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第四节　碳硅及无机非金属材料
第四章
非金属及其化合物
课标要求 核心素养
1.能知道传统的无机非金属材料陶瓷、玻璃、水泥的制备原料、成分及其主要应用。
2.能结合具体实例了解新型无机非金属材料的结构特点、性能及其主要应用。
3.能了解制备高纯度硅的化学原理。
4.能从材料组成的角度对生活中常见的材料进行分类，能根据使用需求选择适当的材料、解释使用注意事项，并能科学合理使用。 1.宏观辨识与微观探析：通过对碳、硅结构的分析，体会运用原子结构微观解释化学现象、揭示现象的本质和规律的思维方法。
2.科学态度与社会责任：通过学习硅元素单质及其化合物之间相互转化的现象和本质，解决实际问题，为人类生活提供服务，认识其在生产中的应用和对生态环境的影响。
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[自主测评]
1.易错易混辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)。
(1)唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于二氧化硅。
(
)
(2)水泥具有水硬性。(
)
(3)制普通玻璃的原料是纯碱、石灰石、石英。(
)
(4)Si 和 SiO2 都可用于制造光导纤维。(
)
)
(5)非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4。(
(6)硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应。(
(7)SiO2 是酸性氧化物，可溶于强碱，不溶于任何酸。(
)
)
答案：(1)×　错因：唐三彩、秦兵马俑制品属于硅酸盐产品。
(2)√
(4)×
(5)√
(6)×
(7)×
(3)√
错因：光导纤维的主要成分是 SiO2。
错因：常温下，硅可以与氢氟酸反应生成 SiF4 和 H2。
错因：SiO2 可溶于氢氟酸。
2.下列叙述正确的是(
)
A.硅酸钠是硅酸盐，但不能溶于水
B.电影银幕用水玻璃浸泡，主要是为了防腐
C.建筑工业常用水玻璃作黏合剂
D.用水玻璃浸泡铁道的木制枕木，主要是为了防火
答案：C
3.碳纳米管是继足球烯(C60)以后发现的又一种碳单质，以下有
)
关碳纳米管与足球烯(C60)的说法错误的是(
A.它们的物理性质有较大差异
B.在常温下它们的化学性质都稳定
C.它们是不同的碳单质
D.它们分别完全燃烧后生成物不同
答案：D
材料 普通硅酸盐水泥 普通玻璃 陶瓷
生产原料 ________、黏土 ______、石灰石、________ _______
主要成分 — Na2SiO3、CaSiO3和SiO2 —
考点一 硅酸盐材料
1.常见硅酸盐材料比较
石灰石
纯碱
石英砂
黏土
2.玻璃生产中的两个重要反应：
_________________________________________；
_________________________________________。
Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋SiO2
CaSiO3＋CO2↑
Na2SiO3 的水溶液俗称水玻璃，具有黏结力强、耐高温等特性，
可以用作黏合剂和防火剂。
3.硅酸盐的结构
高
高
在硅酸盐中，Si 和 O 构成了硅氧四面体，其结构如图所示：
硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度
______、熔点______、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。
考点二 新型无机非金属材料
1.硅和二氧化硅
(1)硅的位置及存在
ⅣA
硅酸盐
氧化物
硅位于元素周期表第三周期、第______族，处于金属与非金
属过渡位置，是应用最为广泛的半导体材料。硅在自然界中主要
以_________和____________(如水晶、玛瑙)的形式存在。自然界
中不存在硅单质。
(2)硅的性质和用途
Si＋O2
SiO2
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
(3)二氧化硅的性质和用途
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
