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第四章
非金属及其化合物
第12讲 碳、硅及其重要化合物
无机非金属材料
1．结合真实情况中的应用实例或通过实验探究，了解碳、硅及其重要化合物的主要性质。
2．认识碳、硅及其重要化合物在生产中的应用和对生态环境的影响。
必备知识·梳理夯实
1.碳单质
(1)存在形式：碳单质有金刚石、石墨、C60等，它们互为______________。
同素异形体
碳单质 金刚石 石墨 C60(足球烯)
空间 结构
碳原子的排列方式 空间网状结构，碳原子形成正四面体结构 片层状结构，层内碳原子形成正六边形 “足球”形状分子，碳原子形成正五边形和正六边形
物理 性质 熔点高，硬度大，不导电 熔点高，硬度小，能导电 不导电
[微点拨] 金刚石是共价晶体，石墨是混合型晶体。
(3)化学性质
①与O2反应
②与氧化物反应
A．与CuO反应：______________________________。(冶炼金属)
B．与CO2反应：___________________________。
C．与水蒸气反应：___________________________。(制取水煤气)
③与氧化性酸反应
与浓硫酸反应：_________________________________________。
与HNO3反应：__________________________________________。
(4)用途：金刚石用于制造切割刀具；石墨用于制造电极、铅笔芯。
2.碳的两种氧化物
(1)一氧化碳(CO)―→无色无味气体，有毒性，难溶于水
②还原性：可用于冶炼金属，CO还原Fe2O3：
________________________________。
(2)二氧化碳(CO2)―→无色无味气体，能溶于水，固态俗称干冰
①CO2具有酸性氧化物的通性，能与碱、碱性氧化物、某些盐等反应。
向Ca(ClO)2溶液中通入少量CO2，反应的化学方程式为___________
______________________________。
Ca(ClO)2
＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO
3.碳酸(H2CO3)
碳酸(H2CO3)是弱酸，不稳定，只能在水中存在。H2CO3在水中与CO2共存，因此常把CO2＋H2O当碳酸用。
[微点拨] CO2在自然界中的循环
①CO2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：CO2＋H2O??H2CO3(溶于江水、海水中)；光合作用将CO2转化为O2；CaCO3＋H2O＋CO2===Ca
(HCO3)2(岩石的风化)。
4.草酸、草酸盐的性质
(1)草酸的性质
草酸的化学式为H2C2O4，草酸晶体的化学式为H2C2O4·2H2O。
②还原性：H2C2O4中C元素的化合价为＋3价，具有还原性，能使酸性高锰酸钾溶液褪色，反应的化学方程式为2KMnO4＋5H2C2O4 ＋3H2SO4===K2SO4＋2MnSO4＋10CO2↑＋8H2O。
(2)草酸盐的性质
①(NH4)2C2O4溶于水，加热分解，由氨水和草酸溶液反应生成。
②CaC2O4难溶于水、醋酸，可溶于盐酸、硝酸，灼烧时转变成碳酸钙或氧化钙。
③MgC2O4微溶于水，FeC2O4难溶于水，可由对应的可溶性金属盐与草酸铵反应而得到，加热分解可得到对应金属氧化物。
1.判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)金刚石和石墨由相同的元素组成，因此它们具有相同的性质。( )
(2)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应。( )
(3)向空气中排放二氧化碳会形成酸雨。( )
(4)可以使用启普发生器作为发生装置制CO2。( )
(5)用饱和Na2CO3溶液除去CO2中的HCl。( )
(6)金属镁着火时，可以用干冰灭火。( )
×
×
×
×
×
√
(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)用活性炭去除冰箱中的异味，没有发生化学反应。( )
(9)12 g石墨和12 g金刚石均含有NA个碳原子。( )
(10)活性炭具有吸附性，故可用于去除异味和杀菌消毒。( )
(11)碳酸钡难溶于水，故可用于胃肠X射线造影检查。( )
(12)向BaCl2溶液中通入少量CO2：Ba2＋＋H2O＋CO2===BaCO3↓＋2H＋。( )
×
×
×
×
√
√
(13)利用如图装置除去CO气体中的CO2气体。( )
(14)氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体。( )
[提示] 氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出碳酸氢钠晶体。
×
√
2. (2023·湖南岳阳一模)灼热的焦炭与水蒸气反应所得产物为H2、CO和少量CO2。某校化学研究小组利用下图实验装置检验产物中的H2和CO(设气体均被充分吸收)。下列有关说法正确的是( )
A．②、③、⑤中依次盛装澄清石灰水、浓硫酸和氢氧化钠溶液
B．为了实验安全性，应先点燃①处酒精灯，后点燃④处酒精灯
C．当黑色氧化铜变红色，即可证明产物中一定含有H2和CO
