第三节 无机非金属材料（举一反三专项训练，江苏专用）【上好课】 化学人教版必修第二册

第三节 无机非金属材料 题型01 单质硅 题型02 二氧化硅 题型03 硅酸盐及硅酸盐材料 题型04 新型无机非金属材料 题型05 硅及其化合物的相互转化 题型01 单质硅 1.硅的存在与结构 （1）存在：硅在地壳中的含量仅次于氧，居第2 位，在自然界主要以硅酸盐和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在，硅单质主要有晶体和无定形两大类。 （2）结构：硅是14号元素，原子结构为：，说明硅既难失去电子也难得到电子，硅是亲氧元素，与氧形成共价键，硅单质晶体是原子晶体。 2.硅的物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。 3.硅的化学性质 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===SiF4 b．高温 ①与O2反应：Si＋O2SiO2。 ②与Cl2反应：Si＋Cl2SiCl4 4.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。 5.高纯硅的制备 涉及的主要化学反应为 (a)SiO2＋2CSi＋2CO↑ (b)Si＋3HClSiHCl3＋H2 (c)SiHCl3＋H2Si＋3HCl 【典例1】（24-25高一下·江苏南通·月考）下列关于硅的说法不正确的是（    ） A．硅是非金属元素，它的单质是灰黑色有金属光泽的固体 B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料 C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应 D．粗硅的冶炼反应，体现了高温下SiO2的弱氧化性 【答案】C 【解析】A.晶体硅的结构与金刚石类似，它是灰黑色有金属光泽的非金属固体，故A正确；B.硅在元素周期表中处于金属和非金属的过渡位置，所以晶体硅的导电性介于导体和半导体之间，是良好的半导体材料，故B正确；C.常温下，硅的化学性质不活泼，但硅能和氢氟酸、氢氧化钠溶液反应，故C错误；D.粗硅的冶炼过程中，发生反应：SiO2+2CSi+2CO↑，Si元素的化合价由+4价降低为0价，被还原，体现了高温下SiO2的弱氧化性，故D正确。故选C。 【变式1-1】（24-25高一下·江苏·月考）下列有关硅的说法不正确的是（    ） A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B．硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料 C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应 D．加热到一定程度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应 【答案】C 【解析】A、晶体硅常用作制造太阳能电池的材料，实现太阳能转化成电能，故A说法正确；B、硅元素介于金属和非金属元素之间，硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料，故B说法正确；C、硅的化学性质不活泼，在常温下能与F2、HF等物质发生反应，故C错误；D、在加热条件下，硅单质能与氯气、氧气等物质发生反应，故D正确。 【变式1-2】（23-24高一下·江苏徐州·月考）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(在空气中易自燃，易于水发生反应)，下列说法正确的是 A．石英砂的主要成分为Si，可用来制备芯片 B．在1800~2000℃条件下，电弧炉中发生的反应为 C．既能与NaOH溶液反应又能与HF溶液反应，所以是两性氧化物 D．需要在干燥环境中，隔绝空气密封保存 【答案】D 【解析】A．石英砂的主要成分为SiO2，A错误；B．在1800~2000℃条件下，电弧炉中发生的反应为，B错误；C．只能与HF溶液反应，是酸性氧化物，C错误；D．在空气中易自燃，易于水发生反应，故需要在干燥环境中，隔绝空气密封保存，D正确；故选D。 【变式1-3】（24-25高一下·江苏无锡市·期中）工业制备高纯硅的原理示意图如下： 下列说法错误的是 A．硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐形式存在 B．反应①为 C．反应③中的不可用焦炭代替 D．上述流程中能循环利用的物质有、HCl 【答案】B 【分析】石英砂主要成分是二氧化硅，与焦炭反应生成硅和CO，粗硅和HCl在高温下反应生成SiHCl3和氢气，SiHCl3和氢气再反应生成纯硅和HCl； 【解析】A．自然界中不存在游离态硅，硅为亲氧元素，硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐形式存在，A正确；B．