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第13讲　碳、硅及其化合物　无机非金属材料
复习要求 1. 掌握碳、硅单质及其重要化合物的主要性质及应用。2. 了解碳、硅单质及其重要化合物对环境的影响。3. 了解粗硅的冶炼方法(从沙子到单晶硅)。4. 了解传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的种类、性质和用途。
知识体系
考点一　碳、硅单质
一、 C、Si单质的结构
1. 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。碳单质主要有金刚石、石墨、C60、石墨烯等，它们之间的关系是互为____________；硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。
2. C60结构分析
(1)C60(如图所示)是由60个C原子形成的封闭笼状分子，形似足球的32面体，有20个六边形和12个五边形。
(2)C60分子中，碳原子数目与碳碳键数目之比为2∶3。
(3)C60分子中，有60个碳碳单键，30个碳碳双键。
二、 碳、硅单质的性质及用途
1. C、Si单质的物理性质与用途
(1)晶体硅：灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高，可用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池板。
(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
2. C、Si单质的化学性质
(1)碳单质
碳在参与化学反应时，一般表现还原性。
(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：Si＋2F2===SiF4；
与HF：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；
与NaOH：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
②在加热的条件下可以与氧气、氯气等反应，Si＋O2SiO2。
③粗硅的制取：SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑。
三、 高纯硅的制备
【易错辨析】
1. 单晶硅和石英互为同素异形体。(　　)
2. 12 g金刚石中含有化学键的物质的量为4 mol (C—12)。(　　)
3. 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。(　　)
4. 石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应。(　　)
5. 密闭环境中，将浓盐酸滴入小苏打溶液中，并将产生的气体直接通入水玻璃中，比较C和Si的非金属性强弱。(　　)
　　　　　　　　　　　　　　　　
类型1　工业制硅
1. 下列化学方程式书写错误的是(　　)
A. Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
B. Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
C. Si＋4HCl===SiCl4＋2H2↑
D. SiO2＋2CSi＋2CO↑
2. (2023·湖北卷)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＋2CSi＋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
考点二　碳、硅的氧化物
一、 CO
1. 物理性质
通常状况下为无色、无味的气体，难溶于水。
2. 化学性质
二、 SiO2与CO2的比较
续表
【思维拓展】
(1)CO2中混有的CO用红热的CuO除去。
(2)石英、水晶、沙子的主要成分是二氧化硅。
(3)SiO2难溶于水，不能与水反应生成H2SiO3。
(4)SiO2是酸性氧化物，不与强酸(如盐酸、硫酸、硝酸)反应，但能与弱酸—氢氟酸反应生成SiF4气体，故可用氢氟酸在玻璃上刻字绘画。
(5)SiO2是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应生成硅酸钠。硅酸钠是一种黏合剂，故保存氢氧化钠、氢氧化钾、Na2CO3等碱性溶液时，不能将其装在带磨口玻璃塞的玻璃试剂瓶内，要用橡胶塞。
【易错辨析】
1. [SiO4]四面体广泛存在于硅的含氧化合物中。(　　)
2. (2020·海南卷)SiO2的熔点比干冰高的原因是SiO2分子间的范德华力大。(　　)
3. 用SiO2制取H2SiO3，应先使SiO2与NaOH溶液反应，然后再通入CO2。(　　)
4. 向空气中排放二氧化碳会形成酸雨。(　　)
5. 向氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体。(　　)
　　　　　　　　　　　　　　　　
类型1　物质的转化
1. (2024·江苏各地模拟重组)下列物质转化关系正确的是(　　)
A. SiO2Na2SiO3SiO2
B. SiSiO2H2SiO3
C. H2SiO3SiO2SiCl4
D. CaCO3CaOCaSiO3
2. 下列方程式书写错误的是(　　)
A. 酸雨的形成过程中涉及反应2H2SO3＋O2===2H2SO4
B. CaF2与浓H2SO4混合加热后的产物，用于刻蚀玻璃涉及反应SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
C. 漂白液吸收少量CO2失效的过程中涉及反应2NaClO＋H2O＋CO2===Na2CO3＋2HClO
D. 侯氏制碱法中涉及反应NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl
类型2　金属离子与酸式碳酸盐反应
3. (1)全球对锂资源的需求不断增长。某兴趣小组取浓缩盐湖卤水(含有Na＋、Li＋、Cl－、Mg2＋、Ca2＋)，设计了以下流程制备碳酸锂并进行纯化。
已知：①25 ℃时，LiOH的溶解度：12.4 g/100 g H2O。
②Li2CO3微溶于水，在冷水中的溶解度比热水中大。
碳化液热解的离子方程式为________________________________________。
