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第21讲　第Ⅳ A族元素——碳、硅
第五章　非金属及其它化合物
复习要点　1.了解C、CO、CO2、H2C2O4的性质和应用。2.掌握Si、SiO2及硅酸盐和新 型无机非金属材料的性质和应用。
考点1
考点 　C、CO、CO2、H2C2O4
一、碳单质
1. 存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯等，它们互为 。
同素异形体
2. 化学性质
（1）与非金属单质（如O2）反应
（2）与氧化物反应
（3）与酸反应
二、碳的氧化物
1. 电子式：： 、 。
2. 物理性质
（1）CO：难溶于水、密度略小于空气的密度。
（2）CO2：微溶于水、密度大于空气的密度。
3. 化学性质
（3）与水反应：CO2＋H2O H2CO3。
（4）CO2与盐、碱溶液反应的定性、定量分析
CO2与盐溶液反应时产物或现象的判断
4. 用途
（1）CO2常用作化工原料、灭火剂。
（2）干冰：用作制冷剂，用于人工降雨。
三、碳酸、碳酸盐
1. 溶解性
2. 热稳定性：碳酸盐＞酸式碳酸盐＞碳酸。
3. 作沉淀剂
四、草酸（白色粉末）、草酸盐
1. 草酸的性质
（1）酸性：H2C2O4又名乙二酸，为二元弱酸，其酸性强于H2CO3的。
2. 草酸盐的性质
（3）MgC2O4等：微溶于水，由对应的可溶性金属盐与草酸铵在水溶液中作用得到， 加热分解最终可得到对应的金属氧化物。
题组一　碳元素及其化合物的转化
A. a是最简单的有机化合物
B. b在高温下被SiO2氧化成e
C. d与血红蛋白结合的能力比O2强
D. 将氨和e通入饱和食盐水中可得到m
B
解析：化合价为－4价的碳元素氢化物为CH4，是最简单的有机化合物，A正确；b是 单质C，e是CO2，C在高温下被SiO2氧化成CO，不是CO2，B错误；d为CO，CO与血 红蛋白结合的能力比O2强，C正确；e是CO2，将氨和CO2通入饱和食盐水反应生成 NH4Cl和NaHCO3，则可得到碳元素化合价为＋4价的盐m（NaHCO3），D正确。
解题感悟
价—类二维图及转化关系
题组二　CO、CO2的制备及性质
2. （2026 邵阳第一次联考）某兴趣小组设计实验探究Ce－MnOx催化氧化CO的效 率。回答下列问题：
［步骤Ⅰ］制备CO
（1）装置A中盛放浓硫酸的仪器名称是 。
解析：（1）根据装置图可知：装置A中盛放浓硫酸的仪器的名称为圆底烧瓶。
圆底烧瓶
（2）B中NaOH溶液的作用是 。
解析：（2）在装置A中HCOOH与浓硫酸混合加热反应制取CO，该气体中含有 HCOOH蒸气，用NaOH可以吸收挥发出的HCOOH蒸气。
吸收挥发出的HCOOH蒸气
［步骤Ⅱ］检验CO
（3）将CO通入新制银氨溶液中，有单质银沉淀生成，则该反应的化学方程式 为 。
［步骤Ⅲ］探究Ce－MnOx催化氧化CO的效率
通入11.2 L（已折算为标准状况）的气体样品后，继续向装置内通入一段时间氮气， 最终测得U形管内生成了0.152 4 g I2。
①能证明CO被空气氧化的现象是 。
②CO被催化氧化的百分率为 。
③若未通入氮气，②的结果将 （填“偏大”“偏小”或“无影响”）。
装置H中澄清石灰水变浑浊
40％
偏大
减小气体样品
流速
解题感悟
检验CO2中是否存在CO的装置及其作用
确定混合气体中含有CO的实验现象：B中无明显现象，D中的物质由黑色变成光亮的 红色，F中的澄清石灰水变浑浊。　
题组三　H2C2O4的性质
3. 探究草酸（H2C2O4）性质，进行如下实验。
实验 装置 试剂a 现象
① 澄清石灰水 产生白色沉淀
② 少量Na2CO3溶液（甲基橙） 最终溶液呈橙色
③ C2H5OH和浓硫酸 加热后产生的物质有香味
④ 酸性KMnO4溶液 溶液紫色变浅，最终消失
B. 实验②中投入草酸和Na2CO3的物质的量之比为2∶1，则可求得草酸：Ka1 Ka2＜Kw
C. 实验③中反应后所得有机产物不止两种
