無機非金屬材料【學科素養】1.宏觀辨識與微觀探析：了解C、Si單質及其重要化合物的主要性質及其應用。2．變化觀念與平衡思想：根據碳、硅的結構，預測在一定條件下碳、硅及其化合物可能發生的化學變化。3．科學態度與社會責任：關注與碳、硅有關的熱點問題(如光導纖維、硅電池、半導體材料)，形成可持續發展的意識；認識無機非金屬材料對社會發展的重大貢獻?？键c考題考點一：硅無機非金屬材料2021浙江6月選考第9題2021廣東選擇考第1題2021廣東選擇考第4題2021山東等級考第17題2021浙江1月選考第21題2021全國乙卷第26題2020山東等級考第4題2020浙江7月選考第9題2020浙江7月選考第24題2020浙江1月選考第8題2020山東等級考第9題2019全國Ⅰ卷第1、26題2019全國Ⅲ卷第1題2018全國Ⅲ卷第28題考點二：碳及其氧化物2021山東等級考第2題2020全國Ⅱ卷第9題2020全國Ⅲ卷第28題2019全國Ⅰ卷第28題2019全國Ⅱ卷第26題2018全國Ⅰ卷第13題2018全國Ⅱ卷第27題考點一：硅無機非金屬材料(應用性考點)(一)多角度認識Si、SiO2、硅酸、硅酸鹽Si元素原子結構示意圖：，在自然界僅以化合態(氧化物和硅酸鹽)形式存在。1．Si涉及的化學方程式為①Si＋O2SiO2②Si＋2F2=SiF4③Si＋2Cl2SiCl4④Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑⑤Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑辨易錯(1)晶體硅熔點高、硬度大，故可用于制作半導體材料。(×)提示：制作半導體材料與熔點高、硬度大無關。(2)硅是構成巖石與許多礦物的基本元素。(√)提示：巖石與許多礦物的組成成分含有硅酸鹽。(3)硅與鋁單質均能與強堿溶液反應生成H2。(√)提示：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑2．SiO2涉及的化學方程式為 ①SiO2＋2CSi＋2CO↑②CaO＋SiO2CaSiO3③SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O④SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑⑤SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O深思考(1)保存NaOH溶液的試劑瓶為什么用橡膠塞而不用玻璃塞？提示：玻璃塞主要成分為SiO2，會發生反應：SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O，生成具有黏性的硅酸鈉黏住瓶塞。(2)能否依據反應Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，說明H2SiO3的酸性比H2CO3強？提示：不能。強酸制弱酸規律僅適用于常溫下水溶液中進行的反應，根據元素周期律知非金屬性C>Si，酸性H2CO3>H2SiO3。3．硅酸鹽(以Na2SiO3為例)硅酸(二)應用角度認識無機非金屬材料1．傳統無機非金屬材料(1)傳統的無機非金屬材料多為硅酸鹽材料，如水泥、玻璃、陶瓷等。類別水泥玻璃陶瓷主要成分硅酸鹽Na2SiO3、CaSiO3和SiO2含水的鋁硅酸鹽生產原料石灰石、黏土純堿、石灰石、石英砂黏土主要設備水泥回轉窯玻璃窯陶瓷窯(2)玻璃生產中的兩個重要反應：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。2．新型無機非金屬材料(1)高純度含硅元素的材料，如單晶硅、二氧化硅，具有特殊的光學和電學性能。(2)新型陶瓷新型陶瓷在組成上不再限于傳統的硅酸鹽體系，在光學、熱學、電學、磁學等方面有很多新的特性和功能。碳化硅(SiC)俗稱金剛砂，具有金剛石結構，可用作磨料，具有優異的高溫抗氧化性能，可用作耐高溫結構材料等。另外還有高溫結構陶瓷、壓電陶瓷、透明陶瓷、超導陶瓷等。(3)碳納米材料主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等。能力點：硅的工業制取及提純1．制粗硅：工業上，用焦炭在電爐中還原SiO2得到含有少量雜質的粗硅。eq\x(石英砂)eq\x(粗硅)SiO2＋2CSi＋2CO↑2．