(2)向FeSO4溶液中加入NH4HCO3，生成FeCO3并且产生一种无色气体，写出对应的离子方程式：________________________________________。
(3)50 ℃时，向MnSO4溶液中加入NH4HCO3沉锰，生成MnCO3并且产生一种无色气体，写出对应的化学方程式：___________________________________________________________________________________________。
考点三　碳酸　硅酸　硅酸盐
一、 碳酸与碳酸根离子
H2CO3中，碳原子的杂化方式为sp2。H2CO3属于分子晶体。CO中，碳原子的杂化方式为sp2，CO的空间结构为平面三角形。
二、 硅酸和硅酸盐
1. 硅酸
H2SiO3中，硅原子的杂化方式为sp2，但在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体：，Si在四面体的中心，硅原子的杂化方式为sp3。
2. 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(Na2SiO3)：
(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，不同氧化物间以“·”隔开。如，石棉(CaMg3Si4O12)用氧化物的形式表示为CaO·3MgO·4SiO2。
三、 无机非金属材料
1. 传统硅酸盐材料
水泥 玻璃 陶瓷
主要原料 石灰石、黏土、石膏 石英(SiO2)、纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3) 黏土
主要成分 硅酸三钙(3CaO·SiO2)硅酸二钙(2CaO·SiO2)铝酸三钙(3CaO·Al2O3) 硅酸钠(Na2SiO3)硅酸钙(CaSiO3)二氧化硅(SiO2) 硅酸盐
制备过程中的主要反应 — Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑ —
2. 新型无机非金属材料
(1)硅和二氧化硅
(2)新型陶瓷
(3)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。
【易错辨析】
1. 用pH计测量Na2SiO3溶液和Na2CO3溶液的pH，探究H2CO3酸性比H2SiO3强。(　　)
2. 向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶。(　　)
3. 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。(　　)
4. 陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐。(　　)
5. 计算机芯片、光导纤维、太阳能电池板的化学成分都是高纯硅。(　　)
　　　　　　　　　　　　　　　　
类型1　物质的性质与用途
1. 下列有关物质的性质与用途均正确，且具有对应关系的是(　　)
A. 硅酸钠易溶于水，可用作木材防火剂
B. NO2与水反应生成HNO3，故NO2是酸性氧化物
C. H2SiO3的酸性弱于H2CO3，故非金属性C强于Si
D. 二氧化硅做半导体材料，故“玉兔号”月球车帆板太阳能电池片的材料主要是二氧化硅
类型2　物质的转化
2. (2024·江苏期末)下列选项所示的物质间转化不能实现的是(　　)
A. SiO2H2SiO3
B. SiO2Na2SiO3
C. H2SiO3Na2SiO3
D. Na2SiO3溶液H2SiO3
类型3　传统硅酸盐材料
3. 化学与生产、生活密切相关。下列说法错误的是(　　)
A. 长时间高温蒸煮可杀死“甲流”病毒
B. 可用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃
C. 5G、6G技术离不开制备光缆的晶体硅
D. 石灰石是制造玻璃和水泥的主要原料之一
类型4　新型无机非金属材料
4. (2024·南京高三期中)2024年政府工作报告中的新质生产力涉及新材料产业。下列材料不属于新型无机非金属材料的是(　　)
A. 碳纳米材料 B. 石墨烯
C. 石英光导纤维 D. 聚碳酸酯
　 素 养 评 估 　
　　　　　　　　　　　　　　　　
1. 科技的进步为二氧化碳资源化利用提供了广阔的前景。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
2. 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：
制造原理：2Mg＋SiO22MgO＋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＋SiMg2Si
D. 当有2 mol电子转移时，能生成14 g Si
3. 下列关于二氧化硅的说法正确的是(　　)
A. 二氧化硅是酸性氧化物，因此能与水反应生成硅酸
B. 二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆
C. 二氧化硅能与碳酸钠固体在高温时发生反应
D. 用二氧化硅制取单质硅时，当生成2.24 L气体(标准状况)时，得到2.8 g硅
4. “九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色瓷的诗句，描绘了我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法正确的是(　　)
A. 玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品
B. 制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英
C. 硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高
D. 陶瓷的烧制过程为物理变化
第13讲　碳、硅及其化合物　无机非金属材料
考点一　碳、硅单质
知识归纳
一、 1. 同素异形体
二、 1. (2)小　能
2. (1)3C＋2Fe2O34Fe＋3CO2↑
三、 SiO2＋2CSi＋2CO↑　SiHCl3＋H2Si＋3HCl
【易错辨析】
1. ×　2. ×　3. √　4. ×　5. ×
命题突破
1. C　解析：Si与氢氟酸反应可以生成SiF4，Si与HCl在常温下不反应，C错误。
