高三化学一轮复习精品学案7碳硅及无机非金属材料.docx
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高三化学一轮复习精品学案7碳硅及无机非金属材料
第四章非金属及其化合物
第14讲碳、硅及无机非金属材料
『考纲要求』
1.掌握C、Si元素单质及其重要化合物的主要性质及应用。
2.了解C、Si元素单质及其重要化合物对环境质量的影响。
3.以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用。
考点一 碳、硅的性质及其应用
『知识整合』
1．单质的存在形态、物理性质和用途
碳
硅
存在形态
游离态和化合态
化合态
物理性质
金刚石：
熔点很高，硬度很大
石墨：
硬度较小，电的良导体
灰黑色固体，有金属光泽、熔点高、硬度大，有脆性
用途
金刚石用作切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯
半导体材料、太阳能电池和合金材料
2.C、Si的化学性质（写化学方程式）
（1）C的化学性质——还原性
（2）Si的化学性质——还原性
Si
『感悟测评』
判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）
（1）碳的几种单质物理性质不同的主要原因是其结构不同。
（ ）
（2）金刚石、石墨、C60三者之间互为同位素关系。
（ ）
（3）无定形硅常用于制作半导体材料。
（ ）
（4）常温下硅既不能与强酸反应也不能与强碱反应。
（ ）
（5）加热到一定温度，硅能与氧气、氯气等非金属反应。
（ ）
（6）晶体硅可用作光导纤维材料。
（ ）
『考点精讲』
碳、硅单质的特殊性
1．一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。
2．一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。
3．Si的还原性大于C，但C在高温下能还原出Si：
SiO2＋2C
Si＋2CO↑。
4．非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
5．非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟HF作用：
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
6．一般情况下，金属（Na、K）能置换出水中的氢，但C在高温下也能置换出H2O中的氢：
C＋H2O（g）
H2＋CO。
『考向突破』
考向一 碳、硅的性质和用途
1．下列说法正确的是（ ）
A．常温下硅与O2不反应，故硅在自然界中有游离态
B．碳、硅的单质均不导电
C．碳、硅与O2反应均生成酸性氧化物
D．工业上利用碳与H2O（g）反应制水煤气
2．下列关于碳和硅的叙述中，正确的是（ ）
A．其氧化物都能与NaOH溶液反应
B．其单质在加热时都能跟O2反应
C．其氧化物都能溶于水生成相应的酸
D．碳和硅两种元素共有两种单质
考向二 硅的工业制法
3．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＋2H2Si＋4HCl
4．用无机矿物资源生产部分材料，其产品流程示意图如下：
下列有关说法中不正确的是（ ）
A．制取粗硅时可能发生生成SiC的反应
B．生产铝、铜、高纯硅及玻璃的过程中都涉及氧化还原反应
C．黄铜矿冶炼铜时，SO2可用于生产硫酸，FeO可用作冶炼铁的原料
D．粗硅制高纯硅时，提纯四氯化硅可用多次分馏的方法
考点二 CO2、SiO2的性质与应用
『知识整合』
CO2和SiO2的比较
二氧化碳
二氧化硅
结构
存在单个CO2分子
空间立体网状结构，单个分子
主要物理性质
熔、沸点低，常温下为气体，
溶于水
硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，溶于水
化
学性质
水
CO2＋H2O
H2CO3
不反应
酸
不反应
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O（特例）
碱
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O或CO2＋NaOH===NaHCO3
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（盛碱液的试剂瓶用塞）
化
学性质
盐
Ca（ClO）2＋CO2＋2O===CaCO3↓＋2HClO，CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3
SiO2＋Na2CO3
Na2SiO3＋CO2↑（制玻璃）
碱性
氧化物
CO2＋Na2O
Na2CO3
SiO2＋CaO
CaSiO3
用途
化工原料、灭火剂，干冰用于人工降雨
光学镜片、石英坩埚、光导纤维
『多维思考』
1．SiO2既能与NaOH反应又能与HF反应，SiO2是两性氧化物吗？
为什么？
2．指出3C＋SiO2
SiC＋2CO↑中的氧化剂和还原剂。
『考点精讲』
二氧化硅性质的特殊性
多数酸性氧化物的共性
二氧化硅的特性
非金属氧化物的熔沸点一般较低
SiO2的熔点却很高
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↑
『考向突破』
考向一 SiO2的性质及用途
1．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
2．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。
（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（ ）
（2）SiO2＋Na2CO3
Na2SiO3＋CO2↑（ ）
（3）SiO2＋2C
Si＋2CO↑（ ）
（4）SiO2＋3C
SiC＋2CO↓（ ）
（5）SiO2＋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
『速记卡片』 SiO2的特殊性
1．SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3。
2．酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
考向二 CO2与盐或碱溶液反应的规律
3．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至过量，浑浊消失，再加入足量NaOH溶液，又变浑浊
澄清石灰水
4．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∶1 B．1∶2
C．2∶1D．1∶3
『速记卡片』 CO2与NaOH溶液反应产物的判断
（1）将CO2通入一定量的NaOH溶液中至过量的反应原理：
①转化示意图：
NaOH
Na2CO3
NaHCO3
②有关化学方程式：
Ⅰ.2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O
Ⅱ.Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3
（2）反应后溶质成分的判断：
考点三 硅酸及无机非金属材料
『知识整合』
1．硅酸
（1）溶解性：
不溶于水。
（2）化学性质
（3）制备——可用硅酸钠与盐酸反应制得：
Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl。
（4）用途：
硅酸用于制硅胶，硅胶可用作的载体和干燥剂。
2．硅酸盐
（1）硅酸盐
由和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，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料等。
3．无机非金属材料
（1）硅酸盐材料
水泥
普通玻璃
陶瓷
生产原料
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑
（2）具有特殊功能的含硅物质
①碳化硅具有金刚石结构，可用作磨料。
②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。
③硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。
『多维思考』
1．如何由SiO2制备H2SiO3？
用化学方程式表示。
2．向水玻璃中加入酚酞试液，有什么现象？
然后再滴加盐酸，充分振荡静置有什么现象？
『考点精讲』
硅及其化合物在常用物质中的易错点
（1）用作半导体材料的是晶体硅而不是SiO2，用于制作光导纤维的是SiO2，而不是硅，计算机芯片的成分是晶体硅而不是SiO2。
（2）水晶、石英、玛瑙、硅石、沙子等主要成分是SiO2，而不是硅酸盐。
（3）传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸盐。
『考向突破』
考向一 硅酸盐
1．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带磨口玻璃塞的试剂瓶中
B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑，两个反应是相互矛盾的，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
2．（2018·湖北大联考）将足量CO2气体通入水玻璃中，然后蒸干，再在高温下充分灼烧，最后所得固体物质是（ ）
A．Na2SiO3 B．Na2CO3、Na2SiO3
C．Na2CO3、SiO2D．SiO2
考向二 无机非金属材料
3．下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是（ ）
①硅是非金属元素，但硅单质能导电 ②水泥、玻璃、沙子都是硅酸盐制品 ③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维 ④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料
A．①② B．②③
C．①④ D．③④
4．氮化硅（Si3N4）是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮气在1300℃时反应获得。
（1）根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是______（填序号）。
A．制汽轮机叶片B．制有色玻璃
C．制永久性模具D．制陶瓷发动机
（2）氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应。
该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：
_____________________________________________________。
（3）现用SiCl4和N2（在H2气氛下），加强热发生反应，可获得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为______________________________________________。
『速记卡片』 无机非金属材料的分类
无机非金属材料
『高考真题通关』
1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）
（1）（2017·高考江苏卷，3C）因为SiO2硬度大，所以可用于制造光导纤维（ ）
（2）（2017·高考天津卷，3A改编）硅太阳能电池工作时，光能转化成电能与氧化还原反应无关（ ）
（3）（2016·高考海南卷）石英砂可用于生产单晶硅（ ）
（4）（2016·高考浙江卷，7B）Ge（32号元素）的单晶可以作为光电转换材料用于太阳能电池（ ）
（5）（2016·高考全国卷Ⅲ，7D）因为HF与SiO2反应，所以可用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记（ ）
（6）（2015·高考重庆卷，1C）烧结黏土制陶瓷涉及化学反应（ ）
（7）（2015·高考重庆卷，2B）P的非金属性强于Si，H3PO4比H2SiO3的酸性强（ ）
（8）（2015·高考全国卷Ⅱ，7A）硅胶可用作食品干燥剂（ ）
（9）（2015·高考海南卷）可用磨口玻璃瓶保存NaOH溶液（ ）
（10）（高考海南卷）Si和SiO2都用于制造光导纤维（ ）
（11）（高考福建卷，9②改编）SiO2既能与KOH溶液反应又能与浓盐酸反应（ ）
（12）（高考江苏卷，8C改编）SiO2、NaOH、HF三者两两均能反应（ ）
2．（2015·高考海南卷）单质Z是一种常见的半导体材料，可由X通过如下图所示的路线制备，其中X为Z的氧化物，Y为氢化物，分子结构与甲烷相似，回答下列问题：
（1）能与X发生化学反应的酸是________；由X制备Mg2Z的化学方程式为____________________________________________。
（2）由Mg2Z生成Y的化学反应方程式为____________，Y分子的电子式为_______________________________________。
（3）Z、X中共价键的类型分别是__________________。
3．（2017·高考全国卷Ⅱ）水泥是重要的建筑材料。
水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。
实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：
回答下列问题：
（1）在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。
加入硝酸的目的是________，还可使用________代替硝酸。
（2）沉淀A的主要成分是______，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为________________。
（3）加氨水过程中加热的目的是________。
沉淀B的主要成分为________________、_______________________________（写化学式）。
（4）草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后，用KMnO4标准溶液滴定，通过测定草酸的量可间接获知钙的含量，滴定反应为MnO
＋H＋＋H2C2O4→Mn2＋＋CO2＋H2O。
实验中称取0.400g水泥样品，滴定时消耗了0.0500mol·L－1的KMnO4溶液36.00mL，则该水泥样品中钙的质量分数为________________。
——★参考答案★——
考点一
『知识整合』
2.