粗硅制純硅以制得純度為98%左右的粗硅為原料制備高純硅。例如，可將粗硅轉化為三氯硅烷(SiHCl3)，再經氫氣還原得到高純硅。eq\x(粗硅)eq\x(SiHCl3)eq\x(高純硅)Si＋3HClSiHCl3＋H2SiHCl3＋H2Si＋3HCl【典例】晶體硅是一種重要的非金屬原料，由粗硅制備純硅的主要步驟如下：①粗硅與干燥的HCl氣體反應制得SiHCl3：Si(粗)＋3HClSiHCl3＋H2；②經過純化的SiHCl3與過量H2在1000～1100℃下反應制得純硅?；卮鹣嚓P問題：(1)粗硅與HCl氣體反應完全后，經冷凝得到eq\a\vs4\al(SiHCl3)eq\a\vs4\al(（沸點為36.5℃）)，只含有少量eq\a\vs4\al(SiCl4（沸點為)eq\a\vs4\al(57.6℃）和HCl（沸點為－84.7℃）)①，提純SiHCl3的方法為___________________________________________。(2)用eq\a\vs4\al(SiHCl3與過量H2)②反應制備純硅的裝置如圖所示(熱源及夾持裝置已略去)：①在加熱D處前應先打開A處分液漏斗的活塞，目的是__________________________________________________________________。②C處燒瓶需要加熱，采用的方法是_______________________________。③D處發生反應的化學方程式為__________________________________。[解題思維]解答本題的思維流程如下：信息提?、賁iHCl3、SiCl4、HCl沸點②SiHCl3與過量H2反應信息轉化①SiHCl3、SiCl4、HCl沸點不同，則采用蒸餾方法分離其混合物②反應中有過量H2參與反應，在加熱反應裝置前需要排出裝置中的空氣，防止空氣與一定量H2在加熱時發生爆炸聯想質疑裝置B中試劑是什么？有何作用？提示：SiHCl3能與水發生反應SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑，因此裝置中B的作用是除去水蒸氣，試劑為濃硫酸【解析】(1)SiHCl3、SiCl4、HCl沸點不同，提純SiHCl3的方法為蒸餾；(2)SiHCl3與過量H2在裝置D中反應，防止加熱中空氣與H2混合發生爆炸，需要先通一段時間H2排出裝置中的空氣，具體操作為在加熱D處前應先打開A處分液漏斗的活塞；裝置C中加熱溫度高于SiHCl3的沸點，將SiHCl3汽化進入裝置D中反應。答案：(1)蒸餾(2)①排出系統內的空氣，以防爆炸②水浴加熱③SiHCl3＋H2Si(純)＋3HCl思維拓展·延伸設問(1)有同學認為粗硅制備純硅中第一步反應與第二步反應互為可逆反應，該認識是否正確？不正確，原因是反應條件不同。(2)粗硅制備能否通過SiO2SiCl4Si實現？為什么？不可以，SiO2與HCl(aq)不反應。·命題角度一：硅及其化合物之間的轉化1．下列關于硅及其化合物的說法不正確的是()A．二氧化硅熔點低于晶體硅B．玻璃、陶瓷和水泥都是傳統硅酸鹽材料C．自然界中硅元素多以化合態存在D．高溫下用純堿和二氧化硅可制得硅酸鈉【解析】選A。A.硅和二氧化硅都是共價晶體，氧的原子半徑小于硅的原子半徑，Si—O鍵的鍵能大于Si—Si鍵的鍵能，二氧化硅的熔點高于晶體硅，故A錯誤；B.水泥、玻璃、陶瓷都是傳統無機非金屬材料，主要是硅酸鹽產品，制備原料都需要用到含硅元素的物質，故B正確；C.Si是親氧元素，不能以單質形式存在于自然界中，主要以二氧化硅和硅酸鹽形式存在，故C正確；D.高溫下，純堿和二氧化硅發生反應，生成硅酸鈉和CO2，即Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，所以高溫下用純堿和二氧化硅可制得硅酸鈉，故D正確。2．常溫下，下列各組物質不發生反應的是()①硅與NaOH溶液②硅與鹽酸③硅與氫氟酸④二氧化硅與碳酸鈉⑤二氧化硅與NaOH溶液⑥二氧化硅與濃硝酸A．①②④ B．③④⑥C．②⑤⑥ D．②④⑥【解析】選D。常溫下，能發生反應①Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑，③Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑，⑤SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O?！