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第十一讲 碳族元素 无机非金属材料
1．了解C、Si元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。
2.了解CO2和SiO2物理性质差异的主要原因。
3.了解硅酸及常见硅酸盐的性质。
4.了解硅酸盐工业及新型无机非金属材料的性质与应用。
5．以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用。
一、碳和硅
1．C、Si单质的主要性质
碳
硅
相似性
金刚石和晶体硅都难溶于水和有机溶剂，熔点、沸点、硬度均很高，常温下性质稳定，高温时活泼性增强
原子结构示意图
在元素周期表中的位置
第 周期第 族
第 周期第__ⅣA__族
单质的结构
金刚石： _结构
石墨：层状结构
晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构
元素在自然界中的存在形式
既有游离态又有化合态
只有 态
物理性质
金刚石：熔点高、硬度大；
石墨：硬度小、电的良导体
灰黑色固体，有金属光泽、熔点高、硬度大，有脆性
与单质反应
C＋O2 CO2
2C＋O2 2CO
Si＋O2
Si＋2F2===
Si＋2H2 (很不稳定)
Si＋2Cl2
与酸反应
C＋2H2SO4(浓)
Si＋4HF ===
与水或碱反应
C＋H2O(g)
（水煤气）
Si＋2NaOH＋H2O ===
与氧化物反应
C＋2CuO
2C＋SiO2 （硅的制取）
Si＋2FeO
(炼钢中的反应，了解)
用途
金刚石用作切割刀具， 石墨用作电极、铅笔芯
半导体材料（制造集成电路、晶体管、硅整流器等）和合金材料
可用来制造变压器的铁心、耐酸设备等。
2.硅的工业制法
（1）四氯化硅还原法
①工艺流程
石英砂粗硅SiCl4高纯硅
②反应原理
Si(粗)+2Cl2SiCl4
SiCl4+2H2Si(纯)+4HCl
（2）三氯甲硅烷还原法制备高纯度硅(常用方法)
①工艺流程
②反应原理
SiO2+2CSi+2CO↑，
Si+3HClSiHCl3+H2，
SiHCl3+H2Si+3HCl。
二、二氧化碳和二氧化硅的比较
二氧化碳
二氧化硅
自然界中存在
空气中
岩石中、硅石、石英、水晶、硅藻土都含SiO2
结构
直线形结构，存在单个CO2分子
立体网状结构。在SiO2晶体里，每个Si周围结合 个O，同时每个O与 个Si相结合，在SiO2晶体中原子个数比为1∶2，因此用“SiO2”这个式子表示二氧化硅晶体的组成。SiO2直接由原子构成不存在单个SiO2分子。
晶体类型
晶体
晶体
物理性质
熔、沸点低，常温时是气体，能溶于水
坚硬难熔的固体，不溶于水
与水
CO2＋H2O= H2CO3
不反应
与酸
不反应
除氢氟酸外不反应
与NaOH溶液
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O
SiO2＋2NaOH=== (盛碱液的试剂瓶
用 塞)
与CaO
CO2＋CaO===CaCO3
SiO2＋CaOCaSiO3
与盐
CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3
Ca(ClO)2＋CO2＋H2O === CaCO3↓＋2HClO
SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑
与单质
CO2＋C2CO
SiO2＋2CSi＋2CO↑
用途
制饮料、碳酸盐，干冰用作制冷剂
作光导纤维，制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品
三、碳、硅元素的酸及其盐
（一）碳酸及其盐
1．碳酸是一种二元弱酸，酸性：CH3COOH>H2CO3>。
2．热分解：碳酸>酸式盐>正盐（盐中金属阳离子相同时）。
3．盐在水中的溶解性：钾、钠、铵盐和酸式盐均可溶于水，钾、钠、铵酸式盐的溶解度小于其正盐；Mg2+、Ca2+、Ba2+等酸式盐溶解度大于其正盐的溶解度（正盐均难溶于水）。
4．在可溶性碳酸盐溶液中慢慢滴加H+，并不断振荡，反应是分步进行的，先生成，再生成CO2；因此利用两者滴加顺序不同，出现现象不同，可将它们互相鉴别出来。但难溶于水的碳酸盐与H+的反应，因其反应只是发生在固体表面，故不能分步进行。
（二）硅酸和硅酸盐
1．硅酸
（1）物理性质：硅酸是不溶于水(非常特殊)的 胶状物，能形成硅胶，硅胶吸附水分能力强。
（2）化学性质
①弱酸性：其酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊试液变红。与NaOH溶液反应的化学方程式为：
H2SiO3+2NaOHNa2SiO3+2H2O
②不稳定性：受热易分解，化学方程式为H2SiO3SiO2+H2O
（3）制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3+2HCl
或Na2SiO3＋CO2＋H2O＝ （此方程式证明酸性：H2SiO3 H2CO3）
（4）用途：硅酸在水中易聚合形成胶体．硅胶吸附水分能力强，可用作干燥剂、催化剂的载体等。
2．硅酸与碳酸的比较
物质
硅酸
碳酸
化学式
H2SiO3
H2CO3
酸酐
SiO2
CO2
制法
Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl
CO2+H2OH2CO3
颜色与状态
白色、粉末状
无色液态，只存在于水溶液中
水溶性
不溶于水
只存在于水溶液中
酸性比较
弱
强
3．硅酸盐
（1）概念：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）表示方法：硅酸盐矿物的成分复杂，多用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示它们的组成，如硅酸Na2SiO3可表示为 ，长石KAlSi3O8可表示为： 。（3）硅酸盐种类很多，大多数难溶于水，最常见的可溶性硅酸盐是Na2SiO3。4．硅酸钠
（1）物理性质：白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称 ，有黏性（盛水玻璃的试剂瓶要使用 ）。
（2）化学性质：
①水解显碱性。
②与酸性较硅酸强的酸反应，化学方程式分别为：