（1）
『感悟测评』
『答案』
（1）√
（2）× （3）× （4）× （5）√ （6）×
『考向突破』
1．『解析』A项，硅在自然界中无游离态；B项，石墨、晶体硅能导电；C项，C与O2反应生成的CO不是酸性氧化物。
『答案』D
2．『解析』CO、SiO2都不溶于水，CO也不与NaOH溶液反应，故A、C错误；碳除了金刚石、石墨外还有C60等单质，故D错误。
『答案』B
3．『解析』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。
『答案』B
4．『解析』生产玻璃不涉及氧化还原反应。
『答案』B
考点二
『知识整合』
不存在能不橡胶
『多维思考』
1．『答案』不是，因为SiO2与氢氟酸反应生成的不是盐。
2．『答案』氧化剂、还原剂均是C。
『考向突破』
1．『解析』选项A、D的反应在高温且均生成了气体，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。
『答案』C
2．『答案』
（1）C
（2）D （3）B （4）E （5）A
3．『答案』B
4．『解析』n（CO2）＝
＝0.15mol，n（NaOH）＝0.2L×1.00mol·L－1＝0.2mol
由于1<
<2，故二者完全反应生成含Na2CO3和NaHCO3的混合溶液
设n（Na2CO3）＝x，n（NaHCO3）＝y
则有
解得x＝0.05mol，y＝0.1mol
『答案』B
考点三
『知识整合』
1．
（2）＞（4）催化剂2．
（1）硅、氧金属
（2）水玻璃3．
（1）黏土、石灰石纯碱、石灰石、石英砂
『多维思考』
1．『答案』SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl。
2．『答案』滴加酚酞，溶液变红；加入盐酸，溶液的红色逐渐变浅至无色，静置一会有胶冻状的凝胶生成。
『考向突破』
1．『答案』D
2．『解析』CO2与水玻璃反应生成Na2CO3（NaHCO3）和H2SiO3，在高温条件下H2SiO3变为SiO2，NaHCO3变为Na2CO3，Na2CO3与SiO2又反应生成Na2SiO3和CO2，所以最后得到的固体物体是Na2SiO3，故A项正确。
『答案』A
3．『解析』光导纤维、沙子的主要成分均是SiO2。
『答案』C
4．『解析』由Si3N4的硬度大、熔点高、化学性质稳定，可知Si3N4的用途符合A项、C项、D项。
『答案』
（1）ACD
（2）Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑（或Si3N4＋16HF===3SiF4↑＋4NH4F）
（3）3SiCl4＋2N2＋6H2
Si3N4＋12HCl
『高考真题通关』
1．『答案』
（1）×
（2）√ （3）√ （4）√ （5）√ （6）√ （7）√ （8）√ （9）× （10）× （11）× （12）√
2．『解析』Z为半导体单质，则Z是Si元素；其氧化物为二氧化硅，SiO2可与氢氟酸反应；根据反应的流程图可知，二氧化硅与Mg反应生成Mg2Si，Mg2Si与盐酸反应生成的Y为氢化物，则Y的化学式是SiH4，加热分解可得到Si单质。
其余问题可解。
『答案』
（1）氢氟酸 SiO2＋2Mg
O2↑＋Mg2Si
（2）Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑
（3）非极性键，极性键
3．『解析』
（1）Fe3＋容易在pH较小时转换为沉淀，所以需要将Fe2＋氧化为Fe3＋。
双氧水可以将Fe2＋氧化为Fe3＋且不会引入杂质。
（2）二氧化硅不溶于一般酸溶液，所以沉淀A是二氧化硅。
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
（3）加热可以促进Fe3＋、Al3＋水解转换为Fe（OH）3、Al（OH）3。
在pH＝4～5时Ca2＋、Mg2＋不沉淀，Fe3＋、Al3＋沉淀，所以沉淀B为Fe（OH）3、Al（OH）3。
（4）5Ca2＋～5H2C2O4～2KMnO4
n（KMnO4）＝0.0500mol/L×36.00×10－3mL＝1.80×10－3mol
n（Ca2＋）＝4.50×10－3mol
水泥中钙的质量分数为4.50×10－3mol×40.0g/mol/0.400g×100%＝45.0%。
『答案』
（1）将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋ 双氧水（H2O2）
（2）SiO2 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
（3）防止胶体生成，易沉淀分离 Fe（OH）3
Al（OH）3 （4）5Ca2＋～5H2C2O4～2KMnO4
n（KMnO4）＝0.0500mol/L×36.00×10－3mL＝1.80×10－3mol
n（Ca2＋）＝4.50×10－3mol
水泥中钙的质量分数为4.50×10－3mol×40.0g/mol/0.400g×100%＝45.0%
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