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第五章　非金属及其化合物
第24讲　无机非金属材料
化学
内容索引
考点一　硅、二氧化硅和硅酸
考点二　无机非金属材料
第一部分
第二部分
必备知识整合
01
对点题组突破
02
课时作业
第四部分
必备知识整合
01
对点题组突破
02
高考真题演练
第三部分
1．了解硅酸盐材料及新型无机非金属材料的性质和用途。2.掌握硅和二氧化硅的性质及应用，了解高纯硅的制备。
考点一　硅、二氧化硅和硅酸
第
分
部
一
1．单质硅
(1)硅元素的存在
硅元素在自然界中主要以______和______的形式存在。
(2)单质硅的物理性质及用途
晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔、沸点很高，硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的______材料。
必备知识整合
氧化物
硅酸盐
半导体
(3)高纯硅的制备
2．二氧化硅
高
大
Na2SiO3＋H2O
CaSiO3
Na2SiO3＋CO2↑
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
光导纤维
3．硅酸
H2SiO3↓＋Na2CO3
Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋
2NaCl
正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)硅元素在自然界中只以化合态的形式存在。(　　)
(2)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料。(　　)
(3)用二氧化硅制取单质硅的反应中硅元素被氧化。(　　)
(4)NaOH溶液不能用玻璃瓶盛放。(　　)
(5)SiO2与NaOH溶液、氢氟酸都能发生反应，所以SiO2是两性氧化物。(　　)
√
×
×
×
×
1．（2024·河南开封模拟）下列关于硅及其化合物的叙述错误的是(　　)
A．硅是良好的半导体材料
B．二氧化硅可用来生产光导纤维
C．硅酸的酸性比碳酸的酸性弱
D．常温下，硅的化学性质不活泼，不与任何物质反应
对点题组突破
D
解析：硅是良好的半导体材料，故A正确；光导纤维的主要成分为二氧化硅，故B正确；非金属性：Si2．（2024·辽宁沈阳重点高中联合体期中）下列有关硅及其化合物的说法中，不正确的是(　　)
B．Si和SiO2均能与NaOH溶液反应生成硅酸钠
C.用SiO2制取硅酸，应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应，然后再通入CO2
D
解析：该反应中SiO2中的Si得电子，被还原，A正确；Si与NaOH溶液反应生成硅酸钠和氢气，SiO2与NaOH溶液反应生成硅酸钠和水，B正确；二氧化硅无法直接与水反应生成硅酸，因此先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠，硅酸钠溶液再与二氧化碳反应生成硅酸，C正确；碳酸酸性强于硅酸，D错误。
3．晶体硅是一种重要的非金属原料，由粗硅制备纯硅的主要步骤如下：
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：
(1)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
(2)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装置前应先打开A装置中分液漏斗的活塞，目的是____________
______________。
②C装置中烧瓶需要加热，采用的方法是________。
排出装置内的
空气，以防爆炸
水浴加热
考点二　无机非金属材料
第
分
部
二
必备知识整合
1．传统无机非金属材料——常见硅酸盐材料
(1)常见硅酸盐材料比较
材料 水泥 玻璃 陶瓷
生产原料 ______、黏土 ____、______、石灰石 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（用化学方程式表示）：________________
____________________、__________________________________。
石灰石
纯碱
石英砂
Na2CO3＋SiO2
2．新型无机非金属材料
新型无机非金属材料主要有高温结构陶瓷、透明陶瓷、超导陶瓷、压电陶瓷、光导纤维等。
