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第五章 非金属及其化合物
第26 讲 碳、硅 无机非金属材料
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核心知识库：重难考点总结，梳理必背知识、归纳重点
考点1 碳族元素 碳★★★☆☆
考点2 硅 二氧化硅★★★☆☆
考点3 硅酸盐 无机非金属材料★★★☆☆
（星级越高，重要程度越高）
限时训练挑战场：感知真题，检验成果，考点追溯
考点1 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n s 2 n p 2 。
(2)碳单质的存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为同素异形体。
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，硬度小，
能导电
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＋H2O
H2CO3；
②光合作用将CO2转化为O2；
③岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2===Ca(HCO3)2。
1
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【小试牛刀】
1.(2024·南京模拟)碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料，具有许多异常的力学、
电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。
下列关于纳米管说法不正确的是( )
A.纳米管孔径较大，可以掺杂各种金属原子，体现特殊的催化活性
B.碳纳米管拥有极高的熔点
C.纳米管是一种新型有机纳米材料
D.纳米管可以由石墨烯在特定条件下卷曲而成
2.(2024·大连模拟)我国倡导低碳生活，减少二氧化碳的排放，“碳捕捉技术”可实现二氧化碳的分离、
储存和利用。实际生产中，常利用NaOH 溶液来“捕捉”CO2，其工艺流程如图所示(部分条件及物质
未标出)，下列说法正确的是( )
A.CO2是引起酸雨的主要物质之一
B.整个过程中，只有CO2可循环利用
C.能源消耗低是该技术的一大优点
D.该生产过程中，没有涉及到氧化还原反应
3.(2024·广东模拟)如图是碳元素的“价—类”二维图，下列有关说法不正确的是( )
A.a 是最简单的有机化合物
B.b 在高温下被SiO2氧化成e
C.d 与血红蛋白结合的能力比O2强
D.将氨气和e 通入饱和食盐水中可得到NaHCO3
考点2 硅 二氧化硅
1.硅的存在及硅单质
2
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2.二氧化硅
(1)存在：普通的沙(细小的石英晶体)，水晶(纯石英，无色透明晶体)。
(2)物理性质：不溶于水、熔点高、硬度大。
(3)化学性质
SiO2为酸性氧化物，是硅酸的酸酐。
按要求完成下列反应的化学方程式。
①与氢氧化钠溶液的反应：SiO2＋
2NaOH
==
=Na
2SiO3＋
H 2O。
②与碳酸钙在高温下的反应：SiO2＋
CaCO
3
CaSiO3＋
CO
2↑。
③与氧化钙的反应：SiO2＋
CaO
CaSiO3。
④溶于氢氟酸的反应：SiO2＋
4HF
==
=SiF
4↑
＋
2H
2O，可用于刻蚀玻璃。
(4)用途：光导纤维、光学仪器、电子部件。
3.高纯硅的制备
石英砂
粗硅
SiHCl3
高纯硅
反应①： 。
反应②： 。
反应③： 。
【小试牛刀】
1.纯二氧化硅可用下列流程制得。下列说法不正确的是( )
A.X 可用作木材防火剂
B.步骤Ⅱ的反应是Na2SiO3＋H2SO4===H2SiO3↓＋Na2SO4
C.步骤Ⅱ中的稀硫酸可用CO2来代替
D.SiO2既能与NaOH 溶液反应，又能与氢氟酸反应，所以SiO2是两性氧化物
2.H2SO4⁃SiO2法生产多晶硅的流程如下。下列说法错误的是( )
3
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A.合成1 反应中H2作氧化剂
B.合成2 的反应为SiF4＋NaAlH4===SiH4＋NaAlF4
C.上述流程说明SiO2可溶于H2SO4
D.净化、热解中生成的多晶硅为还原产物
3.SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如图所示)。下列说法错误的是( )
A.高炉炼铁时，加入石灰石将铁矿石中的脉石(主要成分为SiO2)转化为易熔的炉渣
B.纯净的二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要基础材料
C.用硫酸可除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙
D.图中所含反应存在氧化还原反应
考点3 硅酸盐 无机非金属材料
1.硅酸钠
(1)硅酸盐大多数不溶于水，但硅酸钠是白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，
显碱性。
(2)硅酸钠能与酸性比硅酸强的酸反应，写出水溶液中相应的化学方程式。
与盐酸反应：Na2SiO3＋
2HCl
==
=2NaCl
＋
H 2SiO3↓。
与少量CO2反应：Na2SiO3＋
CO
2＋
H 2O ==
=Na
2CO3＋
H 2SiO3↓。
(3)用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。
2.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
石灰石、黏土
纯碱、石灰石、石英砂
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
Na2SiO3＋
CO
2↑；CaCO3＋SiO2
