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第 09 讲 无机非金属材料
1．结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解碳、硅及其重要化合物的主要性质，认识其在
生产中的应用和对生态环境的影响。
2．结合实例认识碳、硅及其化合物性质的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质
转化，认识物质及其转化在自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。
3．能借助国家关于安全生产、环境保护、食品安全、药物开发等方面的法律法规分析与化学有关的
社会热点问题。
4．能列举常见的大气、水体和土壤的污染物及其危害，能说明常见污染的成因和防治措施的化学原
理。
【核心素养分析】
1.变化观念与平衡思想：根据碳、硅的结构，预测在一定条件下碳、硅及其化合物可能发生的化学变
化。
2.科学态度与社会责任：关注与碳、硅有关的热点问题（如光导纤维、硅电池、半导体材料），形成
可持续发展的意识；知道碳、硅及其化合物对社会发展的重大贡献。
知识点一 碳及其重要化合物
1．碳单质
(1)结构、存在形态、物理性质和用途
存在形态 游离态和化合态
金刚石：空间网状结构；
结构
石墨：层状结构
同素异形体 金刚石、石墨、C 、C
60 70
金刚石：熔点高、硬度大；
物理性质
石墨：硬度小、电的良导体、有滑腻感
金刚石用作切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯、高温润滑
用途
剂
(2)主要化学性质——还原性
可燃性 2C＋O(不足)=====2CO、C＋O(足量)=====CO
2 2 2CuO：2CuO＋C=====2Cu＋CO↑(冶炼金属)
2
与氧化
SiO：SiO＋2C=====Si＋2CO↑(制取粗硅)
2 2
物反应
HO：C＋HO(g)=====CO＋H(制取水煤气)
2 2 2
与强氧化 浓HSO ：C＋2HSO (浓)=====CO↑＋2SO ↑＋2HO
2 4 2 4 2 2 2
性酸反应 浓HNO：C＋4HNO(浓)=====CO↑＋4NO ↑＋2HO
3 3 2 2 2
2．一氧化碳(CO)
(1)物理性质
无色气体，有毒，难溶于水。
(2)化学性质——还原性
①燃烧：2CO＋O=====2CO，淡蓝色火焰；
2 2
②还原CuO：CuO＋CO=====Cu＋CO(冶炼金属)。
2
3．二氧化碳(CO)
2
(1)物理性质：CO 是一种无色、无味的气体，能溶于水，固态CO 俗称干冰。
2 2
(2)化学性质：与HO、NaO、Ca(OH) (足量、澄清)、Mg反应的方程式分别为CO＋HOH CO、
2 2 2 2 2 2 3
NaO＋CO===Na CO、CO＋Ca(OH) ===CaCO ↓＋HO 2Mg＋CO=====2MgO＋C。
2 2 2 3 2 2 3 2 2
(3)CO 在自然界中的循环
2
①CO 的主要来源：大量含碳燃料的燃烧。
2
②自然界消耗CO 的主要反应：
2
a．溶于江水、海水中：CO＋HO HCO；
2 2 2 3
b．光合作用将CO 转化为O；
2 2
c．岩石的风化：CaCO ＋HO＋CO===Ca(HCO)。
3 2 2 3 2
(4)CO、CO 气体的除杂方法
2
CO中混有CO 通过盛有NaOH溶液的洗气瓶，然后干燥气体
2
CO 中混有CO 通过盛有灼热CuO的硬质试管
2
通过盛有饱和NaHCO 溶液的洗气瓶，然后干
CO 中混有少量SO 或HCl 3
2 2 燥气体
①澄清石灰水只用于检验CO，不能用于除去混合气体中的CO，应用NaOH溶液除
2 2
去；
②CO、SO 通入CaCl 或BaCl 溶液均无沉淀产生
2 2 2 2
4．碳酸(H CO)
2 3
弱酸、不稳定。碳酸(H CO)只能在水中存在。HCO 在水中与CO 共存，因此常把CO＋HO当碳酸
2 3 2 3 2 2 2
用。
5．碳酸的酸式盐和正盐的比较
(1)在水中的溶解性①含K＋、Na＋、NH的正盐易溶于水，其余一般不溶于水；酸式盐均能溶于水。
②一般来说，在相同温度下，难溶性正盐溶解度小于其酸式盐溶解度，如溶解度：
Ca(HCO )>CaCO ；可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度，如溶解度：NaCO>NaHCO。
