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第四節　碳硅及無機非金屬材料
第四章
非金屬及其化合物
課標要求 核心素養
1.能知道傳統的無機非金屬材料陶瓷、玻璃、水泥的制備原料、成分及其主要應用。
2.能結合具體實例了解新型無機非金屬材料的結構特點、性能及其主要應用。
3.能了解制備高純度硅的化學原理。
4.能從材料組成的角度對生活中常見的材料進行分類，能根據使用需求選擇適當的材料、解釋使用注意事項，并能科學合理使用。 1.宏觀辨識與微觀探析：通過對碳、硅結構的分析，體會運用原子結構微觀解釋化學現象、揭示現象的本質和規律的思維方法。
2.科學態度與社會責任：通過學習硅元素單質及其化合物之間相互轉化的現象和本質，解決實際問題，為人類生活提供服務，認識其在生產中的應用和對生態環境的影響。
[目標導航]
[自主測評]
1.易錯易混辨析(正確的畫“√”，錯誤的畫“×”)。
(1)唐三彩、秦兵馬俑制品的主要材料在成分上屬于二氧化硅。
(
)
(2)水泥具有水硬性。(
)
(3)制普通玻璃的原料是純堿、石灰石、石英。(
)
(4)Si 和 SiO2 都可用于制造光導纖維。(
)
)
(5)非金屬性：C＞Si，則熱穩定性：CH4＞SiH4。(
(6)硅的化學性質不活潑，常溫下不與任何物質反應。(
(7)SiO2 是酸性氧化物，可溶于強堿，不溶于任何酸。(
)
)
答案：(1)×　錯因：唐三彩、秦兵馬俑制品屬于硅酸鹽產品。
(2)√
(4)×
(5)√
(6)×
(7)×
(3)√
錯因：光導纖維的主要成分是 SiO2。
錯因：常溫下，硅可以與氫氟酸反應生成 SiF4 和 H2。
錯因：SiO2 可溶于氫氟酸。
2.下列敘述正確的是(
)
A.硅酸鈉是硅酸鹽，但不能溶于水
B.電影銀幕用水玻璃浸泡，主要是為了防腐
C.建筑工業常用水玻璃作黏合劑
D.用水玻璃浸泡鐵道的木制枕木，主要是為了防火
答案：C
3.碳納米管是繼足球烯(C60)以后發現的又一種碳單質，以下有
)
關碳納米管與足球烯(C60)的說法錯誤的是(
A.它們的物理性質有較大差異
B.在常溫下它們的化學性質都穩定
C.它們是不同的碳單質
D.它們分別完全燃燒后生成物不同
答案：D
材料 普通硅酸鹽水泥 普通玻璃 陶瓷
生產原料 ________、黏土 ______、石灰石、________ _______
主要成分 — Na2SiO3、CaSiO3和SiO2 —
考點一 硅酸鹽材料
1.常見硅酸鹽材料比較
石灰石
純堿
石英砂
黏土
2.玻璃生產中的兩個重要反應：
_________________________________________；
_________________________________________。
Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋SiO2
CaSiO3＋CO2↑
Na2SiO3 的水溶液俗稱水玻璃，具有黏結力強、耐高溫等特性，
可以用作黏合劑和防火劑。
3.硅酸鹽的結構
高
高
在硅酸鹽中，Si 和 O 構成了硅氧四面體，其結構如圖所示：
硅氧四面體結構的特殊性，決定了硅酸鹽材料大多具有硬度
______、熔點______、難溶于水、化學性質穩定、耐腐蝕等特點。
考點二 新型無機非金屬材料
1.硅和二氧化硅
(1)硅的位置及存在
ⅣA
硅酸鹽
氧化物
硅位于元素周期表第三周期、第______族，處于金屬與非金
屬過渡位置，是應用最為廣泛的半導體材料。硅在自然界中主要
以_________和____________(如水晶、瑪瑙)的形式存在。自然界
中不存在硅單質。