D．若用碱石灰替换无水硫酸铜，也可达到检验H2和CO的目的
B
[解析] 灼热的焦炭与水蒸气反应所得产物为H2、CO和少量CO2，要检验产物中的H2和CO，需要除去产物中的少量二氧化碳，通入装置④的气体需要干燥．因此②中盛放氢氧化钠溶液，③中盛放浓硫酸，④中反应后的气体中含有水蒸气和二氧化碳，因此无水硫酸铜变成蓝色，说明含有氢气，⑤中澄清石灰水变浑浊，说明含有一氧化碳。除去二氧化碳不能选用澄清石灰水，因为其浓度太小了，A错误；生成的氢气和一氧化碳容易燃烧，可能发生爆炸，为了实验安全性，应先点燃①处酒精灯，用生成的气体排尽装置内的空气后，经验纯后点燃④处酒精灯，B正确；当黑色氧化铜变红色，即可证明产物中一定含有H2和CO中的一种或两种，C错误；若用碱石灰替换无水硫酸铜，不能检验H2和CO，只能说明生成了H2和CO中的一种或两种，D错误。
3.用化学方程式回答下列问题。
(1)除去CO中混有的少量CO2：_____________________________。
(2)除去CO2中混有的少量CO：_____________________________。
(3)除去CO2中混有的少量HCl：_______________________________
_________。
(4)水煤气的制备反应方程式：__________________________。
(5)将2 mol CO2通入含3 mol NaOH的溶液中，反应的化学方程式：__________________________________________。
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O
NaHCO3＋HCl===NaCl＋CO2↑
＋H2O
2CO2＋3NaOH===Na2CO3＋NaHCO3＋H2O
考点突破·训练提升
典例 1
微考点1 CO2在自然界中的循环
(2020·全国Ⅱ卷)二氧化碳的过量排放可对海洋生物的生存环境造成很大影响，其原理如下图所示。下列叙述错误的是( )
C
〔对点集训1〕 (2023·山东济南模拟)科技的进步为二氧化碳资源化利用提供了广阔前景。下列说法错误的是( )
A．CO2是自然界碳循环中的重要物质
B．CO2加氢转化为乙烯，CO2被还原
C．CO2电催化时，在阳极转化为燃料
D．CO2与环氧丙烷可合成可降解塑料
C
[解析] 根据图示，CO2生成C2H4、CH3OH、CO，得知CO2是自然界碳循环中的重要物质，A项正确；CO2加氢转化为乙烯中C的价态降低，被还原，B项正确；由图示，CO2电催化时，在阴极得电子发生还原反应转化为燃料CO，C项错误；CO2与环氧丙烷可合成聚碳酸酯可降解塑料，D项正确。
典例 2
微考点2 CO2与碱或盐反应
(1) (2023·山东滨州模拟)下列各溶液中通入足量CO2气体，最终有浑浊产生的是( )
①饱和Na2CO3溶液 ②澄清石灰水
③Ca(ClO)2溶液 ④CaCl2溶液
⑤Na2SiO3溶液 ⑥NaAlO2溶液
A．全部 B．除①④外
C．除①②③外 D．①⑤⑥
D
[解析] 饱和碳酸钠溶液和二氧化碳反应生成碳酸氢钠，由于碳酸氢钠溶解度比碳酸钠小，则生成沉淀，故①符合题意；向Ca(OH)2溶液中通入过量CO2会生成易溶于水的碳酸氢钙，没有沉淀，故②不符合题意；向Ca(ClO)2溶液中通入过量CO2会生成次氯酸和碳酸氢钙，没有沉淀，故③不符合题意；向CaCl2溶液中通入CO2不会发生反应，无沉淀出现，故④不符合题意；向Na2SiO3溶液中通入过量CO2会生成硅酸沉淀，故⑤符合题意；碳酸的酸性大于氢氧化铝的，将二氧化碳通入偏铝酸钠溶液中，会产生氢氧化铝白色沉淀，故⑥符合题意。
B
〔对点集训2〕 (1) (2023·河北承德二模)部分含碳物质的分类与相应碳元素的化合价关系如图所示。下列说法错误的是( )
A．a中可能含有非极性键
B．b存在多种同素异形体
C．c不属于酸性氧化物
D．d转化为e可通过化合反应实现
A
[解析] 根据含碳物质化合价分析可知，a为CH4，b为碳单质(如金刚石、石墨)，c为CO，d为CO2，e为碳酸盐或碳酸氢盐。a为CH4，不含非极性键，故A错误；b为碳单质，比如金刚石、石墨，存在多种同素异形体，故B正确；c为CO，不属于酸性氧化物，故C正确；若e为NaHCO3，d转化为e发生反应CO2＋H2O＋Na2CO3===2NaHCO3，属于化合反应，故D正确。
(2)将足量CO2通入KOH和Ba(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量(n)和通入CO2体积(y)的关系正确的是( )
D
[解析] 向KOH和Ba(OH)2的混合稀溶液中通入CO2，二氧化碳先和氢氧化钡反应生成碳酸钡沉淀，沉淀量逐渐增加，当氢氧化钡消耗完时，沉淀量最大，继续通入二氧化碳，二氧化碳和氢氧化钾反应生成碳酸钾，再生成碳酸氢钾，沉淀量不变，当碳酸钾完全反应后，继续通入二氧化碳，二氧化碳和碳酸钡、水反应生成可溶性的碳酸氢钡，碳酸钡的量逐渐减少直至完全消失，故选D。
[微点拨] 假设法判断反应的先后顺序
假若CO2先与KOH反应，反应的化学方程式为2KOH＋CO2===K2CO3＋H2O，然后产生的K2CO3会与Ba(OH)2反应，产生BaCO3沉淀和KOH，故CO2先与Ba(OH)2反应生成BaCO3沉淀。
总结：A加入B、C混合液中，可以假设A先与B反应，如果生成的产物能与C反应再次生成B，则认为A先与C反应，如果生成的产物不能与C反应，则认为A先与B反应。