材料类别 主要特性 示例 用途
高温结
构陶瓷 能承受高温，
强度高 氮化硅陶瓷 汽轮机叶片、轴承、永久
性模具等
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 光缆通信、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
2.其他新型无机非金属材料
新型材料 结构特点 主要性能 主要应用
富勒烯
碳原子构成的一
系列笼形分子 — 工业材料，应用于电
化学，催化剂，化妆
品，抗癌药物等
3.碳纳米材料
新型材料 结构特点 主要性能 主要应用
碳纳
米管 石墨片层卷成的
直径纳米级的管
状物 比表面积大，具
有高的强度和优
良的电学性能 生产复合材料、电池
和传感器等
(续表)
新型材料 结构特点 主要性能 主要应用
石墨烯
只有一个碳原子直
径厚度的单层石墨 电阻率低、热
导率高、具有
很高的强度 应用于光电器件、超
级电容器、电池和复
合材料等方面
(续表)
考向 1 碳及其化合物的性质与应用
1.(2023 年佛山一模)碳酸盐约占海水盐分的 0.34%，一种海水
脱硫的新工艺如图所示。下列说法错误的是(
)
A.SO2 排入大气易引起酸雨
B.海水吸收二氧化硫时可能有 CO2 逸出
C.处理后的海水 pH 增大
D.海水脱硫工艺简单，投资及运行费用低
解析：SO2 排入大气易引起硫酸型酸雨，原理为 SO2＋H2O
H2SO3、2H2SO3＋O2
2H2SO4，A 正确；由于 SO2 溶于水后形成的
H2SO3 的酸性强于 H2CO3，海水中含有碳酸盐，故海水中吸收二氧化
硫时可能有 CO2 逸出，B 正确；天然海水中由于含有碳酸盐而呈碱性，
处理后的海水中碳酸盐的量减少变成了硫酸盐，硫酸盐呈中性，故处
理后海水的pH减小，C 错误；海水脱硫是利用天然海水的碱度中和烟
气中的酸性气体 SO2，将大气中的 SO2 转化为硫酸盐直接送入大海，
该工艺简单，投资及运行费用低，D 正确。
答案：C
2.草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中，其 K1＝5.4×10-2，
K2＝5.4×10-5。草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。
草酸晶体(H2C2O4·2H2O)无色，熔点为 101 ℃，易溶于水，受热脱
水、升华，170 ℃以上分解。回答下列问题：
(1)甲组同学按照如图所示的装置，通过实验检验草酸晶体的
分解产物。装置 C 中可观察到的现象是____________________，
由此可知草酸晶体分解的产物中有 CO2。装置 B 的主要作用是
______________________________________________________。
(2)乙组同学认为草酸晶体分解的产物中含有 CO，为进行验
证，选用甲组实验中的装置 A、B 和下图所示的部分装置(可以重
复选用)进行实验。
D
E
F
G
H
I
①乙组同学的实验装置中，依次连接的合理顺序为 A、B、
____________________。装置 H 反应管中盛有的物质是 CuO。
②能证明草酸晶体分解产物中有 CO 的现象是___________
________________________________________。
解析：(1)乙二酸的分解产物中含有二氧化碳，装置 C 中产生
气泡，澄清石灰水变浑浊；由于草酸受热易升华，在澄清石灰水
中会生成白色沉淀草酸钙，故在检验 CO2 之前必须将草酸蒸气除
去，以免对二氧化碳的检验产生干扰，而装置 B 中的冰水冷凝即
可除去草酸蒸气。(2)①检验 CO 可用灼热的氧化铜，由于草酸分
解会生成二氧化碳，所以在 CO 还原氧化铜之前必须预先将草酸
分解生成的二氧化碳除去。因此装置的连接顺序是：首先使 B 中
逸出的气体通过浓氢氧化钠溶液将二氧化碳除去，并用澄清石灰
水检验二氧化碳是否除尽；然后将气体进行干燥以免玻璃管 H 炸
裂，再通入玻璃管 H 使 CO 还原氧化铜。检验生成的二氧化碳仍
需使用澄清石灰水。最后，用排水法收集未反应完的 CO，以免污
染空气，故装置的连接顺序是 F、D、G、H、D、I。②若分解产
物中含有 CO，则玻璃管中黑色的氧化铜变为红色，其后的澄清石
灰水会变浑浊。
答案：(1)有气泡冒出，澄清石灰水变浑浊
冷凝水蒸气、草
酸等，防止草酸进入装置 C 反应生成沉淀，干扰 CO2 的检验
