届《三维设计》高考化学人教版Word书稿 第2章 第1节 碳硅及无机非金属材料 讲义 Word版含答案.docx

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第二章　非金属及其化合物

第一节

碳、硅及无机非金属材料

1.了解碳、硅单质及其重要化合物的主要性质及应用。

2.了解碳、硅单质及其重要化合物对环境质量的影响。

………………………………[循着图示·想一想]…………………………

………………………………[特色特性·记一记]…………………………

1．特殊的存在形式：

C——金刚石、石墨、C60

2．特殊的用途：

Si——半导体材料、太阳能电池板

SiO2——光导纤维

H2SiO3——硅胶可作干燥剂

Na2SiO3（水玻璃）——黏合剂、耐火阻燃材料

3．特殊的表示方法：

硅酸盐可以用氧化物的形式表示

如Na2SiO3→Na2O·SiO2

4．特殊的性质：

（1）Si与NaOH溶液的反应：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑

（2）SiO2能溶于氢氟酸：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

（3）H2CO3的酸性强于H2SiO3：

Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓

（4）粗硅的制备：

SiO2＋2C

Si＋2CO↑

考点一

应用广泛的非金属单质——碳、硅

[教材知识层面]

1．碳、硅元素的原子结构与存在

碳

硅

原子结构示意图

在元素周期表中的位置

第二周期ⅣA族

第三周期ⅣA族

单质的结构

金刚石：

空间网状结构

石墨：

层状结构

晶体硅：

与金刚石类似的空间网状结构

元素在自然界中的存在形式

既有游离态又有化合态

只有化合态

2．碳、硅单质的性质

（1）碳、硅的物理性质和用途（用短线连接起来）：

（提示：

①—c，②—a，③—e，④—b，⑤—d）

（2）碳、硅的化学性质：

①碳单质的化学性质——还原性。

a．与O2的反应（用化学方程式表示）：

O2不足：

2C＋O2点燃,2CO；O2充足：

C＋O2点燃,CO2。

b．与其他物质的反应（用化学方程式表示）：

与CuO反应：

2CuO＋C高温,2Cu＋CO2↑（可用于金属的冶炼）；

与CO2反应：

CO2＋C高温,2CO；

与水蒸气反应：

C＋H2O（g）高温,CO＋H2（制水煤气）；

与浓硫酸反应：

C＋2H2SO4（浓）△,CO2↑＋2SO2↑＋2H2O。

②硅的化学性质——还原性。

a．与氢氟酸反应的化学方程式：

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；

b．与NaOH溶液反应的化学方程式：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑；

c．与O2反应：

Si＋O2△,SiO2。

[高考考查层面]

命题点1　硅单质的特性

非金属的一般规律

硅的特性

硅还原性强于碳

2C＋SiO2

Si＋2CO↑

非金属与强碱溶液反应一般不产生H2

硅可与强碱溶液反应产生H2：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑

非金属一般不与非氧化性酸反应

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑

一般非金属单质为绝缘体

硅为半导体，常用于电子部件

[典题示例]

判断下列描述的正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）（2013·广东高考）高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅。

（　　）

（2）单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料。

（　　）

（3）（2011·山东高考）单质硅常用作半导体材料和光导纤维。

（　　）

（4）（2011·山东高考）硅在自然界中只以化合态的形式存在。

（　　）

（5）硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应。

（　　）

答案：

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）√　（5）×

命题点2　硅的工业制法

1．制取粗硅

工业上，用焦炭在电炉中还原二氧化硅得到含有少量杂质的粗硅。

SiO2＋2C

Si＋2CO↑。

2．粗硅提纯

（1）Si＋2Cl2

SiCl4，

SiCl4＋2H2

Si＋4HCl。

（2）Si＋3HCl

SiHCl3＋H2，

SiHCl3＋H2

Si＋3HCl。

3.注意问题

（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中也含CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。

[典题示例]