(3)①向下列四种溶液中通入过量CO2，生成沉淀的是________。
a．饱和Na2CO3溶液 b．澄清石灰水
c．漂白粉溶液 d．水玻璃
ad
A
必备知识·梳理夯实
1.硅单质
[微点拨] 硅在地壳中的含量占第二位，仅次于氧，是一种亲氧元素，单质硅有晶体和无定形两种。
2.高纯硅的制备
工业上制备高纯硅，一般需要先制得纯度为98%左右的粗硅，再以其为原料制备高纯硅，原理图示如下：
涉及的主要化学反应：
3.二氧化硅
[微点拨] 光导纤维不导电，用来传输光信号。
4.硅酸
5.硅酸盐
(1)概念：由________________________________的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
(2)硅酸盐组成的表示方法
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。
①氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物间以“·”隔开。
②各元素的化合价保持不变，且满足正负化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为_________，长石(KAlSi3O8)可表示为___________________。
硅、氧和金属元素组成的化合物
Na2O·SiO2
K2O·Al2O3·6SiO2
(3)硅酸钠(Na2SiO3)
①白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称__________，有黏性，水溶液显______性。
②它能与较强的酸反应，如与盐酸、与CO2水溶液反应。
③用途：黏合剂(矿物胶)、耐火阻燃材料。
[微点拨] (1)硅酸盐大多难溶于水，常见的可溶性硅酸盐是硅酸钠，Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，与玻璃成分不同，水玻璃又称泡花碱，但它却是盐溶液，而不是碱溶液。
(2)氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构，切不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。
水玻璃
碱
6.无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料
①三种硅酸盐材料工业生产的比较
硅酸盐材料 水泥 玻璃 陶瓷
生产原料 ________________ ________________ ____________ 黏______
主要设备 ______________ __________ 陶瓷窑
主要成分 3CaO·SiO2 2CaO·SiO2 3CaO·Al2O3 Na2SiO3 CaSiO3 SiO2 硅酸盐
生产条件 高温
石灰石、黏土
纯碱、石灰石
和石英砂
土
水泥回转窑
玻璃窑
②主要用途
陶瓷、玻璃、水泥是主要建材，也广泛应用于生活中。
(2)玻璃中含有二氧化硅，因此氢氟酸可用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不能用玻璃瓶而用塑料瓶。
(3)NaOH溶液可以用玻璃瓶盛放，但不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶。
(4)用石英砂和焦炭制备粗硅的反应必须要隔绝空气在电炉中进行，得到的氧化产物是CO而不是CO2。
(5)硅与碱溶液反应时，硅为还原剂，H2O为氧化剂。
Si＋2NaOH＋4H4e－2O===Na2SiO3＋2H2↑＋3H2O。
(6)SiO2虽然既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物。
(7)酸性氧化物一般和水反应生成相应的酸，SiO2虽然是H2SiO3的酸酐，但它不与水反应，不能直接与水作用制备H2SiO3。
(2)新型无机非金属材料
①硅和二氧化硅
材料名称 用途
硅 计算机、通信设备和家用电器等的芯片；以及光伏电站、人造卫星和电动汽车等的硅太阳能电池
二氧化硅 可用来生产光导纤维
②新型陶瓷
材料类型 主要特性 示例 用途
高温结 构陶瓷 能承受高温，强度高 碳化硅陶瓷 砂纸和砂轮的磨料、耐高温结构材料和耐高温半导体材料
半导体 陶瓷 具有电学特性 氧化锡陶瓷 集成电路中的半导体
生物 陶瓷 具有生物功能 氧化铝生物陶瓷 人造骨骼、人造关节、接骨螺钉
③碳纳米材料
a．富勒烯：由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其代表物为C60。
b．碳纳米管：由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，可用于生产复合材料、电池和传感器等。
c．石墨烯：只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。
1.判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)硅的性质不活泼，故自然界中存在游离态的硅元素。( )
(2)Si和SiO2都可用于制造光导纤维集成电路板。( )