(2)①FDGHDI
②装置 H 中黑色粉末变为红色，其后的装置 D 中澄清石灰水
变浑浊
考向 2 硅及其化合物的性质与应用
3.(2023 年湖北卷)工业制备高纯硅的主要过程如下：
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 键的数目约为 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
解析：SiO2 和 C 在高温下发生反应生成 Si 和 CO，因此，制备粗硅
的反应方程式为 SiO2＋2C
Si＋2CO↑，A 正确；在晶体硅中，每个
Si 与其周围的 4 个 Si 形成共价键并形成立体空间网状结构，因此，平均
每个 Si 形成 2 个共价键，1 mol Si 含 Si—Si 键的数目约为 2×6.02×1023，
B 错误；HCl 易与水形成盐酸，在一定的条件下氧气可以将 HCl 氧化；
H2 在高温下遇到氧气能发生反应生成水，且其易燃易爆，其与 SiHCl3 在
高温下反应生成硅和 HCl，因此，原料气 HCl 和H2应充分去除水和氧气，
C 正确；Si＋3HCl
SiHCl3＋H2，该反应是气体分子数减少的反
应，因此，生成 SiHCl3 的反应为熵减过程，D 正确。
答案：B
4.(2023 年邢台联考)高纯度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”。可以按下列方法制备：
下列说法不正确的是(
)
A.步骤①的化学方程式为 SiO2＋C
Si＋CO2↑
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.SiHCl3(沸点 33.0 ℃)中含有少量的 SiCl4(沸点 57.6 ℃)，通
过蒸馏(或分馏)可提纯 SiHCl3
解析：二氧化硅高温下与 C 反应生成 CO 气体，即步骤①的
化学方程式为 SiO2＋2C
Si＋2CO↑，A 错误；步骤①中 Si 的
化合价由＋4 价降低到 0 价，故生成 1 mol Si 时转移电子为 4 mol，
B 正确；高纯硅是半导体，是制造集成电路、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，C 正确；SiHCl3 和
SiCl4 的沸点相差较大，两种液体可以通过蒸馏的方法分离，D 正
确。
答案：A
[归纳提升]制备高纯硅过程中的 3 个易错点
考向 3 无机非金属材料
5.(2023 年湖南联考)科技发展改变生活，近几年我国人工智
能、航空航天、量子通信、生命科学大放异彩。下列说法不正确
的是(
)
A.“神舟”飞船航天员所使用的操纵杆采用碳纤维材料制
作，碳纤维属于新型无机非金属材料
B.清华大学打造的世界首款异构融合类脑芯片——天机芯的
主要材料与光导纤维的不同
C.“长征五号遥五”运载火箭中使用的氮化铝陶瓷属于新型
硅酸盐材料
D.量子通信材料螺旋碳纳米管与石墨烯互为同素异形体
解析：碳纤维是指含碳量在 90%以上的高强度、高模量纤维，
碳纤维材料属于新型无机非金属材料，A 正确；清华大学打造的
世界首款异构融合类脑芯片——天机芯的主要材料是 Si，光导纤
维的主要材料为 SiO2，B 正确；氮化铝陶瓷具有耐高温、耐酸碱
腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点，属于新型无机非金属材
料，但不是硅酸盐材料，C 错误；量子通信材料螺旋碳纳米管为
碳单质，石墨烯也为碳单质，两者是同种元素的不同单质，两者
互为同素异形体，D 正确。
答案：C
6.(2023 年阜新模拟)龙泉窑是中国历史上的一个名窑，是中国
制瓷史上延续历史最长的一个瓷窑系，龙泉窑以烧制青瓷而闻名，
下列有关说法错误的是(
)
A.高温烧结过程包含复杂的化学变化
B.瓷器具有耐酸碱腐蚀、不易变形的优点
C.制作瓷器所用的黏土原料是人工合成的
D.瓷器属于硅酸盐产品，含有多种金属元素
解析：高温烧结过程是许多物理、化学变化的综合过程，A
正确；陶瓷成分是硅酸盐，经高温烧结具有耐酸碱腐蚀、不易变
形的优点，B 正确；黏土是含沙粒很少、有黏性的土壤，一般的
黏土都由硅酸盐矿物在地球表面风化后形成，不是人工合成的，
C 错误；陶瓷主要原料是黏土，属硅酸盐产品，含有多种金属元
素，D 正确。
答案：C
[归纳提升]有关无机非金属材料的 4 个易错点
解析：由题意可知，二氧化硅与氢氟酸溶液反应生成强酸