3．碳纳米材料
碳纳米材料是一类新型无机非金属材料。
(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。
材料类型 性能 用途
碳纳米管 比表面积大，强度高，优良的电学性能 生产复合材料、电池和传感器等
石墨烯 电阻率低，热导率高，具有很高的强度 用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等
正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)工业生产水泥和玻璃均用到石灰石。(　　)
(2)钢化玻璃与普通玻璃的主要成分不同。(　　)
(3)瓷坩埚可用于加热熔化烧碱或纯碱。(　　)
(4)石墨烯的电阻率低，热导率也低。(　　)
(5)碳化硅俗称金刚砂，它可用于高温结构陶瓷的制作。(　　)
√
×
×
×
√
对点题组突破
题组一　传统无机非金属材料
1．（2024·云南龙陵一中期末）下列有关玻璃的说法不正确的是(　　)
A．制普通玻璃的原料主要是石灰石和黏土
B．玻璃在加热熔化时没有固定的熔点
C．普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅
D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口黏在一起
A
解析：生产普通玻璃的原料是纯碱、石英砂和石灰石，A错误；玻璃是非晶体，没有固定的熔点，B正确；普通玻璃的主要成分是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，C正确；玻璃塞中含有SiO2，它能够与烧碱溶液反应生成硅酸钠，硅酸钠具有黏性，能够把瓶口和瓶塞黏在一起，故盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，D正确。
2．（2024·河北示范性高中一模）青釉瓷是中国最早出现的一种瓷器，分析青釉瓷器文物发现：主体是石英，还有一定量的莫莱石(3Al2O3·2SiO2)及少量的Fe2O3、CaO和MgO。下列说法正确的是(　　)
A．石英晶体存在硅氧四面体顶角相连的螺旋长链结构
B．陶瓷是由氧化物组成的传统无机非金属材料
C．CaO遇水会生成Ca(OH)2，所以青釉器不可盛水
D．青釉瓷器呈青色是因为瓷体中含有Fe2O3
A
解析：石英晶体是以硅氧四面体为基本结构单元，顶角相连形成螺旋长链结构，A正确；陶瓷的主要成分是硅酸盐，只是表示成氧化物形式，并不是以氧化物的形式存在，B错误；微量的CaO与硅酸盐在高温下熔合，青釉器可以盛水，C错误；Fe2O3是红棕色粉末状固体，青釉瓷的青色与Fe2O3无关，D错误。
题组二　新型无机非金属材料
3．（2024·北京房山区模拟）碳纳米管是一种具有特殊结构的材料，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。下列关于碳纳米管的说法错误的是(　　)
A．在常温下碳纳米管化学性质稳定
B．碳纳米管具有比表面积大、导电等特点
C．碳纳米管是一种新型有机材料
D．碳纳米管与金刚石互为同素异形体
C
解析：碳纳米管是碳的一种单质，属于新型无机非金属材料，在常温下碳单质化学性质稳定，A正确，C错误；碳纳米管具有纳米尺度的直径，比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能，B正确；碳纳米管与金刚石都是碳的单质，二者互为同素异形体，D正确。
4．（2024·河北承德二模）氮化硅(Si3N4)是一种高温结构陶瓷材料﹐它硬度大、熔点高、化学性质稳定。合成氮化硅的一种工艺流程如图所示。下列说法正确的是(　　)
已知：SiCl4在潮湿的空气中易水解，产生白雾。
A
A．该流程中可循环使用的物质是NH3
B．第③步反应是氧化还原反应
C．1 mol SiCl4和Si3N4所含共价键数目均为4NA（设NA为阿伏加德罗常数的值）
D．第③步反应可用氨水代替NH3
解析：石英砂与焦炭发生氧化还原反应生成粗硅，粗硅中硅单质与Cl2发生氧化还原反应生成SiCl4；SiCl4和氨气在一定温度下反应生成Si(NH)2，Si(NH)2高温下反应可得氮化硅，结合质量守恒可知，还生成氨气，Si(NH)2高温下反应生成的氨气可以在③中循环利用，A正确。第③步反应中SiCl4和氨气在一定温度下反应生成Si(NH)2，不涉及元素化合价改变，不是氧化还原反应，B错误。1 mol SiCl4中含有4 mol硅氯键，而1 mol Si3N4中含有12 mol硅氮键，1 mol两物质中所含共价键数目分别为4NA、12NA，C错误。由于SiCl4在潮湿的空气中易水解，产生白雾，故不能用氨水代替氨气，D错误。
