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第25 讲 碳、硅 无机非金属材料
[复习目标] 1.了解碳、硅及其化合物的组成和成键特点。2.了解碳、硅两种元素单质及其
重要化合物的性质及应用，能用化学方程式表示其主要化学性质。3.了解无机非金属材料的
组成、分类及其应用价值。
考点一 碳族元素 碳
1．碳族元素
(1)碳、硅、锗、锡、铅均属于第ⅣA 族元素，又称碳族元素，其价层电子排布式为
________。
(2)碳单质的存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为____________。
2．金刚石、石墨、C60的物理性质
金刚石
石墨
C60
晶体类型
共价晶体
混合型晶体
分子晶体
物理性质
熔点高，硬度大，不导电
熔点高，硬度
____，____导电
熔点低，不导电
主要用途
钻石制作，切割工具，钻
探机的钻头等
做电极、润滑剂、
铅笔芯
广泛应用于超导、医学领
域
3.CO2在自然界中的循环
(1)CO2的主要来源：大量含碳燃料的燃烧。(2)自然界消耗CO2的主要反应：
①溶于江水、海水中：CO2＋H2OH2CO3；
②光合作用将CO2转化为O2；
③岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2===____________。
1．金刚石、石墨、C60都是由碳元素组成的单质( )
2．水墨画可长久保存不变色是因为在常温下碳的化学性质不活泼( )
3．二氧化碳能使紫色石蕊溶液变红，说明二氧化碳具有酸性( )
4．低碳环保中的“碳”是指二氧化碳( )
5．石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应( )
1
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6．向空气中排放二氧化碳会形成酸雨( )
7．向CaCl2溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失( )
8．向氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体( )
1．中国力争在2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和，关于碳及其化合物，下列说
法不正确的是( )
A．金刚石和石墨是碳元素的两种不同单质，二者互称为同素异形体
B．在100 kPa 时，1 mol 石墨转变为金刚石要吸收1.895 kJ 的热量，故金刚石比石墨稳定
C．考古时常用于测定文物年代的是碳元素的一种核素C，该核素的中子数为8
D．引起温室效应的气体之一CO2中含极性共价键
2．中国努力争取2060 年前实现碳中和。利用NaOH 溶液喷淋捕捉空气中的CO2，反应过程
如图所示。下列说法错误的是( )
A．捕捉室中NaOH 溶液喷成雾状有利于吸收CO2
B．环节a 中物质分离的基本操作是蒸发结晶
C．反应过程中CaO 和NaOH 是可循环的物质
D．可用Na2CO3溶液代替NaOH 溶液捕捉CO2
考点二 硅及其重要化合物
1．硅的存在
自然界中硅元素仅有________，在地壳中含量仅次于____，主要以________和________的形
式存在。
2．硅单质
(1)常温下不活泼，一般不与其他物质反应，但可以与氟、氢氟酸、碱反应。
反应的化学方程式分别为
与
F2
：
________________________________________________________________________；
2
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与
HF
：
________________________________________________________________________；
与NaOH：______________________________________________________________。
(2)在加热的条件下可以与氧气、氯气等反应。
(3)粗硅的制取：__________________________________________________________。
(4)硅单质的用途
①良好的半导体材料；②硅太阳能电池；③计算机芯片。
3．二氧化硅
(1)物理性质：硬度____，熔、沸点____，常温下为固体，不溶于水。
(2)化学性质
SiO2为酸性氧化物，是硅酸的酸酐。
①SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为____________
_______________________________________________________________________________
。
②在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钙反应的化学方程式为___________________
_______________________________________________________________________________
。
③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______________
________________________________。
④常温下与氢氟酸反应的化学方程式为_____________________________________________
________________________________________________________________________，可用于
刻蚀玻璃。
(3)用途：____________、光学仪器、电子部件。
4．硅酸(H2SiO3)
5．硅酸盐
(1)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。
(2)硅酸钠：硅酸钠溶液俗称水玻璃，溶液呈碱性，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、
防腐剂、耐火材料。
