第四章 非金属及其化合物

第1讲　无机非金属材料的主角——硅

考纲解读 1．了解碳元素的单质及某些氧化物、氢化物、碳酸盐的性质。 2．了解碳的氧化物对大气的污染及其防治；初步了解粉尘对环境及人类健康的影响。 3．了解Si和SiO2的主要性质，了解CO2和SiO2物理性质差异的主要原因。 4．了解硅酸及常见硅酸盐的性质。 5．了解硅酸盐工业及新型无机非金属材料的性质与应用。

考向分析 1．本讲内容重点考查：(1)C、Si元素的单质及其化合物间的转化；(2)C、Si元素的单质及化合物性质及应用；(3)C、Si新型材料。试题形式不固定，以了解和综合应用为主，试题较易。 2．高考时非选择题的考查形式有两种：一种是与元素及其化合物性质及其转化相结合；一种是以工业生产流程图为载体考查综合应用。

考点图析

2．硅及其重要化合物间的网络关系

基础知识梳理 一、碳和硅 碳 硅 在自然界 中的存在 既有________，也有________，是组成有机物的基本元素 只有________，是构成矿物和岩石的主要元素 与O2反应 能反应，且产物CO、CO2常温下为气体 能反应，产物SiO2常温下为固体

离子方程式为：_______________ 碳 硅 与强碱溶液 作用 离子方程式为：_______________ 与水蒸气作用 ________ 与F2、HF反应 ________、___________ 用途 ________用于切割刀具，________用作电极、铅笔芯 ________材料和合金材料

二、CO2和SiO2 物质 二氧化硅 二氧化碳 化学式 SiO2 CO2 主要物理性质 硬度________，熔沸点______，常温下为______体，不溶于水 熔沸点________，常温下为气体，微溶于水 化学性质 ①与水反应 不反应 ______________ ②与酸反应 只与HF反应：______________

物质 二氧化硅 二氧化碳 化学式 SiO2 CO2 化学性质 ③与碱(NaOH)反应 __________________(盛碱液的试剂瓶用______塞) ____________________________ ④与盐反应 如与Na2CO3反应：___________ _____________ 如与Ca(ClO)2反应：__________ ______________ ⑤与碱性氧化物反应 如与CaO反应：____________ 如与Na2O反应： ______________ 用途 光导纤维、光学仪器、电子部件 制饮料、制碳酸盐

三、硅酸和硅酸盐 1．硅酸 (1)溶解性：溶解度很小。 (2)化学性质——弱酸性：酸性比________还弱：Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓。 (3)制备：可用硅酸钠与盐酸反应制得：___________ _________________________________________。 (4)用途：硅胶可用作________的载体和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂。

2．硅酸盐 (1)硅酸盐：是由________元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的重要成分。 (2)硅酸钠：硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。 (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，长石(KAlSi3O8)可表示为：__________________。

(4)硅酸盐的用途 ①土壤保肥——土壤胶粒带________电，能吸附NH、K＋等。 ②硅酸盐产品——陶瓷、玻璃、水泥等无机非金属材料。 硅酸盐制品性质稳定，耐压强度高，硬度大，熔点较高，大都难溶于水。 [思考]有人认为SiO2既能与酸反应又能与碱反应，所以认为它是一种两性氧化物，你同意这种看法吗？

四、无机非金属材料 1．硅酸盐材料 水泥 普通玻璃 陶瓷 生产原料 ________ 黏土 主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑

2.特殊功能的含硅物质 (1)碳化硅具有金刚石结构，可用作磨料。 (2)含硅元素4%的硅钢具有________性。 (3)硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。

三、1.(2)碳酸　(3)Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl　(4)催化剂 2．(1)硅、氧和金属 (3)K2O·Al2O3·6SiO2　(4)负 思考：不同意，因为SiO2只与酸中的氢氟酸反应，而与其他酸都不反应，SiO2是一种酸性氧化物。 四、1.黏土、石灰石　纯碱、石灰石、石英 2．(2)导磁

自主检查 1．下列物品或设备：①水泥路桥；②门窗玻璃；③水晶镜片；④石英钟表；⑤玛瑙手镯；⑥硅太阳能电池；⑦光导纤维；⑧计算机芯片。所用材料为SiO2或要用到SiO2的是(　　) A．⑥⑧　　　　　　B．①②⑦⑧ C．①②③④⑤⑦　　D．全部

