专题41 碳硅及其无机非金属材料 讲高考化学一轮复习讲练测解析版.docx
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专题41碳硅及其无机非金属材料讲高考化学一轮复习讲练测解析版
专题4.1 碳、硅及其无机非金属材料
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C、Si元素单质及其重要化合物对环境的影响。
知识点一碳及其重要化合物
1．碳单质
（1）结构、存在形态、物理性质和用途
存在形态
游离态和化合态
结构
金刚石：
空间网状结构；
石墨：
层状结构
同素异形体
金刚石、石墨、C60、C70
物理性质
金刚石：
熔点高、硬度大；
石墨：
硬度小、电的良导体、有滑腻感
用途
金刚石用作切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯、高温润滑剂
（2）主要化学性质——还原性
可燃性
2C＋O2（不足）
2CO、C＋O2（足量）
CO2
与氧化
物反应
CuO：
2CuO＋C
2Cu＋CO2↑（冶炼金属）
SiO2：
SiO2＋2C
Si＋2CO↑（制取粗硅）
H2O：
C＋H2O（g）
CO＋H2（制取水煤气）
与强氧化
性酸反应
浓H2SO4：
C＋2H2SO4（浓）
CO2↑＋2SO2↑＋2H2O
浓HNO3：
C＋4HNO3（浓）
CO2↑＋4NO2↑＋2H2O
2．一氧化碳（CO）
（1）物理性质
无色气体，有毒，难溶于水。
（2）化学性质——还原性
①燃烧：
2CO＋O2
2CO2，淡蓝色火焰；
②还原CuO：
CuO＋CO
Cu＋CO2（冶炼金属）。
3．二氧化碳（CO2）
（1）物理性质：
CO2是一种无色、无味的气体，能溶于水，固态CO2俗称干冰。
（2）化学性质：
与H2O、Na2O、Ca（OH）2（足量、澄清）、Mg反应的方程式分别为CO2＋H2OH2CO3、Na2O＋CO2===Na2CO3、CO2＋Ca（OH）2===CaCO3↓＋H2O2Mg＋CO2
2MgO＋C。
（3）CO2在自然界中的循环
①CO2的主要来源：
大量含碳燃料的燃烧。
②自然界消耗CO2的主要反应：
a．溶于江水、海水中：
CO2＋H2O
H2CO3；
b．光合作用将CO2转化为O2；
c．岩石的风化：
CaCO3＋H2O＋CO2===Ca（HCO3）2。
（4）CO、CO2气体的除杂方法
CO中混有CO2
通过盛有NaOH溶液的洗气瓶，然后干燥气体
CO2中混有CO
通过盛有灼热CuO的硬质试管
CO2中混有少量SO2或HCl
通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶，然后干燥气体
①澄清石灰水只用于检验CO2，不能用于除去混合气体中的CO2，应用NaOH溶液除去；
②CO2、SO2通入CaCl2或BaCl2溶液均无沉淀产生
4．碳酸（H2CO3）
弱酸、不稳定。
碳酸（H2CO3）只能在水中存在。
H2CO3在水中与CO2共存，因此常把CO2＋H2O当碳酸用。
5．碳酸的酸式盐和正盐的比较
（1）在水中的溶解性
①含K＋、Na＋、NH
的正盐易溶于水，其余一般不溶于水；酸式盐均能溶于水。
②一般来说，在相同温度下，难溶性正盐溶解度小于其酸式盐溶解度，如溶解度：
Ca（HCO3）2>CaCO3；可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度，如溶解度：
Na2CO3>NaHCO3。
（2）热稳定性
一般来说，热稳定性顺序为正盐>酸式盐>碳酸，如稳定性：
Na2CO3>NaHCO3>H2CO3。
可溶性正盐>难溶性正盐，如CaCO3高温分解，而K2CO3不易分解。
（3）水溶液酸碱性
物质的量浓度相同时，正盐溶液的pH大于其酸式盐溶液，如pH：
Na2CO3溶液>NaHCO3溶液。
（4）与酸的反应
①CaCO3与盐酸反应的离子方程式：
CaCO3＋2H＋===H2O＋CO2↑＋Ca2＋。
②Ca（HCO3）2与盐酸反应的离子方程式：
HCO
＋H＋===H2O＋CO2↑。
（5）与碱的反应
①Na2CO3与Ca（OH）2反应的离子方程式：
CO
＋Ca2＋===CaCO3↓。
②NaHCO3与足量Ca（OH）2反应的离子方程式：
HCO
＋Ca2＋＋OH－===CaCO3↓＋H2O。
Ca（OH）2与足量NaHCO3反应的离子方程式：
Ca2＋＋2OH－＋2HCO
===CaCO3↓＋CO
＋2H2O。
【典例1】（湖南雅礼中学2019届模拟）用四种溶液进行实验，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CO2，溶液变浑浊
饱和Na2CO3溶液
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
澄清石灰水
【答案】B
【解析】A项，由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3，Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3，因而会析出NaHCO3晶体，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。
【方法技巧】CO2与盐溶液反应产物及现象的判断
一般从强酸制弱酸的角度去分析。
由于碳酸比硅酸、次氯酸、苯酚、Al（OH）3（偏铝酸）的酸性强，能用CO2制取上述弱酸，常涉及的变化如下：
CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓
（或CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H4SiO4↓＋Na2CO3）
CO2＋Ca（ClO）2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO
CO2＋
＋NaHCO3
CO2（过量）＋NaAlO2＋2H2O===Al（OH）3↓＋NaHCO3
CO2（少量）＋2NaAlO2＋3H2O===2Al（OH）3↓＋Na2CO3
【变式】（河北石家庄二中2019届模拟）将足量的CO2不断通入KOH、Ba（OH）2、KAlO2的混合溶液中，生成沉淀的物质的量与所通入CO2的体积关系如图所示。
下列关于整个反应过程中的叙述不正确的是（ ）
A．Oa段反应的化学方程式是Ba（OH）2＋CO2===BaCO3↓＋H2O
B．ab段与cd段所发生的反应相同
C．de段沉淀减少是由于BaCO3固体的消失
D．bc段反应的离子方程式是2AlO
＋3H2O＋CO2===2Al（OH）3↓＋CO
【答案】B
【解析】CO2优先与Ba（OH）2反应（图像中Oa段），然后与KOH反应（图像中ab段），接着与KAlO2反应（图像中bc段），再与K2CO3反应（图像中cd段），最后与BaCO3反应（图像中de段）。
知识点二硅 无机非金属材料
一、硅单质
1．存在
硅单质主要有晶体和无定形两大类。
2．物理性质
带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。
3．化学性质
常温下与F2、HF、NaOH反应；加热时能与H2化合生成不稳定的氢化物SiH4，加热时还能与Cl2、O2化合分别生成SiCl4、SiO2。
涉及的化学方程式如下：
①与非金属单质反应
②与氢氟酸反应：
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
③与NaOH溶液反应：
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
（4）制备方法
①制取粗硅：
工业上，用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅：
SiO2＋2C
Si＋2CO↑。
②粗硅提纯：
Si＋2Cl2
SiCl4，SiCl4＋2H2
Si＋4HCl。
【特别提醒】①用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。
②粗硅中含碳等杂质，与Cl2反应生成的SiCl4中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。
（5）主要用途
①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。
二、二氧化硅
1．存在
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，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。
天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石。
2．结构
SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体（如下图甲所示），硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构（如下图乙所示）。
每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。
3．二氧化硅的性质及用途
物理性质
硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水
化学性质
与水反应
不反应
与酸反应
只与氢氟酸反应：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
与碱反应
如与NaOH反应：
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（盛碱液的试剂瓶用橡胶塞）
与盐反应
如与Na2CO3反应：
SiO2＋Na2CO3
Na2SiO3＋CO2↑
与碱性氧
化物反应
如与CaO反应：
CaO＋SiO2
CaSiO3
用途
光导纤维、光学仪器、电子部件
【特别提醒】
①SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不与水反应，不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。
②氢氟酸能与SiO2反应，故氢氟酸不能盛放在玻璃瓶中，而应存放在塑料瓶中。
三、硅酸、硅酸盐
1．硅酸
（1）物理性质
硅酸的溶解度小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。
（2）化学性质
①弱酸性：
酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。
②不稳定性：
受热易分解，反应的化学方程式为
H2SiO3
SiO2＋H2O。
（3）制备：
通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：
Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3（胶体）。
（4）用途：
硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。
