高考化学一轮复习第4章非金属及其重要化合物第4讲碳硅及无机非金属材料学案

第4讲　碳、硅及无机非金属材料

[课程标准]

1．结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解碳、硅及其重要化合物的主要性质，认识这些物质在生产中的应用和对生态环境的影响。

2．结合实例认识碳、硅及其化合物的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化，认识物质及其转化在促进社会文明进步、自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。

3．能借助国家关于安全生产、环境保护、食品安全、药物开发等方面的法律法规分析与化学有关的社会热点问题。

考点一　碳及其重要化合物

1．碳单质：存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯等，它们互为同素异形体。

[点拨]　①碳单质的结构不同导致物理性质不同，但化学性质相似。

②同素异形体之间的转化是化学变化，但不是氧化还原反应。

2．碳的氧化物(CO、CO2)的比较

3.碳酸(H2CO3)：弱酸、不稳定。碳酸只能存在于水中，在水中与CO2共存，因此常把CO2＋H2O当碳酸用。

4．碳酸的正盐和酸式盐的比较

1．(2021·济宁一模)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4 h的智能服饰；用铝合金管材和碳纤维制作了高2.35 m、重量仅为10 kg的熊猫木偶，向世界展现了新时代的中国形象。下列说法不正确的是(　　)

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

解析：选A。石墨烯是碳的一种单质，属于无机非金属材料，故A项错误；铝合金的密度较小，属于金属材料，故B项正确；碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，属于无机非金属材料，故C项正确；人们依据生产、生活的需要研制出很多种用途不同的新型材料，如碳纳米材料、新型合金材料等，故D项正确。

2．(双选)(2021·成都高三模拟)科技的进步为二氧化碳资源化利用提供了广阔的前景。下列说法错误的是(　　)

A．CO2是自然界碳循环中的重要物质

B．CO2加氢转化为乙烯，CO2被氧化

C．CO2电催化时，在阳极转化为燃料

D．CO2与环氧丙烷可合成可降解塑料

解析：选BC。含碳燃料燃烧以及动植物呼吸都会产生二氧化碳，植物光合作用消耗二氧化碳，所以CO2是自然界碳循环中的重要物质，故A正确；CO2加氢转化为乙烯，C的化合价降低，CO2得电子，被还原，故B错误；CO2中C为＋4价，只能发生得电子的还原反应，CO2在阴极得电子转化为燃料，阳极为失电子的氧化反应，故C错误；CO2与环氧丙烷发生加聚反应，可合成可降解塑料，故D正确。

3．碳和碳的氧化物是生活中的常见物质，回答下列问题：

(1)下列有关说法正确的是________(填字母)。

a．利用二氧化碳制造全降解塑料，可以减缓二氧化碳对环境的影响

b．金刚石、石墨、C60的化学性质相似，物理性质却有很大差异

c．木炭、一氧化碳在一定条件下都能还原氧化铜

d．大气中二氧化碳的消耗途径主要是绿色植物的光合作用

(2)吸烟对人体有害，燃着的香烟产生的烟气中含有一种能与血液中的血红蛋白结合的有毒气体，它是________(填化学式)。

(3)影视舞台上经常看到云雾缭绕，使人如入仙境的景象，产生这一景象可用的物质是________(填物质名称)。

(4)为减少二氧化碳对环境的影响，可将二氧化碳与氢气在300 ℃、200 kPa、催化剂的条件下，反应生成一种清洁燃料甲醇(CH3OH)和水，其反应的化学方程式为_____________________________________________________________

_________________________________________________________________。

答案：(1)abcd　(2)CO　(3)干冰　(4)CO2＋3H2CH3OH＋H2O

考点二　硅　无机非金属材料

1．硅及其重要化合物

硅元素在自然界中主要以二氧化硅和硅酸盐等化合态的形式存在于地壳中。

(1)单质硅

①晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。

②高纯硅的制备

[点拨]　工业上常用焦炭在电炉中还原SiO2得到粗硅，但反应需隔绝空气(或O2)，生成的是CO而不是CO2。

(2)SiO2

①晶体类型：共价晶体。

②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。

③高温下，Na2CO3、CaCO3与SiO2反应制玻璃的化学方程式为Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。