(2)硅的性質和用途
Si＋O2
SiO2
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
(3)二氧化硅的性質和用途
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
材料類別 主要特性 示例 用途
高溫結
構陶瓷 能承受高溫，
強度高 氮化硅陶瓷 汽輪機葉片、軸承、永久
性模具等
半導體
陶瓷 具有電學特性 二氧化錫陶瓷 集成電路中的半導體
光學材料 具有光學特性 光導纖維 光纜通信、醫療、照明等
生物陶瓷 具有生物功能 氧化鋁陶瓷 人造骨骼、人造關節、接
骨螺釘
2.其他新型無機非金屬材料
新型材料 結構特點 主要性能 主要應用
富勒烯
碳原子構成的一
系列籠形分子 — 工業材料，應用于電
化學，催化劑，化妝
品，抗癌藥物等
3.碳納米材料
新型材料 結構特點 主要性能 主要應用
碳納
米管 石墨片層卷成的
直徑納米級的管
狀物 比表面積大，具
有高的強度和優
良的電學性能 生產復合材料、電池
和傳感器等
(續表)
新型材料 結構特點 主要性能 主要應用
石墨烯
只有一個碳原子直
徑厚度的單層石墨 電阻率低、熱
導率高、具有
很高的強度 應用于光電器件、超
級電容器、電池和復
合材料等方面
(續表)
考向 1 碳及其化合物的性質與應用
1.(2023 年佛山一模)碳酸鹽約占海水鹽分的 0.34%，一種海水
脫硫的新工藝如圖所示。下列說法錯誤的是(
)
A.SO2 排入大氣易引起酸雨
B.海水吸收二氧化硫時可能有 CO2 逸出
C.處理后的海水 pH 增大
D.海水脫硫工藝簡單，投資及運行費用低
解析：SO2 排入大氣易引起硫酸型酸雨，原理為 SO2＋H2O
H2SO3、2H2SO3＋O2
2H2SO4，A 正確；由于 SO2 溶于水后形成的
H2SO3 的酸性強于 H2CO3，海水中含有碳酸鹽，故海水中吸收二氧化
硫時可能有 CO2 逸出，B 正確；天然海水中由于含有碳酸鹽而呈堿性，
處理后的海水中碳酸鹽的量減少變成了硫酸鹽，硫酸鹽呈中性，故處
理后海水的pH減小，C 錯誤；海水脫硫是利用天然海水的堿度中和煙
氣中的酸性氣體 SO2，將大氣中的 SO2 轉化為硫酸鹽直接送入大海，
該工藝簡單，投資及運行費用低，D 正確。
答案：C
2.草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中，其 K1＝5.4×10-2，
K2＝5.4×10-5。草酸的鈉鹽和鉀鹽易溶于水，而其鈣鹽難溶于水。
草酸晶體(H2C2O4·2H2O)無色，熔點為 101 ℃，易溶于水，受熱脫
水、升華，170 ℃以上分解。回答下列問題：
(1)甲組同學按照如圖所示的裝置，通過實驗檢驗草酸晶體的
分解產物。裝置 C 中可觀察到的現象是____________________，
由此可知草酸晶體分解的產物中有 CO2。裝置 B 的主要作用是
______________________________________________________。
(2)乙組同學認為草酸晶體分解的產物中含有 CO，為進行驗
證，選用甲組實驗中的裝置 A、B 和下圖所示的部分裝置(可以重
復選用)進行實驗。
D
E
F
G
H
I
①乙組同學的實驗裝置中，依次連接的合理順序為 A、B、
____________________。裝置 H 反應管中盛有的物質是 CuO。
②能證明草酸晶體分解產物中有 CO 的現象是___________
________________________________________。
解析：(1)乙二酸的分解產物中含有二氧化碳，裝置 C 中產生