高考真题演练
第
分
部
三
1．（2023·浙江1月选考）下列物质中属于耐高温酸性氧化物的是(　　)
A．CO2 B．SiO2
C．MgO D．Na2O
解析：二氧化碳能和碱反应生成盐和水，是酸性氧化物，但是不耐高温，A不符合题意；SiO2能跟碱反应生成盐和水，是酸性氧化物，熔点高，耐高温，B符合题意；MgO能跟酸反应生成盐和水，是碱性氧化物，C不符合题意；Na2O能跟酸反应生成盐和水，是碱性氧化物，D不符合题意。
B
2．（2023·广东卷）“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(　　)
C
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
解析：九霄环佩木古琴主要构成是木材，A不符合题意；裴李岗文化骨笛由动物骨骼构成，B不符合题意；商朝后期陶埙属于陶瓷，由硅酸盐制成，C符合题意；曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成，D不符合题意。
3．（2024·江西卷）景德镇青花瓷素有“国瓷”的美誉。是以黏土为原料，用含钴、铁的颜料着色，上釉后一次性高温烧制而成的青蓝色彩瓷。下列关于青花瓷说法正确的是(　　)
A．青蓝色是由于生成了单质钴
B．表面的釉属于有机高分子膜
C．主要成分为铝硅酸盐
D．铁元素的存在形式只有Fe2O3
C
解析：青花瓷是经过高温烧制而成的，不会生成单质钴，A项错误；青花瓷表面的釉为无机物，B项错误；青花瓷呈现青蓝色，不能确定铁元素的具体存在形式，D项错误。
4．（2022·河北卷）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
A
解析：陶瓷是良好的绝缘体，传统陶瓷是典型的绝缘材料，A正确；陶瓷的主要成分为硅酸盐，而不是SiO2和MgO，B错误；陶瓷烧制过程发生复杂的化学反应，有新物质生成，属于化学变化，C错误；由于Fe2+、Fe3+和铁的氧化物均有颜色，故陶瓷中含铁量越高，陶瓷的颜色越深，白瓷的白色是因为铁含量较低，D错误。
5．（2023·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(　　)
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
B
课时作业24
第
分
部
四
一、选择题（每小题3分，共33分。每小题只有1个选项符合题意）
1．（2025·八省联考四川卷）化学是新材料发展的基础，下列生产或应用中所用到的主要物质不属于无机非金属材料的是(　　)
A．芯片制造所用的硅晶片
B．潜艇降噪所用的橡胶消声瓦
C．耐高温陶瓷生产所用的碳化硅
D．通信信号传输所用的光导纤维
解析：A项，芯片制造所用的硅晶片是单质硅，属于无机非金属材料；B项，橡胶是一种有机高分子化合物；C项，碳化硅属于无机非金属材料；D项，光导纤维的主要成分是二氧化硅，属于无机非金属材料。
B
2．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，当生成2.24 L（标准状况）气体时，得到2.8 g硅
C
3．（2024·河南郑州十校联考）从物质类别、元素化合价、物质所含元素在元素周期表中的位置的角度可以认识有关物质的化学性质。下列说法正确的是(　　)
A．自然界中C．SiO2属于两性氧化物，能与氢氧化钠溶液反应，也能与氢氟酸反应
C．SiO2属于两性氧化物，能与氢氧化钠溶液反应，也能与氢氟酸反应
D．H2SiO3属于弱酸，可由反应SiO2＋H2O===H2SiO3↓制得
B
4．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(　　)
A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁
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，主要化学成分是硅酸盐
D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
A