CaSiO3＋
CO
2↑。
3.新型无机非金属材料
4
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(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。
【小试牛刀】
微考点1 传统无机非金属材料
1.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)。
(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
微考点2 硅胶 多硅酸盐结构的理解
2.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( )
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，水分子与硅羟基形成了过多氢键从而使硅胶失去吸附力
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3.形式多样的硅酸盐是无机矿物的重要基石。SiO4
4−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
。
微考点3 新型无机非金属材料
4.(2024·河南联考)近年来，我国在航空航天、通信、环保等领域取得了举世瞩目的成就。下列说法正确
的是( )
A.富勒烯、石墨烯和碳纳米管等碳纳米材料均属于新型无机非金属材料
B.Si3N4俗称金刚砂，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料
C.“神舟十四号”载人飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐
D.二氧化硅常被用于制造光缆，是由于其导电能力强
5.(2024·河南濮阳第三次联考)氮化硅常用于制造耐高温管、切削工具。某小组以石英砂为原料制备氮化
硅的微型流程如图1 所示：
下列叙述正确的是( )
A.反应①的氧化产物为CO2
B.粗硅中可能含有金刚砂
C.反应③中的NH3可通过加热NH4Cl 制备
D.反应③的尾气可用图2 所示装置吸收
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【真题挑战】
1.(2021·湖北，1)“碳中和”有利于全球气候改善。下列有关CO2的说法错误的是( )
A.CO2是V 形的极性分子
B.CO2可催化还原为甲酸
C.CO2晶体可用于人工增雨
D.CO2是侯氏制碱法的原料之一
2.(2022·河北，1)定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是( )
A.传统陶瓷是典型的绝缘材料
B.陶瓷主要成分为SiO2和MgO
C.陶瓷烧制的过程为物理变化
D.白瓷的白色是因铁含量较高
3.(2023·湖北，3)工业制备高纯硅的主要过程如下：
石英砂
粗硅
SiHCl3
高纯硅
下列说法错误的是( )
A.制备粗硅的反应方程式为SiO2＋2C
Si＋2CO↑
B.1 mol Si 含Si—Si 的数目约为4×6.02×1023
C.原料气HCl 和H2应充分去除水和氧气
D.生成SiHCl3的反应为熵减过程
4.[2023·山东，18(1)(2)]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Si＋3HCl
SiHCl3＋H2，利用如图装置制备SiHCl3粗
品(加热及夹持装置略)。回答下列问题：
(1)制备SiHCl3时进行操作：(ⅰ)……；(ⅱ)将盛有硅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 。
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【限时训练】（限时：60 分钟）
[分值：100 分]
(选择题1~8 题，每小题5 分，9~13 题，每小题7 分，共75 分)
1.(2024·黑龙江绥化期中)“千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金。”诗句中的“沙”的主要成分是SiO2，下
列说法错误的是( )
A.“从沙滩到用户”这句话涉及工业上制备粗硅的工艺
B.“水玻璃”可以由SiO2与NaOH 溶液反应制得
C.SiO2是制取传统硅酸盐产品玻璃的原料之一
D.SiO2属于酸性氧化物，不与任何酸反应
2.(2024·河北邢台期中)“四面天成体，硅酸不二盐。合分催化易，贵贱识瑕难。粉碎出新质，熔融弃旧观。
单晶福四海，共价造人间。”有关这首五律诗的化学知识解读错误的是( )
A.硅酸盐主要以正盐形式存在
B.硅酸盐中，Si 和O 构成硅氧四面体
C.硅晶体用于制作光导纤维
D.大多数硅酸盐具有耐高温、耐腐蚀的特点
3.(2024·济南模拟)下列叙述正确的是( )
A.CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似
B.因为CaCO3＋SiO2
CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强
C.CO2和SiO2都能与碳反应，且都作氧化剂
D.SiO2既能和NaOH 反应，又能和HF 反应，所以SiO2属于两性氧化物
4.(2024·大连期中)下列说法错误的是( )
A.普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英砂为原料生产而制得的
B.超导陶瓷可应用于磁悬浮技术
C.光导纤维的主要成分为硅单质
D.实验室盛放碱溶液的试剂瓶应使用橡胶塞，而不用玻璃塞
5.(2024·湖北黄冈模拟)下列说法不正确的是( )
A.硅晶片是生产芯片的基础材料
B.芯片制造中的“光刻技术”是利用光敏树脂在曝光条件下成像，该过程涉及化学变化
C.硅在自然界中主要以单质形式存在
D.硅是应用最广泛的半导体材料