[答案]C [解析]③、④、⑤、⑦物品或设备的所用材料为SiO2，生产水泥的原料黏土中含有SiO2，生产玻璃用到的主要原料为纯碱、石灰石和SiO2，⑥和⑧所用材料为硅，故C项正确。

2．常温下，下列不发生反应的一组物质是(　　) ①硅与NaOH溶液　②硅与盐酸　③硅与氢氟酸　④二氧化硅与碳酸钠　⑤二氧化硅与NaOH溶液　⑥二氧化硅与浓硝酸 A．①②④　　　 B．③④⑥ C．②⑤⑥　　　 D．②④⑥

[答案]D [解析]硅的化学性质稳定，常温下除了与氟气、氢氟酸和强酸反应外，它不易与其他物质如氢气、氧气、氯气等反应。

3．下列说法正确的是(　　) A．硅是人类将太阳能转变为电能的常用材料 B．工艺师利用盐酸刻蚀石英制作艺术品 C．水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品 D．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应 [答案]A

4．下列关于SiO2和CO2的叙述中不正确的是(　　) A．CO2的熔沸点较低，SiO2的熔沸点较高 B．都能与水反应生成相应的酸 C．与NaOH溶液反应生成盐溶液均显碱性 D．SiO2与氢氟酸可以反应，但CO2不能与任何酸反应 [答案]B

5．下列试剂可用带玻璃塞的玻璃瓶存放的是(　　) A．NaOH溶液　　　 B．Na2SiO3溶液 C．盐酸　　　 D．氢氟酸 [答案]C

6．生产水泥和玻璃共同的原料是(　　) A．纯碱　　　 B．黏土 C．石灰石　　　 D．石英 [答案]C

(1)CO中混有CO2，通过盛有NaOH溶液的洗气瓶。 (2)CO2中混有CO，通过盛有灼热CuO的硬质玻璃管。 考点一 　碳及其化合物的知识总结 1．除杂质 (1)CO中混有CO2，通过盛有NaOH溶液的洗气瓶。 (2)CO2中混有CO，通过盛有灼热CuO的硬质玻璃管。 (3)CO2中混有SO2、HCl，通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶。

2．碳酸的酸式盐和正盐的规律比较 (1)在水中的溶解性规律 一般地，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 ①一般地，热稳定性顺序为：正盐>酸式盐>碳酸，如Na2CO3>NaHCO3>H2CO3。 ②可溶性正盐>难溶性正盐，如CaCO3高温分解，而K2CO3不易分解。

[例1]向四只盛有一定量NaOH溶液的烧杯中通入不同量的CO2气体后，在所得溶液中逐滴加入稀盐酸至过量，并将溶液加热，产生的CO2气体与HCl物质的量的关系如图(忽略CO2的溶解和HCl的挥发)：

则下列分析都正确的组合是(　　)

[答案]B

特别提醒

变式训练

D．NaHCO3溶液和Na2CO3溶液可以用CaCl2溶液鉴别

考点二 硅及其化合物的特性 (一)比较

(二)硅酸盐的表示方法及应用 1．硅酸盐的表示方法——氧化物法 (1)氧化物的顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水。 (2)氧化物前系数配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。

2．硅酸盐产品 硅 酸 盐 工 业

3．新型无机非金属材料的种类和用途 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 具有电学特性 氧化锡 集成电路中的 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 人造骨、人造关节、接骨螺钉

[例2]下图是中学化学中常见的几种物质之间的转化关系，氧化物A是光导纤维的基本原料，Ⅰ、Ⅲ为非金属单质，Ⅱ为主族元素金属单质。

(1)写出下列物质的化学式：单质Ⅲ________，盐乙________，氧化物A________。写出氧化物A与NaOH溶液反应的化学方程式：_______________________。 (2)向盐甲的水溶液中通入过量CO2，观察到的现象是_________________。发生反应的离子方程式为______ ____________________________________。 (3)单质Ⅰ的用途非常广泛，如用做________(只需写一种)；工业上制备单质Ⅰ的化学方程式为________ ________。

[规律方法]常见的与强碱反应生成H2的固体单质有Al和Si，能够置换出H2O中氢的非金属单质为碳，这些特征反应常做为推断题的突破口。

特别提醒

2．下列物质间的转化不能通过一步反应完成的是( ) A．SiO2―→Si B．CO2―→C 变式训练 2．下列物质间的转化不能通过一步反应完成的是(　　) A．SiO2―→Si　　　 B．CO2―→C C．SiO2―→H2SiO3　 D．Si―→Na2SiO3 [答案]C