(4)将SO2通入Na2SiO3溶液，产生胶状沉淀，则酸性H2SO3>
H2SiO3。( )
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×
√
√
(5)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料。( )
(6)晶体硅熔点高、硬度大，所以可用于制作半导体材料。( )
(7)二氧化硅不与强酸反应，可用石英器皿盛放氢氟酸。( )
(8)SiO2可与氢氟酸反应，所以氢氟酸不能保存在玻璃瓶中。( )
(9)向一定浓度的Na2SiO3溶液中通入适量CO2出现白色沉淀，证明H2SiO3的酸性比H2CO3的酸性强。( )
[提示] 硅酸钠溶液中通入二氧化碳产生的白色沉淀为硅酸，根据强酸制弱酸，说明碳酸的酸性比硅酸强。
×
×
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√
√
(11)因为SiO2熔点高、硬度大，所以可用于制光导纤维。( )
[提示] SiO2熔点高、硬度大，SiO2可用于制光导纤维均正确，但无因果关系。
(12)因为HF与SiO2反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记。( )
[提示] SiO2只与酸中的HF反应。
×
×
√
(14)SiO2既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，因此SiO2是两性氧化物。( )
(15)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸。( )
[提示] SiO2能溶于氢氟酸。
(16)二氧化硅溶于水可制备硅酸。( )
[提示] SiO2难溶于水。
×
×
×
×
2.(1)从元素周期表的位置看，碳和硅均为ⅣA族元素，自然界中有碳的多种单质存在，自然界中有硅的单质吗？为什么？
[提示] 没有。因为硅有很强的亲氧性，在地壳形成时硅与氧易结合，难分离，因此硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐形式存在。
(2)从元素周期表的位置看，硅的还原性比碳强，但碳能与SiO2反应制取Si，试从化学平衡的角度认识该反应发生的原因。
(3)实验室中要熔化烧碱固体，现有三种坩埚：石英坩埚、陶瓷坩埚及铁坩埚。你认为选哪一种？
[提示] 选择铁坩埚。铁不与烧碱反应，而石英坩埚、陶瓷坩埚中都含有SiO2，能与NaOH反应使得坩埚受损。
(4)SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与氢氟酸反应，能认为SiO2属于两性氧化物吗？
[提示] SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应，又能与碱反应并且均生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应，但并不生成盐和水，这只是SiO2的一个特性，SiO2属于典型的酸性氧化物。
[提示] 不能。该反应是在高温下进行，产物中CO2为气体，生成后脱离反应体系，使反应能向右进行到底。
考点突破·训练提升
典例 1
微考点1 硅及其化合物的性质和应用
(1) (2023·河北衡水高三检测)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”。它的制备方法如图所示，下列说法正确的是( )
B
(2) (2023·广东广州模拟)某废催化剂含SiO2、ZnS、CuS及少量的Fe3O4。某实验小组以该废催化剂为原料，回收锌和铜，设计实验流程如图：
下列说法正确的是( )
A．步骤①操作中，生成的气体可用CuSO4溶液吸收
B．检验滤液1中是否含有Fe2＋，可以选用KSCN和新制的氯水
C．步骤②操作中，应先加6% H2O2，然后加入1.0 mol H2SO4
D．滤渣1和滤渣2均含有H2SiO3胶体，进一步加工可获得硅胶
A
[解析] 步骤①操作中，生成的气体是H2S，可用CuSO4溶液吸收，A正确；滤液1中存在Fe3＋，检验是否含有Fe2＋，不能选用KSCN和新制的氯水，B错误；H2O2在酸性条件下可氧化CuS，应先加入1.0 mol/L H2SO4，再加入6% H2O2，C错误；SiO2与H2SO4不反应，滤渣1和滤渣2均含有SiO2而不是H2SiO3胶体，D错误。
B
[解析] SiC和SiO2中Si元素的化合价均为＋4，A项正确；SiC是还原产物，NaCl是氧化产物，B项错误；SiO2制备单质Si需加入还原剂，单质Si制备SiCl4需加入氧化剂，C项正确；一维粒子上下表面均能与其他物质接触，比表面积大，对微小粒子有较强的吸附能力，D项正确。
(2) (2023·北京石景山区一模)“中国芯”的发展离不开高纯单晶硅。从石英砂(主要成分为SiO2)制取高纯硅涉及的主要反应用流程图表示如下：
下列说法不正确的是( )
A．反应①中氧化剂和还原剂物质的量之比为1∶2
B．流程中HCl和H2可以循环利用
C．反应①②③均为置换反应
D．由②③反应推测，③为放热反应
D
[解析] 反应①中SiO2与焦炭反应生成Si和CO，SiO2是氧化剂，C是还原剂，根据得失电子守恒推知，其物质的量之比为1∶2，A正确；②中消耗HCl生成H2，③中消耗H2生成HCl，故流程中HCl和H2可以循环利用，B正确；反应①②③都是“单质＋化合物→新单质＋新化合物”，故属于置换反应，C正确：反应③是SiHCl3与H2在1 100 ℃时反应生成Si和HCl，应为吸热反应，D错误。
