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大单元三 非金属元素及其化合物
第13讲　碳、硅及其化合物
构建体系
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√
√
能力自测 2. 选择题。
(1) (2023·江苏卷)我国提出2060年实现“碳中和”的目标，体现了大国担当。“碳中和”中的“碳”是指(　　)
A. 碳原子　　　　 B. 二氧化碳　　　
C. 碳元素　　　　 D. 含碳物质
B
能力自测 (2) 下列物质性质与用途具有对应关系的是(　　)
A. 石墨能导电，可用作润滑剂
B. 单晶硅熔点高，可用作半导体材料
C. 青铜比纯铜熔点低、硬度大，古代用青铜铸剑
D. 含铅化合物颜色丰富，可用作电极材料
C
A
能力自测 3. 填空题。
(1) (2025·江苏卷)玻璃中的SiO2能与NaOH溶液反应生成_______________(填化学式)，故不能使用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放NaOH溶液。
(2) (2023·江苏卷)燃煤烟气中CO2的捕集可通过如图所示的物质转化实现。
“吸收”后所得的KHCO3溶液与石灰乳反应的化学方程式为_______________　__________________________________；载人航天器内，常用LiOH固体而很少用KOH固体吸收空气中的CO2，其原因是______________________________　______________。
Na2SiO3
KHCO3＋
Ca(OH)2===CaCO3＋KOH＋H2O
相同质量的LiOH固体可吸收
更多的CO2
考点研析
考点1　碳、硅的单质
1
C、Si单质的结构、物理性质及用途
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。
同素异形体
2. C、Si单质的物理性质与用途
(1) 金刚石：熔点高、硬度大，可作切割刀具。
(2) 石墨：熔点高、质软、有滑腻感、能导电，可用作铅笔芯、电极。
(3) 石墨烯：石墨烯就是单层石墨，有优良的导电性能。
(4) 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
碳的化学性质
1. 与氧气反应
2CO
4Fe＋3CO2↑
3. 与强氧化性酸反应
CO2↑＋2SO2↑＋2H2O
CO2↑＋4NO2↑＋2H2O
2
4
3
硅的化学性质
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
5. 与NaOH溶液反应：
________________________________________________。
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
4
高纯硅的制备
Si＋2CO↑
例1　(2025·江苏各地模拟重组)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(aq)===SiCl4＋2H2↑
1
物质的转化
【解析】 Si与盐酸不反应，C错误。
C
例2　工业制备高纯硅的主要过程如下。下列说法错误的是(　　)
2
工业制硅
B
B. 1 mol Si中含有的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
考点2　碳、硅的氧化物
1
一氧化碳
1. 物理性质：通常状况下，CO为无色、无味的气体，难溶于水。
2. 化学性质
2
SiO2与CO2的性质及用途
大
高
难
SiF4↑＋2H2O
酸性
酸性
酸性
酸性
Na2CO3＋H2O
NaHCO3
① CO2中混有的CO用灼热的CuO除去。
② 石英、水晶、沙子的主要成分是_________。珍珠的主要成分是CaCO3；钻石是金刚石；蓝宝石的主要成分是Al2O3。
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和水。硅酸钠是一种黏合剂，故在保存氢氧化钠、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。
⑥ 石英坩埚不能用来熔融NaOH等碱性固体。