B
考点2
考点 　Si、SiO2、H2SiO3及其盐的性质和应用
一、硅单质（灰黑色晶体、有金属光泽）
1. 物理性质：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。
2. 化学性质
（1）与非金属单质反应
4. 用途：常用作半导体材料、制作芯片和硅太阳能电池等。
二、二氧化硅（SiO2，无色透明晶体）
1. 物理性质：不溶于水，熔点高，硬度大。
2. 晶体类型：共价晶体（硅氧四面体）。
3. 化学性质
4. 用途：SiO2常用作光导纤维、电子部件等。
三、硅酸（白色胶状沉淀）
1. 物理性质：不溶于水，能形成胶体。
2. 化学性质（有强腐蚀性）
4. 用途：硅酸在水中易聚合形成胶体，硅胶吸水能力强，常用作干燥剂，也可以用作 催化剂的载体。
四、硅酸钠（Na2SiO3，白色粉末状固体）
1. 俗称：泡花碱。
2. 物理性质：Na2SiO3为白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃， 有黏性。
3. 化学性质
（2）与CO2水溶液反应：
4. 用途：作黏合剂（矿物胶）、防腐剂和耐火阻燃材料。
5. 硅酸盐组成的表示
通常用二氧化硅和金属氧化物的组成形式表示硅酸盐的组成。如硅酸钠（Na2SiO3） 可表示为Na2O SiO2，石棉（CaMg3Si4O12）可表示为 。
CaO 3MgO 4SiO2
【细节联想】
利用氧化物组成形式分析其性质，但不能认为是氧化物的混合物。
题组一　Si、SiO2的性质及应用
1. （2026 名师汇编）化学与科技、生活、社会发展密切相关，下列有关硅和二氧化 硅的叙述正确的是 （填序号）。
①硅在自然界中主要以单质形式存在
②单晶硅熔点高，所以可用作半导体材料
③高纯硅可用于制作光感电池
④北斗卫星导航系统由中国自主研发、独立运行，其所用芯片的主要成分为SiO2
③⑥
⑥利用氢氟酸刻蚀石英制作艺术品的原理是氢氟酸可与SiO2反应
⑦千家万户通光纤，光纤的主要材质为Si
⑧单晶硅和石英互为同素异形体
⑤用如图装置加热熔融的烧碱固体
解析：Si是亲氧元素，则Si在自然界中主要以氧化物和硅酸盐的形式存在，故①错 误。晶体硅是导电性介于导体和绝缘体之间的半导体材料，与晶体硅熔点高无关，故 ②错误。晶体硅是良好的半导体材料，高纯硅可用于制作光感电池，故③正确。晶体 硅是良好的半导体材料，可用于制造芯片，即芯片的主要成分为硅，不是二氧化硅， 故④错误。瓷坩埚中含有二氧化硅，二氧化硅能与碱反应，不能用瓷坩埚加热熔融烧 碱，故⑤错误。氢氟酸能与二氧化硅反应生成挥发性的四氟化硅和水，该反应常用于 刻蚀玻璃、石英等，故⑥正确。光纤的主要材质为二氧化硅，故⑦错误。同素异形体 是指同种元素组成的不同种单质，单晶硅为硅单质，石英是SiO2，两者不互为同素异 形体，故⑧错误。
①可用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛装Na2SiO3溶液
②硅酸钠溶液浸泡过的木材、纺织品既耐腐蚀又不易着火
③可用如图装置推断C、Si、Cl的非金属性强弱
题组二　硅酸、硅酸盐的性质及应用
2. （2026 名师汇编）下列有关硅酸和硅酸盐的叙述正确的是 （填序号）。
②⑤
④水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱
⑤无水CoCl2呈蓝色，吸水会变为粉红色，可用
于判断变色硅胶是否吸水
解析：Na2SiO3溶液具有黏合性，应选带橡皮塞的试剂瓶，故①错误。硅酸钠水溶液 具有防腐和阻燃作用，故②正确。盐酸能和Na2CO3反应生成CO2，但盐酸易挥发，所 以生成的CO2中含有HCl，HCl和CO2都能与Na2SiO3溶液生成沉淀，且HCl不是氯元素 的最高价氧化物的水化物，所以不能根据HCl、H2CO3、H2SiO3酸性强弱判断C、Si、 Cl的非金属性强弱，故③错误。水玻璃是Na2SiO3的水溶液，泡花碱是Na2SiO3的俗 称，Na2SiO3属于盐，故④错误。无水CoCl2吸水的现象（蓝色变粉红色）明显，可用 于判断变色硅胶是否吸水，故⑤正确。