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：
甲．粗硅与HCl气体反应完全后，经冷凝得到SiHCl3(沸点为36.5 ℃)，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________。
蒸馏
乙．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处前应先打开A处分液漏斗的活塞，目的是___________
_____________________。
②C处烧瓶需要加热，采用的方法是____________。
③D处发生反应的化学方程式为_____________________________
_______。
排出系统
内的空气，以防爆炸
水浴加热
＋3HCl
[解析] 甲．SiHCl3、SiCl4、HCl沸点不同，提纯SiHCl3的方法为蒸馏；乙．SiHCl3与过量H2在装置D中反应，防止加热中空气与H2混合发生爆炸，需要先通一段时间H2排出装置中的空气，具体操作为在加热D处前应先打开A处分液漏斗的活塞；装置C中加热温度高于SiHCl3的沸点，将SiHCl3汽化进入装置D中反应。
归纳拓展
1
2
3
硅及其化合物的性质与应用的易错点
Si、SiO2都能与NaOH溶液、氢氟酸反应，但不能与其他酸反应。
SiO2是酸性氧化物，但不与水反应，不能用SiO2与水反应制备H2SiO3。
在溶液中，硅酸盐能与稀盐酸、CO2等反应析出H2SiO3沉淀，如Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
典例 2
微考点2 常见无机非金属材料及其主要用途
(1) (2023·海南高三检测)下列我国古代优秀艺术作品中，所用材料不属于无机非金属材料的是( )
A B C D
商代后母戊鼎 新石器时代人面鱼纹彩陶盆 明永乐青花竹石芭蕉纹梅瓶
三国青瓷羊
形烛台
A
[解析] 传统无机非金属材料主要包括水泥、玻璃和陶瓷，后母戊鼎所用材料属于金属材料，不属于无机非金属材料，A项符合题意。
D
[考题点睛]
[解析] Ca3SiO5可以写成CaSiO3·2CaO，可与NH4Cl反应生成CaCl2、NH3和H2O，A正确；水泥是由黏土和石灰石经高温烧制而成，具有吸水性，为防止吸水变硬，要将水泥密封保存，B正确；H2SO3的酸性比H2SiO3强，题给硅酸盐与SO2发生反应：Ca3SiO5＋3SO2＋H2O===3CaSO3↓＋H2SiO3↓，C正确；Ca3SiO5与盐酸反应：Ca3SiO5＋6HCl===3CaCl2＋H2SiO3↓＋2H2O，固体为H2SiO3，D错误。
〔对点集训2〕 (1) (2023·江苏高三模拟)宁波博物馆墙面通过两种方式装饰而成：第一种方式利用民间收集的上百万片明清砖瓦手工砌成瓦爿墙，另一种方式利用竹条加入混凝土，在表面展现竹的纹理，充分体现了建筑本身也是一件特殊的“文物”和“展品”。展品中陈列有大量宋代精美瓷器——青花瓷。下列说法错误的是( )
A．古代的陶瓷、砖瓦及现代的玻璃、水泥等，都是硅酸盐产品
B．工业上制取水泥的主要原料为黏土、石灰石
C．博物馆窗户上普通玻璃的主要成分是SiO2
D．青花瓷胎体的原料为高岭土
[解析] 普通玻璃是硅酸盐产品，其主要成分是Na2SiO3、CaSiO3·SiO2。
C
(2) (2023·山东日照月考)宇航员在升空、返回或遇到紧急情况时，必须穿上10 kg重的舱内航天服，在舱外需穿120 kg的舱外航天服，我国宇航员的航天服是由我国科学家研制的新型“连续纤维增韧”航空材料做成的，主要成分由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。下列相关叙述错误的是( )
A．它耐高温、抗氧化
B．它比钢铁轻，但质地较脆
C．它没有固定熔点
D．它是一种新型无机非金属材料
[解析] 由题目信息中“连续纤维增韧”可知，该航天服的韧性很好，质地并不脆，B错误。
B
(3) (2023·河北衡水模拟)下列关于硅酸盐及新型无机非金属材料的说法正确的是( )
A．汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土
B．SiO2具有导电性且硬度大，所以可用于制作光导纤维和光电池
C．传统无机非金属材料是指光导纤维、玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料
D．新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差
[解析] 工业上以黏土为原料烧制瓷器，A正确；二氧化硅对光具有良好的全反射作用，故用于制作光导纤维，而Si为半导体材料，可作光电池材料，B错误；光导纤维是新型无机非金属材料，C错误；新型无机非金属材料具有高强度，D错误。
A
本讲要点速记：
1.注意以下物质的重要用途
Si——半导体材料、太阳能电池板。
SiO2——光导纤维。
H2SiO3——硅胶可作干燥剂。
Na2SiO3(其水溶液俗称水玻璃)——黏合剂、耐火阻燃材料。
2.熟记三种物质的性质
(1)硅的三个特性：与HF、F2反应；与NaOH反应生成H2。