SiO2
例3　(2025·江苏各地模拟重组)下列物质转化关系正确的是(　　)
1
物质的转化
D
【解析】 Na2SiO3与盐酸反应生成H2SiO3和NaCl，A错误；SiO2与水不反应，B错误；SiO2与盐酸不反应，C错误。
例4　(2025·江苏各地模拟重组)下列化学反应表示错误的是(　　)
A. 氢氟酸与玻璃中SiO2反应：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
B. SiHCl3转化为高纯硅的化学方程式：
D
【解析】 向苯酚钠溶液中通入少量CO2，发生反应生成苯酚和NaHCO3，D错误。
考点3　碳酸　硅酸　硅酸盐
1
碳酸与碳酸根离子
sp2
sp2
平面三角形
2
硅酸
1. 分子结构：H2SiO3分子中，Si原子的杂化方式为________。
2. 物理性质：___溶于水。
3. 化学性质
(1) 弱酸性
① H2SiO3酸性比H2CO3___，______(填“能”或“不能”)使紫色石蕊试液变红。
② H2SiO3能与NaOH溶液反应(写化学方程式)：___________________________　____________。
sp2
难
弱
不能
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O
SiO2＋H2O
4. 用途
硅酸在水中易缩合形成胶体，将硅酸凝胶烘干脱水得到硅胶(SiO2)，硅胶常用作干燥剂。
3
硅酸盐——硅酸钠(Na2SiO3)
sp3
3. 化学性质(写化学方程式)
(1) 与盐酸反应：____________________________________________；
(2) 硅酸钠溶液中通入过量CO2：________________________________________　_______________。
(说明酸性：H2CO3___H2SiO3；非金属性：C___Si)
4. 用途：Na2SiO3溶液(水玻璃)可用作黏合剂、木林防火剂。
Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl
Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===H2SiO3↓＋
2NaHCO3
>
>
4
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 石英砂(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
2. 新型无机非金属材料
(1) Si：Si晶体是半导体材料，可用于制造硅芯片和硅太阳能电池板。
(2) SiO2：SiO2具有良好的导光性，可用于制造光导纤维和光学仪器。
(3) 新型陶瓷
① 耐高温结构陶瓷(如：SiC、Si3N4)；
② 压电陶瓷(如：钛酸盐、锆酸盐)；
③ 透明陶瓷(Al2O3、AlN)；
④ 超导陶瓷。
(4) 碳纳米材料
碳纳米材料包括富勒烯、碳纳米管(生产电池和传感器等)、石墨烯(用于超级电容器、电池)等。
例5　(2025·江苏各地模拟重组)下列物质结构与性质或物质性质与用途对应关系正确的是( 　)
A. 石墨晶体的层状结构间存在分子间作用力，具有导电性
B. SiC中原子以共价键形成空间网状结构，可作砂轮的磨料
C. SiO2是酸性氧化物，能用氢氟酸雕刻玻璃
D. SiO2硬度高，可用于制造光导纤维
1
物质的性质与用途
B
【解析】 石墨能导电的原因是未成键的p电子在层内可以自由移动，A错误；SiC中原子间以共价键形成空间网状结构，SiC是共价晶体，硬度大，可作砂轮的磨料，B正确；SiO2能与碱反应生成盐和水，说明SiO2是酸性氧化物，与其能与氢氟酸反应无关，C错误；SiO2传导光的能力较强，可用于制造光导纤维，D错误。
例6　(2025·江苏各地模拟重组)在给定条件下，下列物质间的转化能实现的是(　　)
2
物质的转化
A
【解析】 SiO2与浓盐酸不反应，B错误；SiO2与水不反应，C错误；石英砂与C需在高温的条件反应生成粗硅和CO，D错误。
例7　(2025·江苏各地模拟重组)下列说法正确的是(　　)
A. 向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸：Na2SiO3＋2H＋===H2SiO3↓＋2Na＋