氣泡，澄清石灰水變渾濁；由于草酸受熱易升華，在澄清石灰水
中會生成白色沉淀草酸鈣，故在檢驗 CO2 之前必須將草酸蒸氣除
去，以免對二氧化碳的檢驗產生干擾，而裝置 B 中的冰水冷凝即
可除去草酸蒸氣。(2)①檢驗 CO 可用灼熱的氧化銅，由于草酸分
解會生成二氧化碳，所以在 CO 還原氧化銅之前必須預先將草酸
分解生成的二氧化碳除去。因此裝置的連接順序是：首先使 B 中
逸出的氣體通過濃氫氧化鈉溶液將二氧化碳除去，并用澄清石灰
水檢驗二氧化碳是否除盡；然后將氣體進行干燥以免玻璃管 H 炸
裂，再通入玻璃管 H 使 CO 還原氧化銅。檢驗生成的二氧化碳仍
需使用澄清石灰水。最后，用排水法收集未反應完的 CO，以免污
染空氣，故裝置的連接順序是 F、D、G、H、D、I。②若分解產
物中含有 CO，則玻璃管中黑色的氧化銅變為紅色，其后的澄清石
灰水會變渾濁。
答案：(1)有氣泡冒出，澄清石灰水變渾濁
冷凝水蒸氣、草
酸等，防止草酸進入裝置 C 反應生成沉淀，干擾 CO2 的檢驗
(2)①FDGHDI
②裝置 H 中黑色粉末變為紅色，其后的裝置 D 中澄清石灰水
變渾濁
考向 2 硅及其化合物的性質與應用
3.(2023 年湖北卷)工業制備高純硅的主要過程如下：
下列說法錯誤的是(
)
A.制備粗硅的反應方程式為 SiO2＋2C
Si＋2CO↑
B.1 mol Si 含 Si—Si 鍵的數目約為 4×6.02×1023
C.原料氣 HCl 和 H2 應充分去除水和氧氣
D.生成 SiHCl3 的反應為熵減過程
解析：SiO2 和 C 在高溫下發生反應生成 Si 和 CO，因此，制備粗硅
的反應方程式為 SiO2＋2C
Si＋2CO↑，A 正確；在晶體硅中，每個
Si 與其周圍的 4 個 Si 形成共價鍵并形成立體空間網狀結構，因此，平均
每個 Si 形成 2 個共價鍵，1 mol Si 含 Si—Si 鍵的數目約為 2×6.02×1023，
B 錯誤；HCl 易與水形成鹽酸，在一定的條件下氧氣可以將 HCl 氧化；
H2 在高溫下遇到氧氣能發生反應生成水，且其易燃易爆，其與 SiHCl3 在
高溫下反應生成硅和 HCl，因此，原料氣 HCl 和H2應充分去除水和氧氣，
C 正確；Si＋3HCl
SiHCl3＋H2，該反應是氣體分子數減少的反
應，因此，生成 SiHCl3 的反應為熵減過程，D 正確。
答案：B
4.(2023 年邢臺聯考)高純度晶硅是典型的無機非金屬材料，又
稱“半導體”材料。它的發現和使用曾引起計算機的一場“革
命”。可以按下列方法制備：
下列說法不正確的是(
)
A.步驟①的化學方程式為 SiO2＋C
Si＋CO2↑
B.步驟①中每生成 1 mol Si，轉移 4 mol 電子
C.高純硅是制造太陽能電池的常用材料，二氧化硅是制造光
導纖維的基本原料
D.SiHCl3(沸點 33.0 ℃)中含有少量的 SiCl4(沸點 57.6 ℃)，通
過蒸餾(或分餾)可提純 SiHCl3
解析：二氧化硅高溫下與 C 反應生成 CO 氣體，即步驟①的
化學方程式為 SiO2＋2C
Si＋2CO↑，A 錯誤；步驟①中 Si 的
化合價由＋4 價降低到 0 價，故生成 1 mol Si 時轉移電子為 4 mol，
B 正確；高純硅是半導體，是制造集成電路、太陽能電池的常用
材料，二氧化硅是制造光導纖維的基本原料，C 正確；SiHCl3 和
SiCl4 的沸點相差較大，兩種液體可以通過蒸餾的方法分離，D 正
確。
答案：A
[歸納提升]制備高純硅過程中的 3 個易錯點
考向 3 無機非金屬材料
5.(2023 年湖南聯考)科技發展改變生活，近幾年我國人工智