(3)硅酸盐写成氧化物形式的顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水，
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不同氧化物间以“·”隔开。
如，石棉(CaMg3Si4O12)用氧化物的形式表示为____________________。
1．晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料( )
2．非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4( )
3．SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸( )
4．硅酸钠的水溶液俗称“水玻璃”，是一种建筑行业常用的黏合剂( )
5．SiO2能与HF 反应，因此可用HF 刻蚀玻璃( )
6．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶( )
7．石英是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能( )
8．工业上制取粗硅的反应是SiO2＋C=====Si＋CO2↑( )
9．因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸酸性比碳酸强( )
一、硅及其重要化合物转化关系落实
1．将Si、SiO2、SiF4、H2SiO3、Na2SiO3填在下面空白处。
2．写出图中序号对应的化学方程式。
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________；
③________________________________________________________________________；
④________________________________________________________________________；
⑤________________________________________________________________________；
⑥________________________________________________________________________；
⑦________________________________________________________________________；
⑧________________________________________________________________________；
⑨________________________________________________________________________。
二、工业制取高纯硅问题分析
3．清华大学等重点高校为解决中国“芯”——半导体芯片，成立了“芯片学院”。某小组
拟在实验室制造硅，其流程如图：
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制造原理：2Mg＋SiO2=====2MgO＋Si；
除杂原理：Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑，MgO＋2HCl===MgCl2＋H2O。
下列说法正确的是( )
A．操作1、操作2 均为过滤
B．SiO2、SiH4均含有共价键，等质量的二者分子数之比为8∶15
C．点燃石英砂和镁粉的混合物发生的副反应为2Mg＋Si=====Mg2Si
D．当有2 mol 电子转移时，能生成14 g Si
4．晶体硅是一种重要的非金属原料，由粗硅制备纯硅的主要步骤如下：
①粗硅与干燥的HCl 气体反应制得SiHCl3：Si(粗)＋3HCl=====SiHCl3＋H2；
②经过纯化的SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃下反应制得纯硅。
回答相关问题：
(1)粗硅与HCl 气体反应完全后，经冷凝得到SiHCl3(沸点为33 ℃)，只含有少量SiCl4(沸点
为
57.6 ℃) 和
HCl( 沸点为－
84.7 ℃) ，提纯
SiHCl3
的方法为
_______________________________。
(2)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置已略去)：
①在加热D 装置前应先打开A 装置中分液漏斗的活塞，目的是________________________
_______________________________________________________________________________
。
②C 装置中烧瓶需要加热，采用的方法是___________________________________________。
三、硅胶 多硅酸盐结构的理解
5．硅胶吸附剂的结构示意图如图所示，常用作干燥剂。在其中添加CoCl2可使其指示吸水
量的多少来决定硅胶是否失效，原理为CoCl2(蓝色)+6H2O===CoCl2·6H2O(粉红色)，失效的
硅胶可加热再生，下列说法错误的是( )
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A．当硅胶变粉红色说明硅胶失效了
B．SiO2是酸性氧化物，硅胶可干燥HF 和Cl2等酸性气体
C．失效的硅胶再生时加热的温度不宜过高
D．当硅胶遇到大量的水分子时，与硅羟基形成了过多氢键从而失去吸附力
6．形式多样的硅酸盐是无机矿物的重要基石。SiO 是一种四面体形的离子(属于硅酸根离子)，
其结构可用图a 表示，硅原子位于该四面体体心，四个氧原子各占一个顶点。图b 和图c 则
是复合硅酸根离子中的两个实例，均为无支链的单环状，分别由数个硅氧四面体a 通过共用
氧原子的形式构成。
(1)b 的化学式为______________。
(2)若一个单环状离子中Si 原子数为n(n≥3)，则其化学式为____________。
(3)绿柱石是铍、铝的此类硅酸复盐，其化学式中含6 个硅原子，该复盐的化学式是
