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第09讲 无机非金属材料（讲）- 2024年高考化学大一轮复习【讲义+练习+专题】
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考纲和考试说明是备考的指南针，认真研究考纲和考试说明，可增强日常复习的针对性和方向性，避免盲目备考，按方抓药，弄清楚高考检测什么，检测的价值取向，高考的命题依据。
2.精练高考真题，明确方向
经过对近几年高考题的横、纵向分析，可以得出以下三点：一是主干知识考查“集中化”，二是基础知识新视角，推陈出新，三是能力考查“综合化”。
3.摸清问题所在，对症下药
要提高后期的备考质量，还要真正了解学生存在的问题，只有如此，复习备考才能更加科学有效。所以，必须加大信息反馈，深入总结学情，明确备考方向，对症开方下药，才能使学生的知识结构更加符合高考立体网络化要求，才能实现基础→能力→分数的转化。
4.切实回归基础，提高能力
复习训练的步骤包括强化基础，突破难点，规范作答，总结方法，通过这样的总结，学生印象深刻，应用更加灵活。
第09讲 无机非金属材料
【化学学科素养】
1.变化观念与平衡思想：根据碳、硅的结构，预测在一定条件下碳、硅及其化合物可能发生的化学变化。
2.科学态度与社会责任：关注与碳、硅有关的热点问题（如光导纤维、硅电池、半导体材料），形成可持续发展的意识；知道碳、硅及其化合物对社会发展的重大贡献。
【必备知识解读】
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eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(O2：Si＋O2\(=====,\s\up7(△))SiO2,F2：Si＋2F2===SiF4,Cl2：Si＋2Cl2\(=====,\s\up7(△))SiCl4))
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＋2Ceq \(=====,\s\up7(高温))Si＋2CO↑。
②粗硅提纯：Si＋2Cl2eq \(=====,\s\up7(高温))SiCl4，SiCl4＋2H2eq \(=====,\s\up7(高温))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
【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
H2SiO3eq \(=====,\s\up7(△))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
(2)玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑。
2．新型陶瓷
高温结构陶瓷(碳化硅、氮化硅)；压电陶瓷(钛酸盐和锆酸盐)；透明陶瓷(氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙)；超导陶瓷等。
(1)新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
(2)碳化硅(SiC)俗称金刚砂，碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还耐高温，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
3．碳纳米材料
碳纳米材料是一类新型的无机非金属材料
(1)类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。
(2)用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。
【关键能力拓展】
一、碳、硅及其化合物“反常”性质
(1)一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。
(2)一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。
(3)Si的还原性强于C，但C在高温下能还原出Si：SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up15(高温))Si＋2CO↑。
(4)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(5)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
(6)一般情况下，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，二氧化硅是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(SiF4不属于盐，故SiO2不是两性氧化物)。
(7)一般情况下，无机酸能溶于水，但硅酸却难溶于水。
(8)一般情况下，较强酸＋较弱酸的盐―→较弱酸＋较强酸的盐(溶液中的反应)。
因碳酸的酸性强于硅酸，所以水玻璃在空气中易变质：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3(胶体)。
但在高温下，可发生反应Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温))Na2SiO3＋CO2↑(CO2离开反应体系促进反应的正向进行)。
(9)一般情况下，金属(Na、K)能置换出水中的氢，但C在高温下也能置换出H2O中的氢：C＋H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))H2＋CO。
(10)一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不与水反应。
【核心题型例解】
高频考点一 硅和二氧化硅
例1.（2023·辽宁卷第3题）下列有关物质的工业制备反应错误的是（ ）
A. 合成氨：N2+3H2eq \(,\s\up10(高温、高压),\s\d10(催化剂))2NH3 B. 制HCl：H2+Cl2eq \(=======,\s\up8(点燃))2HCl
C. 制粗硅：SiO2+2Ceq \(=======,\s\up8(高温))Si+2CO D. 冶炼镁：2MgO(熔融)eq \(=======,\s\up8(电解))2Mg+O2↑
【答案】D
【解析】工业合成氨是利用氮气和氢气在催化剂的条件下反应生成的，反应方程式为N2+3H2eq \(,\s\up10(高温、高压),\s\d10(催化剂))2NH3，A正确；工业制氯化氢是利用氢气和氯气反应生成的，反应方程式为H2+Cl2eq \(=======,\s\up8(点燃))2HCl，B正确；工业制粗硅是将SiO2与C在高温下反应生成粗硅，反应方程式为SiO2+2Ceq \(=======,\s\up8(高温))Si+2CO，C正确；冶炼金属镁是电解熔融氯化镁，反应方程式为MgCl2(熔融)eq \(=======,\s\up8(电解))Mg+Cl2↑，D错误；故选D。
