高中化学碳及无机非金属材料.docx

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高中化学碳及无机非金属材料

碳及无机非金属材料

目标要求

　1.结合真实情景中的应用实例或通过实验探究，了解碳、硅及其重要化合物的主要性质，认识其在生产中的应用和对生态环境的影响。

2.结合实例认识碳、硅及其化合物性质的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化，认识物质及其转化在自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。

1．碳单质

存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为同素异形体。

2．氧化物（CO、CO2）的比较

CO

CO2

物理性质

无色无味气体密度比空气小

难溶于水

无色无味气体密度比空气大

可溶于水（溶解度小）

毒性

有毒（易结合血红蛋白）

无毒（温室效应）

化

学

性

质

还原性

可燃性还原氧化铁

无（灭火）

氧化性

①与炽热炭反应

②Mg在CO2中燃烧

与水反应

无

CO2＋H2OH2CO3

与碱反应

（石灰水）

无

Ca（OH）2＋CO2===CaCO3↓＋H2O（检验CO2）

相互转化

CO2

CO

用途

燃料冶炼金属

灭火　制汽水　植物肥料　化工原料等

3.碳酸（H2CO3）

弱酸、不稳定。

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．碳酸的正盐和酸式盐的比较

正盐（CO

）

酸式盐（HCO

）

溶解性

只有钾、钠、铵盐可溶

一般都可溶

热稳定性

正盐>酸式盐>碳酸

溶液pH

同浓度的：

正盐>酸式盐

相互转化

CO

HCO

问题思考

碳的重要化合物转化关系如下，

思考每步转化的试剂及条件，并用化学方程式表示标有序号的各步变化。

①________________________________________________________________________

②________________________________________________________________________

③________________________________________________________________________

④________________________________________________________________________

⑤________________________________________________________________________

⑥________________________________________________________________________

答案　①2C＋O2

2CO（氧气不足）

（或C＋CO2

2CO、2C＋SiO2

2CO↑＋Si）

②2CO＋O2

2CO2

（或CO＋CuO

Cu＋CO2）

③CO2＋C

2CO

④CO2＋2Mg

2MgO＋C

⑤CaCO3＋CO2＋H2O===Ca（HCO3）2

⑥Ca（HCO3）2

CaCO3＋CO2↑＋H2O

[或Ca（HCO3）2＋Ca（OH）2===2CaCO3↓＋2H2O]

（1）金刚石和石墨由相同的元素组成，因此它们具有相同的性质（　　）

（2）石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应（　　）

（3）向空气中排放二氧化碳会形成酸雨（　　）

（4）向CaCl2溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失（　　）

（5）氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）√

解析　（4）由于盐酸的酸性比碳酸的强，CO2与CaCl2溶液不反应。

1．平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了－20℃能发热4h的智能服饰；用铝合金管材和碳纤维制作了高2.35m、重量仅为10kg的熊猫木偶，向世界展现了新时代的中国形象。

下列说法中，不正确的是（　　）

A．石墨烯是能导热的金属材料

B．铝合金是密度较小的金属材料

C．碳纤维是耐低温的无机非金属材料

D．新型材料种类多、用途广

答案　A

2．溶洞和钟乳石是大自然的杰作。

溶洞和钟乳石的形成与自然界中碳及其化合物间的转化有着密切联系。

下列有关自然界中碳及其化合物间的转化的说法，不正确的是（　　）

A．溶洞是通过CaCO3与H2O、CO2作用生成可溶性的Ca（HCO3）2形成的

B．游客的参观不会对其造成影响

C．溶洞和钟乳石的形成过程中没有涉及氧化还原反应

D．钟乳石是在一定条件下可溶性的Ca（HCO3）2转化成CaCO3的结果

答案　B

3．科技的进步为二氧化碳资源化利用提供了广阔的前景。

下列说法错误的是（　　）

A．CO2是自然界碳循环中的重要物质

B．CO2加氢转化为乙烯，CO2被还原

C．CO2电催化时，在阳极转化为燃料

D．CO2与环氧丙烷可合成可降解塑料

答案　C

解析　含碳燃料燃烧以及动植物呼吸都会产生二氧化碳，植物光合作用消耗二氧化碳，所以CO2是自然界碳循环中的重要物质，故A正确；CO2加氢转化为乙烯，C的化合价降低，CO2得电子，被还原，故B正确；CO2中C为＋4价，只能发生得电子的还原反应，CO2在阴极得电子转化为燃料，阳极为失电子的氧化反应，故C错误；CO2与环氧丙烷发生加聚反应，可合成可降解塑料，故D正确。