[答案]B

易错剖析 [典例1]将足量CO2气体通入水玻璃(Na2SiO3溶液)中，然后加热蒸干，再在高温下充分灼烧，最后得到的固体物质是(　　) A．Na2SiO3　　　 B．Na2CO3、Na2SiO3 C．Na2CO3、SiO2　 D．SiO2 [常见错误]选C

[错因剖析](1)常见错误分析 错选C的原因主要是没有意识到高温下充分灼烧时，Na2CO3和SiO2还能够继续反应生成Na2SiO3，从而造成错选。 (2)其他错误分析 本题还容易错选B，原因主要是没有理清各物质量的关系，若只注意到题干“足量CO2气体”，误以为SiO2和Na2CO3反应时Na2CO3有剩余，从而错选B。

①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式______________________________________________。 ②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学反应方程式____________________________。 H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是_______________________________________________。

(2)下列有关硅材料的说法正确的是________(填字母)。 A．碳化硅化学性质稳定，可用于生产耐高温水泥 B．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承 C．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料——光导纤维

D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高 E．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅 (3)硅酸钠水溶液俗称水玻璃。取少量硅酸钠溶液于试管中，逐滴加入饱和氯化铵溶液，振荡。写出实验现象并给予解释。

[问题记录] 问题 常见错误 第(1)问 第二空错填另一物质为Cl2或SiH4；第三空只填“引起爆炸” 第(2)问 误填D或E项 第(3)问 漏填有刺激性气味气体生成

[错因剖析](1)②不知道利用氧化还原知识解答：SiHCl3中Si为＋2价，已知产物H2SiO3中为＋4价，化合价升高，必有化合价降低的元素，在反应物SiHCl3中Cl为－1价，属于氯元素的最低价，化合价不能降低，故只能是H元素由＋1价→0价，即生成H2，然后配平即可。 H2和O2的混合气体在高温下可能引起爆炸，且反应物SiHCl3中Si呈＋2价易被O2氧化为＋4价，故应可能生成SiO2。

(2)误填D项，忽视了玻璃态物质无固定熔点的特征；误填E项，忽视了Si只与酸中氢氟酸反应的特征。 (3)不能从互相促进水解且彼此水解均完全的角度认识问题更不能从加少量Na2SiO3溶液及NH4Cl溶液为饱和溶液的角度出发，错误的认为生成NH3·H2O，故漏填放出NH3的实验现象。 [正确解析](1)①根据原子守恒即质量守恒可以写出SiHCl3与H2反应的化学方程式。

②SiHCl3和H2O剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，分析它们化合价的变化可知， ， 而Cl的化合价未发生变化，因此另一种元素即H元素的化合价必定降低，即另一种物质是H2。 (2)SiC和Si3N4为高熔点物质，A、B和C都正确。玻璃是一种玻璃态物质，无固定的熔点。盐酸不能与硅反应，而HCl在573 K以上的温度下可与硅发生反应。因此D、E都不正确。

1．(2011·山东，10)某短周期非金属元素的原子核外最外层电子数是次外层电子数的一半，该元素(　　) A．在自然界中以化合态的形式存在 B．单质常用作半导体材料和光导纤维 C．最高价氧化物不与酸反应 D．气态氢化物比甲烷稳定 [答案]A

[解析]本题是利用元素周期律和元素周期表来考查非金属硅及其化合物的性质和应用。硅及其化合物的性质有非金属及化合物的共性，又有其特殊性，对考生的要求是很全面的。此题对一部分考生来说有一定难度，要求考生对知识的掌握不仅要全面更要细致入微。短周期最外层电子数是次外层电子数一半的元素是Si或Li，故该元素是Si(Si是非金属而Li是金属)。

Si在自然界中只以化合态存在；Si常用作半导体材料，而光导纤维的主要成分为SiO2；Si的最高价氧化物SiO2不与一般酸反应，但可以与氢氟酸反应：SiO2＋4HF=== SiF4↑＋2H2O；稳定性：SiH4<CH4。