(2)SiO2的两个性质：酸性氧化物的通性、氧化性。
(3)H2SiO3的两个性质：酸性(弱于碳酸)、不稳定性。
3.硅酸盐的三点提醒
(1)盛Na2SiO3的试剂瓶应密封，否则Na2SiO3吸收空气中的CO2和H2O会变质。
(2)盛Na2SiO3的试剂瓶不能用玻璃塞，因为其本身是一种黏合剂。
6.掌握一个特殊的表示方法：硅酸盐可以用氧化物的形式表示
如钾长石KAlSi3O8―→K2O·Al2O3·6SiO2。
青石棉Na2Fe5Si8O22(OH)2―→Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O。第12讲 碳、硅及其重要化合物 无机非金属材料
一、选择题：本题共10小题，每小题只有一个选项符合题目要求。
1．(2023·山东威海模拟)我国四川广汉的三星堆遗址距今已有3 000～5 000年历史，2021年3月20日，三星堆遗址新出土了多达500多件重要文物，如黄金面具、丝绸“黑炭”、青铜神树、陶瓷碎片等。下列有关叙述错误的是( B )
A．考古利用C测定文物的年代，C的中子数为8
B．黄金面具、青铜神树的成分均为纯金属
C．丝绸转化为“黑炭”的过程涉及化学变化
D．三星堆中含有大量的陶瓷碎片，属于无机非金属材料
[解析] C的质子数为6、质量数为14，中子数为(14－6)＝8，故A正确；青铜神树的成分为铜合金，故B错误；丝绸转化为“黑炭”的过程中有新物质生成，属于化学变化，故C正确；陶瓷碎片的主要成分是硅酸盐，硅酸盐属于无机非金属材料，故D正确。
2．(2023·广东模拟)新材料的新秀——石墨烯、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( D )
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
[解析] 石墨烯是碳的单质，不是化合物，A错误；氧化石墨烯因为还含有氢元素，故不是石墨烯的氧化物，也不是碳的同素异形体，B、C错误；由于氧化石墨烯结构中含有羟基和羧基等亲水基团，所以具有一定的亲水性，D正确。
3．(2023·福建福州模拟)海洋碳循环是全球碳循环的重要组成部分，是影响全球气候变化的关键控制环节。如图为海洋中碳循环的简单原理图。下列说法错误的是( D )
A．海洋碳循环过程中能将太阳能转化为化学能
B．钙化释放CO2的离子方程式：2HCO＋Ca2＋===CaCO3↓＋CO2↑＋H2O
C．影响海洋碳循环的因素主要有海水的酸碱性、水温、藻类生物的分布等
D．光合作用，每生成0.1 mol(CH2O)x转移电子数为0.4NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)
[解析] 如图CO2在弱碱性条件下转化成Na2CO3、NaHCO3，遇氯化钙发生2HCO＋Ca2＋===CaCO3↓＋CO2↑＋H2O，生成CaCO3沉淀钙化同时释放CO2，再经光合作用，形成有机物参与海洋碳循环。CO2经光合作用形成有机物参与海洋碳循环，过程中能将太阳能转化为化学能，故A正确；钙化生成CaCO3沉淀同时释放CO2的离子方程式：2HCO＋Ca2＋===CaCO3↓＋CO2↑＋H2O，故B正确；温度高或酸性条件下，二氧化碳在水中溶解度小，影响海洋碳循环的因素主要有海水的酸碱性、水温、藻类生物的分布等，故C正确；光合作用，碳由＋4价降为0价，每生成0.1 mol(CH2O)x转移电子数为0.4xNA(NA表示阿伏加德罗常数的值)，故D错误。
4．(2023·山东济南模拟)近年来我国取得让世界瞩目的科技成果，化学功不可没。下列说法错误的是( B )
A．“嫦娥五号”运载火箭用液氧液氢推进剂，产物对环境无污染
B．“北斗系统”组网成功，北斗芯片中的半导体材料为二氧化硅
C．“天和核心舱”电推进系统中的腔体采用氮化硼陶瓷属于新型无机非金属材料
D．“奋斗者”号潜水器外壳材料为钛合金，钛合金耐高压、耐腐蚀
[解析] 液氧与液氢反应生成H2O，水对环境无污染，选项A正确；半导体材料是晶体硅，二氧化硅是制备光导纤维的原料，选项B错误；新型无机非金属材料包括高温结构陶瓷、光导纤维和碳纳米材料等，其中如氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷属于高温结构陶瓷，选项C正确；钛合金具有强度高、耐腐蚀性好、耐热性高的特点，选项D正确。
5．(2023·辽宁模拟)“嫦娥五号”成功着陆月球，展示了以芳纶为主制成的五星红旗，用SiC增强铝基材料钻杆“挖土”，实现了中国首次月球无人采样返回。研究表明月球表面的“土壤”主要含有氧、硅、铝、铁、镁、钙和钠等元素。下列有关说法正确的是( C )
A．“嫦娥五号”使用的太阳能电池阵和锂离子电池组，均可将化学能转变成电能
B．制作五星红旗用的芳纶为合成纤维，具有烧焦羽毛的气味
C．制作钻杆用的SiC又称金刚砂，具有硬度大、耐磨性好的优点
D．月球表面的“土壤”所含元素均可以利用焰色试验进行判断
[解析] “嫦娥五号”使用的太阳能电池阵，是将太阳能转化为电能，锂离子电池组，是将化学能转变成电能，故A错误；蛋白质燃烧会闻到烧焦羽毛气味，芳纶纤维属于合成纤维，不是蛋白质，故B错误；SiC俗称金刚砂，为共价晶体，硬度大，熔点高，耐磨性好，可用于制作高强度、耐高温、耐磨的产品，如高温结构陶瓷和轴承等，故C正确；焰色试验是一些金属元素的性质，不是所有元素都具有的性质，利用焰色试验不能判断月球表面的“土壤”所含的全部元素，故D错误。