2．硅酸盐
①白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。
②与酸性较硅酸强的酸反应：
a．与盐酸反应的化学方程式：
Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
b．与CO2水溶液反应的化学方程式：
Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。
③用途：
黏合剂（矿物胶），耐火阻燃材料。
（3）硅酸盐组成的表示
通常用二氧化硅和金属氧化物的组合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。
推背图①Na2SiO3的水溶液是一种黏合剂，是制备硅胶和木材防火剂等的原料；Na2SiO3易与空气中的CO2、H2O反应，要密封保存。
②可溶性碳酸盐、硅酸盐的水溶液呈碱性，保存该溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，应用橡胶塞。
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。
（1）常见硅酸盐材料比较
水泥
玻璃
陶瓷
生产原料
石灰石、黏土
纯碱、石灰石、石英
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：
Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2
CaSiO3＋CO2↑。
2．新型无机非金属材料
材料类别
主要特性
示例
用途
高温结构
陶瓷
能承受高温，
强度高
氮化硅陶瓷
汽轮机叶片、轴承、永久性模具等
半导体陶瓷
具有电学特性
二氧化锡陶瓷
集成电路中的半导体
光学材料
具有光学特性
光导纤维
光缆通讯、医疗、照明等
生物陶瓷
具有生物功能
氧化铝陶瓷
人造骨骼、人造关节、接骨螺钉
【典例2】从石英砂制取高纯硅的主要化学反应如下：
①SiO2＋2C
Si（粗）＋2CO↑
②Si（粗）＋2Cl2
SiCl4
③SiCl4＋2H2
Si（纯）＋4HCl
关于上述反应的叙述不正确的是（ ）
A．①③是置换反应，②是化合反应
B．高温下，焦炭与氢气的还原性均强于硅
C．任一反应中，每消耗或生成28g硅，均转移4mol电子
D．高温下在炉子里将石英砂、焦炭、氯气、氢气按比例混合就能得到高纯硅
【答案】D
【解析】在氧化还原反应中，还原剂的还原性比还原产物的强，B正确；根据元素化合价的变化，每消耗或生成28g（1mol）硅，均转移4mol电子，C正确；题中的三个反应是在三个不同反应器中发生，D错误。
【变式2】（山西康杰中学2019届模拟）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。
如图是用稻壳灰（SiO2：
65%～70%、C：
30%～35%）制取水玻璃的工艺流程：
下列说法正确的是（ ）
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完全相同
C．该流程中硅元素的化合价发生改变
D．反应器中发生的复分解反应为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
【答案】A
【解析】A项，稻壳灰来源广泛、价格低廉，活性炭具有吸附性，有较高的经济价值，正确；B项，操作A为过滤，操作B为蒸发浓缩，是两种不同的操作，错误；C项，SiO2中硅元素的化合价是＋4价，Na2SiO3中硅元素的化合价是＋4价，所以该流程中硅元素的化合价没有发生改变，错误；D项，由复分解反应的概念可知，SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O不属于复分解反应，错误。
考点一碳及及其化合物性质
【典例1】（2018·江苏，1）CO2是自然界碳循环中的重要物质。
下列过程会引起大气中CO2含量上升的是（ ）
A．光合作用B．自然降雨
C．化石燃料的燃烧D．碳酸盐的沉积
【答案】C
【解析】光合作用过程中植物吸收CO2使CO2含量下降，A项不符合题意；自然降雨的过程会消耗CO2，使CO2含量下降，B项不符合题意；化石燃料燃烧时会产生CO2，使CO2含量上升，C项符合题意；碳酸盐沉积指由于形成海洋或湖泊底部的粒状、泥状碳酸盐矿物及其集合体，通过生物作用或从过饱和碳酸盐的水体中直接沉淀，水体中生物活动消耗CO2，使CO2含量下降，D项不符合题意。
【变式1】（2017·北京高考）我国在CO2催化加氢制取汽油方面取得突破性进展，CO2转化过程示意图如下：
下列说法不正确的是（ ）
A．反应①的产物中含有水
B．反应②中只有碳碳键形成
C．汽油主要是C5～C11的烃类混合物
D．图中a的名称是2甲基丁烷
【答案】B
【解析】反应①是CO2与H2反应生成了CO，根据元素守恒可推断有H2O生成，A项正确；反应②是CO与H2反应生成（CH2）n，（CH2）n中还含有碳氢键，B项错误；由示意图可知，汽油的主要成分是C5～C11的烃类混合物，C项正确；根据a的球棍模型，可得其结构简式为CH3CH（CH3）CH2CH3，系统名称为2甲基丁烷，D项正确。
考点二硅和二氧化硅
【典例2】下列说法错误的是（）
A．（2019新课标Ⅲ）高纯硅可用于制作光感电池
B．（2019江苏）SiO2熔点高硬度大，可用于制光导纤维
C．（2019浙江）天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅
D.（2018天津）汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏士
【答案】B
【解析】硅是半导体，高纯硅可用于制作光感电池，A正确；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，B错误；石英、水晶、硅石、沙子的主要成分均为二氧化硅，C正确；陶瓷的制造原料为黏土，D正确。
【变式2】（长春市实验中学2019届模拟）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的判断，其中正确的是（ ）
①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
②SiO2＋2C
Si＋2CO↑
③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
④Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑
⑤SiO2＋3C
SiC＋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表现出酸性氧化物的通性
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．cdeD．ab
【答案】B
【解析】通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的是反应③，反应①中SiO2表现出酸性氧化物的通性，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是一个复分解反应，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价，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判断正确。
考点三硅酸盐及其应用
【典例3】[2019新课标Ⅰ]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
【答案】A
【解析】氧化铁为棕红色固体，瓷器的青色不可能来自氧化铁，故A错误；秦兵马俑是陶制品，陶制品是由粘土或含有粘土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的，故B正确；陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物，陶瓷的主要成分是硅酸盐，与水泥、玻璃等同属硅酸盐产品，故C正确；陶瓷的主要成分是硅酸盐，硅酸盐的化学性质不活泼，具有不与酸或碱反应、抗氧化的特点，故D正确。
【变式3】[2017·高考全国卷Ⅱ]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____________、______________（写化学式）。
【解析】
（1）水泥熟料中的CaO和铁、铝、镁等金属的氧化物均能溶于盐酸，加入硝酸能将水泥样品中可能含有的Fe2＋氧化为Fe3＋，为了不引入新杂质，还可用H2O2代替硝酸。
（2）根据图示流程可知，不溶于盐酸和硝酸的沉淀A为SiO2（或H2SiO3），SiO2（或H2SiO3）能溶于弱酸氢氟酸，生成SiF4和H2O。
（3）加入氨水调节溶液的pH＝4～5的过程中加热，能防止胶体生成，易沉淀分离，结合流程图可知，沉淀B的主要成分是Al（OH）3和Fe（OH）3。
【答案】
（1）将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋ H2O2
（2）SiO2（或H2SiO3） SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O（或H2SiO3＋4HF===SiF4↑＋3H2O）
（3）防止胶体生成，易沉淀分离 Al（OH）3 Fe（OH）3
考点四无机非金属材料
【典例4】[2019北京]下列我国科研成果所涉及材料中，主要成分为同主族元素形成的无机非金属材料的是
A．4.03米大口径碳化硅反射镜
B．2022年冬奥会聚氨酯速滑服
C．能屏蔽电磁波的碳包覆银纳米线
D．“玉兔二号”钛合金筛网轮
【答案】A
【解析】碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素组成的无机非金属材料，且碳元素与硅元素均位于元素周期表第IVA族，故A符合题意；聚氨酯为有机高分子化合物，不属于无机非金属材料，故B不符合题意；碳包覆银纳米材料属于复合材料，不属于无机非金属材料，且银不是主族元素，故C不符合题意；钛合金为含有金属钛元素的合金，其属于金属材料，不属于无机非金属材料，故D不符合题意；综上所述，本题应选A。
【变式4】（2019·北京市海淀区一模）平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了－20℃能发热4h的智能服饰；用铝合金管材和碳纤维制作了高2.35m、重量仅为10kg的熊猫木偶，向世界展现了新时代的中国形象。
下列说法中，不正确的是（ ）
A．石墨烯是能导热的金属材料
B．铝合金是密度较小的金属材料
C．碳纤维是耐低温的无机非金属材料
D．新型材料种类多、用途广
【答案】A
【解析】石墨烯是无机非金属材料，A错误；铝合金是密度较小的金属材料，B正确；石墨烯可制作－20℃能发热4h的服饰，能耐低温，C正确；新型材料种类多、用途广，D正确。
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