根据原理图，反应①为二氧化硅和焦炭在高温下反应生成硅和CO，反应方程式为(粗)，B错误；C．反应③中的用焦炭代替会产生杂质，C正确；D．流程②、③中分别会有、HCl生成，所以整个流程中能循环利用的物质有和HCl，D正确；故选B。 题型02 二氧化硅 1.二氧化硅的存在 自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石，硅石、石英、水晶、玛瑙、沙子等主要成分都是SiO2。 2.二氧化硅的物理性质：纯净的SiO2是无色透明的，其熔、沸点高，硬度大，不溶于水，也不导电。 3.二氧化硅的结构 SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。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，SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。由结构可知，二氧化硅的化学性质很稳定。 4.二氧化硅的化学性质 a.酸性氧化物，是硅酸的酸酐。 ①SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O； ②在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为SiO2＋CaOCaSiO3 ③在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钠、碳酸钙反应的化学方程式为SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑（工业制玻璃） b.弱氧化性： 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：常温下与氢氟酸反应的化学方程式为：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 5.二氧化硅的主要应用 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，石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器。 ④石英砂用于制玻璃的原料及建筑材料。 【典例2】（23-24高一下·江苏无锡·月考）下列反应中所表现的化学性质或作用不正确的是 A．表现酸性 B．将挥发性酸酐从其盐中置换出来 C．表现氧化性 D．应用于刻蚀玻璃 【答案】A 【解析】A．SiO2与碱反应生成相应的盐与水，体现二氧化硅的酸性氧化物性质，A错误；B．CO2是挥发性酸酐，体现了将挥发性酸酐从其盐中置换出来，B正确；C．中Si元素化合价下降，表现氧化性，C正确；D．SiO2能与HF反应，HF可用来雕刻玻璃，D正确；故选A。 【变式2-1】（23-24高一上·江苏盐城·期中）已知，属于 A．酸 B．酸性氧化物 C．碱 D．盐 【答案】B 【解析】能与碱反应生成盐和水，属于酸性氧化物，故选B。 【变式2-2】（23-24高一下·江苏无锡·期末）下列关于含硅物质的说法错误的是 A．水晶的主要成分是二氧化硅 B．高纯硅是光导纤维的主要成分 C．二氧化硅可用于生产玻璃 D．碳化硅（金刚砂）是一种耐高温材料 【答案】B 【解析】A．水晶的主要成分是二氧化硅，故A正确；B．二氧化硅是光导纤维的主要成分，故B错误；C．生产玻璃的材料是纯碱、二氧化硅等，所以二氧化硅可用于生产玻璃，故C正确；D．碳化硅为原子晶体，俗称金刚砂，熔沸点高，可用作耐高温材料，故D正确；答案选B。 【变式2-3】（24-25高一上·江苏苏州·月考）光纤通信是一种现代化的通讯手段，光纤通信容量大，一对光纤上可同时传送3万门电话。制造光导纤维的主要原料是SiO2，则SiO2属于 A．酸 B．碱 C．盐 D．酸性氧化物 【答案】D 【解析】SiO2能与NaOH反应生成对应的盐和水，属于酸性氧化物，故答案为D。 题型03 硅酸盐及硅酸盐材料 1.硅酸盐的组成、结构、性质 (1)硅酸盐的结构、特点 结构 特点 硅氧四面体 硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等 (2)硅酸盐是由硅、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。 (3)硅酸钠 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。 (4)硅酸盐的氧化物表示法： 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K2O·Al2O3·3SiO2，要写成K2O·Al2O3·6SiO2。 2.硅酸盐材料——传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料，常见硅酸盐材料比较。 