3 2 3 2 3 3
(2)热稳定性
一般来说，热稳定性顺序为正盐>酸式盐>碳酸，如稳定性：NaCO>NaHCO>H CO。可溶性正盐>难
2 3 3 2 3
溶性正盐，如CaCO 高温分解，而KCO 不易分解。
3 2 3
(3)水溶液酸碱性
物质的量浓度相同时，正盐溶液的pH大于其酸式盐溶液，如pH：NaCO 溶液>NaHCO 溶液。
2 3 3
(4)与酸的反应
①CaCO 与盐酸反应的离子方程式：
3
CaCO ＋2H＋===HO＋CO↑＋Ca2＋。
3 2 2
②Ca(HCO ) 与盐酸反应的离子方程式：
3 2
HCO＋H＋===HO＋CO↑。
2 2
(5)与碱的反应
①NaCO 与Ca(OH) 反应的离子方程式：
2 3 2
CO＋Ca2＋===CaCO ↓。
3
②NaHCO 与足量Ca(OH) 反应的离子方程式：
3 2
HCO＋Ca2＋＋OH－===CaCO ↓＋HO。
3 2
Ca(OH) 与足量NaHCO 反应的离子方程式：
2 3
Ca2＋＋2OH－＋2HCO===CaCO ↓＋CO＋2HO。
3 2
知识点二 硅 无机非金属材料
一、硅单质
1．存在
硅单质主要有晶体和无定形两大类。
2．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．化学性质
常温下与F、HF、NaOH反应；加热时能与H 化合生成不稳定的氢化物SiH，加热时还能与Cl、O
2 2 4 2 2
化合分别生成SiCl 、SiO。涉及的化学方程式如下：
4 2
①与非金属单质反应
②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF ↑＋2H↑。
4 2
③与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋HO===Na SiO＋2H↑。
2 2 3 2
(4)制备方法
①制取粗硅：工业上，用焦炭在电炉中还原SiO 得到含有少量杂质的粗硅：SiO＋2C=====Si＋
2 2
2CO↑。
②粗硅提纯：Si＋2Cl=====SiCl ，SiCl ＋2H=====Si＋4HCl。
2 4 4 2
【特别提醒】①用焦炭还原SiO，产物是CO而不是CO。
2 2
②粗硅中含碳等杂质，与Cl 反应生成的SiCl 中含有CCl 等杂质，经过分馏提纯SiCl 后，再用H 还
2 4 4 4 2
原，得到高纯度硅。
(5)主要用途
①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。
二、二氧化硅
1．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SiO 有晶体和无定形两种，统称硅石。
2
2．结构
SiO 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
2
接为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，
故SiO 晶体中Si和O的比例为1∶2。
2
3．二氧化硅的性质及用途
物理性质 硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水
与水反应 不反应
与酸反应 只与氢氟酸反应：SiO＋4HF===SiF ↑＋2HO
2 4 2
化学 如与NaOH反应：SiO＋2NaOH===NaSiO ＋ H O(盛碱液的试
性质 与碱反应 剂瓶用橡胶塞) 2 2 3 2
如与NaCO 反应：
2 3
与盐反应
SiO＋NaCO=====NaSiO＋CO↑
2 2 3 2 3 2
与碱性氧
如与CaO反应：CaO＋SiO=====CaSiO
2 3
化物反应
用途 光导纤维、光学仪器、电子部件【特别提醒】
①SiO 是HSiO 的酸酐，但SiO 不与水反应，不能用SiO 直接与水作用制备HSiO。
2 2 3 2 2 2 3
②氢氟酸能与SiO 反应，故氢氟酸不能盛放在玻璃瓶中，而应存放在塑料瓶中。
2
三、硅酸、硅酸盐
1．硅酸
(1)物理性质
硅酸的溶解度小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。
(2)化学性质
