步步高全国高考化学一轮复习 第4章 非金属及其化合物 第14讲 碳硅及无机非金属材料讲义 新人教版Word文档格式.docx

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物质

二氧化硅

二氧化碳

立体网状结构，不存在单个分子

存在单个

CO2分子

主要物

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

CO2＋H2OH2CO3

与酸

只与氢氟酸反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

与碱

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（盛碱液的试剂瓶用橡胶塞）

CO2少量：

CO2＋2NaOH===

Na2CO3＋H2O、

CO2过量：

CO2＋NaOH===NaHCO3

与盐

如与Na2CO3反应：

SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑

如与Na2SiO3反应：

Na2SiO3＋H2O＋CO2（不足）===H2SiO3↓＋Na2CO3或Na2SiO3＋2H2O＋2CO2（足量）===H2SiO3↓＋2NaHCO3

性氧化

物反应

如与CaO反应：

SiO2＋CaO

CaSiO3

如与Na2O反应：

Na2O＋CO2===Na2CO3

光导纤维、光学仪器、电子部件

制饮料、制碳酸盐

深度思考

1．从元素周期表的位置看，碳和硅均为ⅣA族元素，自然界中有碳的多种单质存在，自然界中有硅的单质吗？

为什么？

答案　没有，因为硅有很强的亲氧性，在地壳形成时硅与氧易结合，难分离，因而硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。

2．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。

答案　2C＋SiO2

Si＋2CO↑，由于CO气体的逸出，促使反应正向进行。

3．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：

（1）CO（CO2）：

_______________________________________________________________。

（2）CO2（CO）：

（3）CO2（O2）：

________________________________________________________________。

（4）CO2（SO2）：

（5）CO2（HCl）：

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　（3）通过盛放灼热铜网的硬质玻璃管　（4）通过盛有饱和NaHCO3溶液或酸性KMnO4溶液的洗气瓶　（5）通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶

4．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

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）

NaCl（SiO2）

（3）

SiO2（Fe2O3）

（4）

SiO2（CaCO3）

（5）

SiO2（NH4Cl）

答案　

（1）B　④　

（2）D　④⑤　（3）A　④　（4）A　④

（5）②

解析　可根据二氧化硅是不溶于水的酸性氧化物，可与强碱反应，不与酸（氢氟酸除外）反应；

受热不分解等性质选择。

而三氧化二铁、碳酸钙与盐酸反应；

硅酸、氯化铵能受热分解。

通过一定操作，除去杂质。

除杂过程中所发生反应的化学方程式如下：

（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；

（3）Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O；

（4）CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O；

（5）NH4Cl

NH3↑＋HCl↑。

题组一　对比掌握碳、硅单质、氧化物的性质和用途

1．下列对于碳和硅的叙述中，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

答案　B

解析　CO不溶于水不能生成相应的酸，也不能与NaOH溶液反应；

SiO2不溶于水，也不能生成相应的酸；

碳有金刚石、石墨、C60等同素异形体，硅有晶体硅和无定形硅等，所以两种元素共有多种单质。

2．下列叙述正确的是（　　）

A．利用高纯硅可以制成光电池，将光能直接转化为电能

B．CO、CO2均易与血红蛋白结合而中毒

C．SiO2可用于制造光导纤维和半导体

D．SiO2和H2O反应可直接制备H2SiO3

答案　A

3．二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判断，其中正确的是（　　）

①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

Si＋2CO↑

③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

④Na2CO3＋SiO2

⑤SiO2＋3C

SiC＋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

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，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　CO2与盐或碱溶液反应的规律

4．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

解析　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，CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓，CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3，H2SiO3与CO2不反应，浑浊不会消失；

C项，CO2＋Ca（ClO）2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO，溶液变浑浊后加入品红溶液，被HClO氧化褪色；

D项，首先CO2＋Ca（OH）2===CaCO3↓＋H2O，继续通CO2，生成可溶于水的Ca（HCO3）2，再加入足量的NaOH，则：

2NaOH＋Ca（HCO3）2===CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O，溶液又变浑浊。