2. B　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＋2CSi＋2CO↑，A说法正确；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说法错误；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说法正确；Si＋3HClSiHCl3＋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说法正确。故选B。
考点二　碳、硅的氧化物
知识归纳
一、 2. 2CO＋O22CO2　淡蓝　CuO＋COCu＋CO2　Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
二、 Na2SiO3＋H2O　Na2CO3＋H2O　NaHCO3　Na2SiO3＋CO2　CaCO3↓＋2HClO　CaSiO3　Na2CO3
【易错辨析】
1. √　2. ×　3. √　4. ×　5. √
命题突破
1. D　解析：Na2SiO3与HCl反应生成H2SiO3，A错误；SiO2与水不能反应生成H2SiO3，B错误；SiO2与HCl不能反应生成SiCl4，C错误。
2. C　解析：硫酸型酸雨的形成过程为二氧化硫溶于水形成亚硫酸，进一步与氧气反应形成硫酸，所涉及的反应包括SO2＋H2O??H2SO3、2H2SO3＋O2===2H2SO4，A正确；CaF2与浓H2SO4混合加热后产生氢氟酸，HF可以与玻璃中SiO2反应，常用于刻蚀玻璃，反应原理为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，B正确；漂白液吸收少量CO2失效生成NaHCO3和HClO，反应方程式为NaClO＋H2O＋CO2===NaHCO3＋HClO，C错误；侯氏制碱法的原理是将二氧化碳和氨气通入饱和食盐水，生成碳酸氢钠沉淀和氯化铵，涉及的反应为NaCl＋NH3＋CO2＋H2O===NaHCO3↓＋NH4Cl，D正确。故选C。
3. (1)2Li＋＋2HCO===Li2CO3↓＋CO2↑＋H2O
(2)Fe2＋＋2HCO===FeCO3↓＋CO2↑＋H2O
(3)MnSO4＋2NH4HCO3MnCO3↓＋CO2↑＋(NH4)2SO4＋H2O
解析：(1)LiHCO3不稳定，碳化液热解的离子方程式为：2Li＋＋2HCO===Li2CO3↓＋CO2↑＋H2O。
考点三　碳酸　硅酸　硅酸盐
知识归纳
二、 1. 不　弱　Na2CO3＋H2SiO3↓　H2SiO3SiO2＋H2O　Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3
2. (2)白　可　水玻璃　黏性　Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓　Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===2NaHCO3＋H2SiO3↓　黏合剂(矿物胶)、防火剂
【易错辨析】
1. ×　2. √　3. √　4. √　5. ×
命题突破
1. C　解析：硅酸钠溶液不燃烧、不支持燃烧，则可用作木材防火剂，与硅酸钠易溶于水无关，A错误；NO2溶于水时生成硝酸和NO，能与碱反应生成盐和水的氧化物是酸性氧化物，与溶于水生成酸没有关系，B错误；根据元素周期表，同一主族，由上到下，最高价氧化物对应的水化物酸性的酸性减弱，非金属性逐渐减弱，C正确；硅位于金属和非金属元素之间，具有金属性和非金属性，所以常用作半导体材料，二氧化硅是光导纤维的主要材料，不能作半导体材料，D错误。故选C。
2. A　解析：SiO2不溶于水且不和水反应，不能实现，A选；SiO2与NaOH反应的方程式为：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，能实现，B不选；H2SiO3可以与NaOH反应，反应的方程式为：H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O，能实现，C不选；Na2SiO3与CO2反应的方程式为：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3＋Na2CO3，能实现，D不选。故选A。
3. C　解析：长时间高温蒸煮可使病毒中的蛋白质变性，从而杀死病毒，故A正确；氢氟酸能和二氧化硅反应，可用氢氟酸溶蚀玻璃生产磨砂玻璃，故B正确；二氧化硅可以用来制备光缆，故C错误；水泥制造的原理是对石灰石、黏土等原料进行破碎、混合、烧制等一系列工艺过程，石灰石是制造玻璃和水泥的主要原料之一，故D正确。故选C。
4. D　解析：碳纳米材料属于新型无机非金属材料，A不合题意；石墨烯属于新型无机非金属材料，B不合题意；石英光导纤维属于新型无机非金属材料，C不合题意；聚碳酸酯是有机高分子材料，不属于新型无机非金属材料，D符合题意。故选D。
素养评估
1. C　解析：CO2中C元素的化合价为＋4价，只能发生得电子的还原反应，CO2在阴极得电子转化为燃料，阳极为失电子的氧化反应，故C错误。
2. C　解析：将溶液和固体分开，采用过滤操作，操作1为过滤，操作2为洗涤和烘干，A错误；SiO2是共价晶体，没有分子，B错误；由除杂原理可知副反应为2Mg＋SiMg2Si，C正确；当有2 mol电子转移时，参加反应的Mg的物质的量为1 mol，能生成0.5 mol单质硅，但因有副反应发生，最终获得的Si的质量少于14 g，D错误。故选C。
3. C　解析：二氧化硅是酸性氧化物，但是二氧化硅不溶于水，与水不反应，A错误；二氧化硅制成的光导纤维，由于其良好的光学特性而被用于制造光缆，B错误；在高温时，二氧化硅能够与碳酸钠固体反应生成硅酸钠和二氧化碳，C正确；由化学方程式SiO2＋2CSi＋2CO↑可知，当生成2.24 L(标准状况)即0.1 mol气体时，得到0.05 mol即1.4 g硅，D错误。故选C。
4. C　解析：陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A错误；纯碱、石灰石和石英是制普通玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B错误；陶瓷的烧制过程为化学变化，D错误。故选C。

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