1．半导体工业中，有一句行话：

“从沙滩到用户”，即由SiO2制取Si。

制取过程中不涉及的化学反应是（　　）

A．2C＋SiO2

Si＋2CO↑

B．SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

C．Si＋2Cl2

SiCl4

D．SiCl4＋2H2

Si＋4HCl

解析：

选B　工业制取纯硅的工艺流程为：

SiO2

粗硅

SiCl4

纯硅，该工艺流程中不涉及SiO2与NaOH溶液的反应。

2．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制备高纯硅的化学方程式为____________________________

________________________________________________________________________。

（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，写出该反应的化学方程式为______________________________________；

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

________________________________________________________________________。

解析：

（1）H2还原SiHCl3得到Si和HCl。

（2）SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，依据原子守恒，判断另一物质是H2。

因H2还原SiHCl3的反应条件是高温（1357K），若混入O2，则H2与O2混合加热可能发生爆炸，同时，O2也可能氧化SiHCl3。

答案：

（1）SiHCl3＋H2

Si＋3HCl　

（2）SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl↑＋H2↑　氧气与氢气混合，可能引起爆炸；氧气可能会氧化SiHCl3

[考点达标层面]

1．硅作为一种新型能源被广泛开发利用，关于其有利因素的下列说法中，你认为不正确的是（　　）

A．硅燃烧产物对环境产生的污染，容易得到有效控制

B．从Si（s）＋O2（g）

SiO2（s）　ΔH＝－858.6kJ·mol－1可知，硅燃烧放出的热量多

C．自然界中硅的储量丰富，可以从自然界直接获得单质硅

D．硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料之一

解析：

选C　自然界中的硅是以化合态的形式存在，故不能从自然界中直接获得单质硅。

2．在①浓硝酸　②水　③浓硫酸　④氢氟酸　⑤氢氧化钠溶液中，能与单质硅起化学反应的是（　　）

A．①②　　　　　　　　　B．②④

C．④⑤D．③④

解析：

选C　Si与水、浓H2SO4、浓HNO3均不发生反应，但Si能与氢氟酸、NaOH溶液反应放出H2。

考点二

性质迥异的氧化物——二氧化硅和二氧化碳

[教材知识层面]

二氧化硅与二氧化碳的比较

（1）物理性质：

①熔、沸点：

SiO2的熔、沸点比CO2的熔、沸点高。

②溶解性：

CO2可溶于水，SiO2不溶于水。

（2）化学性质：

物质

二氧化硅

二氧化碳

化学性质

与水反应

不反应

CO2＋H2OH2CO3

与酸反应

只与氢氟酸反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

不反应

与碱（NaOH）溶液反应

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（盛碱液的试剂瓶用橡胶塞）

CO2少量：

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O

CO2足量：

CO2＋NaOH===NaHCO3

与盐反应

如与Na2CO3反应：

SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑

如与Ca（ClO）2反应：

Ca（ClO2）＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO

与碱性氧化物反应

如与CaO反应：

SiO2＋CaO

CaSiO3

如与Na2O反应：

CO2＋Na2O===Na2CO3

（3）主要用途：

CO2：

制饮料、碳酸盐，干冰用作制冷剂。

SiO2：

作光导纤维，制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。

[高考考查层面]

命题点　含硅化合物的特性

物质

一般规律

含硅化合物的特性

SiO2

酸性氧化物一般与水反应生成相应酸

SiO2不溶于水，不与水反应

酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一般规律，H2CO3酸性强于H2SiO3

Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓

以下反应不能说明酸性的强弱

Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑

CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑

H2SiO3

无机酸一般易溶于水

硅酸难溶于水

硅酸盐

大多数硅酸盐难溶于水

常见的可溶性硅酸盐为Na2SiO3，水溶液俗称水玻璃

[典题示例]

1．指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在A～E选项中选择正确答案填入括号内。

①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（　　）

②SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑（　　）

③SiO2＋2C

Si＋2CO↑（　　）

④SiO2＋3C

SiC＋2CO↑（　　）

⑤SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O（　　）

A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀

B．氧化性

C．酸性氧化物的通性

D．将挥发性的酸酐从其盐中置换出来

E．未参加氧化还原反应

答案：

①C　②D　③B　④E　⑤A

2．下列说法正确的是（　　）

A．在粗硅的制取中发生2C＋SiO2

2CO↑＋Si，硅被还原，所以碳的还原性强于硅的还原性

B．盛放NaOH溶液时，使用带玻璃塞的磨口瓶

C．用SiO2制取硅酸，应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应，然后再通入CO2

D．由Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑可知，硅酸的酸性强于碳酸

解析：

选C　选项A、D的反应在高温下均生成了气体，使平衡正移，致使反应能顺利进行，但不能说明C、Si的还原性强弱，也不能说明H2SiO3与H2CO3酸性的强弱，故错误；NaOH能与玻璃成分中的SiO2反应生成Na2SiO3而使瓶塞粘在一起。

