碳硅及其化合物.docx

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碳硅及其化合物

碳、硅及其化合物

基础落实

（一）　碳及其重要化合物

1．碳单质

（1）存在：

碳单质的存在形式有金刚石、石墨、木炭、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，是电的良导体。

（4）主要化学性质——还原性

可燃性

2C＋O2（不足）

2CO、C＋O2（足量）

CO2

与氧化

物反应

CuO：

2CuO＋C

2Cu＋CO2↑（冶炼金属）

SiO2：

SiO2＋2C

Si＋2CO↑（制取粗硅）

H2O：

C＋H2O（g）

CO＋H2（制取水煤气）

与强氧化

性酸反应

浓H2SO4：

C＋2H2SO4（浓）

CO2↑＋2SO2↑＋2H2O

浓HNO3：

C＋4HNO3（浓）

CO2↑＋4NO2↑＋2H2O

（5）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。

2．碳的两种常见氧化物

（1）一氧化碳（CO）

无色有毒气体，难溶于水，中毒原理是CO与血红蛋白结合，缺氧中毒。

①可燃性：

2CO＋O2

2CO2，淡蓝色火焰，可作燃料。

②还原性：

CO＋CuO

Cu＋CO2，用于冶炼金属。

（还原CuO）

（2）二氧化碳（CO2）

①物理性质：

CO2是一种无色、无味的气体，能溶于水，固态CO2俗称干冰。

②化学性质：

与H2O、Na2O、Ca（OH）2（足量、澄清）、Mg反应的化学方程式分别为CO2＋H2OH2CO3、Na2O＋CO2===Na2CO3、CO2＋Ca（OH）2===CaCO3↓＋H2O、2Mg＋CO2

2MgO＋C。

③CO2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。

（3）CO、CO2气体的除杂方法

CO中混有CO2

通过盛有NaOH溶液的洗气瓶，然后干燥气体

CO2中混有CO

通过盛有灼热CuO的硬质玻璃管

CO2中混有少量SO2或HCl

通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶，然后干燥气体

[注意]　自然界消耗CO2的主要反应：

①溶于江水、海水中：

CO2＋H2OH2CO3；

②光合作用将CO2转化为O2；

③岩石的风化：

CaCO3＋H2O＋CO2===Ca（HCO3）2。

3．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。

4．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）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。

（3）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。

5．知识拓展——草酸及其盐

（1）草酸的性质

草酸的化学式为H2C2O4，草酸晶体的化学式为H2C2O4·2H2O。

①弱酸性：

草酸为二元弱酸，酸性比醋酸的酸性强，电离方程式为H2C2O4H＋＋HC2O

。

②还原性：

H2C2O4中C元素的化合价为＋3价，具有还原性，能使酸性高锰酸钾溶液褪色，反应的化学方程式为2KMnO4＋5H2C2O4＋3H2SO4===K2SO4＋2MnSO4＋10CO2↑＋8H2O。

③不稳定性：

草酸晶体受热易分解，反应的化学方程式为H2C2O4·2H2O

CO↑＋CO2↑＋3H2O。

（2）草酸盐的性质

①（NH4）2C2O4溶于水，加热分解，由氨水和草酸溶液反应生成。

②CaC2O4不溶于水、醋酸，溶于盐酸、稀硝酸，灼烧时转变成碳酸钙或氧化钙。

③MgC2O4、FeC2O4不溶于水，可由对应的可溶性金属盐与草酸铵反应而得到，加热分解可得到对应金属氧化物。

[细练过关]

题点

（一）　碳及其常见化合物的性质及应用

1．（2018·江苏高考）CO2是自然界碳循环中的重要物质。

下列过程会引起大气中CO2含量上升的是（　　）

A．光合作用　　　　　　　B．自然降雨

C．化石燃料的燃烧D．碳酸盐的沉积

解析：

选C　化石燃料燃烧产生大量CO2，会引起大气中CO2含量上升。

2．（2020·合肥瑶海区模拟）碳和碳的化合物间的部分转化关系如图所示，下列说法正确的是（　　）

A．由碳酸转化成X一定要在加热条件下进行

B．由碳转化为X一定发生的是化合反应

C．物质X一定是二氧化碳

D．若使一氧化碳转化成X，只能通过一氧化碳在空气（或氧气）中燃烧获得

解析：

选C　由转化关系图可知，X是二氧化碳，碳酸在常温下就容易分解生成二氧化碳，故A错误，C正确；在高温的条件下，碳能与氧化铜反应生成铜和二氧化碳，该反应属于置换反应，故B错误；一氧化碳还可以通过还原氧化铁或还原氧化铜等方法转化成二氧化碳，故D错误。