【变式探究】（2023·湖北卷第3题）工业制备高纯硅的主要过程如下：
石英砂粗硅高纯硅
下列说法错误的是（ ）
A. 制备粗硅的反应方程式为
B. 1mlSi含Si-Si键的数目约为
C. 原料气HCl和应充分去除水和氧气
D. 生成的反应为熵减过程
【答案】B
【解析】SiO2和C在高温下发生反应生成Si和CO，因此，制备粗硅的反应方程式为，A说法正确；在晶体硅中，每个Si与其周围的4个Si形成共价键并形成立体空间网状结构，因此，平均每个Si形成2个共价键， 1ml Si含Si-Si键的数目约为，B说法错误；HCl易与水形成盐酸，在一定的条件下氧气可以将HCl氧化；H2在高温下遇到氧气能发生反应生成水，且其易燃易爆，其与SiHCl3在高温下反应生成硅和HCl，因此，原料气HCl和H2应充分去除水和氧气 ，C说法正确；，该反应是气体分子数减少的反应，因此，生成SiHCl3的反应为熵减过程，D说法正确；综上所述，本题选B。
【变式探究】（2022·浙江卷）下列说法不正确的是（ ）
A．晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，常用于制造光导纤维
B．高压钠灯发出的黄光透雾能力强、射程远，可用于道路照明
C．氧化铝熔点高，常用于制造耐高温材料
D．用石灰右-石膏法对燃煤烟气进行脱硫，同时可得到石膏
【答案】A
【解析】晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，可用于制造晶体管、集成电路等，而二氧化硅常用于制造光导纤维，A错误；钠的焰色反应为黄色，可用作透雾能力强的高压钠灯，B正确；耐高温材料应具有高熔点的性质，氧化铝熔点高，可用作耐高温材料，C正确；石灰石的主要成分为碳酸钙，石灰石-石膏法脱硫过程中发生反应：CaCO3eq \(=====,\s\up7(高温))CaO+CO2↑，SO2+CaCO3=CaSO3+CO2，2CaSO3+O2=2CaSO4，得到了石膏，D正确；答案选A。
高频考点二 二氧化硅
例2.（2023·广东卷第3题）建设美丽乡村，守护中华家园，衣食住行皆化学。下列说法正确的是（ ）
A. 千家万户通光纤，光纤的主要材质为
B. 乡村公路铺沥青，沥青属于天然无机材料
C. 美容扮靓迎佳节，化妆品中的甘油难溶于水
D. 均衡膳食助健康，主食中的淀粉可水解为葡萄糖
【答案】D
【解析】光纤的主要材质为二氧化硅，A错误；沥青属于有机材料，B错误；甘油溶于水，C错误；淀粉水解的最终产物为葡萄糖，D正确； 故选D。
【变式探究】（2022·广东卷）陈述Ⅰ和Ⅱ均正确但不具有因果关系的是
【答案】A
【解析】焦炭具有还原性，工业上常利用焦炭与石英砂（SiO2）在高温条件下制备粗硅，这与SiO2是否做光导纤维无因果关系，故A符合题意；海水中存在溴离子，可向其中通入氯气等氧化剂将其氧化为溴单质，再经过萃取蒸馏物理操作分离提纯溴单质，另外，通过富集海水中的镁离子，经过沉淀、溶解等操作得到无水氯化镁，随后电解熔融氯化镁可制备得到镁单质，陈述I和陈述II均正确，且具有因果关系，B不符合题意；石油在催化剂加热条件下进行裂解可得到乙烯等不饱和烃，从而使溴的CCl4溶液褪色，陈述I和陈述II均正确，且具有因果关系，C不符合题意；FeCl3溶液中铁离子可发生水解，生成具有吸附性的氢氧化铁胶体，从而可用作净水机，陈述I和陈述II均正确，且具有因果关系，D不符合题意；综上所述，答案为A。
高频考点二 硅酸盐及其应用
例3.（2023·广东卷第1题）“高山流水觅知音”。下列中国古乐器中，主要由硅酸盐材料制成的是（ ）
【答案】C
【解析】九霄环佩木古琴主要构成是木材，动物筋制得，A错误；裴李岗文化骨笛由动物骨骼构成，B错误；商朝后期陶埙属于陶瓷，由硅酸盐制成，C正确；曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成，D错误； 故选C。
【变式探究】（2023·山东卷第1题）下列之物具有典型的齐鲁文化特色，据其主要化学成分不能与其他三种归为一类的是（ ）
A. 泰山墨玉 B. 龙山黑陶 C. 齐国刀币 D. 淄博琉璃
【答案】C
【解析】墨玉、黑陶、琉璃均为陶瓷制品，均属于硅酸盐制品，主要成分均为硅酸盐材料，而刀币的主要成分为青铜，故答案为C。
【变式探究】中国历史的发展和化学的发展紧密结合，中国的传世国宝，无不体现了劳动人民对化学的认识和应用。下列四种国宝级文物的主要成分(载体)是硅酸盐的是（ ）
【答案】B
【解析】青铜属于合金，故A不符合题意；陶瓷的主要成分是硅酸盐，则被誉为“白瓷之王”的定窑孩儿枕的主要成分为硅酸盐，故B符合题意；太阳神鸟金饰的主要成分为金，故C不符合题意；麻纸的主要成分为植物纤维，墨的主要成分为碳，故D不符合题意；故选B。
高频考点三 无机非金属材料
例3.随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系。下列物质中属于新型无机非金属材料的是（ ）
A．水泥B．普通玻璃C．石墨烯D．陶瓷
【答案】C
【解析】水泥是以石灰石和黏土为原料，再与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，经过复杂的变化得到的，属于传统的硅酸盐材料，故A不符合题意； 普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英为原料，经过复杂的物理和化学变化得到的以硅酸钙、硅酸钠和二氧化硅为主要成分的传统的硅酸盐材料，故B不符合题意； 石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，主要分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、多层石墨烯。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，石墨烯属于新型无机非金属材料，故C符合题意； 陶瓷是以黏土为主要原料经高温烧结而成的，属于传统的硅酸盐材料，故D不符合题意；故选C。
【变式探究】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（ ）
【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。
【变式探究】 北京故宫藏有大量珍贵文物，据统计总共达1862690件之多，统称文物100万件，占全国文物总数的六分之一。下列故宫文物的主要部件属于陶瓷的是（ ）
【答案】B
【解析】水晶球的成分是SiO2，水晶球不属于陶瓷，故A不符合题意；御窑盘碟是由黏土烧制而成，属于陶瓷，故B符合题意；金大吉葫芦主要由金打造而成，即金大吉葫芦不属于陶瓷，故C不符合题意；玉玺主要成分有二氧化硅、三氧化二铝、氯化钠等组成，不属于陶瓷，故D不符合题意；答案为B。
高频考点四 与Si有关的无机化工流程题
例4．（2023·湖北卷第16题）是生产多晶硅的副产物。利用对废弃的锂电池正极材料进行氯化处理以回收Li、C等金属，工艺路线如下：