5．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∶2C．2∶1D．1∶3

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

。

归纳总结思维建模

1．熟记硅及其化合物的特殊性质

（1）硅单质的特殊性

①Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：

SiO2＋2C

②非金属单质一般不跟非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；

③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

①SiO2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反应，但SiO2能跟HF反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O；

③无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水；

④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：

Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑也能发生。

2．CO2与碱反应产物的定量判断

CO2通入NaOH、Ca（OH）2等强碱溶液的反应与CO2气体的通入量有关，当CO2通入少量时生成碳酸盐，当CO2通入过量时生成碳酸氢盐；

当CO2的通入量介于两者之间时，既有正盐又有酸式盐生成，因此推断时一定要注意CO2与碱之间量的关系。

以CO2与NaOH溶液反应为例：

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O

当n（OH－）∶n（CO2）的值不同时产物如下：

考点二　硅酸盐及无机非金属材料

1．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：

H2SiO3

SiO2＋H2O。

②硅酸能与碱溶液反应，如与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。

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。

2．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＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑；

CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋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。

题组一　无机非金属材料成分的辨别

1．下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是（　　）

①水玻璃是一种矿物胶，既不易燃烧也不易腐蚀

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．①②B．②③C．①④D．③④

答案　C

解析　水玻璃是Na2SiO3的水溶液，可用作防火剂和防腐剂，①正确；

沙子不是硅酸盐制品，②不正确；

光导纤维的主要成分是SiO2，③不正确。

2．硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是（　　）

A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为Si3N4

B．碳化硅（SiC）的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承

C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为SiO2

D．二氧化硅为立体网状结构，其晶体中硅原子和硅氧单键个数之比为1∶2

答案　D

解析　A项，在氮化硅中N元素为－3价，Si元素为＋4价，则化学式为Si3N4，正确；

D项，在SiO2晶体中，一个硅原子与周围4个氧原子形成4个硅氧单键，错误。

题组二　复杂硅酸盐的成分及性质

3．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。

青石棉用稀硝酸溶液处理时，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材料

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

解析　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；

青石棉是一种纯净物，不可能含有一定量的石英晶体；

1molNa2O·

H2O跟硝酸反应时，失去3mol电子，故能使1molHNO3被还原。

4．（2013·

上海，25）硅与铝同周期。

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瓶塞容易形成粘性的硅酸盐而无法打开，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_______________________________________________________。

答案　SiO2＋2NaOH―→Na2SiO3＋H2O

CaAl2Si2O8

解析　根据不同类长石其氧原子的物质的量分数相同，结合化合价代数和是0可写出钙长石的化学式。

题组三　化工生产中的硅及化合物的转化

5．如图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程，下列说法正确的是（　　）

A．SiO2属于两性氧化物

B．盛放Na2CO3溶液的试剂瓶能用玻璃塞

C．硅胶吸水后可重复再生

D．图中所示转化反应都是氧化还原反应

解析　SiO2是酸性氧化物，它能与氢氟酸反应是其特殊性质，A错；

在图示转化关系中只有第一行的变化是氧化还原反应，其余均为非氧化还原反应。

6．氮化硅可用作高温陶瓷复合材料，在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。

由石英砂合成氮化硅粉末的路线如下图所示：

其中—NH2中各元素的化合价与NH3相同。

请回答下列问题：

（1）石英砂不能与碱性物质共同存放，以NaOH为例，用化学反应方程式表示其原因：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）图示①～⑤的变化中，属于氧化还原反应的是___________________________________

