2026年人教版高考化学一轮复习课件 第4章 第4讲 无机非金属材料

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1.了解碳、硅及其化合物的组成和成键特点。2.了解碳、硅单质及其重要化合物的性质及应用。3.了解硅的工业制备。4.了解无机非金属材料的组成、分类及应用。
1.碳族元素(1)碳、硅、锗、锡、铅均属于ⅣA族元素,又称碳族元素。(2)原子结构特点:价电子排布式为 。2.碳的单质(1)碳单质的主要存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯,它们互为 。(2)碳纳米管、石墨烯都是石墨的特殊存在形式。
(3)金刚石、石墨、C60。
(4)化学性质——还原性。
3.碳的氧化物(1)CO、CO2的性质对比。
(2)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。
[理解·辨析] 判断正误(1)金刚石和石墨由相同的元素组成,因此它们具有相同的性质。(　 　)(2)水墨画可长久保存不变色是因为在常温下碳的化学性质不活泼。(　 　)(3)碳原子有4个价电子,只能形成+4价化合物。(　 　)(4)低碳环保中的“碳”是指二氧化碳。(　 　)(5)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应。(　 　)
一、新材料——碳元素的同素异形体1.新材料的新秀——石墨烯和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】 石墨烯是碳的单质,A错误;氧化石墨烯中含有C、H、O三种元素,既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,所以它具有一定的亲水性,D正确。
2.科学家制造出了大量的新物质,对下列三种物质的相关说法错误的是(　　)
[A] 石墨烯具有良好的导电性[B] 上述三种物质与金刚石互为同素异形体[C] 石墨炔的孔径略大于H2的直径,因此可作H2的提纯薄膜[D] 上述三种物质与浓硫酸都能发生反应,但反应产物不同
【解析】 石墨烯从石墨中分离出来,作为电导体,具有良好的导电性,A正确;题述三种物质均为碳的单质,与金刚石互为同素异形体,B正确;石墨炔的孔径略大于H2的直径,可以容纳H2,则石墨炔是理想的H2提纯薄膜,C正确;题述三种物质都是碳的单质,在加热条件下与浓硫酸都能发生反应,且反应产物相同,D错误。
二、CO2的循环与利用3.利用NaOH溶液喷淋捕捉空气中的CO2,反应过程如图所示。下列说法错误的是(　　)[A] 捕捉室中NaOH溶液喷成雾状有利于吸收CO2[B] 环节a中物质分离的基本操作是蒸发结晶[C] 反应过程中CaO和NaOH是可循环的物质[D] 可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液捕捉CO2
【解析】 NaOH溶液喷成雾状,可增大反应物接触面积,提高CO2吸收率,A正确;环节a为Na2CO3和Ca(OH)2反应生成CaCO3,需将溶液过滤得到CaCO3,故基本操作不是蒸发结晶,B错误;NaOH和CaO在流程中既有消耗,也有生成,可循环利用,C正确;Na2CO3溶液可以和CO2反应,因此可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液,D正确。
4.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被还原[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】 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,A正确;CO2加氢转化为乙烯,碳元素的化合价降低,CO2得电子,被还原,B正确;CO2中碳元素为+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,C错误;CO2与环氧丙烷反应可合成聚碳酸酯,聚碳酸酯易降解,D正确。
5.研究CO2在海洋中的转移和归宿,是当今海洋科学研究的前沿领域。
(2)在海洋碳循环中,通过如图所示的途径固碳。
①写出钙化作用的离子方程式:  　。 ②同位素示踪法证实光合作用释放出的O2只来自H2O。用18O标记物质的光合作用的化学方程式如下,将其补充完整:
三、碳及其化合物的性质实验6.(2024·广东惠州一模)某混合气体可能由O2、CO、CO2中的一种或几种组成,为确定其组成,在老师的指导下,化学实验小组的同学对该混合气体的组成进行了如下的探究实验:【查阅资料】 脱氧剂(还原铁粉)能够吸收氧气和水蒸气。【实验设计】 用如图所示的装置进行实验(已略去夹持装置)。
【实验步骤】①检查装置气密性;②先通入一定量的氮气之后;③再通入该混合气体,点燃酒精灯。【实验现象】 步骤③实验过程中,装置A中无明显现象,装置B和F均出现白色沉淀,装置E中黑色粉末变成了红色。【实验结论】 (1)该混合气体由　　　　　　组成。 
【解析】 (1)根据资料,脱氧剂(还原铁粉)能够吸收氧气和水蒸气,如果该气体中含有氧气,氧气和还原铁粉会反应生成红棕色的氧化铁,而步骤③实验中装置A无明显现象,说明该气体中不含氧气;因为二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊,所以步骤③中装置B出现白色沉淀,说明该气体中含有二氧化碳;气体经过装置C,二氧化碳被除去,再经过浓硫酸干燥,气体进入装置E,实验过程中装置F内的澄清石灰水中出现白色沉淀,装置E中黑色的氧化铜变成光亮的红色物质,说明反应中生成了二氧化碳和铜,因为一氧化碳和氧化铜在加热条件下能反应生成铜和二氧化碳,所以该气体中还含有一氧化碳。故该气体由CO和CO2组成。
【实验反思】(2)装置B、C的作用分别是　　　　　　　、　　　　　　　。 
【解析】 (2)二氧化碳能使澄清石灰水变浑浊,装置B的作用为检验二氧化碳气体;氢氧化钠溶液能和二氧化碳反应,故装置C的作用是除去CO2气体。
(3)步骤②先通入一定量氮气的目的是 　 　　　　　　　。 
【解析】 (3)因为装置内含有空气,空气中含有氧气和二氧化碳等气体,如果不除去空气,会影响氧气和二氧化碳的检验,所以步骤②通入一定量氮气的目的是排尽装置中原有的空气。
(4)装置E中氧化铜粉末发生反应的化学方程式为　 。 
(5)装置F需要处理的尾气主要成分是　　 　　,具体处理方法可以是　　　　　　　　。 
【解析】 (5)一氧化碳有毒,会污染空气,一氧化碳具有可燃性,可以通过点燃或收集的方式处理。
一、硅及其化合物1.硅单质(1)存在:在自然界硅主要以 和 的形式存在,在地壳中含量仅次于 。(2)性质:常温下不活泼,一般不与其他物质反应,但可以与氟、氢氟酸、碱反应。
(4)硅单质的用途:良好的半导体材料、硅太阳能电池、计算机芯片。2.二氧化硅(1)存在:晶体(石英)和无定形两种。(2)结构特点。①Si和O按 比例形成硅氧四面体。
②硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间 结构。每个硅原子与 个氧原子相连,而每个氧原子与 个硅原子相连。
(3)物理性质:熔点 ,硬度 ,难溶于水。
Na2SiO3+H2O
Na2SiO3+CO2↑
(5)用途: 、光学仪器、电子部件。
3.硅酸和硅酸盐(1)硅酸。
Na2CO3+H2SiO3↓
(2)硅酸盐。①硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称,是构成地壳岩石的主要成分。②硅酸钠:硅酸钠水溶液俗称 ,溶液呈碱性,是无色黏稠液体,常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。③硅酸盐的氧化物形式书写:活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水,不同氧化物间以“·”隔开。如,石棉(CaMg3Si4O12)用氧化物的形式表示为 。
CaO·3MgO·4SiO2
二、无机非金属材料1.常见传统无机非金属材料
2.新型无机非金属材料(1)高温结构陶瓷,如SiC、BN、Si3N4、Al2O3等。(2)碳纳米材料。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。(3)特殊功能的含硅材料。①碳化硅为共价晶体,具有类似金刚石的结构,可用作磨料。②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。