っ}角度二：硅及其化合物的性質與應用3．下列說法不正確的是()A．SiO2能與HF反應，因此可用HF刻蝕玻璃B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀鹽酸制備硅酸凝膠C．氮化硅是一種重要的結構陶瓷材料，化學式為Si3N4D．石英是良好的半導體材料，可以制成光電池，將光能直接轉化成電能【解析】選D。氫氟酸與二氧化硅反應生成四氟化硅和水，故HF可用于刻蝕玻璃，故A正確；鹽酸的酸性強于硅酸，所以向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀鹽酸可制備硅酸凝膠，故B正確；根據N的非金屬性強于Si及化合物中正負化合價的代數和為0的原則，得氮化硅的化學式為Si3N4，故C正確；晶體硅是良好的半導體材料，可以制成光電池，將光能直接轉化成電能，而不是二氧化硅，故D錯誤。4．下列關于二氧化硅的說法正確的是()A．二氧化硅是酸性氧化物，能與水反應生成硅酸B．二氧化硅制成的光導纖維，由于導電能力強而被用于制造光纜C．二氧化硅不能與碳酸鈉溶液反應，但能與碳酸鈉固體在高溫時發生反應D．用二氧化硅制取粗硅時，當生成2.24L氣體(標準狀況)時，得到2.8g硅【解析】選C。二氧化硅是酸性氧化物，但是二氧化硅不溶于水，與水不反應，故A錯誤；二氧化硅制成的光導纖維，由于其良好的光學特性而被用于制造光纜，故B錯誤；碳酸的酸性強于硅酸，二氧化硅不能與碳酸鈉溶液反應，但在高溫時，二氧化硅能夠與碳酸鈉固體反應生成硅酸鈉和二氧化碳，故C正確；由化學方程式SiO2＋2CSi＋2CO↑，可知當生成2.24L(標準狀況)即0.1mol氣體時，得到0.05mol即1.4g硅，故D錯誤?！っ}角度三：無機非金屬材料5．化學與社會、科學、技術、環境密切相關。下列說法正確的是()A．目前提岀的“低碳經濟”，即減少向環境排放CO2，抑制酸雨的形成B．推廣使用燃料電池汽車，可減少固體顆粒物、CO等有害物質的排放C．高純度的硅廣泛用于制作光導纖維，光導纖維遇強堿會“斷路”D．水泥、玻璃、青花瓷、水晶、瑪瑙都屬于硅酸鹽材料【解析】選B。目前提岀的“低碳經濟”，即減少向環境排放CO2，可減緩溫室效應，SO2、NOx可引起酸雨的形成，故A錯誤；推廣使用燃料電池汽車，可以減少機動車化石燃料的燃燒，因此可以減少固體顆粒物、CO等有害物質的排放，故B正確；高純度的二氧化硅廣泛用于制作光導纖維，二氧化硅可與強堿反應，因此光導纖維遇強堿會“斷路”，故C錯誤；水泥、玻璃、青花瓷屬于硅酸鹽材料，水晶、瑪瑙的主要成分是二氧化硅，不屬于硅酸鹽材料，故D錯誤。6．(2022·佛山模擬)2021年“神舟十二號”載人飛船成功發射，“天問一號”開啟火星探測之旅，對其所涉及材料說法正確的是()A．飛船船體覆蓋的耐高溫陶瓷材料屬于傳統無機非金屬材料B．“天問一號”所用的太陽能電池板使用的主要原料是SiO2C．航天員所使用的操縱桿采用碳纖維材料制作，碳纖維屬于有機高分子材料D．探測器使用了大量的鎂鋁合金材料，是因為鎂鋁合金的密度小、強度高【解析】選D。A.飛船船體覆蓋的耐高溫陶瓷材料屬于新型無機非金屬材料，故A錯誤；B.晶體硅為良好的半導體材料，是制造太陽能電池板的主要原料，二氧化硅不具有此性質，故B錯誤；C.碳纖維為碳單質，不屬于有機高分子材料，故C錯誤；D.鎂鋁合金密度小、硬度大，適合制作探測器，故D正確。考點二：碳及其氧化物(基礎性考點)一、碳單質C元素原子結構示意圖：，在自然界以化合態和游離態形式存在。(1)碳單質結構、物理性質和用途金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管、活性炭均屬于碳單質，它們互為同素異形體。(2)化學性質涉及的化學方程式為二、碳的氧化物(一)CO與CO2對比1．物理性質CO：無色無味氣體，密度比空氣小，難溶于水；CO2：無色無味氣體，密度比空氣大，可溶于水(1∶1)。2．化學性質(1)毒性：CO：有毒(易結合血紅蛋白)；CO2：無毒(溫室效應)。(2)還原性：CO具有還原性，能夠還原氧化鐵。(3)氧化性：CO2具有氧化性。①與熾熱炭反應C＋CO22CO②Mg在CO2中燃燒2Mg＋CO22MgO＋C(4)酸性氧化物CO2是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性①與水反應CO2＋H2OH2CO3②與堿性氧化物反應Na2O＋CO2=Na2CO3③與堿[Ca(OH)2]反應CO2＋Ca(OH)2=CaCO3↓＋H2O(檢驗CO2)3．