①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为HSiO＋2NaOH===NaSiO＋2HO。
2 3 2 3 2
②不稳定性：受热易分解，反应的化学方程式为
HSiO=====SiO＋HO。
2 3 2 2
(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如NaSiO 溶液与盐酸反应：NaSiO＋
2 3 2 3
2HCl===2NaCl＋HSiO(胶体)。
2 3
(4)用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。
2．硅酸盐
①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与酸性较硅酸强的酸反应：
a．与盐酸反应的化学方程式：
NaSiO＋2HCl===2NaCl＋HSiO↓。
2 3 2 3
b．与CO 水溶液反应的化学方程式：
2
NaSiO＋HO＋CO===Na CO＋HSiO↓。
2 3 2 2 2 3 2 3
③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。
(3)硅酸盐组成的表示
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。如硅酸钠(Na SiO)可表示为
2 3
NaO·SiO ，石棉(CaMg Si O )可表示为CaO·3MgO·4SiO 。
2 2 3 4 12 2
推背图①NaSiO 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；NaSiO 易与空气中的
2 3 2 3
CO、HO反应，要密封保存。
2 2
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。
四、无机非金属材料
1．传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。
(1)常见硅酸盐材料比较水泥 玻璃 陶瓷
生产原料 石灰石、黏土 纯碱、石灰石、石英 黏土
主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑
(2)玻璃生产中的两个重要反应：NaCO＋SiO=====NaSiO＋CO↑；CaCO ＋SiO=====CaSiO ＋
2 3 2 2 3 2 3 2 3
CO↑。
2
2．新型无机非金属材料
材料类别 主要特性 示例 用途
高温结构 能承受高温，
氮化硅陶瓷 汽轮机叶片、轴承、永久性模具等
陶瓷 强度高
半导体陶瓷 具有电学特性 二氧化锡陶瓷 集成电路中的半导体
光学材料 具有光学特性 光导纤维 光缆通讯、医疗、照明等
生物陶瓷 具有生物功能 氧化铝陶瓷 人造骨骼、人造关节、接骨螺钉
高频考点一 硅和二氧化硅
例1.（2022·浙江卷）下列说法不正确的是
A．晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，常用于制造光导纤维
B．高压钠灯发出的黄光透雾能力强、射程远，可用于道路照明
C．氧化铝熔点高，常用于制造耐高温材料
D．用石灰右-石膏法对燃煤烟气进行脱硫，同时可得到石膏
【变式探究】（2022·广东卷）陈述Ⅰ和Ⅱ均正确但不具有因果关系的是
选项 陈述Ⅰ 陈述Ⅱ
A 用焦炭和石英砂制取粗硅 SiO 可制作光导纤维
2
B 利用海水制取溴和镁单质 可被氧化，Mg2+可被还原
C 石油裂解气能使溴CCl 的溶液褪色 石油裂解可得到乙烯等不饱和烃
4
D FeCl 水解可生成Fe（OH） 胶体 FeCl 可用作净水剂
3 3 3
【变式探究】下列说法错误的是（ ）
A.（2019新课标Ⅲ）高纯硅可用于制作光感电池
B.（2019江苏）SiO 熔点高硬度大，可用于制光导纤维
2
C.（2019浙江）天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅
D.（2018天津）汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏士高频考点二 硅酸盐及其应用
例3.（2021·浙江卷）下列说法不正确的是( )
A．硅酸钠是一种难溶于水的硅酸盐 B．镁在空气中燃烧可生成氧化镁和氮化镁