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 制备过程 原料与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再磨成细粉即得 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 原料经高温烧结而成 变化 复杂的物理、化学变化过程 Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑ CaCO3＋SiO2CaSiO3＋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，制作混凝土，用于建筑和水利工程 建筑材料、化学实验用的玻璃仪器、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维、窗玻璃等 在工农业、科技、生活、实验室中使用广泛，如建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 【名师提醒】硅酸盐产品中，水泥和陶瓷的共同原料是黏土，水泥和玻璃的共同原料是石灰石。 【典例3】（23-24高一下·江苏无锡·期中）无锡窑群遗址博物馆，位于古运河与伯渎港交汇处，它是我国第一座全面展示中国砖瓦发展史的主题博物馆。下列叙述正确的是 A．展柜使用的钢化玻璃，其主要成分只有 B．墙体使用的砖瓦、水泥都是硅酸盐材料 C．陈列的砖瓦的原料有高岭土，其中硅元素的化合价为价 D．青砖的青色主要来自氧化铁 【答案】B 【解析】A．钢化玻璃与普通玻璃的主要成分相同(只是制造的工艺不同)，主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，A项错误；B．砖瓦和水泥都是硅酸盐制品，B项正确；C．高岭土应该表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，其中硅元素的化合价为+4价，C项错误；D．青砖的青色主要来自氧化铁，D项错误；故选：B。 【变式3-1】（23-24高一上·江苏南通·期末）硅酸盐材料在航天航空、医疗器械、建筑材料等领域有广泛应用。下列主要成分属于硅酸盐材料的是 A．陶瓷 B．手机芯片 C．光导纤维 D．钛合金 【答案】A 【解析】A．陶瓷的主要成分是硅酸盐，A符合题意；B．手机芯片主要成分是硅单质，B不符合题意；C．光导纤维主要成分为二氧化硅，C不符合题意；D．钛合金主要成分为金属材料，D不符合题意；故选A。 【变式3-2】（23-24高一上·江苏南京·期末）固体可用于治疗胃酸过多。为探究X的具体组成，取固体X样品溶解于足量稀盐酸中，过滤，产生沉淀，向滤液中加入足量溶液，过滤后得到沉淀，向剩余滤液中通入足量气体可再次产生沉淀。下列说法不正确的是 A．固体X样品中 B．固体X样品中 C． D．固体X的化学式可表示为 【答案】B 【分析】根据质量守恒定律，可知，因此固体X中硅元素的物质的量为，；向滤液中加入足量溶液，过滤后得到沉淀，该沉淀为，同时铝元素转化为，根据可知，因此固体X中镁元素的物质的量为， ；向剩余滤液中通入足量气体，可转化为，根据可知，因此固体X中铝元素的物质的量为，；综合可知，固体X中氧元素的物质的量为；x：y：z：m= 0.05mol：0.1mol：0.05mol：0.3mol= 1：2：1：6，即X为，据此作答。 【解析】A．根据分析可知，固体X样品中，故A正确；B．根据分析可知，固体X样品中，故B错误；C．根据分析可知，，故C正确；D．根据分析可知，X为，按照氧化物的顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水，因此可写为，故D正确；故答案选B。 【变式3-3】（24-25高一下·江苏常州·期中）文物见证历史，化学创造文明。下列宁波博物馆馆藏文物中，主要由无机非金属材料制成的是 A．战国羽人竞渡铜钺 B．唐越窑青瓷托盏 C．明五子戏弥勒竹雕 D．南宋天封塔地宫银殿 【答案】B 【解析】A．战国羽人竞渡铜钺属于合金材料，A不符合题意；B．唐越窑青瓷托盏是瓷器，属于无机非金属材料，B符合题意；C．明五子戏弥勒竹雕是竹制品，是纤维素，属于天然有机高分子材料，C不符合题意；D．南宋天封塔地宫银殿属于金属材料，D不符合题意；故选B。 题型04 新型无机非金属材料 1.新型陶瓷 新型材料 成分 性能 主要应用 金刚砂 碳原子、硅原子以共价键连接，结构类似金刚石 硬度很大、高温抗氧化性能优异 砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料 高温结构陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐腐蚀 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等 压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现机械能和电能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 透明陶瓷 氧化铝、氧化钇等透明陶瓷；氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导陶瓷 YBa2Cu3O7-δ、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、Tl2Ba2Ca2Cu3O10 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗领域等 2.