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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F2、HF、NaOH 反应；加热时能与H2化合生成不稳定的氢化物SiH4，加热时还能与Cl2、O2
化合分别生成SiCl4、SiO2。涉及的化学方程式如下：
①与非金属单质反应
②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
③与NaOH 溶液反应：
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(4)制备方法
①制取粗硅：工业上，用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅：SiO2＋2C=====Si＋
2CO↑。
②粗硅提纯：Si＋2Cl2=====SiCl4，SiCl4＋2H2=====Si＋4HCl。
【特别提醒】①用焦炭还原SiO2，产物是CO 而不是CO2。
②粗硅中含碳等杂质，与Cl2反应生成的SiCl4中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还
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
1
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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SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石。
2．结构
SiO2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
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SiO2晶体中Si 和O 的比例为1∶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
化学
性质
与水反应
不反应
与酸反应
只与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
与碱反应
如与NaOH 反应：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋
H 2O(盛碱液的试
剂瓶用橡胶塞)
与盐反应
如与Na2CO3反应：
SiO2＋Na2CO3=====Na2SiO3＋CO2↑
与碱性氧
化物反应
如与CaO 反应：CaO＋SiO2=====CaSiO3
用途
光导纤维、光学仪器、电子部件
【特别提醒】
①SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不与水反应，不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。
②氢氟酸能与SiO2反应，故氢氟酸不能盛放在玻璃瓶中，而应存放在塑料瓶中。
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H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。
②不稳定性：受热易分解，反应的化学方程式为
H2SiO3=====SiO2＋H2O。
(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：Na2SiO3＋
2
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2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)。
(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：
Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
b．与CO2水溶液反应的化学方程式：
Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。
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(Na2SiO3)可表示为
Na2O·SiO2，石棉(CaMg3Si4O12)可表示为CaO·3MgO·4SiO2。
推背图①Na2SiO3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；Na2SiO3易与空气中的
CO2、H2O 反应，要密封保存。
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：Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋
CO2↑。
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。
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(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
富勒烯
由碳原子构成的一系列笼形分子的总
称
代表物C60 开启碳纳米材料研究和应
用的新时代
碳纳米管
由石墨片层卷成的管状物，具有纳米
尺度的直径
用于生产复合材料、电池和传感器等
石墨烯
只有一个碳原子直径厚度的单层石墨
应用于光电器件、超级电容器、电池
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：SiO2＋2C=====Si＋2CO↑。
(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＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
材料类型
主要特性
示例
用途
高温结构陶
瓷
耐高温、抗氧化、耐磨蚀
碳化硅、氮化硅与某些金
属氧化物等烧结而成
火箭发动机的尾管及燃
烧室、汽车发动机、高
温电极材料等
压电陶瓷
实现机械能与电能的相互
转化
钛酸盐、锆酸盐
滤波器、扬声器、声纳
探伤器、点火器等
透明陶瓷
优异的光学性能，耐高
温，绝缘性好
氧化铝、氧化钇、氮化
铝、氟化钙
高压钠灯、激光器、高
温探测窗等
超导陶瓷
在某一临界温度下电阻为
零
可用于电力、交通、医
疗等领域
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(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===SiF4↑＋2H2↑。
(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：SiO2＋
4HF===SiF4↑＋2H2O(SiF4不属于盐，故SiO2不是两性氧化物)。
(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：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3(胶
体)。
但在高温下，可发生反应Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑(CO2离开反应体系促进反应的正向进
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H2O 中的氢：C＋
H2O(g)=====H2＋CO。
(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：N2+3H2
2NH3 B. 制HCl：H2+Cl2=======2HCl
C. 制粗硅：SiO2+2C=======Si+2CO D. 冶炼镁：2MgO(熔融)=======2Mg+O2↑
【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
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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
SiO2可制作光导纤维
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CCl4的溶液褪色
石油裂解可得到乙烯等不饱和烃
D
FeCl3水解可生成Fe（OH）3胶体
FeCl3可用作净水剂
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（
）
【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．九霄环佩木古琴
B．裴李岗文化骨
笛
C．商朝后期陶埙
D．曾侯乙青铜编钟
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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
的青铜典范”的四羊方
尊
B．被誉为“白瓷之王”的
定窑孩儿枕
C．成为中国文化遗
产标志的太阳神鸟金
饰
D．被尊为“墨皇”的牙
色麻纸本墨迹《平复帖》
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
化硅反射镜
B．2022 年冬
奥会聚氨酯速滑服
C．能屏蔽电磁波的
碳包覆银纳米线
D．“玉兔二
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
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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
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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、Fe2O3、CoO、BaO 和SiO2)为原料制备碳酸
钴(CoCO3)和NixOy的工艺流程如图。下列说法正确的是 （ ）
A．“滤渣I”成分是SiO2
B．“氧化”时为证明添加NaClO3已足量，可用KSCN 溶液进行检验
C．“沉钴”反应的离子方程式为2
+Co2+=CoCO3↓+CO2↑+H2O
D．NiSO4溶液通过蒸发结晶获得NiSO4·6H2O 晶体
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(SiHCl3)是制取高纯硅的重要原料，常温下为无色液体，沸点
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
SiHCl3粗品(加热及夹持装置略)。回答下列问题：
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（1）制备SiHCl3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，SiHCl3在浓NaOH 溶液中发生反应的化学方程式为_____。
（3）采用如下方法测定溶有少量HCl 的SiHCl3纯度。
m1g 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
名称)，③称量等操作，测得所得固体氧化物质量为m2g，从下列仪器中选出①、②中需使用的仪器，依次
为_____(填标号)。测得样品纯度为_____(用含m1、m2的代数式表示)。
【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(SiO2)的混合物在高温
下与氯气反应生成SiCl4和CO，SiCl4经提纯后用氢气还原得高纯硅。以下是实验室制备 SiCl4的装置示意
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，SiCl4、AlCl3、FeCl3遇水均易水解，
有关物质的物理常数见下表：
物质
SiCl4
AlCl3
FeCl3
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SiCl4的化学方程式是 。
(2) D、E 间导管短且粗的作用是 。
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(3)G 中吸收尾气一段时间后，吸收液中肯定存在OH-、Cl-和SO4
2-，请设计实验，探究该吸收液中可能
存在的其他酸根离子(忽略空气中CO2的影响)。
【提出假设】假设1：只有SO3
2-；假设2：既无SO3
2-也无ClO-；假设3： 。
【设计方案进行实验】可供选择的实验试剂有：3 mol/L H2SO4、1 mol/L NaOH、0.01 mol/LKMnO4、
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 H2SO4 至溶液呈酸性，然后将所得溶液分置于a、b、c 三支试
管中，分别进行下列实验。请完成下表：
序
号
操作
可能出现的现象
结论
①
向a 试管中滴加几滴 溶液
若溶液褪色
则假设1 成立
若溶液不褪色
则假设2 或3 成立
②
向b 试管中滴加几滴 溶液
若溶液褪色
则假设1 或3 成立
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
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