与盐酸反应：Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl
与CO2的水溶液反应：Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3↓
（3）用途：黏合剂（矿物胶），防腐剂，耐火阻燃材料。
四、无机非金属材料
1.传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。
常见硅酸盐材料比较
玻璃
水泥
陶瓷
主要原料


黏土
设备


陶瓷窑
生产过程中的主要变化
，

复杂的物理、化学变化
复杂的物理、化学变化
主要成分
Na2SiO3，CaSiO3，SiO2
3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、CaO·Al2O3
2.新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。
（1）高温结构陶瓷：如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学浸蚀性和电绝缘性等。
（2）生物陶瓷：对机体无排异反应，不会引起代谢作用异常。
（3）压电陶瓷：具有压电效应。
1.C、Si同属IVA族，还原性是Si大于C，而C却能将Si从SiO2中还原出来（条件是高温），原
因是产物CO气体迅速从反应体系中逸出
2.酸性氧化物一般与水反应生成相应酸，但SiO2不溶于水，不与水反应，SiO2虽既能和酸(氢氟酸)反应，又能和碱反应，但SiO2不是两性氧化物
3.玻璃中含有SiO2，SiO2能够与碱液缓慢反应，带玻璃塞的玻璃试剂瓶一般都是磨砂口的，接触非常严密，接触碱液时间长了会生成具有黏合性很强的Na2SiO3水溶液，从而使瓶塞与瓶颈黏在一起，不易分开。
4.C、Si、Ge、Sn的+4价化合物稳定，而Pb的+2价化合物稳定。
5.硅酸难溶于水，不能使紫色石蕊试液变红，这2点明显不同于其它的酸。
6.一般非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，硅主要用于电子部件（如集成电路的芯片），另外还用于制作特种钢及合金；石墨可做电极材料。
7.非金属单质与强碱溶液反应一般不产生H2，硅可与强碱溶液反应产生H2 。
8.用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片及光伏电池的是晶体硅。
9.硅酸盐改写成氧化物形式时，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；各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成；当计量数配置出现分数时应化为整数。如正长石：KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。
10.几种常见饰品的主要成分
水晶、石英、玛瑙的主要成分是SiO2；珍珠的主要成分是CaCO3；钻石是金刚石；宝石的主要成分是Al2O3。
11.“水玻璃非玻璃，名碱却是盐”是Na2SiO3的写照，该物质的水溶液俗名为“水玻璃”，但它与玻璃却大相径庭；Na2SiO3因水显强碱性，俗名“泡花碱” ，但它却不是碱，而是盐。
考向一 二氧化硅的性质及应用
典例1：我国科学家制得了SiO2超分子纳米管，微观结构如图。下列叙述正确的是(　　)
A．SiO2与干冰的物理性质相似 B．SiO2耐腐蚀，不与任何酸反应
C．工业上用SiO2制备粗硅 D．光纤主要成分是SiO2，具有导电性
变式训练1二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。a～e是对①～⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行判断，其中正确的是(　　)
①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
②SiO2＋2CSi＋2CO↑
③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
④Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑
⑤SiO2＋3CSiC＋2CO↑
a．反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃
b．反应②中SiO2表现出氧化性
c．反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性
d．反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理
e．反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应
A．ace B．bde C．cde D．ab
考向二 CO2的性质
典例2：用4种溶液进行实验，下表中“操作及现象”与“溶液”对应关系错误的是(　　)
选项
操作及现象
溶液
A
通入足量CO2，溶液变浑浊
饱和Na2CO3
B
通入CO2，溶液变浑浊；继续通CO2至过量，浑浊消失
Na2SiO3溶液
C
通入CO2，溶液变浑浊；再加入品红溶液，红色褪去
Ca(ClO)2溶液
D
通入CO2，溶液变浑浊；继续通CO2至过量，浑浊消失；再加入足量NaOH溶液，又变浑浊
Ca(OH)2溶液
变式训练2.浓度相同的NaOH溶液各100 mL倒入A、B、C三个烧杯中，分别向三份溶液中通入不等量的CO2，充分反应后，再向三份所得溶液中逐滴加入0.2 mol·L－1的盐酸，产生CO2的体积与所加盐酸体积之间关系如下图所示。下列判断正确的是(　　)
A．通入CO2后，A烧杯中的溶质成分是Na2CO3
B．B烧杯中通入的CO2体积为448 mL(状况下)
C．原NaOH溶液的浓度为0.2 mol·L－1
D．通入CO2后，C烧杯中溶质成分的物质的量之比为n(NaOH)∶n(Na2CO3)＝1∶2
考向三 无机非金属材料
典例3：氮化硅是一种重要的高温结构陶瓷,为立体网状结构的晶体,属于超硬物质,本身具有润滑性,并且耐磨损,抗腐蚀能力强,高温时抗氧化。人们常常利用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。
(1)下列有关该陶瓷的说法中正确的是　　　　(填字母,下同)。 ?