④SiO2与氢氟酸反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

⑤二氧化硅常被用来制造高性能的现代通信材料——光导纤维(简称“光纤”)。

[点拨]　a．SiO2既能与HF反应，又能与NaOH溶液反应，但SiO2不是两性氧化物。

b．NaOH溶液可以用玻璃瓶盛放，但不能用玻璃塞，应使用橡胶塞。

c．氢氟酸可用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不能用玻璃瓶，应使用塑料瓶。

2．无机非金属材料

(1)传统无机非金属材料，包括水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。

(2)新型无机非金属材料，包括硅(半导体材料)、二氧化硅(光导纤维)、新型陶瓷、碳纳米材料等。

(3)碳纳米材料的结构特点与应用

题组一　硅及其重要化合物的性质

1．(2021·宜昌高三模拟)下列关于硅的说法不正确的是(　　)

A．硅是非金属元素，晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体

B．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料

C．用二氧化硅制取单质硅的反应中硅元素被氧化

D．加热到一定温度时，硅能与氢气、氧气等非金属单质发生反应

解析：选C。用二氧化硅制取单质硅的反应中硅元素被还原。

2．下列叙述正确的是(　　)

A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以二者物理性质相似

B．因为CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强

C．CO2和SiO2都能与碳反应，且都做氧化剂

D．SiO2既能和NaOH反应，又能和HF反应，所以SiO2属于两性氧化物

解析：选C。CO2的熔、沸点低，可溶于水，SiO2的熔、沸点高，硬度大，不溶于水，二者都是酸性氧化物，与其物理性质没有因果关系，A错；CaCO3和SiO2反应是因为生成的CO2为气体，脱离反应体系，促进反应正向进行，且H2SiO3的酸性比H2CO3的弱，B错；SiO2和HF反应是SiO2的特殊性质，不能说明SiO2是两性氧化物，D错。

题组二　硅的制备

3．从石英砂制取高纯硅的主要化学反应如下：

①SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑

②Si(粗)＋2Cl2SiCl4

③SiCl4＋2H2Si(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28 g硅，均转移4 mol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

解析：选D。在氧化还原反应中，还原剂的还原性比还原产物的还原性强，B正确；根据元素化合价的变化，每消耗或生成28 g(1 mol)硅，均转移4 mol电子，C正确；题中的三个反应是在三个不同反应器中发生的，D错误。

4．(双选)科学家最新研制的利用氯化氢和氢气生产高纯硅的工艺流程如图所示：

容器①中进行的反应为(a)Si(粗)＋3HCl(g)SiHCl3(l)＋H2(g)；容器②中进行的反应为(b)SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl。下列说法正确的是(　　)

A．该工艺流程的优点是部分反应物可循环使用  

B．可用过滤的方法分离Si和SiHCl3

C．反应a和b中HCl均做氧化剂       

D．反应a和b互为可逆反应

解析：选AB。该工艺流程中HCl和H2可循环使用；分离Si与SiHCl3可用过滤的方法；反应b中HCl是生成物，是氧化产物；反应a、b不在同一条件下进行，不互为可逆反应。

题组三　无机非金属材料的性质及应用

5．(2021·康定教学质量检测)“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是(　　)

A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品

B．制水泥的主要原料为纯碱、石灰石和石英砂

C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高

D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐

解析：选C。陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英砂是制玻璃的主要原料，而制水泥的主要原料是黏土和石灰石，B项错误；硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。

6．下列关于材料的叙述中正确的是(　　)

A．氮化硅陶瓷耐高温，可用来制造汽车发动机

B．钢化玻璃属于新型无机非金属材料

C．水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料都不溶于水，所以所有的硅酸盐都不溶于水

D．新型陶瓷材料种类很多，其中高温结构陶瓷具有耐高温、耐氧化、不耐腐蚀等特点

解析：选A。钢化玻璃是把普通玻璃高温软化，迅速降温获得的机械强度增大的玻璃，主要成分还是硅酸盐，属于传统无机非金属材料，所以B错误；大多数硅酸盐都难溶于水，但Na2SiO3是可溶的，所以C错误；高温结构陶瓷具有耐腐蚀的优良特性，所以D错误。

考点三　绿色化学与环境保护

1．环境污染

2.绿色化学

(1)核心思想：改变“先污染后治理”的观念，利用化学原理和技术手段，减少或消除产品在生产和应用中涉及的有害化学物质，实现从源头减少或消除环境污染。

(2)绿色化学示意图

(3)最理想的“原子经济性反应”：原子利用率是100%，即反应物的原子全部转化为期望的最终产物。

(4)开发和利用自然资源必须遵循的原则：减量化、再利用和再循环。

题组一　化学与环境保护

1．(2021·福建省新高考适应性模考)福建省三钢集团近年来大气污染治理成绩显著，厂区“绿”意盎然。治理后，钢铁厂排放的尾气中，下列物质含量最大的是(　　)

A．CO2　　　B．NO2　　　C．SO2　　　D．PM10

答案：A

2．(双选)化学与生活密切相关。下列说法错误的是(　　)

A．PM2.5指粒径大于2.5 μm的可吸入悬浮颗粒物

B．绿色化学要求从源头上消除或减少生产活动对环境的污染

C．燃煤时加入CaO，可以减少酸雨的形成及温室气体的排放

D．天然气和液化石油气是我国目前推广使用的清洁燃料

解析：选AC。PM2.5指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，A项错误；绿色化学要求从源头上减少或消除生产活动对环境的污染，B项正确；燃煤时加入CaO，CaO可以与煤燃烧后生成的二氧化硫反应生成CaSO3，并进一步被氧化为CaSO4，从而减少二氧化硫的排放，因此可以减少酸雨的形成，但不能减少温室气体的排放，C项错误；天然气和液化石油气完全燃烧的产物是二氧化碳和水，属于清洁燃料，D项正确。

3．2021年第31届世界大学生夏季运动会将在成都举办。“绿色”是成都的城市发展理念，也是世界大学生夏季运动会的组织理念。下面有关说法不正确的是(　　)

A．成都推广使用的清洁燃料压缩天然气和液化石油气的主要成分均是烃类

B．兴建世界大学生夏季运动会场馆所用到的金属材料中可能含有非金属元素

C．绿色化学的核心是应用化学原理对环境污染进行治理

D．新能源汽车的推广使用有助于减少氮氧化物的排放

解析：选C。压缩天然气的主要成分是甲烷，液化石油气的主要成分为丙烷和丁烷，A正确；金属材料中可能含有非金属元素，如生铁中含有碳元素，B正确；绿色化学的核心是从源头上杜绝污染，而不是用化学原理治理环境污染，C错误；新能源汽车的推广使用，有助于减少氮氧化物的排放，减少光化学烟雾的产生，D正确。

题组二　绿色化学

4．在绿色化学工艺中，理想状态是反应物原子全部转化为期望的产物，即原子利用率为100%。以下反应最符合绿色化学原子经济要求的是(　　)

A．乙烯聚合为聚乙烯高分子材料

B．甲烷与氯气制备一氯甲烷

C．以铜和浓硝酸为原料生产硝酸铜

D．用碳还原二氧化硅制备高纯硅

解析：选A。A项，属于乙烯的加聚反应，符合原子利用率100%的特点；B项，属于取代反应，还生成HCl等；C项，铜和浓硝酸反应生成硝酸铜、二氧化氮和水；D项，用碳还原二氧化硅制备高纯硅的产物还有CO。

5．绿色化学实验指在绿色化学思想的指导下，对常规实验进行改革而形成的实验新方法。下列符合绿色化学实验操作的是(　　)

A．将一氧化碳还原氧化铜的尾气直接排入空气中

B．将锌和稀硫酸反应后的废液直接倒入下水道中

C．将与氧气反应后剩余的硫黄放在空气中燃烧完全

D．将氯酸钾和二氧化锰共热后的残余物回收分离

解析：选D。一氧化碳还原氧化铜的尾气中含有未反应的一氧化碳，其是有毒气体，对环境有害，A项不符合绿色化学实验操作；将锌和稀硫酸反应后的废液直接倒入下水道中，会腐蚀下水道，污染水资源，B项不符合绿色化学实验操作；将与氧气反应后剩余的硫黄放在空气中燃烧完全，产生的二氧化硫气体有毒，会污染空气，C项不符合绿色化学实验操作；将氯酸钾和二氧化锰共热后的残余物回收分离，可防止残余物对环境的污染，D项符合绿色化学实验操作。