C．钠与水反应生成氢氧化钠和氢气 D．常温下，铝遇浓硝酸或浓硫酸时会发生钝化
【举一反三】（2020·浙江卷）Ca SiO 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(
3 5
)
A. 可发生反应：
B. 具有吸水性，需要密封保存
C. 能与SO ，反应生成新盐
2
D. 与足量盐酸作用，所得固体产物主要为SiO
2
高频考点三 无机非金属材料
例3.（2019·北京卷）下列我国科研成果所涉及材料中，主要成分为同主族元素形成的无机非金属材料
的是
A．4.03米大口径碳化硅 B．2022年冬奥会 C．能屏蔽电磁波的碳包 D．“玉兔二号”钛
反射镜 聚氨酯速滑服 覆银纳米线 合金筛网轮
【变式探究】新材料的新秀——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
高频考点四 与SiO 有关的无机化工流程题
2例4．(2021·湖南卷)Ce (CO) 可用于催化剂载体及功能材料的制备。天然独居石中，铈(Ce)主要以
2 3 3
CePO 形式存在，还含有SiO、Al O、Fe O、CaF 等物质。以独居石为原料制备Ce (CO)·nHO的工艺流
4 2 2 3 2 3 2 2 3 3 2
程如下：
回答下列问题：
(1)铈的某种核素含有58个质子和80个中子，该核素的符号为________。
(2)为提高“水浸”效率，可采取的措施有_____________________________________
______________________________________________________________(至少写两条)。
(3)滤渣Ⅲ的主要成分是________(填化学式)。
(4)加入絮凝剂的目的是____________________________________________________。
(5)“沉铈”过程中，生成Ce (CO)·nHO的离子方程式为_______________________，
2 3 3 2
常温下加入的NH HCO 溶液呈________(填“酸性”“碱性”或“中性”)(已知：NH ·H O的K ＝
4 3 3 2 b
1.75×10－5，HCO 的K ＝4.4×10－7，K ＝4.7×10－11)。
2 3 a1 a2
(6)滤渣Ⅱ的主要成分为FePO ，在高温条件下，LiCO 、葡萄糖(C H O)和FePO 可制备电极材料
4 2 3 6 12 6 4
LiFePO ，同时生成CO和HO，该反应的化学方程式为_______________________________________。
4 2
【变式探究】(2021·全国乙卷)磁选后的炼铁高钛炉渣，主要成分有TiO、SiO、Al O、MgO、CaO以
2 2 2 3
及少量的Fe O。为节约和充分利用资源，通过如下工艺流程回收钛、铝、镁等。
2 3
该工艺条件下，有关金属离子开始沉淀和沉淀完全的pH见下表：
金属离子 Fe3＋ Al3＋ Mg2＋ Ca2＋
开始沉淀的pH 2.2 3.5 9.5 12.4
沉淀完全(c＝1.0×10－5 mol·L－1)的pH 3.2 4.7 11.1 13.8
回答下列问题：
(1)“焙烧”中，TiO 、SiO 几乎不发生反应，Al O 、MgO、CaO、Fe O 转化为相应的硫酸盐。写出
2 2 2 3 2 3
Al O 转化为NH Al(SO ) 的化学方程式：_____________________________________________________。
2 3 4 4 2
(2)“水浸”后“滤液”的pH约为2.0，在“分步沉淀”时用氨水逐步调节pH至11.6，依次析出的金属
离子是____________________。
(3)“母液①”中Mg2＋浓度为__________mol·L－1。(4)“水浸渣”在160 ℃“酸溶”，最适合的酸是________。“酸溶渣”的成分是________、________。
(5)“酸溶”后，将溶液适当稀释并加热，TiO2＋水解析出TiO·xHO沉淀，该反应的离子方程式是
2 2
________________________________________________________________________________________。
(6)将“母液①”和“母液②”混合，吸收尾气，经处理得________，循环利用。