A.氮化硅的分子式为Si3N4
B.该陶瓷虽耐高温,但抗震性差、易断裂
C.该陶瓷在高温时,易与氧气反应
D.氮化硅陶瓷制成的机械部件一般不需要润滑剂
(2)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强,但遇上氢氟酸会发生反应:Si3N4+HF+H2OH2SiO3+NH4F。下列有关说法中正确的是　　　　。 ?
A.该反应为氧化还原反应
B.该反应配平后的化学计量数依次为1、4、9、3、4
C.氢氟酸是一种超强酸
D.Si3N4为共价化合物,NH4F为离子化合物
(3)氮化硅可由硅的氯化物与氨气在一定条件下反应得到,试写出该反应的化学方程
式:　 　　　　　 。
变式训练3.山西博物院是太原市地标性建筑之一，下列相关说法正确的是(　　)
A．展柜使用的钢化玻璃，其主要成分只有SiO2
B．墙体使用的砖瓦、水泥，是硅酸盐材料
C．陈列的元青花瓷的原料有高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，也可以表示为Al2O3·SiO2·H2O
D．展示的青铜器上有一层绿色物质可能是碱式碳酸铜，此绿色物质不溶于盐酸
考向四 硅的性质及制备
典例4：硅及其化合物的应用范围很广，下列说法正确的是 (　　)
A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应
C．反应：Si＋2NaOH＋H2O === Na2SiO3＋2H2↑中，Si为还原剂，NaOH和H2O为氧化剂
D．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
变式训练4.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”。它可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
下列说法正确的是(　　)
A．步骤①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑
B．步骤①②③中每生成或反应1 mol Si，转移4 mol电子
C．二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应
D．SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点67.6 ℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3
1．【2018江苏卷】下列有关物质性质与用途具有对应关系的是
A．NaHCO3受热易分解，可用于制胃酸中和剂
B．SiO2熔点高硬度大，可用于制光导纤维
C．Al2O3是两性氧化物，可用作耐高温材料
D．CaO能与水反应，可用作食品干燥剂
2.【2018新课标Ⅱ卷】 我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为：3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列说法错误的是

A. 放电时，ClO4－向负极移动
B. 充电时释放CO2，放电时吸收CO2
C. 放电时，正极反应为：3CO2+4e? ＝2CO32－+C
D. 充电时，正极反应为：Na++e?＝Na
3.【2018新课标Ⅰ卷13】最近我国科学家设计了一种，CO?+H?S协同转化装置，实现对天然气中
CO?和H?S的高效去除。示意图如右所示，其中电极分别为ZnO石墨烯（石墨烯包裹的ZnO）和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：

①EDTA-Fe2+-e-=EDTA-Fe3+
②2EDTA-Fe3++H?S=2H++S+2EDTA+Fe2+
该装置工作时，下列叙述错误的是（ ）
A.阴极的电极反应：CO?+2H++2e-=CO+H?O
B.协同转化总反应：CO?+H?S=CO+H?O+S
C.石墨烯上的电势比ZnO石墨烯上的低
D.若采用Fe2+/Fe3+取代EDTA-Fe2+/EDTA-Fe3+，溶液需为酸性
4.【2017北京卷】根据SO2通入不同溶液中实验现象，所得结论不正确的是（ ）
溶液
现象
结论
A
含HCl、BaCl2的溶液
产生白色沉淀
SO2有还原性
B
H2S溶液
产生黄色沉淀
SO2有氧化性
C
酸性KMnO4溶液
紫色溶液褪色
SO2有漂白性
D
Na2SiO3溶液
产生胶状沉淀
酸性：H2SO3>H2SiO3
5．【2016海南卷4】下列叙述错误的是 （ ）
A．氦气可用于填充飞艇 B．氯化铁可用于硬水的软化
C．石英砂可用于生产单晶硅 D．聚四乙烯可用于厨具表面涂层
6.【2016四川卷1】化学与生产和生活密切相关。下列过程中没有发生化学变化的是（ ）
A．氯气作水的杀菌消毒剂
B．硅胶作袋装食品的干燥剂
C．二氧化硫作纸浆的漂白剂
D．肥皂水作蚊虫叮咬处的清洗剂
7.【2016江苏卷】在给定的条件下，下列选项所示的物质间转化均能实现的是（ ）
A．SiO2SiCl4Si
B．FeS2SO2H2SO4
C．N2NH3NH4Cl(aq)
D．MgCO3MgCl2(aq)Mg
8.【2017新课标Ⅱ卷】水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：
回答下列问题：
(1)在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是______________________________________________，还可使用________代替硝酸。
(2)沉淀A的主要成分是________，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为_____________________________________________________。