由SiO2制取H2SiO3的过程为：

SiO2

Na2SiO3

H2SiO3。

[考点达标层面]

1．（2015·西安质检）下列关于SiO2和CO2的叙述中不正确的是（　　）

A．都是共价化合物

B．SiO2可用于制光导纤维，干冰可用于人工降雨

C．都能溶于水且与水反应生成相应的酸

D．都是酸性氧化物，都能与强碱溶液反应

解析：

选C　SiO2和CO2中都只含有共价键，均为共价化合物，A项正确；干冰升华吸热，可用于人工降雨，B项正确；SiO2不溶于水且与水不反应，C项错误；SiO2与强碱溶液反应生成硅酸盐，CO2与强碱溶液反应生成碳酸盐或碳酸氢盐，D项正确。

2．如何用所提供的试剂和方法除去各粉末状混合物中的杂质（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，则对应答案栏可不填写）。

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

可选用的操作：

①水洗；②加热；③高温灼烧；④过滤；⑤结晶。

粉末状混合物

选择的试剂

选用的操作

（1）

CaCO3（SiO2）

（2）

SiO2（NaHCO3）

（3）

SiO2（Fe2O3）

（4）

SiO2（H2SiO3）

解析：

（1）利用SiO2与NaOH溶液反应生成可溶性的Na2SiO3，而CaCO3与NaOH溶液不反应。

（2）利用NaHCO3溶于水而SiO2不溶，加水后过滤可除去SiO2中的NaHCO3。

（3）Fe2O3能溶于盐酸而SiO2不溶，用盐酸溶解后过滤可得SiO2。

（4）H2SiO3加强热能分解为SiO2。

答案：

（1）

B

④

（2）

D

④

（3）

A

④

（4）

③

考点三

硅酸、硅酸盐、无机非金属材料

[教材知识层面]

1．硅酸

（1）弱酸性：

H2SiO3难溶于水，其酸性比碳酸弱，不能使指示剂变色，能与强碱（如NaOH）反应，反应的化学方程式为

H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。

（2）不稳定性：

H2SiO3不稳定，受热易分解，反应的化学方程式为H2SiO3△,SiO2＋H2O。

（3）硅酸的制备及硅胶：

①制备原理：

可溶性硅酸盐（如Na2SiO3）与其他酸（如盐酸）反应的化学方程式为Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl。

②硅胶：

硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶，经干燥脱水后即得硅胶，常用作干燥剂和催化剂的载体。

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，是构成地壳岩石的重要成分。

（2）硅酸盐组成的表示方法：

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，长石（KAlSi3O8）可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。

（3）硅酸钠：

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．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。

常见硅酸盐材料如下表。

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

玻璃熔窑

陶瓷窑

（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。

[高考考查层面]

1．（2013·上海高考）SiO2是硅酸盐玻璃（Na2CaSi6O14）的主要成分，Na2CaSi6O14也可写成Na2O·CaO·6SiO2。

盛放NaOH溶液的试剂瓶若用玻璃塞容易形成瓶体与瓶塞粘连，而无法打开，发生反应的化学方程式为________________________。

长石是铝硅酸盐，不同类长石其氧原子的物质的量分数相同。

由钠长石化学式NaAlSi3O8可推知钙长石的化学式为________________________。

解析：

玻璃的成分中含有SiO2，能与NaOH溶液反应生成粘性很强的Na2SiO3而发生粘连，反应方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。

