版步步高高三化学一轮复习 第14讲碳硅及无机非金属材料.docx

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版步步高高三化学一轮复习第14讲碳硅及无机非金属材料

第14讲　碳、硅及无机非金属材料

考纲要求

　1.了解C、Si元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及应用。

2.了解C、Si元素单质及其重要化合物对环境质量的影响。

考点一　碳及其重要化合物　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．碳单质

（1）碳单质的存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为同素异形体。

（2）结构

金刚石：

正四面体空间网状结构；石墨：

平面正六边形层状结构。

（3）物理性质：

金刚石熔点高、硬度大；石墨熔点高、质软，有滑腻感。

（4）主要化学性质——还原性

①可燃性

②与氧化物反应

③与强氧化性酸反应

2．一氧化碳

（1）物理性质：

无色气体，有毒，难溶于水。

（2）化学性质——还原性

①燃烧：

2CO＋O22CO2，淡蓝色火焰；

②还原CuO：

CuO＋COCu＋CO2（冶炼金属）。

3．二氧化碳（CO2）

（1）一种无色、无味的气体，能溶于水，固态CO2俗称干冰。

（2）与H2O、Na2O、Ca（OH）2（足量、澄清）、Mg反应的方程式分别为CO2＋H2OH2CO3，Na2O＋CO2===Na2CO3，CO2＋Ca（OH）2===CaCO3↓＋H2O，2Mg＋CO22MgO＋C。

（3）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：

a．溶于江水、海水中：

CO2＋H2OH2CO3；

b．光合作用将CO2转化为O2；

c．岩石的风化：

CaCO3＋H2O＋CO2===Ca（HCO3）2。

4．碳酸（H2CO3）

弱酸性、不稳定性。

碳酸（H2CO3）只能在水中存在。

H2CO3在水中与CO2共存，因此常把CO2＋H2O当碳酸用。

5．碳酸的酸式盐和正盐的比较

（1）在水中的溶解性

①含K＋、Na＋、NH

的正盐易溶于水，其余一般不溶于水；酸式盐均能溶于水。

②一般来说，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

一般来说，热稳定性顺序为正盐>酸式盐>碳酸，如稳定性Na2CO3>NaHCO3>H2CO3。

可溶性正盐>难溶性正盐，如CaCO3高温分解，而K2CO3不易分解。

（3）水溶液酸碱性强弱

物质的量浓度相同时，正盐溶液的pH大于其酸式盐溶液，如pH：

Na2CO3溶液>NaHCO3溶液。

1．碳单质及其氧化物性质用途的判断

（1）12C、13C、14C是碳的三种同素异形体（×）

解析　12C、13C、14C互称同位素，碳元素的三种常见的同素异形体为金刚石、石墨和C60。

（2）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（×）

（3）石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应（×）

（4）向空气中排放二氧化碳会形成酸雨（×）

（5）一氧化碳易与血液中的血红蛋白结合（√）

（6）木炭、一氧化碳在一定条件下都能与氧化铜反应（√）

（7）大气中二氧化碳的消耗途径主要是绿色植物的光合作用（√）

2．二氧化碳与盐溶液反应的判断

（1）向Na2SiO3溶液中通入CO2，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失（×）

解析　H2SiO3不溶于H2CO3。

（2）向Ca（ClO）2溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失（√）

解析　开始生成CaCO3沉淀，CO2过量时，CaCO3又与CO2、H2O反应生成Ca（HCO3）2。

（3）向CaCl2溶液中通入CO2，无明显现象，若先通入NH3再通CO2，溶液会变浑浊（√）

（4）向饱和Na2CO3溶液中通入过量的CO2气体，有晶体析出（√）

解析　NaHCO3的溶解度比Na2CO3的小。

（5）向NaAlO2溶液中通入CO2气体，一开始有白色沉淀生成，CO2过量，沉淀溶解（×）

解析　Al（OH）3不能溶于H2CO3。

（6）向饱和NaCl的氨溶液中通入过量CO2气体，有晶体析出（√）

解析　会析出NaHCO3晶体。

确定混合气体（CO、CO2）中含有CO气体的实验设计方法

按要求回答下列问题

（1）填写下列指定装置的作用

A：

除去混合气体中的CO2气体。

B：

检验混合气体中CO2是否除尽。

E：

除去尾气中的CO2气体。

F：

除去尾气中的CO气体、防止污染环境。

（2）写出C中的化学方程式：

CO＋CuOCu＋CO2。

（3）确定混合气体中含有CO气体的实验现象：

B中无明显现象，C中的物质由黑色变成红色，D中的澄清石灰水变浑浊。

（4）写出除去下列气体中混有的杂质（括号内为杂质）可采取的方法：

①CO（CO2）：

___________________________________________。

②CO2（CO）：

___________________________________________。

答案　①通过盛有浓NaOH溶液的洗气瓶　②通过盛放灼热CuO的硬质玻璃管

题组一　CO2通入碱溶液中反应产物的定量分析

1．（2018·汕头模拟）将足量CO2通入KOH和Ca（OH）2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量（n）和通入CO2体积（V）的关系正确的是（　　）

答案　D

解析　CO2与KOH和Ca（OH）2都会反应，但存在着竞争，如果先与KOH反应，则反应后生成的K2CO3立即会与Ca（OH）2反应生成CaCO3，因此，可以看成CO2先与Ca（OH）2反应，所以通CO2后立即有CaCO3生成。

第二步还要判断CO2是先跟KOH反应还是先与生成的CaCO3反应，同样可以采用假设法判断，即如果先与CaCO3反应，则生成的Ca（HCO3）2又会与KOH反应，因此是先与KOH反应，此过程生成沉淀的物质的量不变，当KOH反应完全，再与CaCO3反应，直至沉淀完全溶解，故选D。

2．标准状况下，将3.36LCO2气体通入200mL1.00mol·L－1NaOH溶液中，充分反应后溶液中c（CO

）与c（HCO

）的比值为（不考虑CO

、HCO

的水解）（　　）

A．1∶1B．1∶2

C．2∶1D．1∶3

答案　B

解析　n（CO2）＝

＝0.150mol，n（NaOH）＝0.200L×1.00mol·L－1＝0.200mol

＝

＝

，即1＜

＜2，反应产物为Na2CO3、NaHCO3，设其物质的量分别为x、y，则

，解得

，所以

＝

。

题组二　CO2的综合利用

3．[2015·北京理综，27

（1）

（2）（3）]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。

（1）溶于海水的CO2主要以4种无机碳形式存在，其中HCO

占95%。

写出CO2溶于水产生HCO

的方程式：

_______________________________________。

（2）在海洋碳循环中，通过下图所示的途径固碳。

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只来自于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：

________＋________

（CH2O）x＋x18O2＋xH2O

（3）海水中溶解无机碳占海水总碳的95%以上，其准确测量是研究海洋碳循环的基础。

测量溶解无机碳，可采用如下方法：

①气提、吸收CO2。

用N2从酸化后的海水中吹出CO2并用碱液吸收（装置示意图如下）。

将虚线框中的装置补充完整并标出所用试剂。

②滴定。

将吸收液吸收的无机碳转化为NaHCO3，再用xmol·L－1HCl溶液滴定，消耗ymLHCl溶液。

海水中溶解无机碳的浓度＝________mol·L－1。

答案　

（1）CO2＋H2OH2CO3、H2CO3H＋＋HCO

（2）①2HCO

＋Ca2＋===CaCO3↓＋CO2↑＋H2O②xCO2　2xH218O

（3）①

②

解析　

（1）CO2溶于水生成H2CO3，H2CO3电离出H＋和HCO

。

（2）①根据钙化作用的反应物是HCO

和Ca2＋，生成物是CaCO3和CO2，故不难写出反应的离子方程式为2HCO

＋Ca2＋===CaCO3↓＋CO2↑＋H2O。

②根据元素守恒及示踪原子的标记知，方程式中的空白处为xCO2和2xH218O。

（3）①该装置为洗气装置，要注意装置中长管进、短管出，且用分液漏斗滴加酸化所用试剂为稀硫酸，因HCl易挥发出来影响后续的滴定而不能用盐酸。

②根据该滴定过程得关系式：

CO2～HCO

～HCl，n（CO2）＝n（HCl）＝xmol·L－1×y×10－3L＝xy×10－3mol，所以c（CO2）＝

＝

mol·L－1。

考点二　硅及其化合物　无机非金属材料

1．硅（Si）

（1）硅的存在：

硅在自然界中以化合态存在，在地壳中的含量仅次于氧。

（2）物理性质：

灰黑色，硬度大，熔、沸点高，具有金属光泽。

（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

②与氢氟酸反应：

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。

③与NaOH溶液反应：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

（4）制法：

SiO2＋2CSi＋2CO↑。

（5）用途：

①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。

2．二氧化硅（SiO2）

（1）二氧化硅存在于沙子、石英、水晶、玛瑙（含杂质的石英）等中。

SiO2是由Si和O按个数比1∶2直接构成。

Si、SiC、Si3N4、BN等也是直接由原子构成的。

（2）二氧化硅的性质及用途

主要物理性质

硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水

化

学

性

质

①与水反应

不反应

②与酸反应

只与氢氟酸反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

③与碱反应（NaOH）

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（盛碱液的试剂瓶用橡胶塞）

④与盐反应

如与Na2CO3反应：

SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑

⑤与碱性氧化物反应

如与CaO反应：

SiO2＋CaOCaSiO3

用途

光导纤维、光学仪器、电子部件

3.硅酸和硅酸钠

（1）硅酸

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。

①硅酸不稳定，受热易分解：

H2SiO3SiO2＋H2O。

②硅酸能与碱溶液反应。

③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。

（2）硅酸钠（Na2SiO3）

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它能与酸性比硅酸强的酸反应，分别写出以下化学方程式：

与盐酸反应：

Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。

与CO2水溶液反应：

Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。

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）中表示为Na2O·SiO2，石棉（CaMg3Si4O12）可表示为CaO·3MgO·4SiO2。

4．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

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

②玻璃生产中的两个重要反应：

Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。

（2）新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。

1．关于Si、SiO2的存在、性质及用途的判断

（1）硅在自然界中只以化合态的形式存在（√）

（2）晶体硅熔点高硬度大，故可用于制作半导体材料（×）

（3）Si和SiO2都可用于制造光导纤维（×）

解析　Si可用于制造半导体，SiO2用于制造光导纤维。

（4）非金属性：

C＞Si，则热稳定性：

CH4＞SiH4（√）

（5）高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅（√）

（6）硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应（×）

（7）SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱（NaOH），不溶于任何酸（×）

解析　SiO2可溶于氢氟酸：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

（8）常温下，SiO2与氢氟酸、NaOH溶液均可反应，SiO2是两性氧化物（×）

解析　SiO2是酸性氧化物。

2．硅酸盐、无机非金属材料性质及应用判断

（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、氮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（×）

（7）反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都发生（×）

（8）硅胶多孔，吸水能力强，常用作袋装食品的干燥剂和抗氧化剂（×）

（9）用SiO2制取硅酸，将SiO2溶解在水中一段时间后可得到硅酸（×）

（10）水玻璃是混合物，可用于生产黏合剂和防火剂（√）

（11）硅胶是硅酸钠的水溶液失去水后形成的凝胶（×）

1．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）用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作________。

Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得，高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是________。

A．普通玻璃坩埚B．石英玻璃坩埚

C．氧化铝坩埚D．铁坩埚

（2）工业上常利用反应2C＋SiO2Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中所含元素化合价升高的物质是________（填化学式，下同），氧化剂是________。

答案　

（1）防火剂　D　

（2）C　SiO2

2．写出除去下列固体粉末中混有杂质（括号内为杂质）可采取的方法，写出有关反应的方程式。

（1）CaCO3（SiO2）_____________________________________________________。

（2）SiO2（CaCO3）___________________________________________________________。

（3）SiO2（NH4Cl）________________________________________________________。

答案　

（1）在固体混合物中加入足量氢氧化钠溶液，充分反应后，过滤、洗涤。

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

（2）在固体混合物中加入足量稀盐酸，充分反应后，过滤、洗涤。

CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O

（3）方法一：

在固体中加入适量水溶解、过滤。

方法二：

将固体混合物在坩埚中充分灼烧，除去NH4Cl。

NH4ClNH3↑＋HCl↑

解析　

（1）可根据SiO2可溶于NaOH溶液除去。

（2）可根据CaCO3可溶于盐酸除去。

（3）可根据NH4Cl的热稳定性，或NH4Cl易溶于水的性质除去。

题组一　硅和二氧化硅的特性

1．（2017·甘肃秦安一中第二次检测）下列叙述正确的是（　　）

A．高温下二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，说明硅酸（H2SiO3）的酸性比碳酸强

B．陶瓷、玻璃、水泥容器都能贮存氢氟酸

C．石灰抹墙、水泥砌墙的硬化过程原理相同

D．玻璃窑中出来的气体的主要成分是二氧化碳

答案　D

解析　B项，物质中都含有SiO2，能与氢氟酸反应；C项，石灰硬化的原理是Ca（OH）2与CO2反应生成CaCO3的过程，而水泥硬化过程中发生复杂的物理变化和化学变化。

2．二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。

a～e是对①～⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行的判断，其中正确的是（　　）

①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

②SiO2＋2CSi＋2CO↑

③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

④Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑

⑤SiO2＋3CSiC＋2CO↑

a．反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃

b．反应②中SiO2表现出氧化性

c．反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性

d．反应④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⑤中SiO2未参加氧化还原反应

A．aceB．bdeC．cdeD．ab

答案　B

解析　通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是③，因此a、c判断错误；反应②是一个置换反应，其中二氧化硅被还原，表现出氧化性，b判断正确；反应④是一个复分解反应，用难挥发的二氧化硅制取易挥发的二氧化碳，d判断正确；反应⑤中碳的化合价由0价变为－4和＋2价，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。

题组二　高纯硅的提取

3．（2017·重庆市巴蜀中学高三月考）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28g硅，均转移4mol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

答案　D

解析　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28g（1mol）硅，均转移4mol电子，C正确；题中的三个反应是在三个不同的反应器中发生的，D错误。

4．硅单质及其化合物应用范围很广。

请回答下列问题：

（1）制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。

三氯甲硅烷（SiHCl3）还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：

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，写出并配平该化学反应方程式：

______________________________________________；

H2还原SiHCl3过程中若混有O2，可能引起的后果是_________________________________

________________________________________________________________________。

（2）化学研究性学习小组在探究硅的制取方法时，从资料查阅到下列信息：

Ⅰ.Mg在高温条件下可与SiO2反应；

Ⅱ.金属硅化物与稀H2SO4反应生成硫酸盐和SiH4；

Ⅲ.SiH4在空气中自燃。

他们根据信息进行实验，当用足量稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物时，发现有爆鸣声和火花；然后过滤、洗涤、干燥；最后称量、计算，测得其产率只有预期值的63%左右。

①第Ⅰ步实验发生反应的化学方程式是___________________________________________

________________________________________________________________________。

②用稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得固体产物时，产生爆鸣声和火花的原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）①SiHCl3＋H2Si＋3HCl

②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl　高温下，H2遇O2发生爆炸

（2）①2Mg＋SiO22MgO＋Si、2Mg＋SiMg2Si

②硅化镁与稀硫酸反应生成的SiH4可自燃，即发生反应Mg2Si＋2H2SO4===2MgSO4＋SiH4↑，SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O

解析　

（1）在SiHCl3中，把硅考虑为＋4价，则氢为－1价，氯为－1价，SiHCl3水解时，－1价氢还原水中＋1价的氢，生成氢气。

在设计制备纯硅的实验题中，常遇到的知识点

（1）高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅：

SiO2＋2CSi（粗）＋2CO↑

（2）粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：

Si（粗）＋3HClSiHCl3＋H2

（3）粗硅与干燥Cl2反应制得SiCl4：

Si（粗）＋2Cl2SiCl4

（4）SiHCl3与过量H2在高温下反应制得纯硅：

SiHCl3＋H2Si（纯）＋3HCl

（5）SiCl4与过量H2在高温下反应制得纯硅：

SiCl4＋2H2Si（纯）＋4HCl

（6）SiO2＋2Mg2MgO＋Si

（7）SiHCl3、SiCl4能与水发生反应：

SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑

SiCl4＋3H2O===H2SiO3↓＋4HCl

（8）SiH4在空气中易自燃：

SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O

1．下列有关硅及其化合物的叙述错误的是（　　）

A．SO2通入Na2SiO3溶液产生胶状沉淀，证明酸性H2SO3>H2SiO3（2017·北京理综，10D）

B．SiO2硬度大，故可用于制造光导纤维（2017·江苏，3C）

C．HF能与SiO2反应，可用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记（2016·全国卷Ⅲ，7D）

D．石英砂可用于生产单晶硅（2016·海南，4C）

答案　B

解析　A项，依据强酸制弱酸原理判断；B项，前后无因果关系。

2．下列说法正确的是（　　）

A．硅胶作袋装食品的干燥剂的过程中没有发生化学变化（2016·四川理综，1B）

B．pH＝2的溶液中可能大量存在Na＋、NH

、SiO

（2016·四川理综，3B）

C．向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸的离子方程式：

Na2SiO3＋2H＋===H2SiO3↓＋2Na＋

（2016·江苏，5D）

D．向Na2SiO3溶液中通入过量SO2的离子方程式：

SiO

＋SO2＋H2O===H2SiO3↓＋SO

（2015·山东理综，12B）

答案　A

解析　B项，酸性条件下，SiO

不能大量存在；C项，N