考点四　化学品的合理使用

1．化肥、农药的合理施用

(1)合理施用化肥

①考虑因素：土壤酸碱性、作物营养状况、化肥本身性质。

②不合理施用化肥的危害：造成浪费、造成水体富营养化、影响土壤的酸碱性和土壤结构。

(2)合理施用农药

①农药的发展方向：高效、低毒、低残留。

②农药对生态系统和自然环境的影响：破坏害虫与天敌之间的生态平衡，一些害虫还会产生抗药性；引起传粉昆虫的大量死亡；造成土壤和作物的农药残留超标，以及大气、地表水和地下水的污染。

2．合理用药

(1)药物按来源分为天然药物与合成药物。

[点拨]　①处方药需要凭医生处方才能从药房或药店获得，并要在医生的指导下使用。非处方药则不需要凭医生处方，消费者可自行购买和使用，其包装上有“OTC”标识。

②阿司匹林的化学名称是乙酰水杨酸，具有解热镇痛的作用。

(2)合理使用药物：遵循安全、有效、经济、适当等原则；滥用药物危害巨大；远离毒品。

3．安全使用食品添加剂

(1)食品添加剂：为改善食品品质和色、香、味，以及防腐、保鲜和加工工艺的需要而加入食品中的人工合成或天然物质。

(2)常见的食品添加剂

(3)食品添加剂的使用：在规定范围内合理使用食品添加剂，对人体健康不会产生不良影响，但违规使用或者超量使用食品添加剂，都会损害人体健康。

题组一　化肥、农药中化学成分的性质及其对健康、环境的影响

1．市场上出售的紫葡萄，表皮上常附着一些浅蓝色的斑点，它是为防治霉菌而喷洒的农药波尔多液。波尔多液中含有一种有毒的盐，因此在吃葡萄之前，应将葡萄浸泡在水中一段时间。这种有毒的盐是(　　)

A．氯化钡   B．硫酸铜

C．硝酸银   D．碳酸钠

解析：选B。农药波尔多液是硫酸铜和熟石灰的混合物，其中硫酸铜是可溶的，能电离出有毒的铜离子，所以B正确；波尔多液中不含氯化钡、硝酸银和碳酸钠，且碳酸钠无毒，所以A、C、D错误。

2．下列对使用化肥、农药的描述中正确的是(　　)

A．高温多雨时比较适合施用钾肥

B．长期施用硫铵会造成土壤板结

C．石灰硫黄合剂必须与硫酸混合后才能施用

D．硝酸铵是一种高效氮肥，可直接施用

解析：选B。高温多雨时施用化肥易使肥料分解损失或随雨水流失，A错误；石灰硫黄合剂与硫酸混合施用，会因石灰、硫酸间发生化学反应而失去相应的功效，C错误；硝酸铵受热或经撞击会发生爆炸，所以必须经过改性处理后才能施用，D错误。

题组二　日常药物的了解、毒品的认识

3．下列关于小药箱中常备药物的作用叙述错误的是(　　)

A．板蓝根冲剂用于治疗感冒

B．氟哌酸用于退热止痛

C．阿司匹林用于退热止痛

D．胃舒平用于抑酸止胃痛

解析：选B。对于常见药物的作用，应知道和了解。氟哌酸是抑菌消炎药，用于治疗急性肠胃炎导致的腹泻。

4．毒品曾给我们的国家和民族带来巨大的灾难，据统计我国目前的吸毒人员中80%左右是青少年，而他们大多又是出于好奇而沾染毒品的。根据你所知道的知识，判断下列物质中一定不属于毒品的是(　　)

A．甘油  B．吗啡  C．冰毒  D．海洛因

解析：选A。甘油即丙三醇，是醇类物质。

题组三　食品添加剂的功能和使用

5．食品添加剂与类别对应错误的一组是(　　)

A．叶绿素——着色剂

B．酱油中加铁——营养强化剂

C．苯甲酸钠——调味剂

D．碳酸氢钠——膨松剂

解析：选C。叶绿素呈绿色，能用作着色剂，A正确；铁是维持生命的主要物质，属于食品添加剂中的营养强化剂，B正确；苯甲酸钠具有防腐性，可以用作防腐剂，C错误；碳酸氢钠受热能分解生成二氧化碳，可以使食品变得膨松，能用作膨松剂，D正确。

6．为了改善食品的色、香、味，我们经常在食物中加入某些食品添加剂。下列食品添加剂的使用不合理的是(　　)

