高考化学一轮复习第4章非金属及其化合物第14讲碳硅.docx
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高考化学一轮复习第4章非金属及其化合物第14讲碳硅
第14讲碳、硅及无机非金属材料
考点一 碳、硅单质及氧化物
1．C、Si单质的存在形态、物理性质及用途
（1）自然界中的碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素因有亲氧性，所以仅有化合态。
碳单质主要有金刚石、石墨、C60等同素异形体，硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。
（2）单质的结构、物理性质与用途比较
碳
硅
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
物理
性质
金刚石熔点高、硬度大
石墨熔点高、质软，有滑腻感
晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高
用途
金刚石用作切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯
晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池
2.碳、硅单质的化学性质——还原性
碳、硅的最外层都是4个电子，位于元素周期表的第ⅣA族，不容易失也不容易得电子，通常化学性质稳定，但在一定条件下也能与许多物质发生化学反应，一般表现为还原性（如图）。
（1）碳的还原性
碳有重要的用途，除了在氧气中燃烧利用其热能外，还能用于金属冶炼（如铜）、制取粗硅、生产水煤气等，完成上图转化关系中①～④的化学方程式。
①CO2＋C
2CO；
②SiO2＋2C
Si＋2CO↑；
③C＋H2O（g）
CO＋H2；
④2CuO＋C
2Cu＋CO2↑。
碳的还原性还表现为可将强氧化性浓硫酸、浓硝酸分别还原为SO2和NO2，本身被氧化为CO2。
（2）硅的化学性质不活泼，在常温下只能与氟气（F2）、氢氟酸（HF）、强碱反应，不能与氢气、氧气、氯气、硫酸、硝酸反应，加热时能与氧气、氯气反应。
完成上图转化关系中⑥～⑧的化学方程式。
⑥Si＋2Cl2
SiCl4；
⑦Si＋2F2===SiF4；
⑧Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
3．二氧化硅和二氧化碳的比较
物质
二氧化硅
二氧化碳
结构
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
反应
只与氢氟酸反应：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
不反应
与碱
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过量：
CO2＋NaOH===NaHCO3
与盐
反应
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
与碱
性氧化
物反应
如与CaO反应：
SiO2＋CaO
CaSiO3
如与Na2O反应：
Na2O＋CO2===Na2CO3
用途
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
②SiO2＋2C
Si＋2CO↑
③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
④Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑
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
答案 B
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
答案 B
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
答案 B
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
Si＋2CO↑；
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
CO2＋NaOH===NaHCO3
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
答案 B
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·3FeO·Fe2O3·8SiO2·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
答案 C
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·Al2O3·6SiO2。
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（ ）
（2014·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（ ）
（2015·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（ ）
（2015·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（ ）
（2013·广东理综，11C）
（9）硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中（ ）
（2012·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
答案 D
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
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为非极性分子，碳元素在周期表中的位置是________
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