2H2O，A 正确；硫化锗与氢气共热反应时，氢气与硫化锗反应生
成锗和硫化氢，硫化氢高温下分解生成硫和氢气，则反应的总方
程式为 GeS2
Ge＋2S，B 错误；铅蓄电池放电时，二氧化铅为
正极，酸性条件下在硫酸根离子作用下二氧化铅得到电子发生还
原反应生成硫酸铅和水，电极反应式为正极反应 PbO2＋SO　 ＋
答案：A
2e－＋4H＋===PbSO4＋2H2O，C错误；由题意可知，1 mol甲烷完全燃烧生成二氧化碳和液态水放出热量为890.3 kJ，反应的热化学方程式为CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH2＝－890.3 kJ·mol-1，D错误。
2.(2022 年河北选择考)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
解析：陶瓷是良好的绝缘体，传统陶瓷是典型的绝缘材料，
常用于高压变压器的开关外包装和器件，A 正确；陶瓷的主要成
分为硅酸盐，而不是 SiO2 和 MgO，C 错误；陶瓷烧制过程发生复
杂的化学反应，由新物质生成，属于化学变化，C错误；由于 Fe2+、
Fe3+和铁的氧化物均有颜色，故陶瓷中含铁量越多，陶瓷的颜色越
深，白瓷的白色是因为铁含量较低甚至几乎不含，D 错误。
答案：A
3.(2022 年福建卷)福建多个科研机构经过长期联合研究发现，
使用 C60 和改性的 Cu 基催化剂，可打通从合成气经草酸二甲酯常
)
压催化加氢制备乙二醇的技术难关。下列说法正确的是(
A.草酸属于无机物
B.C60 与石墨互为同分异构体
C.Cu 属于过渡元素
D.催化剂通过降低焓变加快反应速率
解析：草酸属于二元弱酸，即乙二酸，属于有机物，A 错误；
C60 与石墨是碳元素的不同单质，互为同素异形体，B 错误；Cu
为ⅠB 族，属于过渡元素，C正确；催化剂通过降低反应的活化能
加快反应速率，反应焓变不变，D 错误。
答案：C
4.(2023 年山东卷)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，利用如下装置制
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_____________________________________。
(3)采用如下方法测定溶有少量 HCl 的 SiHCl3 纯度。
m1 g 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m2 g，从下列仪器中选出①②
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)。
解析：氯化氢气体通入浓硫酸干燥后，在管式炉中和硅在高温下
反应，生成三氯甲硅烷和氢气，由于三氯甲硅烷沸点为 31.8 ℃，熔点
为－126.5 ℃，在球形冷凝管中可冷却成液态，在装置 C 中收集起来，
氢气则通过 D 装置排出，同时 D 可处理多余吸收的氯化氢气体。
(1)制备 SiHCl3 时，由于氯化氢、SiHCl3 和氢气都是气体，所以组装好
装置后，要先检查装置气密性，然后将盛有硅粉的瓷舟置于管式炉中，
通入氯化氢气体，排出装置中的空气，一段时间后，接通冷凝装置，
加热开始反应，当管式炉中没有固体剩余时，即硅粉完全反应，SiHCl3
易水解，所以需要在 C、D 之间加一个干燥装置，防止 D 中的水蒸气
进入装置 C 中，另外氢氧化钠溶液不能吸收氢气，需要在 D 后面加处
理氢气的装置。(2)已知电负性 Cl＞H＞Si，则 SiHCl3 中氯元素的化合
价为－1 价，H 元素的化合价为－1 价，硅元素化合价为＋4 价，所以
氢氧化钠溶液和 SiHCl3 反应时，要发生氧化还原反应，得到氯化钠、
硅酸钠和氢气，化学方程式为 SiHCl3＋5NaOH===Na2SiO3＋3NaCl＋
H2↑＋2H2O。(3)m1 g 样品经水解，干燥等预处理过程得到硅酸水合物
后，高温灼烧，在干燥器中冷却后，称量，所用仪器包括坩埚和干燥
器，所得固体氧化物为二氧化硅，质量为 m2 g，则二氧化硅的物质的
答案：(1) 检查装置气密性
当管式炉中没有固体剩余时
C、D 之间没有干燥装置，没有处理氢气的装置
(2)SiHCl3＋5NaOH===Na2SiO3＋3NaCl＋H2↑＋2H2O
(3)高温灼烧　冷却　AC
135.5m2
60m1
×100%

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