A．在烹饪食物时，加入适量食盐

B．在饮料制作中，常加入适量的天然色素

C．在火腿制作中，加入大量亚硝酸钠作为防腐剂

D．在烹饪鱼类食物时，加入适量食醋

解析：选C。亚硝酸钠具有一定毒性，用作防腐剂时必须严格控制用量。

1．(2020·高考江苏卷)打赢蓝天保卫战，提高空气质量。下列物质不属于空气污染物的是(　　)

A．PM2.5　　　　　　　　 B．O2

C．SO2   D．NO

解析：选B。PM2.5指可吸入颗粒物，属于空气污染物，A项不符合题意；氧气是空气的成分之一，供给人体呼吸，不是空气污染物，B项符合题意；二氧化硫可以形成酸雨，属于空气污染物，C项不符合题意；NO是形成光化学烟雾的因素之一，属于空气污染物，D项不符合题意。

2．(2020·浙江7月选考)Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一，其相关性质的说法不正确的是(　　)

A．可发生反应：Ca3SiO5＋4NH4ClCaSiO3＋2CaCl2＋4NH3↑＋2H2O

B．具有吸水性，需要密封保存

C．能与SO2反应生成新盐

D．与足量盐酸作用，所得固体产物主要为SiO2

解析：选D。加热时氯化铵分解生成HCl和氨，HCl与Ca3SiO5反应得到硅酸钙、氯化钙和水，A项正确；水泥吸水会变硬，需密封保存，B项正确；Ca3SiO5能与二氧化硫反应得到亚硫酸钙，C项正确；由上述分析可知，Ca3SiO5与足量盐酸反应得不到二氧化硅，D项错误。

3．(2019·高考全国卷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

解析：选A。“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关，而氧化铁显红棕色，A项错误；秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成，B项正确；陶瓷是以黏土为原料，经高温烧结而成，属于人造材料，主要成分是硅酸盐，C项正确；陶瓷的主要成分是硅酸盐，硅酸盐中硅元素化合价处于最高价，化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点，D项正确。

4．(2019·高考北京卷)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(　　)

解析：选A。SiC中的C、Si分别为第二周期和第三周期的第ⅣA族元素，二者均为非金属元素，形成的SiC为无机非金属材料，A项正确；聚氨酯中含有C、H、N等元素，三种元素不属于同主族元素，且聚氨酯为有机材料，B项错误；碳包覆银纳米线由C、Ag元素组成，是无机非金属材料，但两种元素不是同主族元素，C项错误；钛合金是金属材料，D项错误。

1．新型材料的新秀——石墨烯、氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课题。其结构模型如图所示。

下列有关说法正确的是(　　)

A．石墨烯是一种新型化合物

B．氧化石墨烯即石墨烯的氧化物

C．二者和石墨都是碳的同素异形体

D．氧化石墨烯具有一定的亲水性

解析：选D。石墨烯是碳的单质，不是化合物，A错误；氧化石墨烯因为还含有氢元素，故不是石墨烯的氧化物，也不是碳的同素异形体，B、C错误；由于氧化石墨烯结构中含有羟基和羧基等亲水基团，所以具有一定的亲水性，D正确。

2．(双选)实验室用H2还原SiHCl3(沸点：31.85 ℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法正确的是(　　)

A．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓硫酸、冰水

B．实验时，应先打开活塞K，再加热管式炉

C．为鉴定制得的硅中是否含有微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、KSCN溶液

D．该实验中制备氢气的装置也可用于饱和食盐水与电石反应制备乙炔

解析：选BC。制备高纯硅的反应为H2＋SiHCl3Si＋3HCl，此反应应在装置Ⅳ中进行。装置Ⅰ的目的是制取氢气，氢气中含有水蒸气，对后续实验产生干扰，必须除去，因此装置Ⅱ的目的是除去氢气中的水蒸气，即装置Ⅱ中盛装浓硫酸；装置Ⅲ的目的是使SiHCl3汽化，与氢气充分混合，因此应在热水浴中加热，A项错误；实验时应先打开活塞K，通入氢气，排尽装置中的空气，防止加热时发生爆炸，B项正确；硅不能与盐酸反应，铁与盐酸反应生成Fe2＋，Fe2＋被H2O2氧化成Fe3＋，滴入KSCN溶液，溶液变红，可以鉴定制得的硅中是否含有铁单质，C项正确；饱和食盐水与电石制备乙炔的反应迅速放出大量热且生成微溶的氢氧化钙，因此不能用启普发生器进行实验，D项错误。