______________________________________________________________________________。
考点三 无机非金属材料
1．传统无机非金属材料——常见硅酸盐材料
硅酸盐材料
水泥
普通玻璃
陶瓷
生产原料
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑
玻璃生产中的两个重要反应：
Na2CO3
＋
SiO2=====____________________________________________________________；
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CaCO3
＋
SiO2=====____________________________________________________________。
2．新型无机非金属材料
(1)高温结构陶瓷，如SiC、BN、Si3N4、Al2O3等。
(2)碳纳米材料
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。
(3)特殊功能的含硅材料
①碳化硅为共价晶体，具有类似金刚石的结构，可用作磨料。
②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。
1．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐( )
2．碳化硅俗称金刚砂，它可用于高温结构陶瓷的制作( )
3．压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化( )
4．石墨烯的电阻率低，热导率也低( )
5．冰壶主材料花岗岩属于无机非金属材料(2022·辽宁，1A)( )
一、传统无机非金属材料
1．水玻璃(Na2SiO3溶液)广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。
如图是用稻壳灰(SiO2：65%～70%、C：30%～35%)制取水玻璃的工艺流程：
下列说法正确的是( )
A．原材料稻壳灰价格低廉，且副产品活性炭有较高的经济价值
B．操作A 与操作B 完全相同
C．该流程中硅元素的化合价发生改变
D．反应器中发生的反应为氧化还原反应
2．世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋、混凝土、7 000 多块铝板和1 200 多块玻璃等建
成。
(1)铝板易被烧碱腐蚀，玻璃易被氢氟酸腐蚀，原因分别为___________________________、
_____________________________________________________________________________
(用化学方程式表示)。
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(2)生产硅酸盐水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是________________。制备普通玻璃
的
主
要
反
应
的
化
学
方
程
式
为
_________________________________________________________
____________________________________________________________________(任写一个)。
(3)石英玻璃化学稳定性强、膨胀系数小，是一种特殊玻璃，石英玻璃的主要成分是
________(填化学式)。
(4)要将NaOH 高温熔化，下列坩埚中可选用的是________(填字母)。
A．普通玻璃坩埚
B．石英玻璃坩埚
C．氧化铝坩埚
D．铁坩埚
二、新型无机非金属材料
3．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
4．氮化硅可用作高温结构陶瓷复合材料，在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛
的应用。由石英砂合成氮化硅粉末的路线如图所示：
其中—NH2中各元素的化合价与NH3相同。
请回答下列问题：
(1)石英砂不能与碱性物质共同存放，以NaOH 为例，用化学方程式表示其原因：
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
。
(2)图示①～⑤的变化中，属于氧化还原反应的是____________(填序号)。
(3)在反应⑤中，3 mol Si(NH2)4在高温下加热可得1 mol 氮化硅粉末和8 mol A 气体，则氮化
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硅的化学式为____________。
(4)在高温下将SiCl4置于B 和C 两种气体的气氛中，也能反应生成氮化硅，B 和C 两种气体
在一定条件下化合生成A。写出SiCl4与B 和C 两种气体反应的化学方程式：___________
______________________________________________________________________________。
1．正误判断，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)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(2022·浙江6 月选考，8A)(
)
(2)用焦炭和石英砂制取粗硅，SiO2可制作光导纤维(2022·广东，12A)( )
(3)石灰石是制造玻璃和水泥的主要原料之一(2022·湖南，2D)( )
(4)火炬“飞扬”使用的碳纤维属于有机高分子材料(2022·辽宁，1B)( )
2．(2021·海南，1)2020 年9 月22 日，中国向全世界宣布，努力争取2060 年前实现碳中和。
下列措施不利于大气中CO2减少的是( )
A．用氨水捕集废气中的CO2，将其转化为氮肥
B．大力推广使用风能、水能、氢能等清洁能源
C．大力推广使用干冰实现人工增雨，缓解旱情
D．通过植树造林，利用光合作用吸收大气中的CO2
9