回答下列问题：
（1）C位于元素周期表第_______周期，第_______族。
（2）烧渣是LiCl、和的混合物，“500℃焙烧”后剩余的应先除去，否则水浸时会产生大量烟雾，用化学方程式表示其原因_______。
（3）鉴别洗净的“滤饼3”和固体常用方法的名称是_______。
（4）已知，若“沉钴过滤”的pH控制为10.0，则溶液中浓度为_______。“850℃煅烧”时的化学方程式为_______。
（5）导致比易水解的因素有_______(填标号)。
a．Si-Cl键极性更大 b．Si的原子半径更大
c．Si-Cl键键能更大 d．Si有更多的价层轨道
【答案】（1）4 Ⅷ （2） （3）焰色反应
（4） （5）abd
【解析】由流程和题中信息可知，LiCOO2粗品与SiCl4在500℃焙烧时生成氧气和烧渣，烧渣是LiCl、COCl2和SiO2的混合物；烧渣经水浸、过滤后得滤液1和滤饼1，滤饼1的主要成分是SiO2和H2SiO3；滤液1用氢氧化钠溶液沉钴，过滤后得滤饼2（主要成分为CO
(OH)2）和滤液2（主要溶质为LiCl）；滤饼2置于空气中在850℃煅烧得到CO3O4；滤液2经碳酸钠溶液沉锂，得到滤液3和滤饼3，滤饼3为Li2CO3。
（1）C是27号元素，其原子有4个电子层，其价电子排布为3d74s2，元素周期表第8、9、10三个纵行合称第Ⅷ族，因此，其位于元素周期表第4周期、第Ⅷ族。
（2）“500℃焙烧”后剩余的SiCl4应先除去，否则水浸时会产生大量烟雾，由此可知，四氯化硅与可水反应且能生成氯化氢和硅酸，故其原因是：SiCl4遇水剧烈水解，生成硅酸和氯化氢，该反应的化学方程式为。
（3）洗净的“滤饼3”的主要成分为Li2CO3，常用焰色反应鉴别Li2CO3和Na2CO3，Li2CO3的焰色反应为紫红色，而Na2CO3的焰色反应为黄色。故鉴别“滤饼3”和固体Na2CO3常用方法的名称是焰色反应。
（4）已知，若“沉钴过滤”的pH控制为10.0，则溶液中，CO2+浓度为
。“850℃煅烧”时，CO(OH)2与O2反应生成CO3O4和H2O，该反应的化学方程式为。
（5）Si-Cl键极性更大，则 Si-Cl键更易断裂，因此，SiCl4比CCl4易水解，a有关； Si的原子半径更大，因此，SiCl4中的共用电子对更加偏向于Cl，从而导致Si-Cl键极性更大，且Si原子更易受到水电离的OH-的进攻，因此，SiCl4比CCl4易水解，b有关；通常键能越大化学键越稳定且不易断裂，因此，Si-Cl键键能更大不能说明Si-Cl更易断裂，故不能说明SiCl4比CCl4易水解，c无关；Si有更多的价层轨道，因此更易与水电离的OH-形成化学键，从而导致SiCl4比CCl4易水解，d有关；综上所述，导致SiCl4比CCl4易水解的因素有abd。
【变式探究】法生产多晶硅的流程如下。下列说法错误的是（ ）
A．合成1反应中作氧化剂
B．合成2的反应为：
C．上述流程说明可溶于
D．净化、热解中生成的多晶硅为还原产物
【答案】C
【分析】合成1中发生Na+Al+2H2=NaAlH4，合成2中发生NaAlH4+SiF4=SiH4+NaAlF4，合成3制备四氟化硅，净化、热解SiH4步骤中四氢化硅分解为晶体硅和氢气，据此分析；
【解析】合成1中发生Na+Al+2H2=NaAlH4，H由0价转化成-1价，化合价降低，氢气作氧化剂，故A说法正确；根据上述分析，合成2中发生NaAlH4+SiF4=SiH4+NaAlF4，故B说法正确；合成3中NaAlF4与硫酸反应生成HF，HF与二氧化硅反应生成SiF4，因此题中不能说明二氧化硅溶于硫酸，故C说法错误；四氢化硅分解为晶体硅和氢气，根据电负性分析，氢的电负性强于硅，硅元素显+4价，化合价降低，因此晶体硅为还原产物，故D说法正确；答案为C。
【变式探究】以含镍废料(主要成分为NiO，含少量FeO、Fe2O3、CO、BaO和SiO2)为原料制备碳酸钴(CCO3)和NixOy的工艺流程如图。下列说法正确的是 （ ）
A．“滤渣I”成分是SiO2
B．“氧化”时为证明添加NaClO3已足量，可用KSCN溶液进行检验
C．“沉钴”反应的离子方程式为2+C2+=CCO3↓+CO2↑+H2O
D．NiSO4溶液通过蒸发结晶获得NiSO4·6H2O晶体
【答案】C
【分析】由题给流程可知，含镍废料加入稀硫酸酸浸时，NiO、FeO、Fe2O3、CO与稀硫酸反应转化为可溶性硫酸盐，氧化钡与稀硫酸反应转化为硫酸钡，二氧化硅不反应，过滤得到含有硫酸钡、二氧化硅的滤渣I和含有可溶性硫酸盐的滤液；向滤液中加入氯酸钠溶液将亚铁离子氧化为铁离子，加入碳酸钠溶液调节溶液pH，将铁离子转化为黄钠铁矾渣，过滤得到黄钠铁矾渣和除去铁离子的滤液；向滤液中加入萃取剂萃取溶液中的镍离子，分液得到含有镍离子的有机相和含有钴离子的水相；向水相中加入碳酸氢钠溶液，将钴离子转化为碳酸钴沉淀，过滤得到碳酸钴；向有机相中加入反萃取剂萃取、分液得到硫酸镍溶液，硫酸镍溶液经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到六水硫酸镍晶体，六水硫酸镍晶体经灼烧得到NixOy。
【解析】由分析可知，滤渣I的主要成分为硫酸钡、二氧化硅，故A错误；由分析可知，加入氯酸钠溶液的目的是将亚铁离子氧化为铁离子，所以氧化时应加入铁氰化钾溶液，检验溶液中不存在亚铁离子，说明加入的氯酸钠溶液过量，故B错误；由分析可知，沉钴时加入碳酸氢钠溶液的目的是将钴离子转化为碳酸钴沉淀，反应的离子方程式为2HCO3-+C2+=CCO3↓+CO2↑+H2O，故C正确；由分析可知，硫酸镍溶液经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到六水硫酸镍晶体，故D错误；故选C。
高频考点五、与Si有关的化学实验题
例5.（2023·山东卷第18题）三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高纯硅的重要原料，常温下为无色液体，沸点为31.8℃，熔点为-126.5℃，易水解。实验室根据反应，利用如下装置制备SiHCl3粗品(加热及夹持装置略)。回答下列问题：
（1）制备SiHCl3时进行操作：(ⅰ)……；(ⅱ)将盛有砫粉的瓷舟置于管式炉中；(ⅲ)通入HCl，一段时间后接通冷凝装置，加热开始反应。操作(ⅰ)为_____；判断制备反应结束的实验现象是_____。图示装置存在的两处缺陷是_____。
（2）已知电负性Cl＞H＞Si，SiHCl3在浓NaOH溶液中发生反应的化学方程式为_____。
（3）采用如下方法测定溶有少量HCl的SiHCl3纯度。
m1g样品经水解、干燥等预处理过程得硅酸水合物后，进行如下实验操作：①_____，②_____(填操作名称)，③称量等操作，测得所得固体氧化物质量为m2g，从下列仪器中选出①、②中需使用的仪器，依次为_____(填标号)。测得样品纯度为_____(用含m1、m2的代数式表示)。
【答案】（1）检查装置气密性 当管式炉中没有固体剩余时 C、D之间没有干燥装置，没有处理氢气的装置
（2）SiHCl3+5NaOH =Na2SiO3+3NaCl+H2↑+2H2O
（3）高温灼烧 冷却 AC