相互轉化CO2CO辨易錯(1)金剛石和石墨由相同的元素組成，因此它們具有相同的性質。(×)提示：它們的化學性質相似，但物理性質不同。(2)氨化的飽和食鹽水中通入足量的CO2氣體，會析出晶體。(√)提示：侯氏制堿NaCl＋NH3＋CO2＋H2O=NaHCO3↓＋NH4Cl。(3)CO2是一種常用滅火劑，故Na、Mg著火時可用液態二氧化碳滅火。(×)提示：CO2與Na2O2反應生成O2，與Mg反應會生成可燃性物質。(二)CO、CO2氣體的除雜方法CO中混有CO2通過盛有NaOH溶液的洗氣瓶，然后干燥氣體CO2中混有CO通過盛有灼熱CuO的硬質玻璃管CO2中混有O2通過盛放灼熱銅網的硬質玻璃管CO2中混有少量SO2通過盛有飽和NaHCO3溶液或酸性KMnO4溶液的洗氣瓶，然后干燥氣體CO2中混有少量HCl通過盛有飽和NaHCO3溶液的洗氣瓶，然后干燥氣體微點撥1．澄清石灰水只用于檢驗CO2，不能用于除去混合氣體中的CO2，應用NaOH溶液除去；2．CO2、SO2通入CaCl2或BaCl2溶液均無沉淀產生。能力點一：CO2在自然界中的循環1．(2020·全國Ⅱ卷)二氧化碳的過量排放可對海洋生物的生存環境造成很大影響，其原理如下圖所示。下列敘述錯誤的是()A.海水酸化能引起HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))濃度增大、COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))濃度減小B．海水酸化能促進CaCO3的溶解，導致珊瑚礁減少C．CO2能引起海水酸化，其原理為HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))H＋＋COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))D．使用太陽能、氫能等新能源可改善珊瑚的生存環境【解析】選C。二氧化碳溶于水生成碳酸，H2CO3H＋＋HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))，使c(H＋)、c(HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))增大，C錯誤；產生的H＋與碳酸鈣溶解得到的COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))發生反應H＋＋COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))，使c(COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3)))減小，c(HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))增大，溶解平衡右移，促進CaCO3的溶解，導致珊瑚礁減少，A、B正確；使用太陽能、氫能等新能源可減少CO2的排放，改善珊瑚的生存環境，D正確。2．(2022·江門模擬)碳元素以多種形態存在于自然界中，其化合價與物質類別間的關系如圖所示。下列說法錯誤的是()A.a存在多種同素異形體B．正常雨水的pH約為5.6，是因為含有dC．若e和f都是鈣鹽，熱穩定性：f＞eD．用同一氧化劑可實現a→b→c的轉化【解析】選C。A.碳的單質有金剛石、石墨、活性炭等，為碳元素的同素異形體，存在多種同素異形體，故A正確；B.正常雨水中因為溶解了一定量的二氧化碳生成碳酸而顯酸性，pH約為5.6，故B正確；C.若e和f都是鈣鹽，為碳酸鈣和碳酸氫鈣，碳酸鈣高溫煅燒分解，碳酸氫鈣加熱分解，熱穩定性e＞f，故C錯誤；D.碳不充分燃燒生成一氧化碳，一氧化碳燃燒生成二氧化碳，用同一氧化劑可實現a→b→c的轉化，故D正確。能力點二：CO2與堿或鹽反應1．