4．碳和碳的氧化物是生活中的常见物质，回答下列问题：

（1）下列有关说法正确的是________（填字母）。

a．利用二氧化碳制造全降解塑料，可以减缓二氧化碳对环境的影响

b．金刚石、石墨、C60的化学性质相似，物理性质却有很大差异

c．木炭、一氧化碳在一定条件下都能还原氧化铜

d．大气中二氧化碳的消耗途径主要是绿色植物的光合作用

（2）吸烟对人体有害，燃着的香烟产生的烟气含有一种能与血液中的血红蛋白结合的有毒气体，它是________（填化学式）。

（3）影视舞台上经常看到云雾缭绕，使人如入仙境的景象，产生这一景象可用的物质是________（填物质俗称）。

（4）为减少二氧化碳对环境的影响，可将二氧化碳与氢气在300℃、200kPa和催化剂的条件下，反应生成一种清洁燃料甲醇（CH3OH）和水，其反应的化学方程式为________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）abcd　

（2）CO　（3）干冰　（4）CO2＋3H2

CH3OH＋H2O

1．硅及其化合物

硅元素在自然界中主要以二氧化硅和硅酸盐等化合态的形式存在于地壳中。

（1）单质硅

①晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。

②硅与强碱溶液生成氢气（特征反应）：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

③粗硅的工业制法：

SiO2＋2C

Si＋2CO↑，

当碳过量时，继续反应生成SiC：

3C＋SiO2（少量）

SiC＋2CO↑

（SiC的结构和性能与金刚石相似，属于原子晶体）。

（2）SiO2的性质

①晶体类型：

原子晶体。

②酸性氧化物：

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。

③高温下，Na2CO3与SiO2反应制玻璃：

Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑、

CaCO3＋SiO2

CaSiO3＋CO2↑。

④与氢氟酸反应（特殊）

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

（3）硅酸

①硅酸是难溶于水的弱酸。

②硅酸的制法：

Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。

（SiO2不溶于水，不能直接与水反应制备硅酸）

（4）硅酸盐的组成

硅酸盐种类繁多，结构复杂，组成各异，常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成，例如：

硅酸钠（Na2SiO3）：

Na2O·SiO2、长石（KAlSi3O8）：

K2O·Al2O3·6SiO2，硅酸钠的水溶液俗称水玻璃。

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。

问题思考

（1）工业上可用以下流程制取高纯硅，完成各步反应的化学方程式：

反应①：

________________________________________________________________________；

反应②：

________________________________________________________________________；

反应③：

________________________________________________________________________。

答案　SiO2＋2C

Si＋2CO↑

Si＋2Cl2

SiCl4

SiCl4＋2H2

Si＋4HCl

（2）能否依据反应Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑说明H2SiO3的酸性比H2CO3强？

答案　不能。

强酸＋弱酸盐===强酸盐＋弱酸，该规律仅适用于常温下水溶液中进行的反应，而该反应是在高温且熔融态下进行的，只能从化学平衡移动角度去解释反应发生的原因——CO2为气体，能及时分离出反应体系，使化学反应向右进行。

（1）硅在自然界中只以化合态的形式存在（　　）

（2）晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料（　　）

（3）Si和SiO2都可用于制造光导纤维（　　）

（4）非金属性：

C＞Si，则热稳定性：

CH4＞SiH4（　　）

（5）硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应（　　）

（6）SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱（NaOH），不溶于任何酸（　　）

（7）玻璃是一种晶体，有较高的熔点（　　）

（8）水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）×　（6）×　（7）×　（8）×

解析　（3）Si可用于制造半导体，SiO2用于制造光导纤维。

（6）SiO2可溶于氢氟酸：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

（7）玻璃是非晶体，没有固定的熔点。

（8）水玻璃是Na2SiO3的水溶液，泡花碱属于盐。

题组一　硅　无机非金属材料的性质及应用

1．“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。

玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是（　　）

A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品

B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英

C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高

D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐

答案　C

解析　陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B项错误；硅酸盐制品性质稳定、熔点高，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。