【解析】氯化氢气体通入浓硫酸干燥后，在管式炉中和硅在高温下反应，生成三氯甲硅烷和氢气，由于三氯甲硅烷沸点为31.8℃，熔点为-126.5℃，在球形冷凝管中可冷却成液态，在装置C中收集起来，氢气则通过D装置排出同时D可处理多余吸收的氯化氢气体，据此解答。
（1）制备SiHCl3时，由于氯化氢、SiHCl3和氢气都是气体，所以组装好装置后，要先检查装置气密性，然后将盛有硅粉的瓷舟置于管式炉中，通入氯化氢气体，排出装置中的空气，一段时候后，接通冷凝装置，加热开始反应，当管式炉中没有固体剩余时，即硅粉完全反应，SiHCl3易水解，所以需要在C、D之间加一个干燥装置，防止D中的水蒸气进入装置C中，另外氢氧化钠溶液不能吸收氢气，需要在D后面加处理氢气的装置；
（2）已知电负性Cl＞H＞Si，则SiHCl3中氯元素的化合价为-1，H元素的化合价为-1，硅元素化合价为+4，所以氢氧化钠溶液和SiHCl3反应时，要发生氧化还原反应，得到氯化钠、硅酸钠和氢气，化学方程式为：SiHCl3+5NaOH =Na2SiO3+3NaCl+H2↑+2H2O；
（3）m1g样品经水解，干燥等预处理过程得到硅酸水合物后，高温灼烧，在干燥器中冷却后，称量，所用仪器包括坩埚和干燥器，所得固体氧化物为二氧化硅，质量为m2g，则二氧化硅的物质的量为n(SiO2)=，样品纯度为=。
【变式探究】单晶硅是信息产业中重要的基础材料。工业上可用焦炭与石英砂(SiO2)的混合物在高温下与氯气反应生成SiCl4和CO，SiCl4经提纯后用氢气还原得高纯硅。以下是实验室制备 SiCl4的装置示意图：
实验过程中，石英砂中的铁、铝等杂质也能转化为相应氯化物，SiCl4、AlCl3、FeCl3遇水均易水解，有关物质的物理常数见下表：
(1)装置B中的试剂是 ，装置 D 中制备SiCl4的化学方程式是 。
(2) D、E 间导管短且粗的作用是 。
(3)G中吸收尾气一段时间后，吸收液中肯定存在OH-、Cl-和SO42-，请设计实验，探究该吸收液中可能存在的其他酸根离子(忽略空气中CO2的影响)。
【提出假设】假设1：只有SO32-；假设2：既无SO32-也无ClO-；假设3： 。
【设计方案进行实验】可供选择的实验试剂有：3 ml/L H2SO4、1 ml/L NaOH、0.01 ml/LKMnO4、溴水、淀粉-KI、品红等溶液。
取少量吸收液于试管中，滴加 3 ml/L H2SO4 至溶液呈酸性，然后将所得溶液分置于a、b、c三支试管中，分别进行下列实验。请完成下表：
【答案】饱和食盐水 SiO2+2C+2Cl2SiCl4+2CO 防止生成物中的AlCl3，FeCl3等杂质凝结成固体堵塞导管 只有ClO- 0.01 ml/L KMnO4溶液(或溴水) 品红 淀粉-KI 若溶液变为蓝色
【分析】制备四氯化硅的实验流程：A中发生二氧化锰与浓盐酸的反应生成氯气，B中饱和食盐水除去Cl2中杂质HCl，C装置中浓硫酸干燥氯气，D中发生Si与氯气的反应生成四氯化硅，由信息可知，四氯化硅的沸点低，则E装置冷却可收集四氯化硅，F可防止F右端的水蒸气进入装置E中与四氯化硅反应，造成产物不纯，最后G处理含氯气的尾气。据此解答。
【解析】(1)装置A是氯气发生装置，A中二氧化锰与浓盐酸在加热条件下反应生成氯化锰、氯气和水，其离子方程式为MnO2+4H++2Cl-Mn2++2H2O+Cl2↑；浓盐酸具有挥发性，所以制取得到的Cl2中含有杂质HCl及水蒸气，装置B的作用是除去杂质HCl，结合Cl2与水的反应是可逆反应的特点，装置B使用的试剂是饱和食盐水，用以除去杂质HCl；在D装置中二氧化硅、碳和氯气反应生成四氯化硅和一氧化碳，反应为：SiO2+2C+2Cl2SiCl4+2CO；
(2)石英砂中的杂质Fe、Al会与Cl2反应产生FeCl3、AlCl3，这两种物质的熔沸点比较高，在室温下成固态，D、E间导管短且粗就可防止生成物中的AlCl3，FeCl3等杂质凝结成固体堵塞导管；
(3)由假设1和假设2可知，要检测的为SO32-和ClO-，故假设3为只有ClO-，又因为SO32-具有还原性，会使KMnO4溶液(或溴水)褪色，而ClO-不会，所以可以用0.01 ml/L KMnO4溶液(或溴水)来检测，证明假设1成立；SO32-与硫酸反应产生H2SO3，H2SO3分解产生的SO2和ClO-具有漂白性，会使品红溶液褪色，所以可以用品红溶液来检测假设2是否成立；ClO-具有氧化性，可以氧化KI反应生成碘单质，碘单质遇到淀粉边蓝色，若溶液变为蓝色，证明含有ClO-，否则不含有ClO-，因此可以使用淀粉-KI溶液用来检测假设3是否成立。
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＋Na2CO3eq \(=====,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑
与碱性氧
化物反应
如与CaO反应：CaO＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))CaSiO3
用途
光导纤维、光学仪器、电子部件
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
材料类型
主要特性
示例
用途
高温结构陶瓷
耐高温、抗氧化、耐磨蚀
碳化硅、氮化硅与某些金属氧化物等烧结而成
火箭发动机的尾管及燃烧室、汽车发动机、高温电极材料等
压电陶瓷
实现机械能与电能的相互转化
钛酸盐、锆酸盐
滤波器、扬声器、声纳探伤器、点火器等
透明陶瓷
优异的光学性能，耐高温，绝缘性好
氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙
高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导陶瓷
在某一临界温度下电阻为零
可用于电力、交通、医疗等领域
结构特点
应用
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，具有纳米尺度的直径
用于生产复合材料、电池和传感器等
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、电池和复合材料等
选项
陈述Ⅰ
陈述Ⅱ
A
用焦炭和石英砂制取粗硅
SiO2可制作光导纤维
B
利用海水制取溴和镁单质
可被氧化，Mg2+可被还原
C
石油裂解气能使溴CCl4的溶液褪色
石油裂解可得到乙烯等不饱和烃
D
FeCl3水解可生成Fe（OH）3胶体
FeCl3可用作净水剂
A．九霄环佩木古琴
B．裴李岗文化骨笛
C．商朝后期陶埙
D．曾侯乙青铜编钟
A．被称为“臻于极致的青铜典范”的四羊方尊
B．被誉为“白瓷之王”的定窑孩儿枕
C．成为中国文化遗产标志的太阳神鸟金饰
D．被尊为“墨皇”的牙色麻纸本墨迹《平复帖》
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
A．带牙座的水晶球
B．御窑盘碟
C．金大吉葫芦
D．青玉交龙钮玉玺
物质
SiCl4
AlCl3
FeCl3
沸点/℃
57.7
—
315
熔点/℃
-70.0
—
—
升华温度/℃
—
180
300
序号
操作
可能出现的现象
结论
①
向a试管中滴加几滴 溶液