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6.(2024·长春期中)高纯度单晶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”。这种材料可以按下列方法制备：
下列说法正确的是( )
A.步骤①中X 是CO2
B.二氧化硅是酸性氧化物，能与水反应生成硅酸
C.二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应
D.SiHCl3易水解，遇水可生成H2
7.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
8.(2024·天津南开一模)高纯硅是典型的无机非金属材料，它可以按下列方法制备：
SiO2
Si(粗)
SiHCl3
Si(纯)
下列说法不正确的是( )
A.步骤③的化学方程式：SiHCl3＋H2
Si＋3HCl
B.步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol 电子
C.步骤③中的反应为氧化还原反应
D.高纯硅是制造手机芯片的常用材料，SiO2是制造太阳能电池的基本原料
9.中国建立亚洲最大太阳能发电站、神舟十三号顺利往返及三次“天宫授课”、上海官宣实现14 纳米先进
工艺量产及5G 芯片等突破，均展示了我国科技发展的巨大成就。下列相关叙述正确的是( )
A.太阳能电池板的材料是二氧化硅
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B.飞船返回舱表层材料中的玻璃纤维属于天然有机高分子材料
C.“泡腾片实验”中，柠檬酸与小苏打反应时，有电子转移
D.制造5G 芯片的氮化镓不属于合金材料
10.在20 世纪90 年代末，科学家发现碳有新的单质形态C60存在。后来人们又相继得到了C70、C76、C84、
C90、C94等另外一些球碳分子。21 世纪初，科学家又发现了管状碳分子和洋葱状碳分子，大大丰富了碳元
素单质的家族。下列有关碳元素单质的说法错误的是( )
A.金刚石和石墨的熔点肯定比C60高
B.熔点：C60<C70<C90
C.球碳分子、管状碳分子和洋葱状碳分子都不能与O2发生反应
D.金刚石以非分子形式的粒子存在，属于共价晶体；C60、C70、管状碳分子和洋葱状碳分子以分子形式的
粒子存在，属于分子晶体；这些碳单质互为同素异形体
11.二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。a~e 是对
①~⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行的判断，其中正确的是( )
①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
②SiO2＋2C
Si＋2CO↑
③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
④Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑
⑤SiO2＋3C
SiC＋2CO↑
a.反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃
b.反应②中SiO2表现出氧化性
c.反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性
d.反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的原理
e.反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应
A.ace
B.bde
C.cde
D.ab
12.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
13.Ag 催化刻蚀Si 晶片的反应原理示意图如图，刻蚀溶液由一定浓度的HF 和H2O2混合而成，刻蚀时间为
2~16 min，由Ag 薄膜覆盖的硅晶片部分逐渐被刻蚀掉，剩余部分就形成了硅纳米线。下列说法不正确的
是( )
A.Ag 薄膜附近随着反应的进行，pH 逐渐减小
B.Si 极发生的反应为Si＋2H2O－4e－===SiO2＋4H＋，SiO2＋6HF===H2SiF6＋2H2O
C.该刻蚀的总反应可表示为Si＋6HF＋2H2O2===H2SiF6＋4H2O
D.该刻蚀过程是由微小的Si、Ag、HF 和H2O2的原电池组成
14.(9 分)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：
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(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： 。
15.(16 分)硅的提纯是电子工业一项十分重要的工作，可用粗硅与干燥的HCl 气体反应制SiHCl3(其中含有
BCl3、SiCl4)，SiHCl3与过量H2在1 000~1 100 ℃反应制得纯硅。有关物质的物理性质见下表：
物质
SiCl4
BCl3
SiHCl3
沸点/℃
57.6
12.5
33.0
熔点/℃
－70.0
－107
－127
回答下列问题：
(1)基态Si 原子核外电子共有 种运动状态；粗硅与HCl 反应完全后的混合物冷却到标准状况，可
通过 (填操作名称)提纯得到SiHCl3。
(2)已知在有HF 存在的条件下，硅可以和浓硝酸反应生成六氟合硅酸(H 2Si F6)，该反应的化学方程式为
。
(3)实验室可以采用如图装置(夹持、尾气处理装置及部分加热装置均略去)用SiHCl3与过量干燥H2反应制取
纯硅。
①仪器a 的名称为 ，装置B 中的试剂为 。
②将装置C 水浴加热，该加热方式的优点是 。
③为保证实验安全，加热装置D 前必须完成的操作是：ⅰ.检验装置的气密性；ⅱ. ，该装
置中发生反应的化学方程式为 。
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