能、航空航天、量子通信、生命科學大放異彩。下列說法不正確
的是(
)
A.“神舟”飛船航天員所使用的操縱桿采用碳纖維材料制
作，碳纖維屬于新型無機非金屬材料
B.清華大學打造的世界首款異構融合類腦芯片——天機芯的
主要材料與光導纖維的不同
C.“長征五號遙五”運載火箭中使用的氮化鋁陶瓷屬于新型
硅酸鹽材料
D.量子通信材料螺旋碳納米管與石墨烯互為同素異形體
解析：碳纖維是指含碳量在 90%以上的高強度、高模量纖維，
碳纖維材料屬于新型無機非金屬材料，A 正確；清華大學打造的
世界首款異構融合類腦芯片——天機芯的主要材料是 Si，光導纖
維的主要材料為 SiO2，B 正確；氮化鋁陶瓷具有耐高溫、耐酸堿
腐蝕、硬度大、耐磨損、密度小等優點，屬于新型無機非金屬材
料，但不是硅酸鹽材料，C 錯誤；量子通信材料螺旋碳納米管為
碳單質，石墨烯也為碳單質，兩者是同種元素的不同單質，兩者
互為同素異形體，D 正確。
答案：C
6.(2023 年阜新模擬)龍泉窯是中國歷史上的一個名窯，是中國
制瓷史上延續歷史最長的一個瓷窯系，龍泉窯以燒制青瓷而聞名，
下列有關說法錯誤的是(
)
A.高溫燒結過程包含復雜的化學變化
B.瓷器具有耐酸堿腐蝕、不易變形的優點
C.制作瓷器所用的黏土原料是人工合成的
D.瓷器屬于硅酸鹽產品，含有多種金屬元素
解析：高溫燒結過程是許多物理、化學變化的綜合過程，A
正確；陶瓷成分是硅酸鹽，經高溫燒結具有耐酸堿腐蝕、不易變
形的優點，B 正確；黏土是含沙粒很少、有黏性的土壤，一般的
黏土都由硅酸鹽礦物在地球表面風化后形成，不是人工合成的，
C 錯誤；陶瓷主要原料是黏土，屬硅酸鹽產品，含有多種金屬元
素，D 正確。
答案：C
[歸納提升]有關無機非金屬材料的 4 個易錯點
解析：由題意可知，二氧化硅與氫氟酸溶液反應生成強酸
2H2O，A 正確；硫化鍺與氫氣共熱反應時，氫氣與硫化鍺反應生
成鍺和硫化氫，硫化氫高溫下分解生成硫和氫氣，則反應的總方
程式為 GeS2
Ge＋2S，B 錯誤；鉛蓄電池放電時，二氧化鉛為
正極，酸性條件下在硫酸根離子作用下二氧化鉛得到電子發生還
原反應生成硫酸鉛和水，電極反應式為正極反應 PbO2＋SO　 ＋
答案：A
2e－＋4H＋===PbSO4＋2H2O，C錯誤；由題意可知，1 mol甲烷完全燃燒生成二氧化碳和液態水放出熱量為890.3 kJ，反應的熱化學方程式為CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH2＝－890.3 kJ·mol-1，D錯誤。
2.(2022 年河北選擇考)定窯是宋代五大名窯之一，其生產的白
)
瓷聞名于世。下列說法正確的是(
A.傳統陶瓷是典型的絕緣材料
B.陶瓷主要成分為 SiO2 和 MgO
C.陶瓷燒制的過程為物理變化
D.白瓷的白色是因鐵含量較高
解析：陶瓷是良好的絕緣體，傳統陶瓷是典型的絕緣材料，
常用于高壓變壓器的開關外包裝和器件，A 正確；陶瓷的主要成
分為硅酸鹽，而不是 SiO2 和 MgO，C 錯誤；陶瓷燒制過程發生復
雜的化學反應，由新物質生成，屬于化學變化，C錯誤；由于 Fe2+、
Fe3+和鐵的氧化物均有顏色，故陶瓷中含鐵量越多，陶瓷的顏色越
深，白瓷的白色是因為鐵含量較低甚至幾乎不含，D 錯誤。
答案：A
3.(2022 年福建卷)福建多個科研機構經過長期聯合研究發現，
使用 C60 和改性的 Cu 基催化劑，可打通從合成氣經草酸二甲酯常
)
壓催化加氫制備乙二醇的技術難關。下列說法正確的是(
A.草酸屬于無機物
B.C60 與石墨互為同分異構體
C.Cu 屬于過渡元素
D.催化劑通過降低焓變加快反應速率