3．确定混合气体（CO、CO2）中含有CO气体的实验设计方法如图所示。

请回答下列问题：

（1）填写下列指定装置的作用。

A：

________________________________。

B：

__________________________________。

E：

________________________________。

F：

__________________________________。

（2）写出C中的化学方程式：

_____________________________________________________

___________________________________________________________________________。

（3）确定混合气体中含有CO气体的实验现象：

_____________________________________

___________________________________________________________________________。

（4）E中的溶质可能有_________________________________________________________。

答案：

（1）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）CO＋CuO

Cu＋CO2

（3）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）NaOH、Na2CO3或Na2CO3或Na2CO3、NaHCO3

[备考点击]

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：

题点

（二）　草酸及其盐的性质与探究

4．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_____________________，由此可知草酸晶体分解的产物中有_____________。

装置B的主要作用是__________________________________________________________

___________________________________________________________________________。

（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和如图所示的部分装置（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____________________________________

___________________________________________________________________________。

（3）设计实验证明：

①草酸的酸性比碳酸的强______________________________________________________

___________________________________________________________________________。

②草酸为二元酸______________________________________________________________

___________________________________________________________________________。

解析：

（1）结合草酸晶体（H2C2O4·2H2O）的组成可知，澄清石灰水应是用来检验其分解产物CO2的存在。

因草酸晶体易升华，且草酸钙难溶于水，若草酸进入C装置，会干扰CO2的检验，故装置B中冰水的主要作用是冷凝挥发出来的草酸。

（2）①要验证草酸晶体分解产物中还有CO，只能通过检验CO与CuO反应的产物CO2的存在来达到这一目的。

因为草酸晶体的分解产物本身含有CO2，会对CO的检验造成干扰，所以在检验CO前应将分解产物中的CO2除尽，可选用F装置来除去CO2，D装置用来检验CO2是否除尽。

将除去CO2的气体通过盛有无水氯化钙的装置G干燥，然后通过盛有CuO的装置H，CuO将CO氧化为CO2，再将气体通过盛有澄清石灰水的D装置，用来检验CO2的存在。

因CO有毒，最后可将尾气通过排水法收集。

②若前一个装置D中澄清石灰水不变浑浊，说明草酸晶体分解的产物CO2已除尽；H中黑色CuO变红，同时其后的装置D中澄清石灰水变浑浊，说明草酸晶体分解产物中含有CO。

（3）①根据强酸制弱酸的反应原理，可选择NaHCO3中加入草酸溶液的实验方法来证明草酸的酸性比碳酸的强。

②根据酸碱中和反应原理，可采用中和滴定的方法用NaOH标准溶液来滴定一定物质的量浓度的草酸溶液，根据反应的草酸与NaOH的物质的量的比值为1∶2，证明草酸是二元酸。

答案：

（1）有气泡逸出、澄清石灰水变浑浊　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中澄清石灰水不变浑浊，其后的D中澄清石灰水变浑浊

（3）①向盛有少量NaHCO3的试管里滴加草酸溶液，有气泡产生　②用NaOH标准溶液滴定草酸溶液，消耗NaOH的物质的量为草酸的2倍

基础落实

（二）　硅及其氧化物

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）制备方法

①制取粗硅：

工业上，用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅：

SiO2＋2C

Si＋2CO↑。

②粗硅提纯：

Si＋2Cl2

SiCl4，SiCl4＋2H2

Si＋4HCl。

[注意]　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中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。

（5）主要用途

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）二氧化硅的构成

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按原子个数比1∶2直接构成。

Si、SiC、Si3N4、BN等也是直接由原子构成的。

（2）CO2与SiO2的共性

均属于酸性氧化物，均能与碱、金属氧化物反应，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。

（3）CO2与SiO2的差异性

①SiO2与氢氟酸反应的化学方程式：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

②SiO2与Na2CO3、CaCO3的反应——工业制玻璃

SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑；

SiO2＋CaCO3

CaSiO3＋CO2↑。

③CO2与H2O反应的化学方程式：

CO2＋H2OH2CO3。

④SiO2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。

（4）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。

3．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。

（4）SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不与水反应，不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。