碳纳米材料 新型材料 结构特点 主要性能 主要应用 富勒烯 碳原子构成的一系列笼形分子 在溶解性、磁性、非线性光学性质、光导电性等方面表现出优异性能 工业材料，应用于电化学，催化剂，化妆品，抗癌药物等 碳纳米管 石墨片层卷成的直径纳米级的管状物 比表面积大，具有高的强度和优良的电学性质 生产复合材料、电池和传感器等 石墨烯 一个碳原子直径厚度的单层石墨 电阻率低、热导率高、具有很高的强度 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面 3.传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别 类别 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 主要成分 硅酸盐 不一定是硅酸盐 主要特性 抗腐蚀、耐高温、质脆、经不起热冲击 大都强度高、硬度大，耐高温，另外还具有一定的电学特性、光学特性和生物功能等 【典例4】（24-25高一下·江苏南通·期中）2025年4月24日是第十个“中国航天日”，主题是“海上生明月，九天揽星河”。下列有关中国空间站材料的说法不正确的是 A．太阳能电池中的单晶硅-半导体材料 B．外壳的铝合金-金属材料 C．外层的热控保温材料石墨烯-无机材料 D．外表面的高温结构碳化硅陶瓷-硅酸盐材料 【答案】D 【解析】A．单晶硅是半导体材料，可用于太阳能电池，A正确；B．铝合金属于金属材料中的合金，B正确；C．石墨烯是碳单质，属于无机非金属材料，C正确；D．碳化硅陶瓷（SiC）是新型无机非金属材料，而非硅酸盐材料，D错误；故答案选D。 【变式4-1】（24-25高一下·江苏无锡·期末）神舟二十号飞船使用了多种先进材料。其中属于新型无机非金属材料的是 A．铝-钛合金 B．聚乙烯纤维 C．复合碳纤维 D．氮化硅陶瓷 【答案】D 【分析】新型无机非金属材料包括高性能陶瓷（如氮化硅陶瓷）、特种玻璃、碳材料（如石墨烯）等。 【解析】A．铝-钛合金为金属合金，故A项错误；B．聚乙烯纤维为有机高分子材料，故B项错误；C．复合碳纤维为复合材料，不属于新型无机非金属材料，故C项错误；D．氮化硅陶瓷具有耐高温、耐腐蚀等特性，是典型的新型无机非金属材料，故D项正确；故答案选D。 【变式4-2】（23-24高一下·江苏南通·期末）氮化铝(AlN)陶瓷广泛应用于汽车等领域。氮化铝陶瓷属于 A．金属材料 B．有机合成材料 C．硅酸盐材料 D．无机非金属材料 【答案】D 【解析】A．金属材料分为纯金属和金属合金，A不符合题意；B．氮化铝不存在碳元素，不是有机物，B不符合题意；C．硅酸盐材料是指由硅酸根离子与金属阳离子或铵根离子结合形成的无机非金属材料，氮化铝不含硅元素，C不符合题意；D．氮化铝陶瓷属于无机非金属材料，D符合题意；故选D。 【变式4-3】（23-24高一下·江苏无锡·期末）《流浪地球2》向观众展示了太空电梯、行星发动机、超级计算机550W等超前的科技幻想，探讨了数字生命、人工智能等科技伦理问题。它们与化学有着密切联系，下列说法不正确的是 A．我国“硅—石墨烯—锗高速晶体管”技术获重大突破，C、Si、Ge都是主族元素 B．我国提出网络强国战略，光纤线路总长超过三千万公里，光纤的主要成分是Si C．新型陶瓷碳化硅(SiC)可作耐高温结构材料 D．富勒烯、石墨烯都是碳单质 【答案】B 【解析】A．C、Si、Ge都是都是ⅣA元素，都是主族元素，故A正确；B．二氧化硅具有良好的导光性，是制造光导纤维的主要原料，故B错误；C．碳化硅(SiC)是熔点很高，可作耐高温结构材料，故C正确；D．富勒烯、石墨烯都是碳单质，故D正确；答案选B。 题型05 硅及其化合物的相互转化 1.硅及其化合物之间知识主线：H4―→ ―→O2(H2O3) 2.硅及其化合物之间知识网络 3.硅及其化合物的价类二维图 4.碳、硅及其化合物的知识盲点 ①自然界中无游离态的硅，通常原子晶体不导电，但硅是很好的半导体材料，是制作光电池的材料。SiO2不导电，是制作光导纤维的材料。 ②工业上制备粗硅，是用过量的C和SiO2在高温下反应，由于C过量，生成的是CO而不是CO2，该反应必须在隔绝空气的条件下进行。 ③氢氟酸不能用玻璃容器盛放；NaOH溶液能用玻璃试剂瓶，但不能用玻璃塞。 ④酸性氧化物一般能与水反应生成酸，但SiO2不溶于水；酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能与HF反应。 ⑤硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐是硅酸钠，其水溶液称为泡花碱或水玻璃，但却是盐溶液。