若溶液褪色
则假设1成立
若溶液不褪色
则假设2或3成立
②
向b试管中滴加几滴 溶液
若溶液褪色
则假设1或3成立
若溶液不褪色
假设2成立
③
向c试管中滴加几滴 溶液
假设3成立
考纲和考试说明是备考的指南针，认真研究考纲和考试说明，可增强日常复习的针对性和方向性，避免盲目备考，按方抓药，弄清楚高考检测什么，检测的价值取向，高考的命题依据。
2.精练高考真题，明确方向
经过对近几年高考题的横、纵向分析，可以得出以下三点：一是主干知识考查“集中化”，二是基础知识新视角，推陈出新，三是能力考查“综合化”。
3.摸清问题所在，对症下药
要提高后期的备考质量，还要真正了解学生存在的问题，只有如此，复习备考才能更加科学有效。所以，必须加大信息反馈，深入总结学情，明确备考方向，对症开方下药，才能使学生的知识结构更加符合高考立体网络化要求，才能实现基础→能力→分数的转化。
4.切实回归基础，提高能力
复习训练的步骤包括强化基础，突破难点，规范作答，总结方法，通过这样的总结，学生印象深刻，应用更加灵活。
第09讲 无机非金属材料
【化学学科素养】
1.变化观念与平衡思想：根据碳、硅的结构，预测在一定条件下碳、硅及其化合物可能发生的化学变化。
2.科学态度与社会责任：关注与碳、硅有关的热点问题（如光导纤维、硅电池、半导体材料），形成可持续发展的意识；知道碳、硅及其化合物对社会发展的重大贡献。
【必备知识解读】
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eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(O2：Si＋O2\(=====,\s\up7(△))SiO2,F2：Si＋2F2===SiF4,Cl2：Si＋2Cl2\(=====,\s\up7(△))SiCl4))
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＋2Ceq \(=====,\s\up7(高温))Si＋2CO↑。
②粗硅提纯：Si＋2Cl2eq \(=====,\s\up7(高温))SiCl4，SiCl4＋2H2eq \(=====,\s\up7(高温))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
【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
H2SiO3eq \(=====,\s\up7(△))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
(2)玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑。
2．新型陶瓷
高温结构陶瓷(碳化硅、氮化硅)；压电陶瓷(钛酸盐和锆酸盐)；透明陶瓷(氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙)；超导陶瓷等。
(1)新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
(2)碳化硅(SiC)俗称金刚砂，碳原子和硅原子通过共价键连接，具有类似金刚石的结构，硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。碳化硅还耐高温，可用作耐高温结构材料、耐高温半导体材料等。
3．碳纳米材料
碳纳米材料是一类新型的无机非金属材料
(1)类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。
(2)用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。
【关键能力拓展】
一、碳、硅及其化合物“反常”性质
(1)一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。
(2)一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。
(3)Si的还原性强于C，但C在高温下能还原出Si：SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up15(高温))Si＋2CO↑。
(4)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(5)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
(6)一般情况下，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，二氧化硅是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(SiF4不属于盐，故SiO2不是两性氧化物)。
(7)一般情况下，无机酸能溶于水，但硅酸却难溶于水。
(8)一般情况下，较强酸＋较弱酸的盐―→较弱酸＋较强酸的盐(溶液中的反应)。
因碳酸的酸性强于硅酸，所以水玻璃在空气中易变质：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3(胶体)。
但在高温下，可发生反应Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温))Na2SiO3＋CO2↑(CO2离开反应体系促进反应的正向进行)。
(9)一般情况下，金属(Na、K)能置换出水中的氢，但C在高温下也能置换出H2O中的氢：C＋H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))H2＋CO。
(10)一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不与水反应。
【核心题型例解】
高频考点一 硅和二氧化硅
例1.（2023·辽宁卷第3题）下列有关物质的工业制备反应错误的是（ ）
A. 合成氨：N2+3H2eq \(,\s\up10(高温、高压),\s\d10(催化剂))2NH3 B. 制HCl：H2+Cl2eq \(=======,\s\up8(点燃))2HCl
C. 制粗硅：SiO2+2Ceq \(=======,\s\up8(高温))Si+2CO D. 冶炼镁：2MgO(熔融)eq \(=======,\s\up8(电解))2Mg+O2↑
【答案】D
【解析】工业合成氨是利用氮气和氢气在催化剂的条件下反应生成的，反应方程式为N2+3H2eq \(,\s\up10(高温、高压),\s\d10(催化剂))2NH3，A正确；工业制氯化氢是利用氢气和氯气反应生成的，反应方程式为H2+Cl2eq \(=======,\s\up8(点燃))2HCl，B正确；工业制粗硅是将SiO2与C在高温下反应生成粗硅，反应方程式为SiO2+2Ceq \(=======,\s\up8(高温))Si+2CO，C正确；冶炼金属镁是电解熔融氯化镁，反应方程式为MgCl2(熔融)eq \(=======,\s\up8(电解))Mg+Cl2↑，D错误；故选D。