(3)加氨水过程中加热的目的是_____________________________________。沉淀B的主要成分为______________、______________(填化学式)。
(4)草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后，用KMnO4标准溶液滴定，通过测定草酸的量可间接获知钙的含量，滴定反应为：MnO＋H＋＋H2C2O4―→Mn2＋＋CO2＋H2O。实验中称取0.400 g水泥样品，滴定时消耗了0.050 0 mol·L－1的KMnO4溶液36.00 mL，则该水泥样品中钙的质量分数为________。
第十一讲 碳族元素 无机非金属材料
1．了解C、Si元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。
2.了解CO2和SiO2物理性质差异的主要原因。
3.了解硅酸及常见硅酸盐的性质。
4.了解硅酸盐工业及新型无机非金属材料的性质与应用。
5．以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用。
一、碳和硅
1．C、Si单质的主要性质
碳
硅
相似性
金刚石和晶体硅都难溶于水和有机溶剂，熔点、沸点、硬度均很高，常温下性质稳定，高温时活泼性增强
原子结构示意图
在元素周期表中的位置
第二周期第__ⅣA__族
第三周期第__ⅣA__族
单质的结构
金刚石：__空间网状__结构
石墨：层状结构
晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构
元素在自然界中的存在形式
既有游离态又有化合态
只有__化合__态
物理性质
金刚石：熔点高、硬度大；
石墨：硬度小、电的良导体
灰黑色固体，有金属光泽、熔点高、硬度大，有脆性
与单质反应
C＋O2 CO2
2C＋O2 2CO
Si＋O2__SiO2__
Si＋2F2===__SiF4__
Si＋2H2__SiH4_(很不稳定)
Si＋2Cl2__SiCl4__
与酸反应
C＋2H2SO4(浓)__CO2↑＋2SO2↑＋2H2O__
Si＋4HF ===__SiF4↑＋2H2↑__
与水或碱反应
C＋H2O(g)__CO＋H2__
（水煤气）
Si＋2NaOH＋H2O ===__Na2SiO3＋2H2↑__
与氧化物反应
C＋2CuO __CO2↑＋2Cu__
2C＋SiO2__2CO↑＋Si__（硅的制取）
Si＋2FeO__SiO2＋2Fe__
(炼钢中的反应，了解)
用途
金刚石用作切割刀具， 石墨用作电极、铅笔芯
半导体材料（制造集成电路、晶体管、硅整流器等）和合金材料
硅的合金__可用来制造变压器的铁心、耐酸设备等。
2.硅的工业制法
（1）四氯化硅还原法
①工艺流程
石英砂粗硅SiCl4高纯硅
②反应原理
Si(粗)+2Cl2SiCl4
SiCl4+2H2Si(纯)+4HCl
（2）三氯甲硅烷还原法制备高纯度硅(常用方法)
①工艺流程
②反应原理
SiO2+2CSi+2CO↑，
Si+3HClSiHCl3+H2，
SiHCl3+H2Si+3HCl。
二、二氧化碳和二氧化硅的比较
二氧化碳
二氧化硅
自然界中存在
空气中
岩石中、硅石、石英、水晶、硅藻土都含SiO2
结构
直线形结构，存在单个CO2分子
立体网状结构。在SiO2晶体里，每个Si周围结合四个O，同时每个O与两个Si相结合，在SiO2晶体中原子个数比为1∶2，因此用“SiO2”这个式子表示二氧化硅晶体的组成。SiO2直接由原子构成不存在单个SiO2分子。
晶体类型
分子晶体
原子晶体
物理性质
熔、沸点低，常温时是气体，能溶于水
坚硬难熔的固体，不溶于水
与水
CO2＋H2O= H2CO3
不反应
与酸
不反应
除氢氟酸外不反应
与NaOH溶液
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O (盛碱液的试剂瓶用 橡胶塞)
与CaO
CO2＋CaO===CaCO3
SiO2＋CaOCaSiO3
与盐
CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3
Ca(ClO)2＋CO2＋H2O === CaCO3↓＋2HClO
SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑
与单质
CO2＋C2CO
SiO2＋2CSi＋2CO↑
用途
制饮料、碳酸盐，干冰用作制冷剂
作光导纤维，制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品
三、碳、硅元素的酸及其盐
（一）碳酸及其盐
1．碳酸是一种二元弱酸，酸性：CH3COOH>H2CO3>。
2．热分解：碳酸>酸式盐>正盐（盐中金属阳离子相同时）。
3．盐在水中的溶解性：钾、钠、铵盐和酸式盐均可溶于水，钾、钠、铵酸式盐的溶解度小于其正盐；Mg2+、Ca2+、Ba2+等酸式盐溶解度大于其正盐的溶解度（正盐均难溶于水）。
4．在可溶性碳酸盐溶液中慢慢滴加H+，并不断振荡，反应是分步进行的，先生成，再生成CO2；因此利用两者滴加顺序不同，出现现象不同，可将它们互相鉴别出来。但难溶于水的碳酸盐与H+的反应，因其反应只是发生在固体表面，故不能分步进行。
（二）硅酸和硅酸盐
1．硅酸
（1）物理性质：硅酸是不溶于水(非常特殊)的白色胶状物，能形成硅胶，硅胶吸附水分能力强。
（2）化学性质
①弱酸性：其酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊试液变红。与NaOH溶液反应的化学方程式为：
H2SiO3+2NaOHNa2SiO3+2H2O
②不稳定性：受热易分解，化学方程式为H2SiO3SiO2+H2O
（3）制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl
或Na2SiO3＋CO2＋H2O＝H2SiO3↓＋Na2CO3（此方程式证明酸性：H2SiO3＜H2CO3）
（4）用途：硅酸在水中易聚合形成胶体．硅胶吸附水分能力强，可用作干燥剂、催化剂的载体等。
