文档内容
第 09 讲 无机非金属材料
【化学学科素养】
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。
【必备知识解读】
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 2 2 3 2
剂瓶用橡胶塞)
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 32HCl===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．新型陶瓷
高温结构陶瓷(碳化硅、氮化硅)；压电陶瓷(钛酸盐和锆酸盐)；透明陶瓷(氧化铝、氧化钇、氮化铝、
氟化钙)；超导陶瓷等。材料类型 主要特性 示例 用途
火箭发动机的尾管及燃
高温结构陶 碳化硅、氮化硅与某些金
耐高温、抗氧化、耐磨蚀 烧室、汽车发动机、高
瓷 属氧化物等烧结而成
温电极材料等
实现机械能与电能的相互 滤波器、扬声器、声纳
压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐
转化 探伤器、点火器等
优异的光学性能，耐高 氧化铝、氧化钇、氮化 高压钠灯、激光器、高
透明陶瓷
温，绝缘性好 铝、氟化钙 温探测窗等
在某一临界温度下电阻为 可用于电力、交通、医
超导陶瓷
零 疗等领域
(1)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。
(2)碳化硅(SiC)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，
可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还耐高温，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
3．碳纳米材料
碳纳米材料是一类新型的无机非金属材料
(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。
结构特点 应用
由碳原子构成的一系列笼形分子的总 代表物C 开启碳纳米材料研究和应
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富勒烯
称 用的新时代
由石墨片层卷成的管状物，具有纳米
碳纳米管 用于生产复合材料、电池和传感器等
尺度的直径
应用于光电器件、超级电容器、电池
石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层石墨
和复合材料等
【关键能力拓展】
一、碳、硅及其化合物“反常”性质
(1)一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、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，但C在高温下能还原出Si：SiO＋2C=====Si＋2CO↑。
2
(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，但硅与强碱溶液反应只作还原
剂，且放出氢气：Si＋2NaOH＋HO===Na SiO＋2H↑。
2 2 3 2(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===SiF ↑＋2H↑。
4 2
(6)一般情况下，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，二氧化硅是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO＋
2
4HF===SiF ↑＋2HO(SiF 不属于盐，故SiO 不是两性氧化物)。
4 2 4 2
(7)一般情况下，无机酸能溶于水，但硅酸却难溶于水。
(8)一般情况下，较强酸＋较弱酸的盐―→较弱酸＋较强酸的盐(溶液中的反应)。
因碳酸的酸性强于硅酸，所以水玻璃在空气中易变质：NaSiO＋HO＋CO===Na CO＋HSiO(胶
2 3 2 2 2 3 2 3
体)。
但在高温下，可发生反应NaCO＋SiO=====NaSiO＋CO↑(CO 离开反应体系促进反应的正向进
2 3 2 2 3 2 2
行)。
(9)一般情况下，金属(Na、K)能置换出水中的氢，但C在高温下也能置换出HO中的氢：C＋
2
HO(g)=====H＋CO。
2 2
(10)一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不与水反应。
【核心题型例解】
高频考点一 硅和二氧化硅
例1.（2023·辽宁卷第3题）下列有关物质的工业制备反应错误的是（ ）
A. 合成氨：N+3H 2NH B. 制HCl：H+Cl=======2HCl
2 2 3 2 2
C. 制粗硅：SiO+2C=======Si+2CO D. 冶炼镁：2MgO(熔融)=======2Mg+O↑
2 2
【变式探究】（2023·湖北卷第3题）工业制备高纯硅的主要过程如下：
石英砂 粗硅 高纯硅
下列说法错误的是（ ）
A. 制备粗硅的反应方程式为
B. 1molSi含Si-Si键的数目约为
C. 原料气HCl和 应充分去除水和氧气
D. 生成 的反应为熵减过程
【变式探究】（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
高频考点二 二氧化硅
例2.（2023·广东卷第3题）建设美丽乡村，守护中华家园，衣食住行皆化学。下列说法正确的是（
）
A. 千家万户通光纤，光纤的主要材质为
B. 乡村公路铺沥青，沥青属于天然无机材料
C. 美容扮靓迎佳节，化妆品中的甘油难溶于水
D. 均衡膳食助健康，主食中的淀粉可水解为葡萄糖
【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
高频考点二 硅酸盐及其应用