硅胶(mSiO2·nH2O)是一种很好的无毒干燥剂。 ⑥H2CO3的酸性大于H2SiO3的，所以有Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但高温下Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑也能发生，原因可从两方面解释：a.硅酸盐比碳酸盐稳定；b.从化学平衡角度，由高沸点难挥发固体SiO2制得低沸点易挥发的CO2气体。 ⑦水泥、玻璃与陶瓷是三大传统无机非金属材料；碳化硅、氮化硅等是新型无机非金属材料。 【典例5】（23-24高一下·江苏·期末）下列选项所示的物质间转化不能实现的是 A． B． C． D．Na2SiO3溶液 【答案】A 【解析】A．SiO2不溶于水且不和水反应，不能实现，A选；B．SiO2与NaOH反应的方程式为：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O，能实现，B不选；C．H2SiO3可以与NaOH反应，反应的方程式为：H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O，能实现，C不选；D．Na2SiO3与CO2反应的方程式为：Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3，能实现，D不选；故选A。 【变式5-1】（23-24高一下·江苏·月考）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正确的 A．硅晶体是良好的半导体，可用于制造光导纤维 B．既能和氢氧化钠溶液反应，又和氢氟酸反应，故是两性氧化物 C．碱液能用玻璃瓶盛放，但不能用玻璃塞 D．硅酸盐中硅、氧原子之间以离子键形成硅氧四面体结构 【答案】C 【解析】A．光导纤维的主要成分是二氧化硅，A错误；B．只能与氢氟酸反应，不能与其他酸反应，不是两性氧化物，B错误；C．玻璃中含有，能与碱液反应生成具有粘性的硅酸钠粘住瓶口，故不能用玻璃塞，C正确；D．硅酸盐中硅、氧原子之间以共价键形成硅氧四面体结构，D错误；故选C。 【变式5-2】（24-25高一下·江苏淮安·月考）下列有关硅及其化合物的说法中正确的是 A．在粗硅的制取中发生反应，硅元素被还原，所以碳的还原性比硅的还原性弱 B．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠溶液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，硅酸的酸性强于碳酸的酸性 【答案】C 【解析】A．在反应中Si元素的化合价由+4价降到0价，为氧化剂，被还原，Si为还原产物，C元素的化合价由0价升到+2价，C为还原剂，还原剂的还原性大于还原产物的还原性，所以碳的还原性比硅的还原性强，A项错误；B．因为溶液是一种黏合剂，所以不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放溶液，B项错误；C．不能直接与水反应，所以制取硅酸可用可溶性硅酸盐与或盐酸反应：或，C项正确；D．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；故答案为：C。 【变式5-3】（23-24高一下·江苏无锡·期中）自然界中硅元素主要以硅酸盐和二氧化硅的形式存在于地壳中。下列有关硅及其化合物的说法正确的是 A．华为“麒麟”芯片的主要材料是单晶硅 B．制造太阳能电池板的主要材料是二氧化硅 C．硅酸可由酸性氧化物与水化合而制得 D．是酸性氧化物，不与任何酸发生反应 【答案】A 【解析】A．硅单质是良好的半导体材料，常用于制芯片，故A正确；B．制造太阳能电池板的主要材料是硅单质，故B错误；C．不溶于水，不与水反应，故C错误；D．能与HF反应，故D错误；故选：A。 / 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 第三节 无机非金属材料 题型01 单质硅 题型02 二氧化硅 题型03 硅酸盐及硅酸盐材料 题型04 新型无机非金属材料 题型05 硅及其化合物的相互转化 题型01 单质硅 1.硅的存在与结构 （1）存在：硅在地壳中的含量仅次于氧，居第2 位，在自然界主要以硅酸盐和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在，硅单质主要有晶体和无定形两大类。 （2）结构：硅是14号元素，原子结构为：，说明硅既难失去电子也难得到电子，硅是亲氧元素，与氧形成共价键，硅单质晶体是原子晶体。 2.硅的物理性质：带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。 3.硅的化学性质 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===SiF4 b．高温 ①与O2反应：Si＋O2SiO2。 ②与Cl2反应：Si＋Cl2SiCl4 4.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。 5.高纯硅的制备 涉及的主要化学反应为 (a)SiO2＋2CSi＋2CO↑ (b)Si＋3HClSiHCl3＋H2 (c)SiHCl3＋H2Si＋3HCl 【典例1】（24-25高一下·江苏南通·月考）下列关于硅的说法不正确的是（    ） A．硅是非金属元素，它的单质是灰黑色有金属光泽的固体 B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料 C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应 D．粗硅的冶炼反应，体现了高温下SiO2的弱氧化性 【变式1-1】（24-25高一下·江苏·月考）下列有关硅的说法不正确的是（    ） A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B．硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料 C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应 D．加热到一定程度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应 【变式1-2】（23-24高一下·江苏徐州·月考）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(在空气中易自燃，易于水发生反应)，下列说法正确的是 A．石英砂的主要成分为Si，可用来制备芯片 B．在1800~2000℃条件下，电弧炉中发生的反应为 C．既能与NaOH溶液反应又能与HF溶液反应，所以是两性氧化物 D．需要在干燥环境中，隔绝空气密封保存 【变式1-3】（24-25高一下·江苏无锡市·期中）工业制备高纯硅的原理示意图如下： 下列说法错误的是 A．硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐形式存在 B．反应①为 C．反应③中的不可用焦炭代替 D．上述流程中能循环利用的物质有、HCl 题型02 二氧化硅 1.二氧化硅的存在 自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石，硅石、石英、水晶、玛瑙、沙子等主要成分都是SiO2。 2.二氧化硅的物理性质：纯净的SiO2是无色透明的，其熔、沸点高，硬度大，不溶于水，也不导电。 3.二氧化硅的结构 SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。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，SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。由结构可知，二氧化硅的化学性质很稳定。 4.二氧化硅的化学性质 a.酸性氧化物，是硅酸的酸酐。 ①SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O； ②在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为SiO2＋CaOCaSiO3 ③在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钠、碳酸钙反应的化学方程式为SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑（工业制玻璃） b.弱氧化性： 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：常温下与氢氟酸反应的化学方程式为：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 5.二氧化硅的主要应用 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，石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器。 ④石英砂用于制玻璃的原料及建筑材料。 【典例2】（23-24高一下·江苏无锡·月考）下列反应中所表现的化学性质或作用不正确的是 A．表现酸性 B．将挥发性酸酐从其盐中置换出来 C．表现氧化性 D．应用于刻蚀玻璃 【变式2-1】（23-24高一上·江苏盐城·期中）已知，属于 A．酸 B．酸性氧化物 C．碱 D．盐 【变式2-2】（23-24高一下·江苏无锡·期末）下列关于含硅物质的说法错误的是 A．水晶的主要成分是二氧化硅 B．高纯硅是光导纤维的主要成分 C．二氧化硅可用于生产玻璃 D．碳化硅（金刚砂）是一种耐高温材料 【答案】B 【变式2-3】（24-25高一上·江苏苏州·月考）光纤通信是一种现代化的通讯手段，光纤通信容量大，一对光纤上可同时传送3万门电话。