由于钙长石和钠长石中氧原子的物质的量分数相同，钠长石中钠与铝的原子个数比为1∶1，扩2倍后可知钙长石中钙和铝的原子个数比为1∶2。

钠长石中氧原子的物质的量分数为

，则钙长石用氧化物的形式表示为CaO·Al2O3·nSiO2，因此：

1＋3＋2n＝8，n＝2，钙长石的化学式为CaO·Al2O3·2SiO2，即为CaAl2Si2O8。

答案：

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　CaAl2Si2O8

2．（2015·洛阳模拟）胃舒平主要成分是氢氧化铝，同时含有三硅酸镁（Mg2Si3O8·nH2O）等化合物。

（1）三硅酸镁的氧化物形式为________。

（2）Al2O3、MgO和SiO2都可以制耐火材料，其原因是________。

a．Al2O3、MgO和SiO2都是白色固体

b．Al2O3、MgO和SiO2都是金属氧化物

c．Al2O3、MgO和SiO2都有很高的熔点

解析：

（1）Mg2Si3O8·nH2O改写成氧化物的形式为2MgO·3SiO2·nH2O。

（2）Al2O3、MgO和SiO2均具有很高的熔点，故可作为耐火材料。

答案：

（1）2MgO·3SiO2·nH2O

（2）c

[方法技巧]

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―→较活泼金属氧化物―→二氧化硅―→水。

（2）氧化物前计量数的配置原则：

除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置计量数，且不同氧化物间以“·”隔开。

（3）当计量数配置出现分数时应化为整数。

如正长石：

KAlSi3O8不能写成

K2O·

Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。

[考点达标层面]

1．判断下列描述的正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）（2014·海南高考）玻璃容器可长期盛放各种酸。

（　　）

（2）（2014·重庆高考）氢氟酸刻蚀玻璃的过程不涉及化学变化。

（　　）

（3）（2012·全国卷）合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料。

（　　）

（4）水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂。

（　　）

（5）氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料。

（　　）

（6）水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）√　（6）×

2．下列有关硅及其化合物的说法中正确的是（　　）

A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中

B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都能发生

C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料

D．祖母绿的主要成分为Be3Al2Si6O18，用氧化物形式表示为3BeO·Al2O3·6SiO2

解析：

选D　硅酸钠溶液呈碱性，故Na2SiO3不能保存在磨口玻璃试剂瓶中，A错误；B项中反应②是在高温下进行的反应，其原因是CO2为气体，可使平衡正移，促使反应能够进行，B错误；石英玻璃不属于硅酸盐材料，C错误。

以“高纯硅的制备”为载体串联硅元素单质及其化合物知识

高考载体[2014·天津高考T7（4）]

　　晶体硅（熔点1410℃）是良好的半导体材料。

由粗硅制纯硅的过程如下：

Si（粗）

SiCl4

SiCl4（纯）

Si（纯）

[知识串联设计]

（1）工业上用焦炭与石英砂在高温下反应制取粗硅，其反应的化学方程式为________________________________________________________________________。

上述反应中的氧化剂是________，还原剂是________。

（2）用焦炭和石英砂制取粗硅为什么要隔绝空气进行？

________________________________________________________________________。

（3）粗硅与Cl2加热到460℃时发生反应，写出该反应的化学方程式________________________________________________________________________。

（4）在1100℃时，SiCl4被H2还原的化学方程式为_________________________________

________________________________________________________________________。

（5）如何通过实验除去SiO2中混有少量的CaCO3杂质？

____________________。

（6）石英既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，它是两性氧化物吗？

试分别写出它与NaOH溶液、氢氟酸发生反应的化学方程式。

___________________________________。

（7）中学化学中能与NaOH溶液反应生成H2的单质有哪些？

试分别写出反应的化学方程式________________________________________________________________________

________________________________。

（8）陶瓷、水泥、玻璃是常用的硅酸盐材料，其中，生产普通玻璃的主要原料是什么？

________________________________________________________________________。

答案：

（1）SiO2＋2C

Si＋2CO↑　SiO2　C

（2）焦炭能与空气中的氧气发生反应

（3）Si＋2Cl2

SiCl4

（4）2H2＋SiCl4

Si＋4HCl

（5）加入盐酸后过滤

（6）不是　SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

（7）Al和Si　2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑

（8）石英砂、纯碱和石灰石