解析：“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化铁无关，因为氧化铁显红棕色，A项错误；秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成，B项正确；陶瓷以黏土为原料，经高温烧制而成，属于人造材料，主要成分是硅酸盐，C项正确；陶瓷的主要成分是硅酸盐，硅酸盐化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点，D项正确。
5．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
D
解析：石墨烯是碳的单质，A错误；氧化石墨烯含有氢元素，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，所以它具有一定的亲水性，D正确。
6．翡翠手镯的主要成分是硬玉，硬玉化学式为NaAl(Si2O6)。下列推测不合理的是(　　)
A．硬玉与氢氧化钠溶液反应生成Na[Al(OH)4]、Na2SiO3和H2O
B．翡翠硬度大、熔点高，受到猛烈撞击不容易断裂或粉碎
C．碳酸钠与氧化铝、二氧化硅在高温熔融的条件下能制取硬玉[NaAl(Si2O6)]
D．翡翠中含NaFe(Si2O6)，高温分解翡翠，产物溶于氢碘酸并加CCl4萃取，有机层呈紫红色
B
7．（2024·安徽滁州一模）部分含Al或含Si物质的“价—类”二维图如下。下列推断正确的是（其中NA为阿伏加德罗常数的数值）(　　)
A．将木材浸入g的水溶液可以防火
B．1 mol晶体e中含有共价键的数目为2NA
C．肯定存在a→b→c和a→e→f的直接转化
D．d→c和g→f的转化均可通过向溶液中加
入足量盐酸来实现
A
解析：由题图可知，a为Al或Si，b为Al2O3，c为Al(OH)3，d为Na[Al(OH)4]，e为SiO2，f为H2SiO3，g为Na2SiO3。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，故A正确；SiO2晶体中每个硅原子与4个氧原子形成共价键，1 mol SiO2含有4 mol Si—O，故B错误；Al2O3不能一步反应生成Al(OH)3，SiO2也不能一步反应生成H2SiO3，故C错误；向Na[Al(OH)4]溶液中加入足量盐酸生成的是AlCl3溶液，向Na2SiO3溶液中加入足量盐酸生成的是H2SiO3，故D错误。
8．（2025·山西运城康杰中学月考）利用氯化氢和氢气生产高纯硅的工艺流程如图所示：
D
A．高纯硅可用作光导纤维
C．反应①和②互为可逆反应
D．该工艺流程的优点是H2和HCl可循环使用
9．水玻璃（Na2SiO3溶液）广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。用稻壳灰(SiO2：65%～70%；C：30%～35%)制取水玻璃的工艺流程如下：
下列说法不正确的是(　　)
A．原材料稻壳灰价格低廉，且副产品活性炭有较高的经济价值
B．操作A与操作B相同
C．水玻璃可用作黏结剂来黏结玻璃、陶瓷等制品
D．反应器中发生的反应为非氧化还原反应
解析：稻壳灰来源广泛，价格低廉，副产品活性炭具有吸附性，有较高的经济价值，A正确；操作A为过滤，操作B为蒸发浓缩，是两种不同的操作，B错误；水玻璃具有黏性，可作玻璃、陶瓷等制品的黏结剂，C正确；反应器中发生的反应为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，此反应没有元素化合价的变化，属于非氧化还原反应，D正确。
B
10．（2024·福建龙岩二模）工业上用石英砂（主要成分为SiO2）和原料气（含N2和少量O2）制备Si3N4的流程如下（粗硅中含少量杂质Fe、Cu，高温氮化时杂质未参加反应）。下列说法正确的是(　　)
A．“还原”步骤中，碳元素被还原
B．“操作X”是为了除去N2中的O2
C．“高温氮化”时发生了置换反应
D．“酸洗”步骤中，可以加入稀硫酸
B
解析：石英砂经过焦炭还原后得到粗硅，焦炭反应后生成CO，碳元素被氧化，A错误；原料气中含氮气和氧气，经过操作X除去氧气，B正确；高温氮化过程中粗硅和氮气反应生成氮化硅，为化合反应，C错误；高温氮化时，杂质铜和铁不反应，酸洗过程中可以加入稀硝酸，除去铁和铜，D错误。
11．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混合
溶液的原电池组成
A
解析：根据题图可知，在Ag薄膜附近发生反应：2H＋＋2e－＋H2O2===2H2O，所以随着反应的进行，c(H＋)减小，故pH逐渐增大，A错误；根据图示可知，在Si电极上，Si失去电子与HF结合生成H2SiF6和H＋，反应为Si＋2H2O－4e－===SiO2＋4H＋、SiO2＋6HF===H2SiF6＋2H2O，B正确；由Ag、Si极发生的电极反应及电子转移数目相等，可知总反应为Si＋6HF＋2H2O2===H2SiF6＋4H2O，C正确；根据上述分析可知，H2O2在Ag电极上得到电子，Si电极失去电子，电解质溶液为HF和H2O2的混合溶液，它们形成闭合回路，实现了化学能向电能的转化，即构成了原电池，D正确。