a. ，b. ，c. ，d. ，e. 。
Si
SiF4
SiO2
H2SiO3
Na2SiO3
题组三　含硅物质的转化
3. 将Si、SiO2、SiF4、H2SiO3、Na2SiO3填在下面字母对应处。
① ；
② ；
③ ；
④ ；
⑤ ；
⑥ ；
写出图中序号对应的化学方程式：
⑧ ；
⑨ 。
H2SiO3↓）
解题感悟
价—类二维图及转化关系
题组四　Si及其化合物的制备
A. SiO2可与NaOH溶液反应
B. 盐酸在该工艺中体现了还原性
C. 高纯Si可用于制造硅太阳能电池
B
5. （2023 湖北化学）工业制备高纯硅的主要过程如下：
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
考点3
考点 　无机非金属材料
1. 传统无机非金属材料
水泥 玻璃 陶瓷
生产原料 石灰石、黏土 黏土
主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑
变化 复杂的物理、
化学变化过程 主要反应： 、 复杂的物 理、化学 变化过程
纯碱、石灰石、石英砂
＋CO2↑
CO2↑
水泥 玻璃 陶瓷
组成 硅酸三钙（3CaO SiO2）、
硅酸二钙（2CaO SiO2）、
铝酸三钙（3CaO Al2O3） 硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅 硅酸盐
用途 重要的建筑材料 制化学实验用的玻璃仪器、窗玻璃等 在工农业生产、科技、 生活中使用广泛
2. 新型无机非金属材料
（1）以 为主体的硅芯片、硅太阳能电池。
（2）以 为主体的光导纤维。
（3）新型陶瓷
①碳化硅（SiC）俗称金刚砂，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料，SiC还具有优异 的高抗氧化性能。
②其他：如Si3N4、氧化铝等。
晶体硅
SiO2
（4）碳纳米材料
富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称 代表物：C60。开启碳纳米材料研究和应用的新时代
碳纳米管 由石墨片层卷成的管状物，其有纳米尺度的直径 用于生产复合材料、电池和传感器
石墨烯 只有一个碳原子直径厚度的单层
石墨 应用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料
题组一　陶瓷、玻璃、水泥的成分、性能及用途
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：青花瓷经过高温烧制而成，含钴颜料主要成分为氧化钴，则不会生成单质钴， 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，不能确定其中 铁元素的具体存在形式，D项错误。
A. 制造陶俑的原料主要是黏土
B. 陶俑主要成分是硅酸盐
C. 陶俑因含FeO而呈红色
D. 烧制陶俑过程发生了化学变化
解析：陶俑属于陶器，制造陶俑的主要原料是黏土，A正确；陶俑属于陶器，陶器的 主要成分是硅酸盐，B正确；陶俑呈红色是因为含Fe2O3，C错误；陶俑是用黏土等材 料经高温烧制发生复杂的化学变化形成的，D正确。
2. （2026 河南名校联盟）
C
解析：泥活字字坯的主要原料是黏土，黏土的主要成分是硅酸盐，A正确；木活字字 坯的主要成分是纤维素，纤维素属于有机高分子化合物，B错误；铜活字字坯和铅活 字字坯的主要成分均为金属，均属于金属材料，C、D错误。
A
A. 金代六曲葵花鎏金银盏
B. 北燕鸭形玻璃注
C. 汉代白玉耳杯
D. 新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐
解析：金代六曲葵花鎏金银盏是合金，属于金属材料；北燕鸭形玻璃注是玻璃制品， 属于硅酸盐材料；汉代白玉耳杯是玉，属于硅酸盐材料；新石器时代彩绘几何纹双腹 陶罐是陶器，属于硅酸盐材料。
A
解题感悟
材料的分类及各类材料的典例
限时跟踪检测
限时跟踪检测（二十一）　第Ⅳ A族元素——碳、硅
A B C D
青铜兽
面纹爵 犀角雕玉兰
花果纹杯 斫木云纹
漆耳杯 清代彩绘龙
纹蓝瓷壶
D
解析：青铜属于合金，A不符合题意；犀角的主要成分属于蛋白质，B不符合题 意；斫木的主要成分属于纤维素，C不符合题意；陶瓷的主要成分是硅酸盐，D 符合题意。
A. 富勒烯、石墨烯和碳纳米管等碳纳米材料均属于新型无机非金属材料
B. Si3N4俗称金刚砂，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料
C. 神舟十四号载人飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐
D. 二氧化硅常被用于制造光缆，是由于其导电能力强
解析：富勒烯、石墨烯和碳纳米管都是由碳元素组成的单质，均属于新型无机非金属 材料，A项正确；SiC俗称金刚砂，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料，B项错误； 高温结构陶瓷的主要成分是氮化硅等，属于新型无机非金属材料，C项错误；二氧化 硅不导电，可用于制造光缆是由于其具有优异的光学性能，D项错误。
A
A. 钢化玻璃、石英玻璃及有机玻璃都属于无机非金属材料
B. 含溴化银的变色玻璃，变色原因与太阳光的强度和生成银的多少有关
C. 玻璃化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
D. 普通玻璃的主要成分可表示为Na2O CaO 6SiO2，说明玻璃为纯净物
B
解析：钢化玻璃是通过对普通玻璃进行物理或化学强化处理，大幅提升强度和热稳定 性，主要成分是硅酸盐；石英玻璃主要成分是二氧化硅；有机玻璃主要成分是聚甲基 丙烯酸甲酯，属于塑料，不是无机非金属材料，A错误。变色玻璃中含有的AgBr见光 分解产生Ag单质和Br2单质，Ag单质可吸收可见光，使玻璃变色，光线弱时，溴与银 又生成溴化银，可见变色原因与太阳光的强度和生成银的多少有关，B正确；玻璃的 主要成分SiO2易与NaOH发生反应，因此不耐碱的侵蚀，C错误；普通玻璃的主要成 分为Na2SiO3、CaSiO3、SiO2，硅酸盐结构复杂，习惯用氧化物形式表示，故玻璃表 示为Na2O CaO 6SiO2，不能说明玻璃为纯净物，D错误。
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，只是可表示成氧化物形式，B错误；微 量的CaO与硅酸盐在高温下熔合，但不能与水反应，陶瓷可以盛水，C错误；Fe2O3呈 红棕色，青釉瓷器的青色与Fe2O3无关，D错误。
A. CO2、H2O和CH3OH均为极性分子
B. 反应涉及极性键与非极性键的断裂和生成
C. CO2中C、H2O中O和CH3OH中C所对应的键角依次减小
D
解析：CO2为直线形分子，为非极性分子，A错误；反应不涉及非极性键的生成，B错 误；CO2为直线形分子，键角为180°，H2O为V形分子，键角约为105°，CH3OH为四 面体形分子，键角约为109°28′，C错误；“CO2加氢制CH3OH”是熵减反应，且可 在低温常压下实现，说明是放热反应，D正确。
A. “高温转化Ⅰ”硅元素参与的反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2
B. “净化”可将空气依次通过NaOH溶液、热还原铁粉、浓硫酸
C. “洗涤”时酸洗可选用稀硝酸
D. SiO2中的Si—O的键能高于Si3N4中的Si—N的键能
B
7. （2026 广东模拟）以叶蛇纹石［主要成分是Mg6（Si4O10）（OH）8，含少量 Fe2O3、FeO、Al2O3等］为原料提取高纯硅的流程如图：