6．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( C )
A．实验室熔融烧碱时，不可选用陶瓷坩埚
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，主要化学成分是二氧化硅
D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
[解析] 陶瓷含有二氧化硅，烧碱为氢氧化钠，能够与陶瓷中的二氧化硅反应，熔融烧碱时不能选用陶瓷坩埚，故A正确；陶瓷的传统概念是指所有以黏土等无机非金属矿物为原材料，经过高温烧制而成的产品，闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成，故B正确；陶瓷由黏土经高温烧结而成，主要化学成分是硅酸盐，在新石器时代就已经开始使用，应用较早，故C错误；硅酸盐材料的化学性质不活泼，具有耐酸碱腐蚀、抗氧化等优点，故D正确。
7．(2023·河北衡水检测)健康饮食是人们生活质量提高的一种体现。下列说法不正确的是( A )
A．明矾的化学成分为硫酸钠，是传统的食品改良剂和膨松剂
B．奶粉中可添加硫酸亚铁、硫酸锌等作为营养强化剂
C．味精的主要成分是谷氨酸钠，是一种常用的增味剂
D．豆腐中含有盐卤(氯化镁或硫酸钙)，菠菜中含有草酸，两者不宜混合烧制
[解析] 明矾的化学成分为KAl(SO4)2·12H2O，常用作净水剂，小苏打(NaHCO3)是传统的食品改良剂和膨松剂，故A错误；奶粉中添加硫酸亚铁、硫酸锌等可补充Fe、Zn等微量元素，作为营养强化剂，故B正确；味精为谷氨酸钠，是一种鲜味调味料，易溶于水，其水溶液有浓厚鲜味，故C正确；硫酸钙、草酸两者混合会发生反应CaSO4＋H2C2O4===CaC2O4↓＋H2SO4，故D正确。
8．(2023·山东枣庄八中检测)《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙黏土而为之”“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。下列说法错误的是( A )
A．沙子和黏土主要成分为硅酸盐
B．“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理化学变化
C．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦
D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
[解析] 沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，A错误；“燃薪举火”烧制黏土，该过程发生一系列复杂的物理化学变化，制得砖、瓦等硅酸盐产品，B正确；根据“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”可知，烧制后浇水冷却成青瓦，C正确；黏土是制造砖瓦、陶瓷的主要原料，D正确。
9．(2023·湖南雅礼中学月考)食品中的应型乳液是指在外界环境的微小刺激下，油水乳液可以在“稳定”与“破乳”之间快速转换的体系，科学家发现CO2可以作为外界微小刺激物，成为应型乳液的开关(原理如图所示)。有关说法正确的是( B )
A．食品中物质A或物质B的含量较多，否则转化反应不明显，效果较差
B．CO2作为外界微小刺激物，具有绿色、廉价、生物相容性好的优点
C．通入CO2，物质A转化为物质B，是“破乳”过程
D．通入N2，目的是防止食品变质
[解析] CO2可以作为外界微小刺激物，反应微量，食品中物质A或物质B的含量也很少，如果较多，也会影响食品质量，A错误；CO2属于空气的成分之一，作为外界微小刺激物，具有绿色、廉价、生物相容性好的优点，B正确；通入CO2，物质A转化为物质B，是乳液“稳定”过程，生成了离子化合物，增加了稳定性，C错误；通入N2，驱赶CO2，目的是破乳，D错误。
10．如图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程，下列说法正确的是( C )
A．SiO2除能与HF反应外，还能与其他强酸反应
B．盛放Na2CO3溶液的试剂瓶能用玻璃塞
C．硅胶吸水后可重复再生
D．图中所示转化反应都是氧化还原反应
[解析] SiO2是酸性氧化物，与HF溶液反应是其特殊性质，A错误；Na2CO3溶液显碱性，保存时不能用带玻璃塞的试剂瓶，B错误；在题给图示转化关系中，只有制Si过程的反应为氧化还原反应，其余的均为非氧化还原反应，D错误。
二、非选择题：本题共4小题。
11．(2023·福建福州模拟)X是一种新型无机非金属材料，具有耐磨、耐腐蚀、抗冷热冲击性。有关生产过程如图：
为了确定C的组成，某同学进行了如图的探究过程。已知F、G都是难溶于水和稀硝酸的白色沉淀，I可用于制造光导纤维。
按要求回答下列问题：
(1)C的化学式为 SiCl4 ；X的化学式为 Si3N4 。
(2)写出下列方程式。
反应①的化学方程式： Si＋2Cl2SiCl4 ；
反应⑦的离子方程式： SiO＋2H2O＋2CO2===H2SiO3↓＋2HCO 。
[解析] 本题可从I入手推断，I可用于制造光导纤维，故其为二氧化硅，F为硅酸，H为硅酸钠，E为HCl，C为四氯化硅，X为Si3N4。反应①为Si与Cl2反应生成SiCl4，反应⑦为硅酸钠与过量的二氧化碳反应生成硅酸和碳酸氢钠。