【变式探究】（2023·湖北卷第3题）工业制备高纯硅的主要过程如下：
石英砂粗硅高纯硅
下列说法错误的是（ ）
A. 制备粗硅的反应方程式为
B. 1mlSi含Si-Si键的数目约为
C. 原料气HCl和应充分去除水和氧气
D. 生成的反应为熵减过程
【答案】B
【解析】SiO2和C在高温下发生反应生成Si和CO，因此，制备粗硅的反应方程式为，A说法正确；在晶体硅中，每个Si与其周围的4个Si形成共价键并形成立体空间网状结构，因此，平均每个Si形成2个共价键， 1ml Si含Si-Si键的数目约为，B说法错误；HCl易与水形成盐酸，在一定的条件下氧气可以将HCl氧化；H2在高温下遇到氧气能发生反应生成水，且其易燃易爆，其与SiHCl3在高温下反应生成硅和HCl，因此，原料气HCl和H2应充分去除水和氧气 ，C说法正确；，该反应是气体分子数减少的反应，因此，生成SiHCl3的反应为熵减过程，D说法正确；综上所述，本题选B。
【变式探究】（2022·浙江卷）下列说法不正确的是（ ）
A．晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，常用于制造光导纤维
B．高压钠灯发出的黄光透雾能力强、射程远，可用于道路照明
C．氧化铝熔点高，常用于制造耐高温材料
D．用石灰右-石膏法对燃煤烟气进行脱硫，同时可得到石膏
【答案】A
【解析】晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，可用于制造晶体管、集成电路等，而二氧化硅常用于制造光导纤维，A错误；钠的焰色反应为黄色，可用作透雾能力强的高压钠灯，B正确；耐高温材料应具有高熔点的性质，氧化铝熔点高，可用作耐高温材料，C正确；石灰石的主要成分为碳酸钙，石灰石-石膏法脱硫过程中发生反应：CaCO3eq \(=====,\s\up7(高温))CaO+CO2↑，SO2+CaCO3=CaSO3+CO2，2CaSO3+O2=2CaSO4，得到了石膏，D正确；答案选A。
高频考点二 二氧化硅
例2.（2023·广东卷第3题）建设美丽乡村，守护中华家园，衣食住行皆化学。下列说法正确的是（ ）
A. 千家万户通光纤，光纤的主要材质为
B. 乡村公路铺沥青，沥青属于天然无机材料
C. 美容扮靓迎佳节，化妆品中的甘油难溶于水
D. 均衡膳食助健康，主食中的淀粉可水解为葡萄糖
【答案】D
【解析】光纤的主要材质为二氧化硅，A错误；沥青属于有机材料，B错误；甘油溶于水，C错误；淀粉水解的最终产物为葡萄糖，D正确； 故选D。
【变式探究】（2022·广东卷）陈述Ⅰ和Ⅱ均正确但不具有因果关系的是
【答案】A
【解析】焦炭具有还原性，工业上常利用焦炭与石英砂（SiO2）在高温条件下制备粗硅，这与SiO2是否做光导纤维无因果关系，故A符合题意；海水中存在溴离子，可向其中通入氯气等氧化剂将其氧化为溴单质，再经过萃取蒸馏物理操作分离提纯溴单质，另外，通过富集海水中的镁离子，经过沉淀、溶解等操作得到无水氯化镁，随后电解熔融氯化镁可制备得到镁单质，陈述I和陈述II均正确，且具有因果关系，B不符合题意；石油在催化剂加热条件下进行裂解可得到乙烯等不饱和烃，从而使溴的CCl4溶液褪色，陈述I和陈述II均正确，且具有因果关系，C不符合题意；FeCl3溶液中铁离子可发生水解，生成具有吸附性的氢氧化铁胶体，从而可用作净水机，陈述I和陈述II均正确，且具有因果关系，D不符合题意；综上所述，答案为A。
高频考点二 硅酸盐及其应用
例3.（2023·广东卷第1题）“高山流水觅知音”。下列中国古乐器中，主要由硅酸盐材料制成的是（ ）
【答案】C
【解析】九霄环佩木古琴主要构成是木材，动物筋制得，A错误；裴李岗文化骨笛由动物骨骼构成，B错误；商朝后期陶埙属于陶瓷，由硅酸盐制成，C正确；曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成，D错误； 故选C。
【变式探究】（2023·山东卷第1题）下列之物具有典型的齐鲁文化特色，据其主要化学成分不能与其他三种归为一类的是（ ）
A. 泰山墨玉 B. 龙山黑陶 C. 齐国刀币 D. 淄博琉璃
【答案】C
【解析】墨玉、黑陶、琉璃均为陶瓷制品，均属于硅酸盐制品，主要成分均为硅酸盐材料，而刀币的主要成分为青铜，故答案为C。
【变式探究】中国历史的发展和化学的发展紧密结合，中国的传世国宝，无不体现了劳动人民对化学的认识和应用。下列四种国宝级文物的主要成分(载体)是硅酸盐的是（ ）
【答案】B
【解析】青铜属于合金，故A不符合题意；陶瓷的主要成分是硅酸盐，则被誉为“白瓷之王”的定窑孩儿枕的主要成分为硅酸盐，故B符合题意；太阳神鸟金饰的主要成分为金，故C不符合题意；麻纸的主要成分为植物纤维，墨的主要成分为碳，故D不符合题意；故选B。
高频考点三 无机非金属材料
例3.随着科学技术的发展，无机非金属材料突破了传统的硅酸盐体系。下列物质中属于新型无机非金属材料的是（ ）
A．水泥B．普通玻璃C．石墨烯D．陶瓷
【答案】C
【解析】水泥是以石灰石和黏土为原料，再与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，经过复杂的变化得到的，属于传统的硅酸盐材料，故A不符合题意； 普通玻璃是以纯碱、石灰石和石英为原料，经过复杂的物理和化学变化得到的以硅酸钙、硅酸钠和二氧化硅为主要成分的传统的硅酸盐材料，故B不符合题意； 石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，主要分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、多层石墨烯。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，石墨烯属于新型无机非金属材料，故C符合题意； 陶瓷是以黏土为主要原料经高温烧结而成的，属于传统的硅酸盐材料，故D不符合题意；故选C。
【变式探究】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（ ）
【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。
【变式探究】 北京故宫藏有大量珍贵文物，据统计总共达1862690件之多，统称文物100万件，占全国文物总数的六分之一。下列故宫文物的主要部件属于陶瓷的是（ ）
【答案】B
【解析】水晶球的成分是SiO2，水晶球不属于陶瓷，故A不符合题意；御窑盘碟是由黏土烧制而成，属于陶瓷，故B符合题意；金大吉葫芦主要由金打造而成，即金大吉葫芦不属于陶瓷，故C不符合题意；玉玺主要成分有二氧化硅、三氧化二铝、氯化钠等组成，不属于陶瓷，故D不符合题意；答案为B。
高频考点四 与Si有关的无机化工流程题
例4．（2023·湖北卷第16题）是生产多晶硅的副产物。利用对废弃的锂电池正极材料进行氯化处理以回收Li、C等金属，工艺路线如下：
回答下列问题：
（1）C位于元素周期表第_______周期，第_______族。
（2）烧渣是LiCl、和的混合物，“500℃焙烧”后剩余的应先除去，否则水浸时会产生大量烟雾，用化学方程式表示其原因_______。