制造光导纤维的主要原料是SiO2，则SiO2属于 A．酸 B．碱 C．盐 D．酸性氧化物 题型03 硅酸盐及硅酸盐材料 1.硅酸盐的组成、结构、性质 (1)硅酸盐的结构、特点 结构 特点 硅氧四面体 硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等 (2)硅酸盐是由硅、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。 (3)硅酸钠 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。 (4)硅酸盐的氧化物表示法： 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K2O·Al2O3·3SiO2，要写成K2O·Al2O3·6SiO2。 2.硅酸盐材料——传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料，常见硅酸盐材料比较。 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 制备过程 原料与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再磨成细粉即得 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 原料经高温烧结而成 变化 复杂的物理、化学变化过程 Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑ CaCO3＋SiO2CaSiO3＋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，制作混凝土，用于建筑和水利工程 建筑材料、化学实验用的玻璃仪器、光学仪器、各种器皿、玻璃纤维、窗玻璃等 在工农业、科技、生活、实验室中使用广泛，如建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等 【名师提醒】硅酸盐产品中，水泥和陶瓷的共同原料是黏土，水泥和玻璃的共同原料是石灰石。 【典例3】（23-24高一下·江苏无锡·期中）无锡窑群遗址博物馆，位于古运河与伯渎港交汇处，它是我国第一座全面展示中国砖瓦发展史的主题博物馆。下列叙述正确的是 A．展柜使用的钢化玻璃，其主要成分只有 B．墙体使用的砖瓦、水泥都是硅酸盐材料 C．陈列的砖瓦的原料有高岭土，其中硅元素的化合价为价 D．青砖的青色主要来自氧化铁 【变式3-1】（23-24高一上·江苏南通·期末）硅酸盐材料在航天航空、医疗器械、建筑材料等领域有广泛应用。下列主要成分属于硅酸盐材料的是 A．陶瓷 B．手机芯片 C．光导纤维 D．钛合金 【变式3-2】（23-24高一上·江苏南京·期末）固体可用于治疗胃酸过多。为探究X的具体组成，取固体X样品溶解于足量稀盐酸中，过滤，产生沉淀，向滤液中加入足量溶液，过滤后得到沉淀，向剩余滤液中通入足量气体可再次产生沉淀。下列说法不正确的是 A．固体X样品中 B．固体X样品中 C． D．固体X的化学式可表示为 【变式3-3】（24-25高一下·江苏常州·期中）文物见证历史，化学创造文明。下列宁波博物馆馆藏文物中，主要由无机非金属材料制成的是 A．战国羽人竞渡铜钺 B．唐越窑青瓷托盏 C．明五子戏弥勒竹雕 D．南宋天封塔地宫银殿 题型04 新型无机非金属材料 1.新型陶瓷 新型材料 成分 性能 主要应用 金刚砂 碳原子、硅原子以共价键连接，结构类似金刚石 硬度很大、高温抗氧化性能优异 砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料 高温结构陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐腐蚀 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等 压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现机械能和电能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 透明陶瓷 氧化铝、氧化钇等透明陶瓷；氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导陶瓷 YBa2Cu3O7-δ、Bi2Sr2Ca2Cu3O10、Tl2Ba2Ca2Cu3O10 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗领域等 2.碳纳米材料 新型材料 结构特点 主要性能 主要应用 富勒烯 碳原子构成的一系列笼形分子 在溶解性、磁性、非线性光学性质、光导电性等方面表现出优异性能 工业材料，应用于电化学，催化剂，化妆品，抗癌药物等 碳纳米管 石墨片层卷成的直径纳米级的管状物 比表面积大，具有高的强度和优良的电学性质 生产复合材料、电池和传感器等 石墨烯 一个碳原子直径厚度的单层石墨 电阻率低、热导率高、具有很高的强度 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面 3.