12．(2023·山东济南检测)二氯二氢硅(SiH2Cl2)常用于外延法工艺中重要的硅源。易燃、有毒，与水接触易水解，沸点为8.2 ℃。在铜催化作用下，HCl与硅在250～260 ℃反应可以制得SiH2Cl2。
(1)利用浓硫酸、浓盐酸为原料，选用A装置制取HCl，利用了浓硫酸的 吸水 性。
(2)D装置中生成二氯二氢硅的化学方程式为 Si＋2HClSiH2Cl2 。
(3)按照气体从左到右的方向，制取SiH2Cl2的装置(h处用止水夹夹好)连接顺序为a→( d )→( e )→( f )→( g )→( b )→( c )→( d )(填仪器接口的字母，其中装置C用到2次)。
(4)按从左到右的顺序，前面装置C中装的药品为 P2O5(或无水CaCl2) ，后面装置C的作用为 尾气处理和防止空气中的水进入B中 。
(5)反应除生成二氯二氢硅之外，还会生成H2和 SiCl4 、 SiHCl3 等。
(6)新的制取SiH2Cl2的方法是往硅粉中先通入Cl2，在300～350 ℃反应生成SiCl4，然后再与HCl在250～260 ℃反应，可以大大提高产率。如果通入气体顺序相反，结果会 SiH2Cl2＋2Cl2SiCl4＋2HCl(或SiH2Cl2＋Cl2SiHCl3＋HCl) (用化学方程式表示)。
[解析] (1)浓硫酸有吸水性，使浓盐酸更易挥发出HCl。(2)利用原子守恒法配平。(3)A装置制取HCl，连接C装置干燥，从f进入D中反应，SiH2Cl2从g处挥发，在B装置中收集，SiH2Cl2的密度比空气大，导气管应长进短出，为防止空气中的水进入B中，则应在B后接干燥管。(4)前面的装置C是用来干燥氯化氢气体的，应选用P2O5或无水CaCl2，后面装置C的作用为尾气处理和防止空气中的水进入B中，应选碱石灰。(6)如果通入气体顺序相反，SiH2Cl2会与Cl2继续反应，生成SiCl4、SiHCl3。
13．(2023·湖南雅礼中学检测)晶体硅是一种重要的非金属材料，制备高纯硅的主要步骤如下：
①高温下用炭还原二氧化硅制得粗硅；
②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2；
③SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃反应制得纯硅。
已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。
请回答下列问题：
(1)第①步制备粗硅的化学方程式为 2C＋SiO22CO↑＋Si 。
(2)粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点－84.7 ℃)，提纯SiHCl3采用的方法为 分馏法 。
(3)用SiHCl3与过量的H2反应制备纯硅的装置如下(热源及夹持装置略去)：
①装置B中的试剂是 浓硫酸 。装置C中的烧瓶需要加热，其目的是 使滴入烧瓶的SiHCl3汽化 。
②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是 有固体物质生成 。装置D不能采用普通玻璃管的原因是 在反应温度下，普通玻璃会软化 ，装置D中发生反应的化学方程式为 SiHCl3＋H2Si＋3HCl 。
③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及 排尽装置内的空气 。
④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂是 bd (填字母)。
a．碘水 B．氯水
c．NaOH溶液 D．KSCN溶液
e．Na2SO3溶液
14．(2022·福建三明月考)现有如图所示的转化关系，水和部分产物已略去。
已知：①X和Z是两种透明、不溶于水的坚硬固体，其中Z无固定熔点，是现代建筑不可缺少的装饰和采光材料；
②无色气体A是引起温室效应的主要气体；
③B、D均为难溶于水的白色固体；
④高纯度的F是使用最广泛的半导体材料。
据此回答下列问题：
(1)Z的名称是 玻璃 ，工艺师在Z表面刻蚀花纹图案需用的试剂为 氢氟酸 (填名称)。
(2)由X、Y制F的化学方程式为 SiO2＋2C2CO↑＋Si ，此反应中Y作 还原 (填“氧化”或“还原”)剂。
(3)转化①的化学方程式为 SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O ；转化②(A少量)的离子方程式为 SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO 。
[解析] 由题意可知X为SiO2；无色气体A为CO2；B、D均为难溶于水的白色固体，由流程分析可知B为CaCO3，D为H2SiO3；高纯度F是使用最广泛的半导体材料，F为Si。由流程可知Y为焦炭，C为Na2SiO3。(1)由题意判断Z为玻璃；工艺师在Z表面刻蚀花纹图案需用的试剂为氢氟酸。(2)由X、Y制F的化学方程式为SiO2＋2C2CO↑＋Si，C作还原剂。(3)转化①的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；A为CO2，转化②(A少量)的离子方程式为SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO。