________________。

（3）SiCl4在潮湿的空气中剧烈水解，产生白雾，军事工业中用于制造烟雾剂。

SiCl4水解的化学反应方程式为_______________________________________________________________

（4）在反应⑤中，3molSi（NH2）4在高温下加热可得1mol氮化硅粉末和8molA气体，则氮化硅的化学式为________________。

（5）在高温下将SiCl4在B和C两种气体的气氛中，也能反应生成氮化硅，B和C两种气体在一定条件下化合生成A。

写出SiCl4与B和C两种气体反应的化学方程式___________________________________

答案　

（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　

（2）①②

（3）SiCl4＋3H2O===4HCl↑＋H2SiO3↓

（4）Si3N4　（5）3SiCl4＋2N2＋6H2

Si3N4＋12HCl

解析　石英砂不能与碱性物质共同存放的实质是SiO2与碱性物质可以发生反应。

反应①是石英砂与焦炭发生氧化还原反应，反应②是硅单质与Cl2反应，也是氧化还原反应。

SiCl4水解可以看作Si结合四个OH－生成H4SiO4，H4SiO4不稳定失水生成H2SiO3，Cl－结合H＋生成HCl。

氮化硅的化学式可通过题目信息运用质量守恒求得。

结合题给信息，SiCl4与N2、H2反应可得到Si3N4和HCl。

误区警示方法技巧

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Al2O3。

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→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·

1．高考选项正误判断，正确的划“√”，错误的划“×

”

（1）Si和SiO2都用于制造光导纤维（　　）

（2014·

海南，10D）

（2）硅胶可用作食品干燥剂（　　）

（2015·

全国卷Ⅱ，7A）

（3）SiO2既能与KOH溶液反应又能与浓盐酸反应（　　）

福建理综，9②改编）

（4）SiO2既能和NaOH溶液反应又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物（　　）

安徽理综，9D）

（5）合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料（　　）

（2012·

新课标全国卷，8D）

（6）粗硅

SiCl4

Si，各步转化均能一步实现（　　）

江苏，8A）

（7）SiO2可与HF反应，因而氢氟酸不能保存在玻璃瓶中（　　）

（2013·

广东理综，10D）

（8）高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅（　　）

广东理综，11C）

（9）硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中（　　）

海南，4B）

（10）水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂（　　）

（2010·

江苏，4B）

答案　

（1）×

（2）√　（3）×

　（4）×

　（5）×

　（6）√

（7）√　（8）√　（9）×

　（10）√

2．（2011·

海南，9改编）“碳捕捉技术”是指通过一定的方法将工业生产中产生的CO2分离出来并利用。

如可利用NaOH溶液来“捕捉”CO2，其基本过程如下图所示（部分条件及物质未标出）。

下列有关该方法的叙述中正确的是（　　）

①能耗大是该方法的一大缺点

②整个过程中，只有一种物质可以循环利用

③“反应分离”环节中，分离物质的基本操作是蒸发结晶、过滤

④该方法可减少碳排放，捕捉到的CO2还可用来制备甲醇等产品

A．①②B．②③C．③④D．①④

解析　①，该方法中高温反应炉分离出CO2，需要消耗较多能量；

②，整个过程中NaOH和CaO均可循环利用；

③，从捕捉室中得到的溶液中含有大量的NaHCO3，加入CaO后生成CaCO3和NaOH，通过过滤的方法即可分离；

④，捕捉到的CO2可与H2反应制备甲醇：

CO2＋3H2

CH3OH＋H2O。

3．[2014·

天津理综，7（4）]晶体硅（熔点1410℃）是良好的半导体材料。

由粗硅制纯硅过程如下：

Si（粗）

SiCl4（纯）

Si（纯）

写出SiCl4的电子式：

______________；

在上述由SiCl4制纯硅的反应中，测得每生成1.12kg纯硅需吸收akJ热量，写出该反应的热化学方程式：

__________________________________

______________________________________________________________________________________________________________。

答案　

SiCl4（g）＋2H2（g）

Si（s）＋4HCl（g）

ΔH＝＋0.025akJ·

mol－1

4．[2012·

重庆理综，26

（1）

（2）（3）]金刚石、SiC具有优良的耐磨、耐腐蚀特性，应用广泛。

（1）碳与短周期元素Q的单质化合仅能生成两种常见气态化合物，其中一种化合物R为非极