B. 用pH计测量Na2SiO3溶液和Na2CO3溶液的pH，探究H2CO3酸性比H2SiO3强
C. 将浓盐酸滴入Na2CO3固体中，生成的气体通入盛有Na2SiO3溶液的试管中，出现浑浊，碳的非金属性强于硅
D. 向久置的Na2SiO3溶液滴加稀盐酸，有气泡产生，说明Na2SiO3溶液已变质
D
【解析】 Na2SiO3溶于水，在离子方程式中应拆开，A错误；未指明溶液的浓度，无法比较，B错误；浓盐酸挥发出来的HCl通入Na2SiO3溶液中也生成沉淀，C错误；久置的Na2SiO3变质时，易混有Na2CO3或NaHCO3，故加入稀盐酸，有气泡产生，D正确。
例8　(2025·江苏各地模拟重组)下列叙述正确的是(　　)
A. 石墨烯属于传统无机非金属材料
B. 烧制陶器的主要原料为黏土、石灰石和石英砂
C. 制玻璃的原料之一可用作制光导纤维
D. 硼硅玻璃中含有的Na2O·B2O3·SiO2是一种复杂的氧化物
3
传统硅酸盐材料
C
【解析】 石墨烯属于新型无机非金属材料，A错误；烧制陶器的主要原料为黏土，B错误；制玻璃的原料中的SiO2可制光导纤维，C正确；硼硅玻璃的成分主要是硅酸盐和硼酸盐，D错误。
例9　(2025·江苏各地模拟重组)下列叙述正确的是( 　)
① “C919”大飞机使用的氮化硅陶瓷属于传统硅酸盐材料
② “天和”核心舱电推进系统中的霍尔推力器腔体使用的氮化硼陶瓷属于新型无机非金属材料
③ “神舟十三号”宇宙飞船返回舱所用高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料
④ 相控阵雷达使用的碳化硅陶瓷属于新型的有机材料
A. ①④ B. ②③ 　　　　C. ①③ D. ②④
4
新型无机非金属材料
B
【解析】 氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、高温结构陶瓷、碳化硅陶瓷都属于新型无机非金属材料，B正确。
硅酸盐的氧化物书写
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，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数之比符合原来的组成。
质量测评
B
2. (2025·苏州中学)下列有关物质的性质与用途具有对应关系的是( 　)
A. 晶体硅为半导体，可用于制造光导纤维
B. 甲烷的热值高，可用于工业制备炭黑
C. 氧化铍熔点较高，可用作耐火材料
D. 石墨晶体的层状结构间存在分子间作用力，可用作导电材料
C
【解析】 晶体硅为半导体，可用于制造电脑芯片等，光导纤维成分为SiO2，二者没有关系，A错误；甲烷分解得到炭黑，与其热值高无关，B错误；氧化铍属于离子化合物，熔点较高，可用作耐火材料，C正确；石墨中存在自由电子，可以导电，与其层与层之间存在分子间作用力无关，D错误。
3. (双选)(2025·江苏各地模拟重组)在给定条件下，下列物质间的转化能实现的是(　　)
AB
【解析】 SiO2与碳在高温下反应生成CO而非CO2，C错误；SiO2(s)难溶于水，与水不发生化学反应，D错误。
4. (2025·无锡期末)CH4具有较大的燃烧热(数值为890.3 kJ/mol)，常用作燃料。下列化学反应表示正确的是(　　)
A
配套分层练
1. 近日，科学家研制出了由石墨烯材料制成的功能性半导体。这主要是利用了石墨烯的( 　 )
A. 导电性 B. 导热性
C. 高熔点 D. 高沸点
【解析】 石墨烯制备半导体，利用了石墨烯的导电性，A正确。
A
2. 晶体硅在信息技术产业中有重要应用。下列关于晶体硅说法错误的是(　　)
A. 可制半导体芯片 B. 可制光导纤维
C. 属于无机非金属材料 D. 属于共价晶体
【解析】 光导纤维主要成分是SiO2，B错误。
B
3. 下列文物主要由硅酸盐材料制成的是(　　)
A. 青花碗 B. 铜奔马
C. 纱襌衣 D. 竹简牍
【解析】 铜奔马的主要成分为金属铜，B错误；纱襌衣的主要成分是蛋白质，C错误；竹简牍的主要成分是纤维素，D错误。
A
4. 材料是人类生存和发展的物质基础。下列属于新型无机非金属材料的是(　　)
A. 普通玻璃 B. 氮化硅陶瓷
C. 硬铝 D. 酚醛树脂
【解析】 普通玻璃是传统无机非金属材料，A错误；硬铝是金属材料，C错误；酚醛树脂是有机高分子材料，D错误。
B
