版 第4章 第1节 碳硅及其化合物.docx

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版第4章第1节碳硅及其化合物

第一节　碳、硅及其化合物

考纲定位

核心素养

1.掌握碳、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的影响。

3.了解常见的无机非金属材料。

4.了解碳、硅单质及其重要化合物的制备方法。

1.宏观辨识——能从不同层次认识碳、硅单质及其化合物的性质及应用，并知道Si的工业制备原理及方法。

2.变化观念——认识SiO2的特性和一定条件下的转化。

3.社会责任——认识碳、硅的一些化合物对环境的污染问题并提出解决问题的方法。

考点一|碳、硅及其氧化物

1．碳、硅单质的存在形式、结构、物理性质和用途

碳

硅

存在形式

游离态和化合态

化合态

单质的结构

金刚石：

立体网状结构；石墨：

层状结构；C60：

足球形分子

晶体硅：

与金刚石类似的空间网状结构

物理性质

金刚石：

熔点很高、硬度很大；

石墨：

硬度较小、电的良导体

晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、熔点高、硬度大、有脆性

用途

金刚石用于制造切割刀具，石墨用于制造电极、铅笔芯。

C60可作催化剂或催化剂载体

晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池

注：

硅为亲氧元素，在自然界中无游离态。

2．碳、硅的化学性质（写出有关化学方程式）

（1）碳的化学性质

（2）硅的化学性质

①与氢氟酸反应：

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。

②与NaOH溶液反应：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

③与O2反应：

Si＋O2

SiO2。

3．硅的制备

（1）流程：

石英砂

Si（粗）

SiCl4

Si（纯）。

（2）原理：

①Si（粗）制备：

SiO2＋2C

Si＋2CO↑。

②Si（纯）提纯：

Si＋2Cl2

SiCl4；

SiCl4＋2H2

Si（纯）＋4HCl。

提醒：

Si的还原性强于C，但C能还原SiO2生成Si，且氧化产物为CO：

2C＋SiO2

Si＋2CO↑，其原因是产物CO为气体，它的放出降低了生成物浓度，促使反应向正反应方向进行。

该反应必须在隔绝空气的条件下进行。

4．碳、硅的氧化物

（1）一氧化碳的性质及应用

①物理性质：

无色无味的气体，难溶于水，能使人中毒。

中毒的原因是与人体内血红蛋白相结合，因缺氧而中毒。

②化学性质及应用（写出有关化学方程式）

a．可燃性：

2CO＋O2

2CO2，可作燃料。

b．还原性：

CO还原Fe2O3的反应为3CO＋Fe2O3

2Fe＋3CO2，可用于冶炼金属。

（2）CO2与SiO2性质的比较

①共性

均属于酸性氧化物，均能与碱、金属氧化物反应，写出二者与NaOH溶液（足量）反应的离子方程式：

CO2＋2OH－===CO

＋H2O、SiO2＋2OH－===SiO

＋H2O；二者与CaO反应的化学方程式：

CO2＋CaO===CaCO3、SiO2＋CaO

CaSiO3。

②差异性

a．SiO2与氢氟酸反应的化学方程式：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

b．SiO2与Na2CO3、CaCO3的反应——工业制玻璃

SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑；

SiO2＋CaCO3

CaSiO3＋CO2↑。

c．CO2与H2O反应的化学方程式：

CO2＋H2OH2CO3。

d．SiO2为高硬度、高熔沸点的固体，不溶于水，而CO2为低熔沸点的气体，可溶于水。

（3）SiO2与CO2的用途

①CO2：

制饮料、碳酸盐，作灭火剂，干冰用作制冷剂，也可用于人工降雨。

②SiO2：

光导纤维、制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。

（4）CO2的制法

用大理石与稀盐酸或稀硝酸发生反应的离子方程式：

CaCO3＋2H＋===Ca2＋＋CO2↑＋H2O。

提醒：

（1）SiO2既能与氢氟酸反应，又能与NaOH溶液反应，但SiO2不是两性氧化物；

（2）不能利用大理石与稀硫酸反应制CO2，因为CaCO3与H2SO4反应生成的CaSO4微溶，覆盖在CaCO3的表面，阻止反应的继续进行。

[深度归纳]　硅及其氧化物的特性

（1）Si与强碱溶液反应可生成H2，Si与氢氟酸反应生成H2。

（2）一般情况下，酸性氧化物与碱反应，不与酸反应，但SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应，所以不能用玻璃容器盛放氢氟酸，可以用氢氟酸刻蚀玻璃。