传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的区别 类别 传统无机非金属材料 新型无机非金属材料 主要成分 硅酸盐 不一定是硅酸盐 主要特性 抗腐蚀、耐高温、质脆、经不起热冲击 大都强度高、硬度大，耐高温，另外还具有一定的电学特性、光学特性和生物功能等 【典例4】（24-25高一下·江苏南通·期中）2025年4月24日是第十个“中国航天日”，主题是“海上生明月，九天揽星河”。下列有关中国空间站材料的说法不正确的是 A．太阳能电池中的单晶硅-半导体材料 B．外壳的铝合金-金属材料 C．外层的热控保温材料石墨烯-无机材料 D．外表面的高温结构碳化硅陶瓷-硅酸盐材料 【变式4-1】（24-25高一下·江苏无锡·期末）神舟二十号飞船使用了多种先进材料。其中属于新型无机非金属材料的是 A．铝-钛合金 B．聚乙烯纤维 C．复合碳纤维 D．氮化硅陶瓷 【变式4-2】（23-24高一下·江苏南通·期末）氮化铝(AlN)陶瓷广泛应用于汽车等领域。氮化铝陶瓷属于 A．金属材料 B．有机合成材料 C．硅酸盐材料 D．无机非金属材料 【变式4-3】（23-24高一下·江苏无锡·期末）《流浪地球2》向观众展示了太空电梯、行星发动机、超级计算机550W等超前的科技幻想，探讨了数字生命、人工智能等科技伦理问题。它们与化学有着密切联系，下列说法不正确的是 A．我国“硅—石墨烯—锗高速晶体管”技术获重大突破，C、Si、Ge都是主族元素 B．我国提出网络强国战略，光纤线路总长超过三千万公里，光纤的主要成分是Si C．新型陶瓷碳化硅(SiC)可作耐高温结构材料 D．富勒烯、石墨烯都是碳单质 题型05 硅及其化合物的相互转化 1.硅及其化合物之间知识主线：H4―→ ―→O2(H2O3) 2.硅及其化合物之间知识网络 3.硅及其化合物的价类二维图 4.碳、硅及其化合物的知识盲点 ①自然界中无游离态的硅，通常原子晶体不导电，但硅是很好的半导体材料，是制作光电池的材料。SiO2不导电，是制作光导纤维的材料。 ②工业上制备粗硅，是用过量的C和SiO2在高温下反应，由于C过量，生成的是CO而不是CO2，该反应必须在隔绝空气的条件下进行。 ③氢氟酸不能用玻璃容器盛放；NaOH溶液能用玻璃试剂瓶，但不能用玻璃塞。 ④酸性氧化物一般能与水反应生成酸，但SiO2不溶于水；酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能与HF反应。 ⑤硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐是硅酸钠，其水溶液称为泡花碱或水玻璃，但却是盐溶液。硅胶(mSiO2·nH2O)是一种很好的无毒干燥剂。 ⑥H2CO3的酸性大于H2SiO3的，所以有Na2SiO3＋CO2(少量)＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但高温下Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑也能发生，原因可从两方面解释：a.硅酸盐比碳酸盐稳定；b.从化学平衡角度，由高沸点难挥发固体SiO2制得低沸点易挥发的CO2气体。 ⑦水泥、玻璃与陶瓷是三大传统无机非金属材料；碳化硅、氮化硅等是新型无机非金属材料。 【典例5】（23-24高一下·江苏·期末）下列选项所示的物质间转化不能实现的是 A． B． C． D．Na2SiO3溶液 【变式5-1】（23-24高一下·江苏·月考）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正确的 A．硅晶体是良好的半导体，可用于制造光导纤维 B．既能和氢氧化钠溶液反应，又和氢氟酸反应，故是两性氧化物 C．碱液能用玻璃瓶盛放，但不能用玻璃塞 D．硅酸盐中硅、氧原子之间以离子键形成硅氧四面体结构 【变式5-2】（24-25高一下·江苏淮安·月考）下列有关硅及其化合物的说法中正确的是 A．在粗硅的制取中发生反应，硅元素被还原，所以碳的还原性比硅的还原性弱 B．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠溶液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，硅酸的酸性强于碳酸的酸性 【变式5-3】（23-24高一下·江苏无锡·期中）自然界中硅元素主要以硅酸盐和二氧化硅的形式存在于地壳中。下列有关硅及其化合物的说法正确的是 A．华为“麒麟”芯片的主要材料是单晶硅 B．制造太阳能电池板的主要材料是二氧化硅 C．硅酸可由酸性氧化物与水化合而制得 D．是酸性氧化物，不与任何酸发生反应 / 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $