碳、硅及其化合物无机非金属材料.pdf

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1、基础课 1碳、硅及其化合物无机非金属材料 明确考纲理清主干 1.了解碳、硅及其重要化合物的制备方法。 2掌握碳、硅及其重要化合物的主要性质及 其应用。 3 了解碳、 硅及其重要化合物对环境的影响。 单质氧化物 酸盐 CCO(或 CO2)H2CO3 Na2CO3 NaHCO3 Si SiO2H2SiO3硅酸盐 (对应学生用书P70) 考点 一碳、硅及其氧化物 1碳、硅元素的存在形态 (1)碳元素在自然界中既有游离态又有化合态。碳的同素异形体有金刚石、石墨、无定形 碳、 C60等。 (2)硅元素在地壳中的含量占第二位，仅次于氧元素，是一种亲氧元素，全部以化合态存 在，单质硅有晶体和无定形两种。 2

2、碳、硅单质的结构、物理性质与用途的比较 碳硅 结构 金刚石：空间网状结构 石墨：层状结构 C60：足球烯 晶体硅：与金刚石类似的空间网状结 构 物理 性质 金刚石熔点高、硬度大 石墨熔点高、质软，有滑腻感 晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、 硬度大、熔点高 用途 金刚石用于制造切割刀具，石墨用作 电极、铅笔芯 晶体硅用作半导体材料，制造硅芯片 和硅太阳能电池 3碳、硅单质的化学性质 还原性 碳、硅原子的最外电子层都是4 个电子，位于元素周期表的第A 族，不容易失电子也 不容易得电子，单质化学性质较稳定，但在一定条件下也能与许多物质发生化学反应，一般 表现为还原性(如图 )。 (1)碳的化学性质

3、(2)硅的化学性质及制取 . 与氢氟酸反应：Si4HF=SiF4 2H2； 与 NaOH 溶液反应： Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2； 与 F2反应： 2F2Si=SiF4； 与 O2反应： SiO2= SiO2； 与 Cl2反应： Si2Cl2= SiCl4。 .工业制法： 用焦炭和二氧化硅在电炉中反应得到粗硅，反应的化学方程式为SiO2 2C= 高温 Si 2CO。 从元素周期表的位置看，硅的还原性比碳强，但碳能与SiO2反应制取Si，试从化学平衡 的角度认识该反应发生的原因。 提示： 2CSiO2= 高温 Si2CO，由于 CO 气体的逸出，促使反应正向进行。 4二氧化碳和二

4、氧化硅的比较 物质二氧化硅二氧化碳 结构 空间立体网状结构，不存在单个分 子 存在单个分子 物理 性质 硬度大，熔、沸点高，常温下为固 体，不溶于水 熔、沸点低，常温下为气体， 微溶于水 化 学 性 质 与水反应不反应CO2H2O H2CO3 与酸反应 只与氢氟酸反应：SiO2 4HF=SiF4 2H2O 不反应 与碱反应 SiO22NaOH=Na2SiO3H2O(盛 碱液的试剂瓶用橡胶塞) CO2少量： CO2 2NaOH=Na2CO3H2O、 CO2过量： CO2 NaOH=NaHCO3 与盐反应 如与 Na2CO3反应： SiO2 Na2CO3= 高温 Na2SiO3CO2 如与 Na2

5、SiO3反应： Na2SiO3 H2OCO2(不足 )=H2SiO3 Na2CO3或 Na2SiO32H2O 2CO2(足量 )=H2SiO3 2NaHCO3 与碱性氧 化物反应 如与 CaO 反应： SiO2 CaO= 高温 CaSiO3 如与 Na2O 反应： Na2O CO2=Na2CO3 用途光导纤维、光学仪器、电子部件制饮料、制碳酸盐 利用所提供的试剂和方法除去各混合物中的杂质(括号内为杂质)。将所选答案的编号填 入下表内相应的空格内(如果不需要外加试剂，则对应答案栏可空着)。 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F氧 化铜G饱和碳酸氢钠溶液 可选用的操作：水洗

6、加热高温灼烧过滤结晶洗气 混合物选择的试剂选用的操作 (1) CO(CO2) (2) CO2(CO) (3) CO2(HCl) (4) CaCO3(SiO2) (5) NaCl(SiO2) (6) SiO2(Fe2O3) (7) SiO2(CaCO3) (8) SiO2(NH4Cl) 答案： (1)B(2)F(3)G(4)B(5)D(6)A(7)A (8) 题组一碳及其氧化物的性质和应用 1近年来科学家制造出大量的新物质，对下列三种物质的相关说法错误的是() 石墨烯：从石墨中分离 出来，是最薄、 最坚硬 的物质 石墨炔：平面网状结构的全碳 分子，具有优良的化学稳定性 纳米碳管： 具有优良的场发

7、射 性能，制作成阴极显示管、储 氢材料 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石墨炔孔径略大于H2分子的直径，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 答案： D 2(2018 烟台检测 )用四种溶液进行实验，下表中“操作及现象”与“溶液”对应关系错 误的是 () 选项操作及现象溶液 A 通入 CO2，溶液变浑浊 饱和 Na2CO3溶液 B 通入 CO2，溶液变浑浊，继续通 CO2至过量，浑浊消失Na2SiO3溶液 C 通入 CO2，溶液变浑浊，再加入品红溶液，红色褪去 Ca(ClO)2溶液 D 通入 CO2，溶液变浑浊，继续通CO2

8、至过量，浑浊消失， 再加入足量NaOH 溶液，又变浑浊 澄清石灰水 解 析 ： 选B由 于Na2CO3的 溶 解 度 大 于NaHCO3的 溶 解 度 ， Na2CO3 CO2 H2O=2NaHCO3， 因而会析出 NaHCO3晶体， A 项正确；B 项， CO2Na2SiO3H2O=Na2CO3 H2SiO3，CO2Na2CO3H2O=2NaHCO 3， H2SiO3 与 CO2不反应，浑浊不会消失；C 项，CO2Ca(ClO) 2H2O=CaCO32HClO ，溶液变浑浊后加入品红溶液， 被 HClO 氧化 褪色；D 项， 首先 CO2Ca(OH) 2=CaCO3H2O， 继续通 CO2，

9、 生成可溶于水的 Ca(HCO3)2， 再加入足量的NaOH ， 则：2NaOH Ca(HCO3)2=CaCO3Na2CO32H2O， 溶液又变浑浊。 题组二硅及二氧化硅的性质和应用 3(2017 北京五十六中期中)下列叙述中不正确的是() A单质硅是重要的半导体材料 B二氧化硅是制造光导纤维的材料 C晶体硅可用于制造太阳能电池 D自然界里存在大量的单质硅和二氧化硅 答案： D 4(2018 葫芦岛统考 )二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、 生产、 科研及新型材 料等方面有着重要的用途。ae 是对反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行判断， 其中正确的是() SiO22NaOH=Na2

10、SiO3H2O SiO22C= 高温 Si2CO SiO24HF=SiF4 2H2O Na2CO3SiO2= 高温 Na2SiO3CO2 SiO23C= 高温 SiC2CO a反应中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃 b反应中SiO2表现出氧化性 c反应中SiO2表现了酸性氧化物的通性 d反应符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理 e反应中SiO2未参加氧化还原反应 AaceBbde Ccde D ab 解析： 选 B通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是，因此 a、c 判断错误；反 应是一个臵换反应，其中二氧化硅被还原，表现出氧化性，b 判断正确；反应是一个复 分解反应，用难

11、挥发的二氧化硅制取易挥发的二氧化碳，d 判断正确：反应中碳的化合价 由 0 价变为 4 和 2，硅的化合价和氧的化合价都没有改变，因此二氧化硅没有参加氧化还 原反应， e判断也正确。 熟记硅及其化合物的特殊性质 (1)硅单质的特殊性 Si 的还原性大于C，但 C 却能在高温下还原出Si：SiO22C= 高温 Si 2CO； 非金属单质一般不跟非氧化性酸反应，但 Si 能与 HF 反应： Si4HF=SiF42H2； 非金属单质大多为非导体，但Si 为半导体。 (2)含硅化合物的特殊性 SiO2是 H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3； 酸性氧化物一般不与酸反应，但

12、SiO2能跟 HF 反应： SiO24HF=SiF42H2O； 无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水； 因 H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入少量CO2能发生下列反应： Na2SiO3CO2H2O=H2SiO3 Na2CO3， 但在高温下 SiO2Na2CO3= 高温 Na2SiO3CO2 也能发生。 题组三硅的制备 5(2018 银川模拟 )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： 容器中进行的反应为Si(粗) 3HCl(g)=SiHCl 3(l) H2(g)；容器中进行的反应 为 SiHCl 3H2=Si(纯)3HCl。下列说法正

13、确的是() A该工艺流程的优点是部分反应物可循环使用 B最好用分液的方法分离Si 和 SiHCl3 C反应和中HCl 均作氧化剂 D反应和均属于可逆反应 解析： 选 A从反应流程容易看出，HCl 可循环使用，A 项正确； Si 为固体， SiHCl 3为 液体，用过滤法分离，B 项错误；反应 中 HCl 作氧化剂，反应中 HCl 为氧化产物， C 项 错误；反应 和都不是可逆反应，D 项错误。 6(2018 佛山模拟 )晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下： .高温下用焦炭还原二氧化硅制得粗硅； .粗硅与干燥HCl 气体反应制得SiHCl3： Si 3HCl= 300 SiHC

14、l3H2； .SiHCl 3与过量 H2在 1 000 1 100反应制得纯硅。 已知 SiHCl 3能与 H2O 剧烈反应，在空气中易自燃。 请回答下列问题： (1)第步制备粗硅的化学方程式为_ _ 。 (2)用 SiHCl3与过量 H2反应制备纯硅的装置如下 (热源及夹持装置略去)： 装置 B 中的试剂是 _。装置 C 中的烧瓶需要加热，其目的是 _ _ 。 反应一段时间后，装置D 中观察到的现象是 _ _ ； 装置 D 中发生反应的化学方程式为 _ _ 。 为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度 以及 _。 SiHCl 3的电子式为 _，SiHCl3与

15、 H2O 反应的化学方程式为 _ _ 。 解析：(1)常用 C 和 SiO2反应制备粗硅， 反应的化学方程式为SiO22C= 高温 Si2CO。 (2)SiHCl3与水发生剧烈反应，因此要避免水进入装臵，因此 B 中盛放浓硫酸，吸收 H2中混有的水蒸气；装臵 C 中的烧瓶需要加热是为了使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化进入石英 管反应。 D 中发生反应SiHCl 3H2= 高温 Si3HCl ，有灰黑色固体物质生成。氢气是可 燃性气体， 与氧气混合容易发生爆炸，因此要排尽装臵中的空气。参考 SiCl4的结构，SiHCl 3 的电子式为；已知 SiHCl3与水剧烈反应，在空气中易自燃，说明反应产生可

16、燃性气 体： SiHCl33H2O=H2SiO33HClH2。 答案： (1)SiO22C= 高温 Si2CO (2)浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化进入石英管反应 有灰黑色固体物质生成SiHCl 3H2= 高温 Si3HCl 排尽装置中的空气 SiHCl 3 3H2O=H2SiO3 3HClH2(或 SiHCl34H2O=H4SiO4 3HCl H2) 考点二硅酸 、硅酸盐及无机非金属材料 1硅酸 (1)硅酸不溶于水，其酸性比碳酸弱，硅酸不能(填“能”或“不能”)使紫色石蕊溶液变 红色。 (2)硅酸不稳定，受热易分解：H2SiO3= SiO2H2O。 (3) 硅 酸 能 与 碱 溶 液

17、反 应 ， 如 与NaOH溶 液 反 应 的 化 学 方 程 式 为H2SiO3 2NaOH=Na2SiO32H2O。 (4)硅酸在水中易聚合形成胶体。硅胶吸附水分能力强，常用作干燥剂。 (5) 可用可溶性硅酸盐与盐酸等反应制得硅酸，其反应的化学方程式为Na2SiO3 2HCl=H2SiO3 2NaCl。 2硅酸盐 (1)Na2SiO3是一种白色，可溶于水的粉末状固体，水溶液俗称水玻璃，显碱性；常用于 制作黏合剂、防腐剂和耐火材料。 (2)硅酸钠溶液在空气中易变质，反应的化学方程式为Na2SiO3H2OCO2=Na2CO3 H2SiO3。 (3)硅酸盐组成的表示：通常用二氧化硅和金属氧化物的组

18、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。 写出由 SiO2制取 H2SiO3发生的两步反应的离子方程式。 _ _ 答案： SiO22OH =SiO2 3 H2O SiO 2 3 H2O CO2=CO2 3 H2SiO3 3常见无机非金属材料 (1)传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。 常见硅酸盐材料比较 水泥玻璃陶瓷 生产原料石灰石、黏土纯碱、石灰石和石英黏土 主要设备水泥回转窑玻璃窑陶瓷窑 生产条件高温 玻璃生产中的两个重要反应： Na2CO3SiO2= 高温

19、Na2SiO3CO2； CaCO3SiO2= 高温 CaSiO3CO2。 能否依据反应SiO2Na2CO3= 高温 Na2SiO3CO2来说明 SiO2对应的水化物 (即 H2SiO3) 的酸性比H2CO3强？ 提示： 不能。 H2CO3的酸性比H2SiO3的强， 该反应之所以能发生是因为生成物CO2为气 体，逸出反应体系促进了平衡正向移动。 (2)新型无机非金属材料 高温结构陶瓷：如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学侵蚀性和电绝 缘性等。生物陶瓷：对机体无排异反应，不会引起代谢作用异常。压电陶瓷：具有压电 效应。 (1)玻璃是一种晶体，有较高的熔点() (2)水玻璃是一种特殊的玻

20、璃，泡花碱属于碱() (3)传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料() (4)光导纤维、碳纳米管、氯化硅结构陶瓷等都是新型无机非金属材料() (5)高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点() (6)普通玻璃、石英玻璃、水泥、玛瑙都属于硅酸盐产品() 题组一硅酸、硅酸钠 1下列有关说法中正确的是() A硅酸是二元弱酸，能使紫色石蕊变红色 B硅胶就是硅酸形成的液溶胶 C盛放 Na2SiO3溶液的试剂瓶不能用玻璃塞 D硅酸热稳定性好 答案： C 2(2018 邢台质检 )将足量CO2气体通入水玻璃中，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()

21、ANa2SiO3 BNa2CO3、Na2SiO3 CNa2CO3、SiO2D SiO2 答案： C 题组二无机非金属材料 3下列关于硅材料的说法不正确的是() A钢化玻璃与普通玻璃的主要成分基本相同 B制普通玻璃的原料是石灰石、纯碱和石英砂 C陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料 D硅是制取水泥的原料 答案： D 4下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是() 硅酸盐Na2Fe2Si3O10用氧化物的形式表示为Na2O 2FeO 3SiO2 水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品 高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维 单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料 AB CD 解析： 选 D硅酸盐 Na2Fe2Si3

22、O10中 Fe 的化合价是3 价，所以用氧化物的形式表示 为 Na2O Fe2O3 3SiO2，错误； 水晶的主要成分是二氧化硅，不属于硅酸盐产品，错误； 用于制作光导纤维的材料是二氧化硅，不是硅单质，错误；单质硅是将太阳能转变为电能 的常用材料，正确，所以答案为D。 1不要混淆二氧化硅和硅的用途 用于制作光导纤维的是SiO2， 用于制作半导体材料、计算机芯片及光伏电池的是晶体硅。 2熟悉几种常见饰品的主要成分 水晶、石英、玛瑙的主要成分是SiO2；珍珠的主要成分是CaCO3；钻石是金刚石；宝石 的主要成分是Al 2O3。 3硅酸盐改写成氧化物形式的方法 (1)氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物

23、较活泼金属氧化物二氧化硅 水，不同氧化 物间以 “ ”隔开。 (2)各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的 组成。 (3) 当计量数配臵出现分数时应化为整数。如正长石：KAlSi3O8 不能写成 1 2 K2O 1 2 Al2O3 3SiO2，应写成 K2O Al2O3 6SiO2。 CO2与碱溶液反应产物的判断 (对应学生用书P74) 1CO2与一种碱溶液反应产物的判断：如 CO2通入 NaOH 溶液中 (1)反应顺序： NaOH 少量 CO2 Na2CO3 过量 CO2 NaHCO3 CO2 2NaOH=Na2CO3H2O Na2CO3CO2H2O=2N

24、aHCO3 (2)产物判断 x n NaOH n CO2 溶质成分 x11 NaHCO3 11x21 Na2CO3、NaHCO3 x21 Na2CO3 x21 NaOH、Na2CO3 用数轴可表示为： 2CO2与两种碱混合溶液反应产物的判断 CO2通入 NaOH 和 Ca(OH)2的混合溶液中， 其反应顺序为： Ca(OH)2CO2=CaCO3 H2O 2NaOHCO2=Na2CO3H2O Na2CO3CO2H2O=2NaHCO3 CaCO3CO2H2O=Ca(HCO 3)2 1(2018 洛阳模拟 )标准状况下，将3.36 L CO2气体通入 200 mL 1.00 mol L 1 NaOH 溶 液中，充分反应后溶液中c(CO 2 3)与 c(HCO 3)的比值为 (不考虑 CO 2 3 、HCO 3的水解 )( ) A11B12 C21 D 13 解析 ：选 Bn(CO2) 3.36 L 22.4 Lmol 10.150 mol ， n(NaOH) 0.200 L 1.00 molL 10.200 mol， n NaOH n CO2 0.2 mol 0.15 mol 4 3即 1 n NaOH n CO2 2，反应产物为Na2CO3、NaHCO3，设其物质的量 分别为 x、y，则