（3）SiO2高温条件下与Na2CO3、CaCO3反应生成CO2，其原理为难挥发性物质制备易挥发性物质。

[应用体验]

正误判断（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）碳、硅为不活泼非金属，一般易形成共价键。

（　　）

（2）使澄清石灰水变浑浊的氧化物一定为CO2。

（　　）

（3）SiO2与NaOH、氢氟酸均反应，可说明SiO2为两性氧化物。

（　　）

（4）与NaOH溶液反应生成盐和H2的单质一定是硅单质。

（　　）

（5）CO2通入NaOH溶液中，一定生成Na2CO3。

（　　）

（6）CH4的稳定性比SiH4的稳定性强。

（　　）

答案：

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×　（6）√

考法1　碳、硅及其化合物的性质、制备及应用

1．（2019·南昌月考）下列关于硅元素及其化合物的有关说法正确的是（　　）

A．由沙子制备光伏材料的反应之一为SiO2＋C

Si＋CO2↑

B．高温下SiO2能与Na2CO3固体反应生成Na2SiO3和CO2，说明硅酸酸性强于碳酸

C．因为玻璃中含有SiO2，所以不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛装碱性溶液

D．Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→SiO

均能一步转化

C　[A项，反应产物不是CO2而是CO；B项，碳酸比硅酸酸性强；D项，SiO2不能一步转化为H2SiO3。

]

2．（2019·湖南六校联考）多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅芯片的主要原料。

已知第三代工业制取多晶硅流程如图所示：

下列说法错误的是（　　）

A．Y、Z分别为H2、Cl2

B．制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成碳化硅，在该副反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1

C．SiHCl3极易水解，其完全水解的产物为H2SiO3、H2、HCl，据此推测SiHCl3中硅元素的化合价为＋4

D．Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应

B　[B项中的反应为3C＋SiO2

SiC＋2CO↑，氧化剂与还原剂均为C，二者之比为1∶2。

]

3．在标准状况下，将4.48LCO2通入100mL3mol·L－1的NaOH溶液中，溶液中的溶质为，其物质的量之比为。

解析：

n（CO2）＝0.2mol，n（NaOH）＝0.3mol，n（CO2）∶n（NaOH）＝2∶3，可发生反应

2CO2＋3NaOH===Na2CO3＋NaHCO3＋H2O

答案：

Na2CO3、NaHCO3　1∶1

[思维建模]　数轴法判断CO2与强碱（OH－）反应的产物

当n（OH－）∶n（CO2）的值不同时产物如下：

考法2　CO2、CO的性质及其检验探究

4．用四种溶液分别进行实验，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，溶液不变浑浊

BaCl2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，再加入足量的NaOH溶液，又变浑浊

Ca（OH）2

溶液

B　[CO2通入Na2SiO3溶液中，先生成沉淀H2SiO3，继续通CO2，H2SiO3不反应，不溶解。

]

5．（2019·信阳模拟）为检验二氧化碳气体中是否混有一氧化碳，某课外兴趣小组的同学设计了如图所示的实验装置：

根据装置回答问题：

（1）A装置的作用是。

（2）实验后通过处理尾气，发生反应的化学方程式为。

（3）若实验时观察到，

则证明原气体中一定含有一氧化碳。

解析：

（1）除去混合气体中的CO2时，可先将混合气体通入盛有浓NaOH溶液的洗气瓶中，故A装置的作用是吸收CO2，以排除对后续实验的干扰。

（2）CO有毒，故将CO点燃生成CO2才能排放到空气中。

（3）CO还原CuO使黑色粉末变成红色，反应生成的CO2使澄清石灰水变浑浊，故可利用这些现象来证明原气体中一定含有CO。

答案：

（1）吸收CO2

（2）点燃　2CO＋O2

2CO2

（3）B中无明显现象，装置C中黑色粉末变成光亮的红色，D中澄清石灰水变浑浊

各装置的作用是：

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

C——CO还原CuO：

CO＋CuO

Cu＋CO2

D——验证CO的氧化产物CO2

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

确定混合气体中含有CO气体的实验现象是：

C中的物质由黑色变成光亮的红色，B中无明显现象，D中的澄清石灰水变浑浊。

考点二|硅酸、硅酸盐和无机非金属材料

1．硅酸的性质、制备与应用（写出有关的化学方程式）

提醒：

硅胶的形成过程

硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶，经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶，称为硅胶。