例3.（2023·广东卷第1题）“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（
）
B．裴李岗文化骨
A．九霄环佩木古琴 C．商朝后期陶埙 D．曾侯乙青铜编钟
笛
【变式探究】（2023·山东卷第1题）下列之物具有典型的齐鲁文化特色，据其主要化学成分不能与其
他三种归为一类的是（ ）A. 泰山墨玉 B. 龙山黑陶 C. 齐国刀币 D. 淄博琉璃
【变式探究】中国历史的发展和化学的发展紧密结合，中国的传世国宝，无不体现了劳动人民对化学
的认识和应用。下列四种国宝级文物的主要成分(载体)是硅酸盐的是（ ）
A．被称为“臻于极致 C．成为中国文化遗
B．被誉为“白瓷之王”的 D．被尊为“墨皇”的牙
的青铜典范”的四羊方 产标志的太阳神鸟金
定窑孩儿枕 色麻纸本墨迹《平复帖》
尊 饰
高频考点三 无机非金属材料
例3.随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系。下列物质中属于新型无机非金
属材料的是（ ）
A．水泥 B．普通玻璃 C．石墨烯 D．陶瓷
【变式探究】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 B．2022年冬 C．能屏蔽电磁波的 D．“玉兔二
化硅反射镜 奥会聚氨酯速滑服 碳包覆银纳米线 号”钛合金筛网轮
【变式探究】 北京故宫藏有大量珍贵文物，据统计总共达1862690件之多，统称文物100万件，占全
国文物总数的六分之一。下列故宫文物的主要部件属于陶瓷的是（ ）
A．带牙座的水晶球 B．御窑盘碟 C．金大吉葫芦 D．青玉交龙钮玉玺
高频考点四 与Si有关的无机化工流程题例4．（2023·湖北卷第16题） 是生产多晶硅的副产物。利用 对废弃的锂电池正极材料
进行氯化处理以回收Li、Co等金属，工艺路线如下：
回答下列问题：
（1）Co位于元素周期表第_______周期，第_______族。
（2）烧渣是LiCl、 和 的混合物，“500℃焙烧”后剩余的 应先除去，否则水浸时会
产生大量烟雾，用化学方程式表示其原因_______。
（3）鉴别洗净的“滤饼3”和固体 常用方法的名称是_______。
（4）已知 ，若“沉钴过滤”的pH控制为10.0，则溶液中 浓度为
_______ 。“850℃煅烧”时的化学方程式为_______。
（5）导致 比 易水解的因素有_______(填标号)。
a．Si-Cl键极性更大 b．Si的原子半径更大
c．Si-Cl键键能更大 d．Si有更多的价层轨道
【变式探究】 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 作氧化剂B．合成2的反应为：
C．上述流程说明 可溶于
D．净化、热解中生成的多晶硅为还原产物
【变式探究】以含镍废料(主要成分为NiO，含少量FeO、Fe O、CoO、BaO和SiO)为原料制备碳酸
2 3 2
钴(CoCO)和Ni O 的工艺流程如图。下列说法正确的是 （ ）
3 x y
A．“滤渣I”成分是SiO
2
B．“氧化”时为证明添加NaClO 已足量，可用KSCN溶液进行检验
3
C．“沉钴”反应的离子方程式为2 +Co2+=CoCO ↓+CO ↑+H O
3 2 2
D．NiSO 溶液通过蒸发结晶获得NiSO ·6H O晶体
4 4 2
高频考点五、与Si有关的化学实验题
例5.（2023·山东卷第18题）三氯甲硅烷(SiHCl )是制取高纯硅的重要原料，常温下为无色液体，沸点
3
为31.8℃，熔点为-126.5℃，易水解。实验室根据反应 ，利用如下装置制备
SiHCl 粗品(加热及夹持装置略)。回答下列问题：
3（1）制备SiHCl 时进行操作：(ⅰ)……；(ⅱ)将盛有砫粉的瓷舟置于管式炉中；(ⅲ)通入HCl，一段
3
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，SiHCl 在浓NaOH溶液中发生反应的化学方程式为_____。
3
（3）采用如下方法测定溶有少量HCl的SiHCl 纯度。
3
mg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
1
名称)，③称量等操作，测得所得固体氧化物质量为mg，从下列仪器中选出①、②中需使用的仪器，依次
2
为_____(填标号)。测得样品纯度为_____(用含m、m 的代数式表示)。
1 2
【变式探究】单晶硅是信息产业中重要的基础材料。工业上可用焦炭与石英砂(SiO)的混合物在高温
2
下与氯气反应生成SiCl 和CO，SiCl 经提纯后用氢气还原得高纯硅。以下是实验室制备 SiCl 的装置示意
4 4 4
图：
实验过程中，石英砂中的铁、铝等杂质也能转化为相应氯化物，SiCl 、AlCl 、FeCl 遇水均易水解，
4 3 3
有关物质的物理常数见下表：
物质 SiCl AlCl FeCl
4 3 3
沸点/℃ 57.7 — 315
熔点/℃ -70.0 — —
升华温度/℃ — 180 300
(1)装置B中的试剂是 ，装置 D 中制备SiCl 的化学方程式是 。
4
(2) D、E 间导管短且粗的作用是 。(3)G中吸收尾气一段时间后，吸收液中肯定存在OH-、Cl-和SO 2-，请设计实验，探究该吸收液中可能
4
存在的其他酸根离子(忽略空气中CO 的影响)。
2
【提出假设】假设1：只有SO 2-；假设2：既无SO 2-也无ClO-；假设3： 。
3 3
【设计方案进行实验】可供选择的实验试剂有：3 mol/L H SO 、1 mol/L NaOH、0.01 mol/LKMnO 、
2 4 4
溴水、淀粉-KI、品红等溶液。
取少量吸收液于试管中，滴加 3 mol/L H SO 至溶液呈酸性，然后将所得溶液分置于a、b、c三支试
2 4
管中，分别进行下列实验。请完成下表：
序
操作 可能出现的现象 结论
号
若溶液褪色 则假设1成立
① 向a试管中滴加几滴 溶液
若溶液不褪色 则假设2或3成立
若溶液褪色 则假设1或3成立
② 向b试管中滴加几滴 溶液
若溶液不褪色 假设2成立
③ 向c试管中滴加几滴 溶液 假设3成立