（3）鉴别洗净的“滤饼3”和固体常用方法的名称是_______。
（4）已知，若“沉钴过滤”的pH控制为10.0，则溶液中浓度为_______。“850℃煅烧”时的化学方程式为_______。
（5）导致比易水解的因素有_______(填标号)。
a．Si-Cl键极性更大 b．Si的原子半径更大
c．Si-Cl键键能更大 d．Si有更多的价层轨道
【答案】（1）4 Ⅷ （2） （3）焰色反应
（4） （5）abd
【解析】由流程和题中信息可知，LiCOO2粗品与SiCl4在500℃焙烧时生成氧气和烧渣，烧渣是LiCl、COCl2和SiO2的混合物；烧渣经水浸、过滤后得滤液1和滤饼1，滤饼1的主要成分是SiO2和H2SiO3；滤液1用氢氧化钠溶液沉钴，过滤后得滤饼2（主要成分为CO
(OH)2）和滤液2（主要溶质为LiCl）；滤饼2置于空气中在850℃煅烧得到CO3O4；滤液2经碳酸钠溶液沉锂，得到滤液3和滤饼3，滤饼3为Li2CO3。
（1）C是27号元素，其原子有4个电子层，其价电子排布为3d74s2，元素周期表第8、9、10三个纵行合称第Ⅷ族，因此，其位于元素周期表第4周期、第Ⅷ族。
（2）“500℃焙烧”后剩余的SiCl4应先除去，否则水浸时会产生大量烟雾，由此可知，四氯化硅与可水反应且能生成氯化氢和硅酸，故其原因是：SiCl4遇水剧烈水解，生成硅酸和氯化氢，该反应的化学方程式为。
（3）洗净的“滤饼3”的主要成分为Li2CO3，常用焰色反应鉴别Li2CO3和Na2CO3，Li2CO3的焰色反应为紫红色，而Na2CO3的焰色反应为黄色。故鉴别“滤饼3”和固体Na2CO3常用方法的名称是焰色反应。
（4）已知，若“沉钴过滤”的pH控制为10.0，则溶液中，CO2+浓度为
。“850℃煅烧”时，CO(OH)2与O2反应生成CO3O4和H2O，该反应的化学方程式为。
（5）Si-Cl键极性更大，则 Si-Cl键更易断裂，因此，SiCl4比CCl4易水解，a有关； Si的原子半径更大，因此，SiCl4中的共用电子对更加偏向于Cl，从而导致Si-Cl键极性更大，且Si原子更易受到水电离的OH-的进攻，因此，SiCl4比CCl4易水解，b有关；通常键能越大化学键越稳定且不易断裂，因此，Si-Cl键键能更大不能说明Si-Cl更易断裂，故不能说明SiCl4比CCl4易水解，c无关；Si有更多的价层轨道，因此更易与水电离的OH-形成化学键，从而导致SiCl4比CCl4易水解，d有关；综上所述，导致SiCl4比CCl4易水解的因素有abd。
【变式探究】法生产多晶硅的流程如下。下列说法错误的是（ ）
A．合成1反应中作氧化剂
B．合成2的反应为：
C．上述流程说明可溶于
D．净化、热解中生成的多晶硅为还原产物
【答案】C
【分析】合成1中发生Na+Al+2H2=NaAlH4，合成2中发生NaAlH4+SiF4=SiH4+NaAlF4，合成3制备四氟化硅，净化、热解SiH4步骤中四氢化硅分解为晶体硅和氢气，据此分析；
【解析】合成1中发生Na+Al+2H2=NaAlH4，H由0价转化成-1价，化合价降低，氢气作氧化剂，故A说法正确；根据上述分析，合成2中发生NaAlH4+SiF4=SiH4+NaAlF4，故B说法正确；合成3中NaAlF4与硫酸反应生成HF，HF与二氧化硅反应生成SiF4，因此题中不能说明二氧化硅溶于硫酸，故C说法错误；四氢化硅分解为晶体硅和氢气，根据电负性分析，氢的电负性强于硅，硅元素显+4价，化合价降低，因此晶体硅为还原产物，故D说法正确；答案为C。
【变式探究】以含镍废料(主要成分为NiO，含少量FeO、Fe2O3、CO、BaO和SiO2)为原料制备碳酸钴(CCO3)和NixOy的工艺流程如图。下列说法正确的是 （ ）
A．“滤渣I”成分是SiO2
B．“氧化”时为证明添加NaClO3已足量，可用KSCN溶液进行检验
C．“沉钴”反应的离子方程式为2+C2+=CCO3↓+CO2↑+H2O
D．NiSO4溶液通过蒸发结晶获得NiSO4·6H2O晶体
【答案】C
【分析】由题给流程可知，含镍废料加入稀硫酸酸浸时，NiO、FeO、Fe2O3、CO与稀硫酸反应转化为可溶性硫酸盐，氧化钡与稀硫酸反应转化为硫酸钡，二氧化硅不反应，过滤得到含有硫酸钡、二氧化硅的滤渣I和含有可溶性硫酸盐的滤液；向滤液中加入氯酸钠溶液将亚铁离子氧化为铁离子，加入碳酸钠溶液调节溶液pH，将铁离子转化为黄钠铁矾渣，过滤得到黄钠铁矾渣和除去铁离子的滤液；向滤液中加入萃取剂萃取溶液中的镍离子，分液得到含有镍离子的有机相和含有钴离子的水相；向水相中加入碳酸氢钠溶液，将钴离子转化为碳酸钴沉淀，过滤得到碳酸钴；向有机相中加入反萃取剂萃取、分液得到硫酸镍溶液，硫酸镍溶液经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到六水硫酸镍晶体，六水硫酸镍晶体经灼烧得到NixOy。
【解析】由分析可知，滤渣I的主要成分为硫酸钡、二氧化硅，故A错误；由分析可知，加入氯酸钠溶液的目的是将亚铁离子氧化为铁离子，所以氧化时应加入铁氰化钾溶液，检验溶液中不存在亚铁离子，说明加入的氯酸钠溶液过量，故B错误；由分析可知，沉钴时加入碳酸氢钠溶液的目的是将钴离子转化为碳酸钴沉淀，反应的离子方程式为2HCO3-+C2+=CCO3↓+CO2↑+H2O，故C正确；由分析可知，硫酸镍溶液经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、洗涤、干燥得到六水硫酸镍晶体，故D错误；故选C。
高频考点五、与Si有关的化学实验题
例5.（2023·山东卷第18题）三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高纯硅的重要原料，常温下为无色液体，沸点为31.8℃，熔点为-126.5℃，易水解。实验室根据反应，利用如下装置制备SiHCl3粗品(加热及夹持装置略)。回答下列问题：
（1）制备SiHCl3时进行操作：(ⅰ)……；(ⅱ)将盛有砫粉的瓷舟置于管式炉中；(ⅲ)通入HCl，一段时间后接通冷凝装置，加热开始反应。操作(ⅰ)为_____；判断制备反应结束的实验现象是_____。图示装置存在的两处缺陷是_____。
（2）已知电负性Cl＞H＞Si，SiHCl3在浓NaOH溶液中发生反应的化学方程式为_____。
（3）采用如下方法测定溶有少量HCl的SiHCl3纯度。
m1g样品经水解、干燥等预处理过程得硅酸水合物后，进行如下实验操作：①_____，②_____(填操作名称)，③称量等操作，测得所得固体氧化物质量为m2g，从下列仪器中选出①、②中需使用的仪器，依次为_____(填标号)。测得样品纯度为_____(用含m1、m2的代数式表示)。
【答案】（1）检查装置气密性 当管式炉中没有固体剩余时 C、D之间没有干燥装置，没有处理氢气的装置
（2）SiHCl3+5NaOH =Na2SiO3+3NaCl+H2↑+2H2O
（3）高温灼烧 冷却 AC
【解析】氯化氢气体通入浓硫酸干燥后，在管式炉中和硅在高温下反应，生成三氯甲硅烷和氢气，由于三氯甲硅烷沸点为31.8℃，熔点为-126.5℃，在球形冷凝管中可冷却成液态，在装置C中收集起来，氢气则通过D装置排出同时D可处理多余吸收的氯化氢气体，据此解答。