2．硅酸与碳酸的比较
物质
硅酸
碳酸
化学式
H2SiO3
H2CO3
酸酐
SiO2
CO2
制法
Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl
CO2+H2OH2CO3
颜色与状态
白色、粉末状
无色液态，只存在于水溶液中
水溶性
不溶于水
只存在于水溶液中
酸性比较
弱
强
3．硅酸盐
（1）概念：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）表示方法：硅酸盐矿物的成分复杂，多用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示它们的组成，如硅酸Na2SiO3可表示为Na2O·SiO2，长石KAlSi3O8可表示为：K2O·Al2O3·6SiO2。（3）硅酸盐种类很多，大多数难溶于水，最常见的可溶性硅酸盐是Na2SiO3。4．硅酸钠
（1）物理性质：白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性（盛水玻璃的试剂瓶要使用橡胶塞）。
（2）化学性质：
①水解显碱性。
②与酸性较硅酸强的酸反应，化学方程式分别为：
与盐酸反应：Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl
与CO2的水溶液反应：Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3↓
（3）用途：黏合剂（矿物胶），防腐剂，耐火阻燃材料。
四、无机非金属材料
1.传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。
常见硅酸盐材料比较
玻璃
水泥
陶瓷
主要原料
纯碱、石灰石、石英
石灰石、黏土
黏土
设备
玻璃熔炉
水泥回转窑
陶瓷窑
生产过程中的主要变化
SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑，
CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑
复杂的物理、化学变化
复杂的物理、化学变化
主要成分
Na2SiO3，CaSiO3，SiO2
3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、CaO·Al2O3
2.新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。
（1）高温结构陶瓷：如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学浸蚀性和电绝缘性等。
（2）生物陶瓷：对机体无排异反应，不会引起代谢作用异常。
（3）压电陶瓷：具有压电效应。
1.C、Si同属IVA族，还原性是Si大于C，而C却能将Si从SiO2中还原出来（条件是高温），原
因是产物CO气体迅速从反应体系中逸出
2.酸性氧化物一般与水反应生成相应酸，但SiO2不溶于水，不与水反应，SiO2虽既能和酸(氢氟酸)反应，又能和碱反应，但SiO2不是两性氧化物
3.玻璃中含有SiO2，SiO2能够与碱液缓慢反应，带玻璃塞的玻璃试剂瓶一般都是磨砂口的，接触非常严密，接触碱液时间长了会生成具有黏合性很强的Na2SiO3水溶液，从而使瓶塞与瓶颈黏在一起，不易分开。
4.C、Si、Ge、Sn的+4价化合物稳定，而Pb的+2价化合物稳定。
5.硅酸难溶于水，不能使紫色石蕊试液变红，这2点明显不同于其它的酸。
6.一般非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，硅主要用于电子部件（如集成电路的芯片），另外还用于制作特种钢及合金；石墨可做电极材料。
7.非金属单质与强碱溶液反应一般不产生H2，硅可与强碱溶液反应产生H2 。
8.用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片及光伏电池的是晶体硅。
9.硅酸盐改写成氧化物形式时，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；各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成；当计量数配置出现分数时应化为整数。如正长石：KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。
10.几种常见饰品的主要成分
水晶、石英、玛瑙的主要成分是SiO2；珍珠的主要成分是CaCO3；钻石是金刚石；宝石的主要成分是Al2O3。
11.“水玻璃非玻璃，名碱却是盐”是Na2SiO3的写照，该物质的水溶液俗名为“水玻璃”，但它与玻璃却大相径庭；Na2SiO3因水显强碱性，俗名“泡花碱” ，但它却不是碱，而是盐。
考向一 二氧化硅的性质及应用
典例1：我国科学家制得了SiO2超分子纳米管，微观结构如图。下列叙述正确的是(　　)
A．SiO2与干冰的物理性质相似 B．SiO2耐腐蚀，不与任何酸反应
C．工业上用SiO2制备粗硅 D．光纤主要成分是SiO2，具有导电性
【解析】
A.SiO2熔点高，硬度大，而CO2熔点低，常温下为气体，A项错误；
B.SiO2能与氢氟酸发生反应，B项错误；
C.工业上用SiO2制备粗硅
D.SiO2无导电性，D项错误。
【答案】C
变式训练1二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。a～e是对①～⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行判断，其中正确的是(　　)
①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
②SiO2＋2CSi＋2CO↑
③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
④Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑
⑤SiO2＋3CSiC＋2CO↑
a．反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃
b．反应②中SiO2表现出氧化性
c．反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性
d．反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理
e．反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应
A．ace B．bde C．cde D．ab
【解析】
通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是③，因此a、c判断错误；反应②是一个置换反应，其中二氧化硅被还原，表现出氧化性，b判断正确；反应④是，用难挥发的二氧化硅制取易挥发的二氧化碳，d判断正确；反应⑤中碳的化合价由0价变为－4和＋2，硅的化合价和氧的化合价都没有改变，因此二氧化硅没有参加氧化还原反应，e判断也正确。
【答案】B
考向二 CO2的性质
典例2：用4种溶液进行实验，下表中“操作及现象”与“溶液”对应关系错误的是(　　)
选项
操作及现象
溶液
A
通入足量CO2，溶液变浑浊
饱和Na2CO3
B
通入CO2，溶液变浑浊；继续通CO2至过量，浑浊消失
Na2SiO3溶液
C
通入CO2，溶液变浑浊；再加入品红溶液，红色褪去
Ca(ClO)2溶液
D
通入CO2，溶液变浑浊；继续通CO2至过量，浑浊消失；再加入足量NaOH溶液，又变浑浊
Ca(OH)2溶液
【解析】
A.Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3，由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3的溶解度，因而会析出NaHCO3晶体，A项正确；
B项，CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓，CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3，H2SiO3与CO2不反应，浑浊不会消失，错误；
C项，CO2＋Ca(ClO)2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO，溶液变浑浊后加入品红溶液，被HClO氧化褪色,正确；
D项，首先CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，继续通CO2，生成可溶于水的Ca(HCO3)2，再加入足量的NaOH，则：2NaOH＋Ca(HCO3)2===CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O，溶液又变浑浊,正确。
【答案】B
变式训练2.浓度相同的NaOH溶液各100 mL倒入A、B、C三个烧杯中，分别向三份溶液中通入不等量的CO2，充分反应后，再向三份所得溶液中逐滴加入0.2 mol·L－1的盐酸，产生CO2的体积与所加盐酸体积之间关系如下图所示。下列判断正确的是(　　)
A．通入CO2后，A烧杯中的溶质成分是Na2CO3
B．B烧杯中通入的CO2体积为448 mL(状况下)
C．原NaOH溶液的浓度为0.2 mol·L－1
D．通入CO2后，C烧杯中溶质成分的物质的量之比为n(NaOH)∶n(Na2CO3)＝1∶2
【解析】浓度相同的NaOH溶液各100 mL倒入A、B、C三个烧杯中，分别向三份溶液中通入不等量的CO2，充分反应后，可能发生反应为：2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O、Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3，故所得溶液溶质可能为：①NaOH、Na2CO3，②Na2CO3，③Na2CO3、NaHCO3，④NaHCO3；再向三份所得溶液中逐滴加入0.2 mol·L－1的盐酸，可能发生反应为：NaOH＋HCl===NaCl＋H2O，Na2CO3＋HCl===NaHCO3＋NaCl，NaHCO3＋HCl===NaCl＋CO2↑＋H2O，由图像可知A曲线前50 mL不产生气体，后150 mL产生气体，故A溶液溶质为③Na2CO3、NaHCO3，故A项错误；B曲线前100 mL不产生气体，后100 mL产生气体，可知该溶液为②Na2CO3溶液，则可知通入的CO2体积为0.1 L×0.2 mol·L－1×22.4 L·mol－1×1 000 mL·L－1＝448 mL，故B项正确；由图象可知加入盐酸200 mL后反应完毕，则原NaOH溶液的浓度为0.2 L×0.2 mol·L－1÷0.1 L＝0.4 mol·L－1，故C项错误；C曲线前150 mL 无气体产生，后50 mL产生气体，可知溶液溶质为①NaOH、Na2CO3，可知C烧杯中溶质成分的物质的量之比为n(NaOH)∶n(Na2CO3)＝2∶1，故D项错误。
【答案】 B
考向三 无机非金属材料
典例3：氮化硅是一种重要的高温结构陶瓷,为立体网状结构的晶体,属于超硬物质,本身具有润滑性,并且耐磨损,抗腐蚀能力强,高温时抗氧化。人们常常利用它来制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。
(1)下列有关该陶瓷的说法中正确的是　　　　(填字母,下同)。 ?
A.氮化硅的分子式为Si3N4
B.该陶瓷虽耐高温,但抗震性差、易断裂
C.该陶瓷在高温时,易与氧气反应
D.氮化硅陶瓷制成的机械部件一般不需要润滑剂
(2)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强,但遇上氢氟酸会发生反应:Si3N4+HF+H2OH2SiO3+NH4F。下列有关说法中正确的是　　　　。 ?