A. 反应2的副产物可作燃料
B. 反应3和反应4的副产物可循环利用
C. 反应2、3、4都是氧化还原反应
D. 上述流程中反应3和反应4可在同一容器中进行
D
解析：反应2是二氧化硅和焦炭在1 800 ℃条件下反应生成粗硅和一氧化碳，副产物 CO可作燃料，故A正确；反应3是粗硅和HCl在300 ℃条件下反应生成H2和SiHCl3，反 应4是H2和SiHCl3在1 100 ℃条件下反应生成Si和HCl，反应3的副产物是反应4的原 料，反应4的副产物是反应3的原料，因此反应3和反应4的副产物可循环利用，故B正 确；反应2、3、4是氧化还原反应，故C正确；如果反应3和反应4在同一容器中进 行，不能达到提纯目的，反应温度不同，应利用反应3除去高熔点的杂质（如 SiO2），然后将三氯硅烷蒸馏出来，D项错误。
A. “还原”过程需要在高温条件下，该反应的还原产物只有Si
B. 为最大程度节约成本，上述生产工艺中能循环使用的物质有H2、HCl
C. “氧化”“分离”与“热解”的过程必须在无水、无氧的条件下进行
A
9. （2026 聊城模拟）某学习小组拟探究CO2和锌粉反应是否生成CO，已知CO能与银 氨溶液反应产生黑色固体。实验装置如图所示：
A. 装置e的作用是防倒吸
B. 如图所示装置的活塞K处于关闭状态
C. 实验结束时，先关闭活塞K，再熄灭酒精灯
D. b、c、f中的试剂依次为浓硫酸、饱和碳酸氢钠溶液、银氨溶液
B
解析：装置e利用二氧化碳的密度大于空气的原理，其作用为分离二氧化碳和一氧化 碳，选项A错误；启普发生器中的盐酸与碳酸钙未接触，则活塞K处于关闭状态，反 应进行时a中盐酸浸没碳酸钙固体，b、c、f中有气泡冒出，选项B正确；实验结束 时，先熄灭酒精灯，继续通二氧化碳，最后再关闭活塞K，选项C错误；b、c、f中的 试剂依次为饱和碳酸氢钠溶液、浓硫酸、银氨溶液，选项D错误。
10. 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：
（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
回答下列问题：
（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
（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（任意两条即可）
各组分沸点相差较大
H2、HCl
11. （2026 岳阳监测一）草酸是一种用途广泛的有机酸，易溶于水，常用来作还原 剂、沉淀剂、媒染剂、络合剂等。某实验小组通过查阅资料设计了如图所示的装置 （夹持仪器省略）制备一定量的草酸晶体（H2C2O4 2H2O），回答下列问题：
经查找资料得知：乙炔在50 ℃左右、硝酸汞［Hg（NO3）2］作催化剂的条件下，经 浓硝酸氧化可制得草酸。
（1）仪器a的名称是 。
解析：（1）仪器a的名称是蒸馏烧瓶；
（2）硫酸铜溶液除去的杂质气体分子式为 。
解析：（2）根据题意可知，饱和食盐水和电石（杂质CaS、Ca3P2）反应生成乙炔， 乙炔中混有H2S和PH3，通过装置B中CuSO4溶液除去H2S和PH3；
蒸馏烧瓶
H2S、PH3
解析：（3）由于装置C中反应控制在50 ℃左右，采用水浴加热，若温度高于50 ℃， 则生成草酸的速率会减小，原因是温度过高，浓硝酸分解，导致草酸生成速率减小 （或催化剂活性降低）；
水浴加热
温度过高，浓硝酸分解，导致
草酸生成速率减小（或催化剂活性降低）
4H2O
解析：（5）若证明草酸属于二元酸，方法是取V L草酸溶液，使用等浓度氢氧化钠滴 定，消耗氢氧化钠体积2V L（或常温下，测得草酸氢钠溶液的pH小于7，说明电离大 于水解，可以证明草酸属于二元酸）。
取V L草酸溶液，使用等浓度
氢氧化钠滴定，消耗氢氧化钠体积2V L（或常温下，测得草酸氢钠溶液的pH小于
7）

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