（1）制备SiHCl3时，由于氯化氢、SiHCl3和氢气都是气体，所以组装好装置后，要先检查装置气密性，然后将盛有硅粉的瓷舟置于管式炉中，通入氯化氢气体，排出装置中的空气，一段时候后，接通冷凝装置，加热开始反应，当管式炉中没有固体剩余时，即硅粉完全反应，SiHCl3易水解，所以需要在C、D之间加一个干燥装置，防止D中的水蒸气进入装置C中，另外氢氧化钠溶液不能吸收氢气，需要在D后面加处理氢气的装置；
（2）已知电负性Cl＞H＞Si，则SiHCl3中氯元素的化合价为-1，H元素的化合价为-1，硅元素化合价为+4，所以氢氧化钠溶液和SiHCl3反应时，要发生氧化还原反应，得到氯化钠、硅酸钠和氢气，化学方程式为：SiHCl3+5NaOH =Na2SiO3+3NaCl+H2↑+2H2O；
（3）m1g样品经水解，干燥等预处理过程得到硅酸水合物后，高温灼烧，在干燥器中冷却后，称量，所用仪器包括坩埚和干燥器，所得固体氧化物为二氧化硅，质量为m2g，则二氧化硅的物质的量为n(SiO2)=，样品纯度为=。
【变式探究】单晶硅是信息产业中重要的基础材料。工业上可用焦炭与石英砂(SiO2)的混合物在高温下与氯气反应生成SiCl4和CO，SiCl4经提纯后用氢气还原得高纯硅。以下是实验室制备 SiCl4的装置示意图：
实验过程中，石英砂中的铁、铝等杂质也能转化为相应氯化物，SiCl4、AlCl3、FeCl3遇水均易水解，有关物质的物理常数见下表：
(1)装置B中的试剂是 ，装置 D 中制备SiCl4的化学方程式是 。
(2) D、E 间导管短且粗的作用是 。
(3)G中吸收尾气一段时间后，吸收液中肯定存在OH-、Cl-和SO42-，请设计实验，探究该吸收液中可能存在的其他酸根离子(忽略空气中CO2的影响)。
【提出假设】假设1：只有SO32-；假设2：既无SO32-也无ClO-；假设3： 。
【设计方案进行实验】可供选择的实验试剂有：3 ml/L H2SO4、1 ml/L NaOH、0.01 ml/LKMnO4、溴水、淀粉-KI、品红等溶液。
取少量吸收液于试管中，滴加 3 ml/L H2SO4 至溶液呈酸性，然后将所得溶液分置于a、b、c三支试管中，分别进行下列实验。请完成下表：
【答案】饱和食盐水 SiO2+2C+2Cl2SiCl4+2CO 防止生成物中的AlCl3，FeCl3等杂质凝结成固体堵塞导管 只有ClO- 0.01 ml/L KMnO4溶液(或溴水) 品红 淀粉-KI 若溶液变为蓝色
【分析】制备四氯化硅的实验流程：A中发生二氧化锰与浓盐酸的反应生成氯气，B中饱和食盐水除去Cl2中杂质HCl，C装置中浓硫酸干燥氯气，D中发生Si与氯气的反应生成四氯化硅，由信息可知，四氯化硅的沸点低，则E装置冷却可收集四氯化硅，F可防止F右端的水蒸气进入装置E中与四氯化硅反应，造成产物不纯，最后G处理含氯气的尾气。据此解答。
【解析】(1)装置A是氯气发生装置，A中二氧化锰与浓盐酸在加热条件下反应生成氯化锰、氯气和水，其离子方程式为MnO2+4H++2Cl-Mn2++2H2O+Cl2↑；浓盐酸具有挥发性，所以制取得到的Cl2中含有杂质HCl及水蒸气，装置B的作用是除去杂质HCl，结合Cl2与水的反应是可逆反应的特点，装置B使用的试剂是饱和食盐水，用以除去杂质HCl；在D装置中二氧化硅、碳和氯气反应生成四氯化硅和一氧化碳，反应为：SiO2+2C+2Cl2SiCl4+2CO；
(2)石英砂中的杂质Fe、Al会与Cl2反应产生FeCl3、AlCl3，这两种物质的熔沸点比较高，在室温下成固态，D、E间导管短且粗就可防止生成物中的AlCl3，FeCl3等杂质凝结成固体堵塞导管；
(3)由假设1和假设2可知，要检测的为SO32-和ClO-，故假设3为只有ClO-，又因为SO32-具有还原性，会使KMnO4溶液(或溴水)褪色，而ClO-不会，所以可以用0.01 ml/L KMnO4溶液(或溴水)来检测，证明假设1成立；SO32-与硫酸反应产生H2SO3，H2SO3分解产生的SO2和ClO-具有漂白性，会使品红溶液褪色，所以可以用品红溶液来检测假设2是否成立；ClO-具有氧化性，可以氧化KI反应生成碘单质，碘单质遇到淀粉边蓝色，若溶液变为蓝色，证明含有ClO-，否则不含有ClO-，因此可以使用淀粉-KI溶液用来检测假设3是否成立。
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＋Na2CO3eq \(=====,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑
与碱性氧
化物反应
如与CaO反应：CaO＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))CaSiO3
用途
光导纤维、光学仪器、电子部件
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
材料类型
主要特性
示例
用途
高温结构陶瓷
耐高温、抗氧化、耐磨蚀
碳化硅、氮化硅与某些金属氧化物等烧结而成
火箭发动机的尾管及燃烧室、汽车发动机、高温电极材料等
压电陶瓷
实现机械能与电能的相互转化
钛酸盐、锆酸盐
滤波器、扬声器、声纳探伤器、点火器等
透明陶瓷
优异的光学性能，耐高温，绝缘性好
氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙
高压钠灯、激光器、高温探测窗等
超导陶瓷
在某一临界温度下电阻为零
可用于电力、交通、医疗等领域
结构特点
应用
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，具有纳米尺度的直径
用于生产复合材料、电池和传感器等
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、电池和复合材料等
选项
陈述Ⅰ
陈述Ⅱ
A
用焦炭和石英砂制取粗硅
SiO2可制作光导纤维
B
利用海水制取溴和镁单质
可被氧化，Mg2+可被还原
C
石油裂解气能使溴CCl4的溶液褪色
石油裂解可得到乙烯等不饱和烃
D
FeCl3水解可生成Fe（OH）3胶体
FeCl3可用作净水剂
A．九霄环佩木古琴
B．裴李岗文化骨笛
C．商朝后期陶埙
D．曾侯乙青铜编钟
A．被称为“臻于极致的青铜典范”的四羊方尊
B．被誉为“白瓷之王”的定窑孩儿枕
C．成为中国文化遗产标志的太阳神鸟金饰
D．被尊为“墨皇”的牙色麻纸本墨迹《平复帖》
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
A．带牙座的水晶球
B．御窑盘碟
C．金大吉葫芦
D．青玉交龙钮玉玺
物质
SiCl4
AlCl3
FeCl3
沸点/℃
57.7
—
315
熔点/℃
-70.0
—
—
升华温度/℃
—
180
300
序号
操作
可能出现的现象
结论
①
向a试管中滴加几滴 溶液
若溶液褪色
则假设1成立
若溶液不褪色
则假设2或3成立
②
向b试管中滴加几滴 溶液
若溶液褪色
则假设1或3成立
若溶液不褪色
假设2成立
③
向c试管中滴加几滴 溶液
假设3成立
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