2．硅酸盐

由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。

（1）硅酸盐的组成表示方法

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（K2Al2Si6O16）可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。

提醒：

（1）氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构，切不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的；

（2）硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐是硅酸钠。

硅胶（mSiO2·nH2O）是一种很好的无毒干燥剂。

（2）硅酸钠（Na2SiO3）——俗称泡花碱

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与较强的酸反应生成硅酸：

如Na2SiO3溶液与稀硫酸反应：

Na2SiO3＋H2SO4===H2SiO3↓＋Na2SO4；与SO2水溶液反应：

Na2SiO3＋SO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2SO3。

③用途：

黏合剂、耐火阻燃材料。

[深度归纳]　硅酸盐氧化物形式的表示方法

（1）氧化物的一般书写顺序：

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一般应化为整数。

如正长石：

KAlSi3O8，将

K2O·

Al2O3·3SiO2，写成K2O·Al2O3·6SiO2，但原子个数比不变。

3．无机非金属材料

（1）传统无机非金属材料

水泥

玻璃

陶瓷

生产原料

黏土、石灰石

纯碱、石灰石、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

（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。

（3）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。

[应用体验]

正误判断（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）硅酸是一种难溶于水酸性比H2CO3强的弱酸。

（　　）

（2）水玻璃是Na2SiO3的俗名，为纯净物。

（　　）

（3）Na2SiO3溶液中通入过量CO2，离子方程式为SiO

＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO

。

（　　）

（4）水泥、玻璃为硅酸盐产品，均为混合物。

（　　）

（5）KAlSi3O8可写成K2O·Al2O3·3SiO2。

（　　）

（6）硅酸在干燥的空气中形成硅胶，可以作食品的干燥剂。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）×　（6）√

考法1　硅酸、硅酸盐和无机非金属材料

1．（2019·安庆模拟）水玻璃（Na2SiO3溶液）广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。

如图是用稻壳灰（SiO2：

65%～70%、C：

30%～35%）制取水玻璃的工艺流程：

下列说法正确的是（　　）

A．原材料稻壳灰价格低廉，且副产品活性炭有较高的经济价值

B．操作A与操作B完全相同

C．该流程中硅元素的化合价发生改变

D．反应器中发生的复分解反应为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

A　[稻壳灰来源广泛价格低廉，活性炭具有吸附性，有较高的经济价值，A正确；操作A为过滤，操作B为蒸发浓缩，是两种不同的操作，B错误；二氧化硅中，硅元素的化合价是＋4，硅酸钠中，硅元素的化合价是＋4，所以该流程中硅元素的化合价没有发生改变，C错误；由复分解反应的概念可知，SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O不属于复分解反应，D错误。

]

2．青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22（OH）2。

青石棉用稀硝酸处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是（　　）

A．青石棉是一种硅酸盐产品

B．青石棉中含有一定量的石英晶体

C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O

D．1mol青石棉能使1molHNO3被还原

B　[硅酸盐指的是硅、氧与其他化学元素（主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等）结合而成的化合物的总称，故青石棉是一种硅酸盐产品；虽然青石棉可用氧化物形式来表示，但不代表含有一定量的石英晶体；1molNa2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O跟足量硝酸反应时，失去3mol电子，而还原产物只有NO，故能使1molHNO3被还原。

]

考法2　硅及其常见化合物的转化

3．已知A是灰黑色的、有金属光泽的固体单质。

根据如图所示的物质之间的转化关系，回答下列有关问题。

（1）写出B、C两物质的名称：

B、C。

（2）写出D→B的化学方程式：

。

（3）写出B→C的离子方程式：

。

（4）D不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为。

解析：

由题意知：

A为Si，B为Na2SiO3，C为H2SiO3，D为SiO2。

答案：

（1）硅酸钠　硅酸　

（2）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　（3）SiO

＋H2O＋CO2===CO

＋H2SiO3↓

（4）SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

4．（2019·鄂豫晋冀陕五省联考）某实验小组设计了如图装置对焦炭还原二氧化硅的气体产物的成分进行探究。

已知：

PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为CO＋PdCl2＋H2O===CO2＋2HCl＋Pd↓（产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊）。