[理解·辨析] 判断正误(1)沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐。(　 　)(2)石英是良好的半导体材料,可以制成光电池,将光能直接转化成电能。(　 　)(3)二氧化硅不与强酸反应,可用石英器皿盛放氢氟酸。(　 　)(4)碳化硅俗称金刚砂,它可用于高温结构陶瓷的制作。(　 　)(5)压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化。(　 　)
(6)石墨烯的电阻率低,热导率也低。(　 　)(7)SiO2与NaOH溶液反应生成盐和水,也可以和氢氟酸反应,所以SiO2是两性氧化物。(　 　)(8)盛放氢氧化钠溶液的磨口瓶应该用橡胶塞。(　 　)(9)因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳,所以硅酸酸性比碳酸强。(　 　)(10)“超轻海绵”使用的石墨烯是新型无机非金属材料。(　 　)
一、硅及其重要化合物转化1.(2024·陕西安康高新中学质检)硅是无机非金属材料的主角,硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。(1)可用于制作计算机芯片和太阳能电池的是　　　　(填化学式,下同),光导纤维的主要成分是　　　　。 
【解析】 (1)可用于制作计算机芯片和太阳能电池的是Si,光导纤维的主要成分是SiO2。
(2)工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃,该反应的化学方程式为　 。 
(3)工业上可利用水玻璃和盐酸反应制备硅酸凝胶,进一步脱水处理可得到硅胶,写出水玻璃和盐酸反应的离子方程式:　　　　　　　　　　　　。 
将二氧化碳气体通入硅酸钠溶液中产生硅酸沉淀
二、高纯硅的制备2.工业制备高纯硅的主要过程如图所示:
下列说法错误的是(　　)[A] 制备粗硅的反应体现了碳元素的非金属性比硅元素的强[B] 石英晶体中不存在分子[C] 原料气HCl和H2应充分去除水和氧气[D] 流程中HCl、H2可以循环使用
【解析】 在高温下焦炭和二氧化硅反应生成硅和一氧化碳,粗硅和氯化氢反应生成SiHCl3,然后在高温下氢气和SiHCl3反应生成纯硅。制备粗硅的反应不是在溶液中进行的置换反应,不能体现C的非金属性比Si的强,A错误;二氧化硅是由硅原子和氧原子构成的共价晶体,不存在分子,因此石英晶体中不存在分子,B正确;高温下水蒸气能和焦炭反应,氢气和氧气容易发生爆炸,所以原料气HCl和H2应充分去除水和氧气,C正确;流程中第二步反应产生氢气,第三步反应产生氯化氢,因此HCl、H2可以循环使用,D正确。
3.晶体硅是一种重要的非金属原料,科学家最新研制的利用氯化氢和氢气生产高纯硅的主要步骤如下。
回答下列问题。(1)粗硅与HCl气体反应完全后,经冷凝得到 SiHCl3(沸点为36.5 ℃),只含有少量SiCl4(沸点为57.6 ℃)和HCl(沸点为-84.7 ℃),提纯 SiHCl3 的方法为　　　　　　　　　。 
(2)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置已略去)。
①在加热D装置前应先打开A装置中分液漏斗的活塞,目的是　 。 ②C装置中烧瓶需要加热,采用的方法是　　　　　　　　　　　　　。 
排出装置内的空气,以防爆炸
三、传统无机非金属材料的分类和应用4.下列关于硅酸盐材料的叙述正确的是(　　)[A] 陶瓷和水泥都会用黏土和石灰石为主要原料[B] 生产玻璃和水泥均会发生复杂的物理和化学变化[C] 普通玻璃的主要成分为Na2SiO3和CaSiO3[D] 生产玻璃的主要原料是纯碱、生石灰和石英砂
【解析】 陶瓷的烧制不需要石灰石,故A错误;生产玻璃和水泥均会发生复杂的物理和化学变化,故B正确;工业上用石灰石、纯碱、石英砂在玻璃熔炉中熔融制得玻璃,普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3 和SiO2,故C、D错误。
5.世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋、混凝土、7 000多块铝板和1 200多块玻璃等建成。(1)铝板易被烧碱腐蚀,玻璃易被氢氟酸腐蚀,原因分别为　 、 　 (用化学 方程式表示)。
(2)生产硅酸盐水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是　　　　　。制备普通玻璃的主要反应的化学方程式为　   (任写一个)。