[细练过关]

1．下列说法正确的是________（填序号）。

①（2018·天津高考）汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土

②（2018·江苏高考）因为SiO2熔点高、硬度大，所以可用于制光导纤维

③（2017·江苏高考）下列转化能一步实现：

CaCO3

CaO

CaSiO3

④（2016·全国卷Ⅲ）因为HF与SiO2反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记

⑤（2016·江苏高考）下列转化在给定条件下能够实现：

SiO2

SiCl4

Si

⑥用NaOH溶液可以除去Fe2O3中的SiO2

⑦SiO2与NaOH、氢氟酸均反应，可说明SiO2为两性氧化物

⑧与NaOH溶液反应生成盐和H2的单质一定是硅单质

答案：

①③④⑥

2．（2020·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

解析：

选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。

3．（2020·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

解析：

选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。

4．下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是（　　）

A．CO2、SiO2都能与碱及碱性氧化物反应

B．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸

C．SiO2可用来制作干燥剂，因SiO2可与水反应

D．CO2和SiO2都是由相应的分子构成的

解析：

选A　CO2、SiO2都是酸性氧化物，都能与碱及碱性氧化物反应，故A正确；SiO2不溶于水，也不能和水反应生成硅酸，B不正确；硅胶可用作干燥剂，但SiO2不与水反应，C不正确；CO2是由分子构成的，SiO2是由Si、O原子直接构成的，D不正确。

基础落实（三）　硅酸及其盐　无机非金属材料

（一）硅酸和硅酸盐

1．硅酸（H2SiO3）

2．硅酸盐（如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）与酸性较硅酸强的酸反应：

①与盐酸反应的化学方程式：

Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3（胶体）。

②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．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。

（二）无机非金属材料

1．传统无机非金属材料

（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

材料类别

主要特性

示例

用途

高温结构

陶瓷

能承受高温，强度高

氮化硅陶瓷

汽轮机叶片、轴承、永久性

模具等

半导体

陶瓷

具有电学特性

二氧化锡陶瓷

集成电路中的半导体

光学材料

具有光学特性

光导纤维

光缆通讯、医疗、照明等

生物陶瓷

具有生物功能

氧化铝陶瓷

人造骨骼、人造关节、接

骨螺钉

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。

[细练过关]

1．下列说法正确的是________（填序号）。

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

③Na2SiO3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硅酸在干燥的空气中形成硅胶，可以作食品的干燥剂

⑥硅胶作袋装食品的干燥剂的过程中没有发生化学变化

⑦向Na2SiO3溶液中通入少量SO2的离子方程式：

SiO

＋SO2＋H2O===H2SiO3↓＋SO

⑧烧结黏土制陶瓷，不涉及化学反应

答案：

④⑤⑥⑦

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

解析：

选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。

3．（2020·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

解析：

选A　A项，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，正确；B项，操作A为过滤，操作B为蒸发浓缩，是两种不同的操作，错误；C项，SiO2中硅元素的化合价是＋4价，Na2SiO3中硅元素的化合价是＋4价，所以该流程中硅元素的化合价没有发生改变，错误；D项，由复分解反应的概念可知，SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O不属于复分解反应，错误。

4．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质。

下列说法正确的是（　　）

A．图中所有反应都不属于氧化还原反应

B．硅酸盐的化学性质稳定，常用于制作光导纤维

C．可用盐酸除去石英砂（主要成分为SiO2）中少量的碳酸钙

D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的，其熔点很高

解析：

选C　图中SiO2与CaO、CaCO3、Na2CO3的反应不属于氧化还原反应，SiO2与C、Si与Cl2、SiCl4与H2的反应属于氧化还原反应，A错误；光导纤维的主要成分是SiO2而不是硅酸盐，B错误；玻璃没有固定的熔点，D错误。

[课时跟踪检测]

1．《本草衍义》中有如下叙述：

“嘉州峨眉山有燕萨石，形六棱而锐首，色莹白明澈。

”这里“燕萨石”的主要成分可能是（　　）

A．CaO　　　　　　　　　B．SiO2

C．石墨D．NaCl

解析：

选B　由题意知“燕萨石”为无色透明的晶体，NaCl和CaO的形状不符合，石墨是黑色，颜色不符合，只有SiO2晶体符合。

2.

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