A.该反应为氧化还原反应
B.该反应配平后的化学计量数依次为1、4、9、3、4
C.氢氟酸是一种超强酸
D.Si3N4为共价化合物,NH4F为离子化合物
(3)氮化硅可由硅的氯化物与氨气在一定条件下反应得到,试写出该反应的化学方程
式:　 　　　　　 。
【答案】　(1)D　 (2)BD
(3)3SiCl4+4NH3 Si3N4+12HCl
【解析】
(1)氮化硅为立体网状结构的晶体,不存在单个分子,Si3N4不是分子式,A错误;由氮化硅是高温结构陶瓷,抗氧化、有润滑性可知B、C错误,D正确。
(2)Si3N4与HF反应,无元素化合价的变化,A项错误;氢氟酸是一种弱酸,C项错误。
(3)硅的氯化物为SiCl4,根据题意可知化学方程式为3SiCl4+4NH3 Si3N4+12HCl。
变式训练3.山西博物院是太原市地标性建筑之一，下列相关说法正确的是(　　)
A．展柜使用的钢化玻璃，其主要成分只有SiO2
B．墙体使用的砖瓦、水泥，是硅酸盐材料
C．陈列的元青花瓷的原料有高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，也可以表示为Al2O3·SiO2·H2O
D．展示的青铜器上有一层绿色物质可能是碱式碳酸铜，此绿色物质不溶于盐酸
【解析】
A.钢化玻璃与普通玻璃的成分相同(只是制造的工艺不同)，主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，A项错误；
B.砖瓦和水泥都是硅酸盐工业的产品，所以B项正确；
C.高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，应该表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，C项错误；
D.铜绿是碱式碳酸铜，该物质可以与盐酸反应生成氯化铜而溶解，D项错误。
【答案】B
考向四 硅的性质及制备
典例4：硅及其化合物的应用范围很广，下列说法正确的是 (　　)
A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应
C．反应：Si＋2NaOH＋H2O === Na2SiO3＋2H2↑中，Si为还原剂，NaOH和H2O为氧化剂
D．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
【解析】
B.粗硅提纯涉及的反应：Si＋2Cl2SiCl4，SiCl4＋2H2Si＋4HCl都是氧化还原反应，B项错误；
C.硅与氢氧化钠溶液反应中NaOH既不是氧化剂，也不是还原剂，只是反应物，起氧化作用的只是H2O，C项错误；
D.硅能与氢氟酸反应，不能与盐酸反应，D项错误．
【答案】A
变式训练4.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”。它可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
下列说法正确的是(　　)
A．步骤①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑
B．步骤①②③中每生成或反应1 mol Si，转移4 mol电子
C．二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应
D．SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点67.6 ℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3
【解析】
A.步骤①的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，A项错误；
B.步骤②③中每生成或反应1 mol Si，转移2 mol电子，B项错误；
C.硅能与氢氟酸反应生成SiF4和氢气，C项错误；
D项正确。
【答案】D
1．【2018江苏卷】下列有关物质性质与用途具有对应关系的是
A．NaHCO3受热易分解，可用于制胃酸中和剂
B．SiO2熔点高硬度大，可用于制光导纤维
C．Al2O3是两性氧化物，可用作耐高温材料
D．CaO能与水反应，可用作食品干燥剂
【答案】D
【解析】
A项，NaHCO3能与HCl反应，NaHCO3用于制胃酸中和剂，NaHCO3用于制胃酸中和剂与NaHCO3受热易分解没有对应关系；
B项，SiO2传导光的能力非常强，用于制光导纤维，SiO2用于制光导纤维与SiO2熔点高硬度大没有对应关系；
C项，Al2O3的熔点很高，用作耐高温材料，Al2O3用作耐高温材料与Al2O3是两性氧化物没有对应关系；
D项，CaO能与水反应，用于食品干燥剂，CaO用于食品干燥剂与CaO与水反应有对应关系；
答案选D。
2.【2018新课标Ⅱ卷】 我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2二次电池。将NaClO4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的镍网分别作为电极材料，电池的总反应为：3CO2+4Na2Na2CO3+C。下列说法错误的是

A. 放电时，ClO4－向负极移动
B. 充电时释放CO2，放电时吸收CO2
C. 放电时，正极反应为：3CO2+4e? ＝2CO32－+C
D. 充电时，正极反应为：Na++e?＝Na
【答案】D
【解析】原电池中负极发生失去电子的氧化反应，正极发生得到电子的还原反应，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，充电可以看作是放电的逆反应，据此解答。
A. 放电时是原电池，阴离子ClO4－向负极移动，A正确；
B. 电池的总反应为3CO2+4Na2Na2CO3+C，因此充电时释放CO2，放电时吸收CO2，B正确；
C. 放电时是原电池，正极是二氧化碳得到电子转化为碳，反应为：3CO2+4e?＝2CO32－+C，C正确；
D. 充电时是电解，正极与电源的正极相连，作阳极，发生失去电子的氧化反应，
反应为2CO32－+C－4e?＝3CO2，D错误。
答案选D。
3.【2018新课标Ⅰ卷13】最近我国科学家设计了一种，CO?+H?S协同转化装置，实现对天然气中CO?和H?S的高效去除。示意图如右所示，其中电极分别为ZnO石墨烯（石墨烯包裹的ZnO）和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：