5. (2021·湖北卷)“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
【解析】 CO2为直线形非极性分子，A错误；CO2―→HCOOH，C元素化合价降低，则理论上CO2可被还原为HCOOH，B正确；干冰升华时吸热，可用于人工降雨，C正确；侯氏制碱法原理之一为NH3＋CO2＋H2O＋NaCl===NaHCO3↓＋NH4Cl，CO2是生产原料之一，D正确。
A
6. 第19届亚运会秉持“绿色、智能、节俭、文明”的办会理念。下列说法错误的是(　　)
A. 会场“莲花碗”采取自然采光方式有利于实现“碳中和”
B. 火炬“薪火”使用的1070铝合金具有硬度高、耐高温的特点
C. 吉祥物“江南忆”机器人所采用芯片的主要成分为二氧化硅
D. 特许商品“亚运莲花尊”的艺术载体青瓷属于无机非金属材料
【解析】 芯片的主要成分为硅，C错误。
C
7. (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
【解析】 陶瓷是良好的绝缘体，A正确；陶瓷主要成分为硅酸盐，B错误；陶瓷烧制过程发生复杂的化学反应，C错误；白瓷的白色是因为铁含量较低甚至几乎不含，D错误。
A
8. 下列说法错误的是(　　)
A. “雨过天青云破处”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
【解析】 Fe2O3呈红棕色，不呈青色，A错误。
A
9. 下列物质的性质与用途对应关系正确的是(　　)
A. 氢氟酸具有弱酸性，可用于雕刻玻璃
B. C60熔点低，可用作超导体
C. Mg2Si3O8·nH2O能与酸反应，可用于制胃酸中和剂
D. 石英坩埚耐高温，可用来加热熔化烧碱、纯碱等固体
【解析】 氢氟酸能与玻璃中的SiO2反应，与其弱酸性无关，A错误；C60用作超导体与其熔点无关，B错误；高温条件下，SiO2能与NaOH、Na2CO3反应，故不能用石英坩埚加热熔化烧碱、纯碱等固体，D错误。
C
D
【解析】 SiO2与C在高温下反应生成的气体是CO，A错误；SiHCl3中Si元素的化合价为＋4，步骤②③中每生成或反应1 mol Si，转移4 mol电子，B错误；SiO2、Si均能与氢氟酸反应，C错误。
11. 下列关于C、Si及其化合物结构与性质的论述错误的是(　　)
A. 键能：C—C>Si—Si、C—H>Si—H，因此C2H6稳定性大于Si2H6
B. 立方型SiC是与金刚石成键、结构均相似的共价晶体，因此具有很高的硬度
C. SiH4中Si的化合价为＋4，CH4中C的化合价为－4，因此SiH4还原性小于CH4
D. Si原子间难形成双键而C原子间可以，是因为Si的原子半径大于C，难形成p-p π键
【解析】 键能越大，该物质越稳定，A正确；SiC与金刚石均为共价晶体，均具有很高的硬度，B正确；还原性：SiH4＞CH4，C错误；原子半径：Si＞C，Si原子间难形成p-p π键，D正确。
C
12. (2025·江苏各地模拟)燃煤烟气中CO2的捕集可通过如下所示的物质转化实现。
(1) 途径Ⅰ：
“碳化”的温度不能过高的原因是______________________________________　____________________________________________；“脱碳”反应的化学方程式为
______________________________________。
　　　　　　　　　　　　　　　　温度升高，CO2的溶解度下降，转化率降低；温度升高，LiHCO3易分解生成Li2CO3
(2) 途径Ⅱ：
吸收剂X的结构简式是_____________________，X具有很好的水溶性的原因是_________________________________________________，吸收剂X能吸收CO2的原因是_____________________________。
(3) 氟碳铈矿(主要成分为CeFCO3)和浓硫酸发生反应，生成Ce2(SO4)3等。该反应不宜在玻璃器皿中进行，其原因是______________________________。
HOCH2CH2NH2
X(含有氨基和羟基)能够与水分子形成分子间氢键
HOCH2CH2NH2具有碱性
反应生成的HF会腐蚀玻璃

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