiHCl3中氯元素的化合价为－1价，H元素的化合价为－1价，硅元素化合价为＋4价，所以氢氧化钠溶液和SiHCl3反应时，要发生氧化还原反应，得到氯化钠、硅酸钠和氢气，化学方程式为SiHCl3＋5NaOH===Na2SiO3＋3NaCl＋H2↑＋2H2O；(3)m1 g样品经水解，干燥等预处理过程得到硅酸水合物后，高温灼烧，在干燥器中冷却后，称量，所用仪器包括坩埚和干燥器，所得固体氧化物为二氧化硅，质量为m2 g，则二氧化硅的物质的量为n(SiO2)＝mol，样品纯度为×100%＝×100%。 学科网（北京）股份有限公司 $$