2．目前，一项名为“CCS”(二氧化碳捕集封存)的技术正在全球许多国家试运行。“CCS”就是在CO2排放之前就将其捕集，然后通过管线或船舶运到封存地，最后压缩注入地下，达到彻底减排的目的。下列有关二氧化碳的叙述中正确的是(　　) A．CO2属于酸性氧化物 B．CO2会导致温室效应，是一种大气污染物 C．CO2和CO都是碳的氧化物，它们互为同素异形体

D．实验室常用大理石与稀盐酸或稀硫酸反应制取二氧化碳 [答案]A [解析]CO2虽然会导致温室效应，但它不是大气污染物，B项错误；CO2和CO不是同素异形体的关系，C项错误；实验室不可用大理石与稀硫酸反应制取CO2，因为反应生成的CaSO4微溶于水，会附着在大理石的表面，阻止反应进行，D项错误。

3．光纤通信是一种现代化的通信手段，它可以提供大容量、高速度、高质量的通信服务。目前，我国正在大力建设高质量的宽带光纤通信网络，即信息高速公路。光纤通信所使用的光缆，其主要部件为光导纤维。下列说法正确的是(　　) ①制造光导纤维的主要原料是CaCO3 ②制造光导纤维的主要原料是SiO2 ③光导纤维传递光信号的基本物理原理是光的全反射 ④光导纤维是一种半导体

A．①④　　　　　 B．②③ C．①③　　　 D．②④ [答案]B [解析]光导纤维的主要原料是SiO2，①错②对；硅才是半导体，④错。

[答案]A [解析]标出选项A反应前后元素的化合价，分析反应前后化合价的变化，可知A说法正确；光纤是光导纤维的简称，其主要成分是二氧化硅，B说法错误；制造光电池的材料是晶体硅，C说法错误；金刚砂的主要成分是碳化硅，石英玻璃的主要成分是二氧化硅，都不是硅酸盐产品，故D说法错误。选A。

[答案]A

6．如何用所提供的试剂和方法除去各粉末状混合物中的杂质(括号内为杂质)，将所选答案的编号填入表内相应的空格内(如果不需要外加试剂，则对应答案栏可不填)。 可供选择的试剂：A．盐酸 B．氢氧化钠溶液 C．氧气 D．水　E．二氧化碳 可供选用的操作：①水洗　②加热　③高温灼烧　④过滤　⑤结晶

[答案](1)B ④ (2)D ④⑤ (3)A ④ (4)A ④ (5)③ (6)②(或D ④) 粉末状混合物 试剂 方法 (1) CaCO3(SiO2) (2) NaCl(SiO2) (3) SiO2(Fe2O3) (4) SiO2(CaCO3) (5) SiO2(H2SiO3) (6) SiO2(NH4Cl) [答案](1)B　④　(2)D　④⑤　(3)A　④　(4)A　④　(5)③　(6)②(或D　④)

[解析]可根据二氧化硅是不溶于水的酸性氧化物，它可跟强碱反应，不跟酸(氢氟酸除外)反应，受热不分解等性质；而三氧化二铁、碳酸钙跟盐酸反应；硅酸、氯化铵受热分解，通过一定操作，即可除去杂质，除杂过程中所发生的化学方程式如下：

7．氮化硅是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与氮气在1 300 ℃反应制得。 (1)根据性质推测氮化硅陶瓷的用途是________(选填代号)。 A．制汽轮机叶片　　　 B．制有色玻璃 C．制永久性模具　　　 D．制造柴油机

(2)画出N的原子结构示意图：________，试判断氮元素的最低负价为________，请从原子结构和化合价两个角度分析推断氮化硅的化学式： ________。 (3)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，不与其他无机酸反应，请写出氮化硅陶瓷与氢氟酸发生复分解反应的化学方程式： ______________________________。 (4)用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热使四氯化硅和氮气发生反应，可得较高纯度的氮化硅，则反应的化学方程式为________________________________。

[解析](1)性质决定用途，结合氮化硅的性质硬度大、熔点高，是一种重要的结构材料，可推测它的用途，结合选项，应选A、C、D。(2)从原子稳定结构考虑和正负化合价代数和等于零的规则考虑，N显－3价，Si显＋4价，由此可写出氮化硅的化学式为Si3N4。(3)题目已告诉我们氮化硅与氢氟酸的反应属于复分解反应，可写出反应方程式为Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑。(4)注意理清该反应中的反应物和条件，另外正确地推测出除氮化硅外的另一种产物，完整地写出方程式。