（1）实验时要通入足够长时间的N2，其原因是。

（2）装置B的作用是。

（3）装置C、D中所盛试剂分别为、，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为。

（4）该装置的缺点是。

（5）资料表明，上述反应在焦炭过量时会生成副产物SiC。

取18gSiO2和8.4g焦炭充分反应后收集到标准状况下的气体13.44L，假定气体产物只有CO，固体产物只有Si和SiC，则Si和SiC的物质的量之比为。

解析：

（1）用N2排出装置中的空气防止焦炭与O2反应。

（2）A装置高温加热时，后面的溶液易倒吸进入A装置中，中间加B装置的作用是作安全瓶，防倒吸。

（3）C、D是检验CO2和CO，防止CO的干扰，应先检验CO2，再检验CO。

（4）CO为大气污染物，应加一尾气吸收装置。

（5）n（SiO2）＝0.3mol，n（C）＝0.7mol，n（CO）＝0.6mol，故n（SiC）＝0.1mol，n（Si）＝0.3mol－0.1mol＝0.2mol。

答案：

（1）将装置中的空气排尽，避免空气中的氧气、二氧化碳、水蒸气对实验产生干扰　

（2）作安全瓶，防止倒吸　（3）澄清石灰水　PdCl2溶液　3SiO2＋4C

2CO2↑＋2CO↑＋3Si　（4）缺少尾气吸收装置　（5）2∶1

课堂反馈　真题体验

[一题串知，落实考法]

（2015·全国卷Ⅰ，改编）草酸（乙二酸）存在于自然界的植物中，其K1＝5.4×10－2，K2＝5.4×10－5。

草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。

草酸晶体（H2C2O4·2H2O）无色，熔点为101℃，易溶于水，受热脱水、升华，170℃以上分解。

回答下列问题：

（1）甲组同学按照如图所示的装置，通过实验检验草酸晶体的分解产物。

装置C中可观察到的现象是，

反应的离子方程式为，

说明分解产物中含有。

装置B的主要作用是。

[考查CO2的检验和主要性质]

（2）乙组同学认为草酸晶体分解产物中还有CO，为进行验证，选用甲组实验中的装置A、B和下图所示的部分装置（可以重复选用）进行实验。

①乙组同学的实验装置中，依次连接的合理顺序为A、B、。

装置H反应管中盛有的物质是。

②能证明草酸晶体分解产物中有CO的现象是

。

[考查CO的检验与性质]

（3）若上图中的装置C中的澄清石灰水改为水玻璃，则装置C中的现象是，

反应的离子方程式为，

此现象说明H2SiO3比H2CO3的酸性。

[考查硅酸及硅酸盐的性质]

（4）氢氟酸不能用玻璃瓶盛装的理由是（写化学方程式），

氢氧化钠溶液的试剂瓶不用玻璃塞的理由是（写离子方程式）。

[考查SiO2的主要性质]

答案：

（1）有气泡逸出、澄清石灰水变浑浊

CO2＋Ca2＋＋2OH－===CaCO3↓＋H2O　CO2　冷凝（水蒸气、草酸等），防止草酸进入装置C反应生成沉淀，干扰CO2的检验

（2）①F、D、G、H、D、I　CuO　②H中黑色粉末变为红色，其前的D中澄清石灰水无现象，其后的D中澄清石灰水变浑浊

（3）C中溶液产生白色沉淀或变浑浊，且有气泡逸出

CO2＋SiO

＋H2O===H2SiO3↓＋CO

　弱

（4）4HF＋SiO2===SiF4↑＋2H2O

SiO2＋2OH－===SiO

＋H2O

[真题体验，感悟考向]

1．下列说法正确的是（填序号）。

（1）（2016·全国卷Ⅲ）HF与SiO2反应实际应用是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记

（2）（2015·全国卷Ⅱ）硅胶可用作食品干燥剂

（3）（2014·全国卷Ⅰ）如图：

①中为浓硝酸，②中为Na2CO3，③中为Na2SiO3溶液，可证明酸性：

硝酸＞碳酸＞硅酸

（4）（2016·全国卷Ⅱ）燃料燃烧产物CO2是温室气体之一

答案：

（1）

（2）（4）

2．（2018·全国卷Ⅲ，T28

（1））SiHCl3在常温常压下为易挥发的无色透明液体，遇潮气时发烟生成（HSiO）2O等，写出该反应的化学方程式。

答案：

2SiHCl3＋3H2O===（HSiO）2O＋6HCl