(3)石英玻璃化学稳定性强、膨胀系数小,是一种特殊玻璃,石英玻璃的主要成分是　　　　(填化学式)。 (4)要将NaOH高温熔化,下列坩埚中可选用的是　　　　(填字母)。 A.普通玻璃坩埚B.石英玻璃坩埚C.氧化铝坩埚D.铁坩埚
【解析】 (4)普通玻璃坩埚和石英玻璃坩埚中的二氧化硅能够与熔融的氢氧化钠反应,故A、B不符合题意;氧化铝坩埚中的氧化铝能够与熔融的氢氧化钠反应,故C不符合题意;铁与熔融的氢氧化钠不反应,故D符合题意。
四、新型无机非金属材料的性质和应用6.某研究团队将C60置于高温高压的条件下制得一种全新的玻璃态材料,该新材料的硬度超过了金刚石,还具有半导体特性。下列有关叙述正确的是(　　)[A] 该新材料是一种硅酸盐材料[B] 该新材料与金刚石互为同分异构体[C] 碳材料均能导电,但硬度差异很大[D] 该新材料和金刚石中均含有非极性键
【解析】 将C60置于高温高压的条件下制得一种全新的玻璃态材料,该新材料的组成元素为碳,不是硅酸盐材料,故A错误;该新材料和金刚石结构不同,组成不同,不互为同分异构体,故B错误;碳材料不一定能导电,如金刚石不导电,故C错误;该新材料和金刚石中均含有C—C非极性键,故D正确。
7.氮化硅可用作高温结构陶瓷复合材料,在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。由石英砂合成氮化硅粉末的路线如图所示。
其中—NH2中各元素的化合价与NH3相同。
请回答下列问题。(1)石英砂不能与碱性物质共同存放,以NaOH为例,用化学方程式表示其原因:  　　　 　　　　　。 
(2)图示①～⑤的变化中,属于氧化还原反应的是　　　　(填序号)。 
【解析】 (2)反应①是石英砂与焦炭发生氧化还原反应,反应②是硅单质与Cl2发生氧化还原反应。
(3)在反应⑤中,3 ml Si(NH2)4在高温下加热可得1 ml氮化硅粉末和8 ml A气体,则氮化硅的化学式为　　　　。 
(4)在高温下,SiCl4在B和C两种气体的气氛中也能反应生成氮化硅,B和C两种气体在一定条件下化合生成A。写出SiCl4与B和C两种气体反应的化学方程式: 　 。 
【解析】 (4)结合题给信息推知,SiCl4与N2、H2反应可得到Si3N4和HCl。
1.判断正误。(1)(2024·广东卷)制作日晷圆盘的石材,属于无机非金属材料。(　　)
【解析】 (1)制作日晷圆盘的石材主要为大理石,属于无机非金属材料,正确。
(2)(2024·广东卷)基于石英晶体振荡特性计时的石英表,其中石英的成分为SiC。(　　)
【解析】 (2)基于石英晶体振荡特性计时的石英表,其中石英的成分为SiO2,错误。
(3)(2024·河北卷)透雕白玉璧主要成分是硅酸盐。(　　)
【解析】 (3)透雕白玉璧是玉石,玉石的主要成分是硅酸盐,正确。
(4)(2024·河北卷)青花釉里红瓷盖罐主要成分是硫酸钙。(　　)
【解析】 (4)青花釉里红瓷盖罐是陶瓷,陶瓷的主要成分是硅酸盐,错误。
(5)(2023·河北卷)氢氧化钠溶液保存在带磨口玻璃塞的细口瓶中。(　　)
【解析】 (5)氢氧化钠能与玻璃中的二氧化硅反应生成硅酸钠,Na2SiO3水溶液有黏性,会使玻璃塞无法拔出,故少量氢氧化钠溶液保存在带橡胶塞的细口试剂瓶中,错误。
(6)(2023·天津卷)SiO2可用于制造光导纤维。(　　)
【解析】 (6) SiO2具有良好的光学特性,可用于制造光导纤维,正确。
(7)(2022·河北卷)CaF2与浓硫酸糊状混合物可用于刻蚀玻璃。(　　)
【解析】 (7)氢氟酸能与二氧化硅反应生成氟化硅和水,氟化钙与浓硫酸反应生成硫酸钙和氟化氢,则糊状混合物中的氢氟酸能与玻璃中的二氧化硅反应,可用于刻蚀玻璃,正确。
(8)(2022·辽宁卷)冰壶主材料花岗岩属于无机非金属材料。(　　)
【解析】 (8)花岗岩的主要成分是石英、云母、长石等矿物,属于无机非金属材料,正确。
(9)(2022·河北卷)制造5G芯片的氮化铝晶圆属于无机非金属材料。(　　)
【解析】 (9)氮化铝是一种高温结构陶瓷,属于新型的无机非金属材料,正确。
2.(2024·黑吉辽卷,1)文物见证历史,化学创造文明。东北三省出土的下列文物据其主要成分不能与其他三项归为一类的是(　　)[A] 金代六曲葵花鎏金银盏[B] 北燕鸭形玻璃注[C] 汉代白玉耳杯[D] 新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐
【解析】 金代六曲葵花鎏金银盏是合金制品,属于金属材料;北燕鸭形玻璃注是玻璃制品,属于硅酸盐材料;汉代白玉耳杯是玉,属于含有微量元素的钙镁硅酸盐材料;新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐是陶器,属于硅酸盐材料。综上A选项材质与其他三项材质不同,不能归为一类。
3.(2023·广东卷,1)“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(　　)
【解析】 九霄环佩木古琴主要由木材制得,A不符合题意;裴李岗文化骨笛由动物骨骼制成,B不符合题意;商朝后期陶埙属于陶瓷,由硅酸盐材料制成,C符合题意;曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成,D不符合题意。
4.(2023·湖北卷,3)工业制备高纯硅的主要过程如下:
5.(2022·河北卷,1)定窑是宋代五大名窑之一,其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是(　　)[A] 传统陶瓷是典型的绝缘材料[B] 陶瓷主要成分为SiO2和MgO[C] 陶瓷烧制的过程为物理变化[D] 白瓷的白色是因铁含量较高
【解析】 传统陶瓷是典型的绝缘材料,A正确;陶瓷的主要成分为硅酸盐,而不是SiO2和MgO,B错误;陶瓷烧制过程,有新物质生成,属于化学变化,C错误;由于Fe2+、Fe3+和铁的氧化物均有颜色,故陶瓷中铁含量越多,陶瓷的颜色越深,白瓷的白色是因为铁含量较低,D错误。
课时作业18　无机非金属材料
(时间:30分钟　满分:70分)
一、选择题(共9小题,每小题6分,共54分)1.(2025·四川高考适应性考试)化学是新材料发展的基础,下列生产或应用中所用到的主要物质不属于无机非金属材料的是(　　)[A] 芯片制造所用的硅晶片[B] 潜艇降噪所用的橡胶消声瓦[C] 耐高温陶瓷生产所用的碳化硅[D] 通信信号传输所用的光导纤维
【解析】 芯片制造所用的硅晶片是单质硅,属于无机非金属材料,A不符合题意;橡胶是一种高分子有机化合物,B符合题意;碳化硅属于无机非金属材料,C不符合题意;光导纤维主要成分是二氧化硅,属于无机非金属材料,D不符合题意。
2.(2024·重庆江津区期末)下列有关硅及其化合物的说法不正确的是(　　)
【解析】 该反应中SiO2中的Si化合价降低被还原,A正确;Si与NaOH溶液反应生成硅酸钠和氢气,SiO2与NaOH溶液反应生成硅酸钠和水,B正确;二氧化硅无法直接与水反应生成硅酸,因此先让二氧化硅与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠溶液,然后再向硅酸钠溶液通入二氧化碳反应生成硅酸,C正确;酸性强弱的比较需要在没有外界条件干扰的情况下才能比较,该反应的反应条件为高温,干扰了化学反应,且由硅酸钠溶液中通入二氧化碳生成硅酸可知,碳酸酸性强于硅酸,D错误。
3.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】 “雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关,氧化铁显红棕色,A错误;秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成,B正确;陶瓷以黏土为原料,经高温烧制而成,属于人造材料,主要成分是硅酸盐,C正确;陶瓷主要成分是硅酸盐,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正确。
4.(2024·福建南平期中)由粗SiO2制备纯SiO2的流程如图所示,下列说法不正确的是(　　)
5.(2024·山西太原检测)二氧化碳的过量排放可对海洋生物的生存环境造成很大影响,其原理如图所示。下列叙述错误的是(　　)
6.在20世纪90年代末,科学家发现碳有新的单质形态C60存在。后来人们又相继得到了C70、C76、C84、C90、C94等一些球碳分子。21世纪初,科学家又发现了管状碳分子和洋葱状碳分子,大大丰富了碳元素单质的家族。下列有关碳元素单质的说法错误的是(　　)[A] 金刚石和石墨的熔点肯定比C60高[B] 熔点:C60