二、非选择题（共27分）
12．（15分）（2025·河北邢台卓越联盟月考）二氧化硅又称硅石，是制备硅及其化合物的重要原料，部分转化过程如图所示。
回答下列问题：
第ⅣA
C
不能
Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓
解析：C与Si属于同一主族，C与Si的最外层电子数都是4，所以碳元素和硅元素都位于元素周期表的第ⅣA族；同主族从上至下，元素的非金属性逐渐减弱，所以非金属性：C>Si；工业上制备粗硅的反应不能比较出碳元素和硅元素的非金属性强弱，因为该反应产生的CO是气体，CO离开体系后，反应持续正向进行；将CO2通入硅酸盐溶液中，可制取出比碳酸酸性还弱的硅酸，就可证明非金属性：C>Si，其化学方程式为Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓。
(2)光导纤维是一种良好的通信材料，其成分是______（填化学式），高纯硅是制造半导体芯片的基础原材料，由上述转化关系可知，工业上利用氢
气制备高纯硅的化学方程式为______________________________。
SiO2
(3)NaOH溶液需要盛放在有橡胶塞的试剂瓶中，原因是_________________
_______________________（用化学方程式表示，下同），利用HF溶液可以在玻璃表面上写字作画，原因是_________________________________。
解析：玻璃中的成分SiO2能和NaOH发生反应产生具有黏性的硅酸钠，使玻璃塞黏在瓶口不能被打开，其反应原理是2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O；能和SiO2反应的酸只有HF，其化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
2NaOH＋SiO2
===Na2SiO3＋H2O
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
(4)制玻璃的原材料是石英砂(SiO2)、纯碱(Na2CO3)和石灰石(CaCO3)，写
出制玻璃时发生反应的化学方程式：_______________________________、
__________________________________。
(5)SiC是一种新型无机非金属材料，半导体领域未来代替硅基芯片的一种新型原材料，SiC属于____（填“离子”或“共价”）化合物。
解析：SiC是由两种不同的非金属元素用共价键构成的共价化合物。
共价
13．（12分）高纯硅是制作光伏电池的关键材料，如图是一种生产高纯硅的工艺流程示意图：
回答下列问题：
(1)石英砂的主要成分为SiO2，SiO2是一种酸性氧化物，能与烧碱反应生成盐和水，下列物质中也能与烧碱反应生成盐和水的是__（填字母）。
A．Al　　　B．CuO　　　C．NaHCO3
SiO2能在一种常见的酸中溶解，生成一种气态含硅物质，这种酸的电子式
为________。
C
(2)电弧炉中生成粗硅，反应的化学方程式为________________________。若电弧炉中焦炭过量，还会有SiC生成，石英砂和焦炭生成SiC的反应中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为____。
1∶2
(3)整个操作流程都需隔绝空气，原因是______________________________
__________________________________（任写两条即可）。
(4)流化床反应器中除SiHCl3外，还可能发生副反应，生成其他含硅化合物（如SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等），可以用蒸馏的方法加以分离，该操作方法的理论依据是__________________。
(5)上述操作流程中可以循环利用的物质是__________。
防止SiHCl3发生水解；防止硅被氧
化；防止氢气与氧气反应而发生爆炸
各组分沸点相差较大
H2、HCl

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