文档内容
第 9 讲 无机非金属材料
【学科核心素养】
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。
【知识点解读】
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 2
CuO：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 2HCO＋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 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
【典例剖析】
高频考点一 碳及及其化合物性质例1. (2018·江苏卷)CO 是自然界碳循环中的重要物质。下列过程会引起大气中CO 含量上升的是(
2 2
)
A．光合作用 B．自然降雨
C．化石燃料的燃烧 D．碳酸盐的沉积
【变式探究】 (2017·北京卷)我国在CO 催化加氢制取汽油方面取得突破性进展，CO 转化过程示意图
2 2
如下：
下列说法不正确的是( )
A．反应①的产物中含有水
B．反应②中只有碳碳键形成
C．汽油主要是C ～C 的烃类混合物
5 11
D．图中a的名称是2甲基丁烷
高频考点二 硅和二氧化硅
例2.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
【举一反三】高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起
计算机的一场“革命”。可以按下列方法制备：
SiO――→Si(粗)――→SiHCl ――→Si(纯)
2 3
下列说法不正确的是( )
A．步骤①的化学方程式为SiO＋C=====Si＋CO↑
2 2
B．步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子
C．高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
D．SiHCl (沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl (沸点67.6 ℃)，通过蒸馏可提纯SiHCl
3 4 3
【变式探究】从石英砂制取高纯硅的主要化学反应如下：
①SiO＋2C=====Si(粗)＋2CO↑
2②Si(粗)＋2Cl=====SiCl
2 4
③SiCl ＋2H=====Si(纯)＋4HCl
4 2
关于上述反应的叙述不正确的是( )
A．①③是置换反应，②是化合反应
B．高温下，焦炭与氢气的还原性均强于硅
C．任一反应中，每消耗或生成28 g硅，均转移4 mol电子
D．高温下在炉子里将石英砂、焦炭、氯气、氢气按比例混合就能得到高纯硅
高频考点三 硅酸盐及其应用
例3．（2021·浙江高考真题）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
【举一反三】[2019新课标Ⅰ]陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有
着密切的关系。下列说法错误的是
A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁
B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成
C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐
D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
【变式探究】 [2017·高考全国卷Ⅱ]水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO，并含
2
有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：
回答下列问题：
(1)在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是
_______________________________________________，还可使用____________代替硝酸。(2)沉淀A的主要成分是____________，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为
___________________________________________________________________________。
(3)加氨水过程中加热的目的是__________________________。沉淀B的主要成分为____________、
______________(写化学式)。
高频考点四 无机非金属材料
例4. [2019北京]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年冬奥会聚 C．能屏蔽电磁波的 D．“玉兔二
化硅反射镜 氨酯速滑服 碳包覆银纳米线 号”钛合金筛网轮
【变式探究】平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了－20 ℃能发热4 h的智能服饰；用
铝合金管材和碳纤维制作了高2.35 m、重量仅为10 kg的熊猫木偶，向世界展现了新时代的中国形象。下
列说法中，不正确的是( )
A．石墨烯是能导热的金属材料
B．铝合金是密度较小的金属材料
C．碳纤维是耐低温的无机非金属材料
D．新型材料种类多、用途广
高频考点五 考查CO 通入碱溶液中反应产物
2
例5．标准状况下，将3.36 L CO 气体通入200 mL 1.00 mol·L－1 NaOH溶液中，充分反应后溶液中
2
c(CO)与c(HCO) 的比值为(不考虑CO、HCO的水解)( )
A．1∶1 B．1∶2
C．2∶1 D．1∶3
【方法技巧】CO 与碱反应产物的定量判断
2
CO 通入NaOH、Ca(OH) 等强碱溶液的反应产物与CO 气体的通入量有关，当通入少量CO 时生成碳
2 2 2 2
酸盐，当通入过量CO 时生成碳酸氢盐，当通入CO 的量介于
2 2
两者之间时，既有碳酸盐又有碳酸氢盐生成，因此推断时一定要注意CO 与碱之间量的关系。
2
以CO 与NaOH溶液反应为例，将CO 通入NaOH溶液中，可能发生的反应为
2 2
①CO＋2NaOH===Na CO＋HO；
2 2 3 2
②CO ＋NaOH===NaHCO。
2 3当n(OH－)∶n(CO)的值不同时产物如下：
2
【变式探究】常温下，向 Ba(OH) 和NaOH混合溶液中缓慢通入CO 至过量(溶液温度变化忽略不
2 2
计)，生成沉淀物质的量与通入CO 体积的关系如图所示。下列说法不正确的是( )
2
A．b点时溶质为NaHCO
3
B．V 的值为900
4
C．V、V、V 时，溶液中c(Ba2＋)·c(CO)相等
1 2 3
D．原混合溶液中n[Ba(OH) ]∶n(NaOH)＝1∶2
2