解析：草酸屬于二元弱酸，即乙二酸，屬于有機物，A 錯誤；
C60 與石墨是碳元素的不同單質，互為同素異形體，B 錯誤；Cu
為ⅠB 族，屬于過渡元素，C正確；催化劑通過降低反應的活化能
加快反應速率，反應焓變不變，D 錯誤。
答案：C
4.(2023 年山東卷)三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高純硅的重要原
料，常溫下為無色液體，沸點為 31.8 ℃，熔點為－126.5 ℃，易水
解。實驗室根據反應 Si＋3HCl
SiHCl3＋H2，利用如下裝置制
備 SiHCl3 粗品(加熱及夾持裝置略)。回答下列問題：
(1)制備 SiHCl3 時進行操作：(ⅰ)……；(ⅱ)將盛有硅粉的瓷舟
置于管式爐中；(ⅲ)通入 HCl，一段時間后接通冷凝裝置，加熱開
始反應。操作(ⅰ)為____________________；判斷制備反應結束的
實驗現象是____________________________。圖示裝置存在的兩
處缺陷是___________________________________________。
(2)已知電負性 Cl＞H＞Si，SiHCl3 在濃 NaOH 溶液中發生反
應的化學方程式為_____________________________________。
(3)采用如下方法測定溶有少量 HCl 的 SiHCl3 純度。
m1 g 樣品經水解、干燥等預處理過程得硅酸水合物后，進行
如下實驗操作：①_________，②________(填操作名稱)，③稱量
等操作，測得所得固體氧化物質量為m2 g，從下列儀器中選出①②
中需使用的儀器，依次為___________(填標號)。測得樣品純度為
_______________(用含 m1、m2 的代數式表示)。
解析：氯化氫氣體通入濃硫酸干燥后，在管式爐中和硅在高溫下
反應，生成三氯甲硅烷和氫氣，由于三氯甲硅烷沸點為 31.8 ℃，熔點
為－126.5 ℃，在球形冷凝管中可冷卻成液態，在裝置 C 中收集起來，
氫氣則通過 D 裝置排出，同時 D 可處理多余吸收的氯化氫氣體。
(1)制備 SiHCl3 時，由于氯化氫、SiHCl3 和氫氣都是氣體，所以組裝好
裝置后，要先檢查裝置氣密性，然后將盛有硅粉的瓷舟置于管式爐中，
通入氯化氫氣體，排出裝置中的空氣，一段時間后，接通冷凝裝置，
加熱開始反應，當管式爐中沒有固體剩余時，即硅粉完全反應，SiHCl3
易水解，所以需要在 C、D 之間加一個干燥裝置，防止 D 中的水蒸氣
進入裝置 C 中，另外氫氧化鈉溶液不能吸收氫氣，需要在 D 后面加處
理氫氣的裝置。(2)已知電負性 Cl＞H＞Si，則 SiHCl3 中氯元素的化合
價為－1 價，H 元素的化合價為－1 價，硅元素化合價為＋4 價，所以
氫氧化鈉溶液和 SiHCl3 反應時，要發生氧化還原反應，得到氯化鈉、
硅酸鈉和氫氣，化學方程式為 SiHCl3＋5NaOH===Na2SiO3＋3NaCl＋
H2↑＋2H2O。(3)m1 g 樣品經水解，干燥等預處理過程得到硅酸水合物
后，高溫灼燒，在干燥器中冷卻后，稱量，所用儀器包括坩堝和干燥
器，所得固體氧化物為二氧化硅，質量為 m2 g，則二氧化硅的物質的
答案：(1) 檢查裝置氣密性
當管式爐中沒有固體剩余時
C、D 之間沒有干燥裝置，沒有處理氫氣的裝置
(2)SiHCl3＋5NaOH===Na2SiO3＋3NaCl＋H2↑＋2H2O
(3)高溫灼燒　冷卻　AC
135.5m2
60m1
×100%

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