①EDTA-Fe2+-e-=EDTA-Fe3+
②2EDTA-Fe3++H?S=2H++S+2EDTA+Fe2+
该装置工作时，下列叙述错误的是（ ）
A.阴极的电极反应：CO?+2H++2e-=CO+H?O
B.协同转化总反应：CO?+H?S=CO+H?O+S
C.石墨烯上的电势比ZnO石墨烯上的低
D.若采用Fe2+/Fe3+取代EDTA-Fe2+/EDTA-Fe3+，溶液需为酸性
【答案】C
【解析】
A.在ZnO石墨烯上CO2转变为CO，发生还原反应，因此该电极是阴极，阴极电极反应式为：CO2 + 2H+ + 2e- = CO + H2O，A不符合题意。
B. 由图可知总反应市CO2+H2S=CO+H2O+S，B不符合题意。
C. 石墨烯是阳极，电势高于阴极，因此C符合题意。
D. 三价铁离子和亚铁离子再碱性环境中会形成沉淀，因此溶液需为酸性，因此D不符合题意。
故答案为:C
4.【2017北京卷】根据SO2通入不同溶液中实验现象，所得结论不正确的是（ ）
溶液
现象
结论
A
含HCl、BaCl2的溶液
产生白色沉淀
SO2有还原性
B
H2S溶液
产生黄色沉淀
SO2有氧化性
C
酸性KMnO4溶液
紫色溶液褪色
SO2有漂白性
D
Na2SiO3溶液
产生胶状沉淀
酸性：H2SO3>H2SiO3
【答案】C
【解析】
A.混合溶液中SO2被FeCl3氧化生成SO42-，再与BaCl2反应产生白色沉淀，体现了SO2的还原性；
故A正确
B.SO2与H2S在溶液发生反应SO2+2H2S=3S↓+2H2O，体现了SO2的氧化性；故B正确
C.SO2使酸性KMnO4溶液褪色，这是SO2在酸性溶液中还原KMnO4生成Mn2+，体现了SO2的还原性；故C
错误
D.SO2与Na2SiO3溶液产生胶状沉淀，根据强酸制弱酸，可得结论酸性：H2SO3>H2SiO3；故D正确
故选C。
5．【2016海南卷4】下列叙述错误的是 （ ）
A．氦气可用于填充飞艇 B．氯化铁可用于硬水的软化
C．石英砂可用于生产单晶硅 D．聚四乙烯可用于厨具表面涂层
【答案】B
【解析】
氦气性质稳定，故可用于填充飞艇，正确；
B．硬水的软化指的是除去水中的Ca2+、Mg2+，加入氯化铁只能水解产生氢氧化铁胶体吸附悬浮物，用于水的净化，错误；
C．石英砂为SiO2，可用碳还原得到粗硅，经提纯得单晶硅，正确；
D．聚四乙烯具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂，故一般用于不粘锅的涂层，正确。故选B。
6.【2016四川卷1】化学与生产和生活密切相关。下列过程中没有发生化学变化的是（ ）
A．氯气作水的杀菌消毒剂
B．硅胶作袋装食品的干燥剂
C．二氧化硫作纸浆的漂白剂
D．肥皂水作蚊虫叮咬处的清洗剂
【答案】B
【解析】
氯气和水反应生成盐酸和次氯酸，次氯酸具有强氧化性，能使蛋白质变性而杀菌消毒，发生化学
变化，错误；
B、硅胶作干燥剂是利用其吸水性，没有发生化学变化，正确；
C、二氧化硫和有色物质化合使之生成无色物质，错误；
D、肥皂水显碱性，与蚊虫叮咬处释放的酸发生中和反应，错误。
7.【2016江苏卷】在给定的条件下，下列选项所示的物质间转化均能实现的是（ ）
A．SiO2SiCl4Si
B．FeS2SO2H2SO4
C．N2NH3NH4Cl(aq)
D．MgCO3MgCl2(aq)Mg
【答案】C
【解析】
SiO2与盐酸不反应，错误；
B、SO2和H2O反应生成H2SO3，错误；
C、N2+3H22NH3、NH3+HCl==NH4Cl，正确；
D、金属镁的冶炼方法是电解熔融的氯化镁，错误。
8.【2017新课标Ⅱ卷】水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：
回答下列问题：
(1)在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是______________________________________________，还可使用________代替硝酸。
(2)沉淀A的主要成分是________，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为_____________________________________________________。
(3)加氨水过程中加热的目的是_____________________________________。沉淀B的主要成分为______________、______________(填化学式)。
(4)草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后，用KMnO4标准溶液滴定，通过测定草酸的量可间接获知钙的含量，滴定反应为：MnO＋H＋＋H2C2O4―→Mn2＋＋CO2＋H2O。实验中称取0.400 g水泥样品，滴定时消耗了0.050 0 mol·L－1的KMnO4溶液36.00 mL，则该水泥样品中钙的质量分数为________。
【解析】
(1)Fe3＋容易在pH较小时转换为沉淀，所以需要将Fe2＋氧化为Fe3＋。双氧水可以将Fe2＋氧化为Fe3＋且不会引入杂质。
(2)二氧化硅不与强酸反应，但与HF反应，所以沉淀A是二氧化硅。SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
(3)加热可以促进Fe3＋、Al3＋水解生成Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀。pH为4～5时Ca2＋、Mg2＋不沉淀，Fe3＋、Al3＋沉淀，所以沉淀B为Fe(OH)3、Al(OH)3。
(4)5Ca2＋～5H2C2O4～2KMnO4，n(KMnO4)＝0.050 0 mol/L×36.00 mL×10－3 L·mL－1＝1.80×10－3 mol，n(Ca2＋)＝4.50×10－3 mol，水泥中钙的质量分数为×100%＝45.0%。
【答案】(1)将Fe2＋氧化为Fe3＋ 　双氧水(2) SiO2 　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
(3)防止胶体生成，易沉淀分离　Fe(OH)3Al(OH)3 (4)45.0%

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