CO2與堿反應(1)CO2與單一堿溶液反應，如CO2逐漸通入NaOH溶液，發生的反應如下：①CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O②Na2CO3＋CO2＋H2O=2NaHCO3具體分析過程用數軸表示如下：(2)CO2與混合堿溶液反應，如CO2逐漸通入NaOH、Ca(OH)2的混合溶液中，反應的順序：①Ca2＋＋2OH－＋CO2=CaCO3↓＋H2O②2OH－＋CO2=COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋H2O③COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))＋CO2＋H2O=2HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))④CaCO3＋CO2＋H2O=Ca2＋＋2HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))2．CO2與鹽反應(一般利用強酸制弱酸原理)由于碳酸比硅酸、次氯酸、苯酚、Al(OH)3的酸性強，向上述物質對應的鹽溶液中通入CO2可生成對應弱酸。(1)酸性：H2CO3＞HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))＞Al(OH)3/H2SiO3CO2(過量)＋NaAlO2＋2H2O=Al(OH)3↓＋NaHCO3CO2(少量)＋2NaAlO2＋3H2O=2Al(OH)3↓＋Na2CO32CO2(過量)＋Na2SiO3＋2H2O=H2SiO3↓＋2NaHCO3CO2(少量)＋Na2SiO3＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3(2)酸性：H2CO3＞HClO/OH＞HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))CO2＋ONa＋H2O→OH＋NaHCO3CO2＋NaClO＋H2O=HClO＋NaHCO3·命題角度一：CO2與堿反應產物判斷1．標準狀況下，將3.36LCO2氣體通入200mL1.00mol·L－1NaOH溶液中，充分反應后溶液中c(COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3)))與c(HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3)))的比值為(不考慮COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))、HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))的水解)()A．1∶1B．1∶2C．2∶1D．1∶3【解析】選B。n(CO2)＝eq\f(3.36L,22.4L·mol－1)＝0.150mol，n(NaOH)＝0.200L×1.00mol·L－1＝0.200mol，eq\f(n（NaOH）,n（CO2）)＝eq\f(0.2mol,0.15mol)＝eq\f(4,3)，即1<eq\f(n（NaOH）,n（CO2）)<2，反應產物為Na2CO3、NaHCO3，設其物質的量分別為x、y，則eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(2x＋y＝0.2mol,x＋y＝0.15mol))，解得eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(x＝0.05mol,y＝0.10mol))，eq\f(n（COeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))）,n（HCOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))）)＝1∶2。·命題角度二：CO2與堿反應圖像分析2．將足量CO2通入KOH和Ba(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的物質的量(n)和通入CO2體積(y)的關系正確的是()【解析】選D。向KOH和Ba(OH)2的混合稀溶液中通入CO2，二氧化碳先和氫氧化鋇反應生成碳酸鋇沉淀，沉淀量逐漸增加，當氫氧化鋇消耗完時，沉淀量最大，繼續通入二氧化碳，二氧化碳和氫氧化鉀反應生成碳酸鉀，再生成碳酸氫鉀，沉淀量不變，當碳酸鉀完全反應后，繼續通入二氧化碳，二氧化碳和碳酸鋇、水反應生成可溶性的碳酸氫鋇，碳