2．下列关于硅的说法不正确的是（　　）

A．硅是非金属元素，它的单质是灰黑色有金属光泽的固体

B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料

C．用二氧化硅制取单质硅的反应中硅元素被氧化

D．加热到一定温度时，硅能与氢气、氧气等非金属单质发生反应

答案　C

3．下列关于二氧化硅的说法正确的是（　　）

A．二氧化硅是酸性氧化物，因此能与水反应生成硅酸

B．二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆

C．二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应

D．用二氧化硅制取单质硅时，当生成2.24L气体（标准状况）时，得到2.8g硅

答案　C

解析　二氧化硅是酸性氧化物，但是二氧化硅不溶于水，与水不反应，故A错误；二氧化硅制成的光导纤维，由于其良好的光学特性而被用于制造光缆，故B错误；碳酸的酸性强于硅酸，二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但在高温时，二氧化硅能够与碳酸钠固体反应生成硅酸钠和二氧化碳，故C正确；由方程式SiO2＋2C

Si＋2CO↑，可知当生成2.24L（标准状况）即0.1mol气体时，得到0.05mol即1.4g硅，故D错误。

4．下列说法不正确的是（　　）

A．SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃

B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶

C．氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，化学式为Si3N4

D．石英是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能

答案　D

解析　氢氟酸与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，故HF可用于刻蚀玻璃，故A正确；盐酸的酸性强于硅酸，所以向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸可制备硅酸凝胶，故B正确；根据N的非金属性强于Si及化合物中正负化合价的代数和为0的原则，得氮化硅的化学式为Si3N4，故C正确；晶体硅是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能，而不是二氧化硅，故D错误。

题组二　工业上制取高纯硅

5．硅单质及其化合物应用范围很广。

请回答下列问题：

（1）制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。

三氯甲硅烷（SiHCl3）还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：

①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式：

_____________________________

________________________________________________________________________。

②整个制备过程必须严格控制无水无氧。

SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出并配平该反应的化学方程式：

__________________________________________；

H2还原SiHCl3过程中若混有O2，可能引起的后果是

________________________________________________________________________。

（2）化学研究性学习小组在探究硅的制取方法时，从资料中查阅到下列信息：

Ⅰ.Mg在高温条件下可与SiO2反应；

Ⅱ.金属硅化物与稀H2SO4反应生成硫酸盐和SiH4；

Ⅲ.SiH4在空气中自燃。

他们根据信息进行实验，当用足量稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物时，发现有爆鸣声和火花；然后过滤、洗涤、干燥；最后称量、计算，测得其产率只有预期值的63%左右。

①第Ⅰ步实验发生反应的化学方程式是________________________________________

________________________________________________________________________。

②用稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物时，产生爆鸣声和火花的原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）①SiHCl3＋H2

Si＋3HCl

②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl　高温条件下，H2遇O2发生爆炸

（2）①2Mg＋SiO2

2MgO＋Si、2Mg＋Si

Mg2Si

②硅化镁与稀硫酸反应生成的SiH4可自燃，即发生反应Mg2Si＋2H2SO4===2MgSO4＋SiH4↑，SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O

解析　

（2）类似于镁和二氧化碳的反应，可生成单质硅和氧化镁；在高温条件下，硅还能继续与活泼金属镁化合，产生爆鸣声和火花，说明生成气体，应为SiH4。

1．陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。

下列说法错误的是（　　）

A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁

B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成

C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐

D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点

答案　A

解析　“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关，而氧化铁显红棕色，A项错误；秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成，B项正确；陶瓷以黏土为原料，经高温烧制而成，属于人造材料，主要成分是硅酸盐，C项正确；陶瓷主要成分是硅酸盐，硅酸盐中硅元素化合价处于最高价，化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点，D项正确。

2．化学与生活密切相关。

下列叙述错误的是（　　）

A．高纯硅可用于制作光感电池（2019·全国卷Ⅲ，7A）

B．活性炭具有除异味和杀菌作用（2019·全国卷Ⅲ，7C）

C．无水CoCl2呈蓝色，吸水会变为粉红色，可用于判断变色硅胶是否吸水（2019·天津，3D）

D．天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅（2019·浙江4月选考，8C）

答案　B

3．下列说法正确的是（　　）

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

B．SiO2具有导电性，可用于制作光导纤维和光电池（2018·海南，5B）

C．12g金刚石中含有化学键的数目为4NA（2018·海南，9A）

D．SiO2熔点高硬度大，可用于制光导纤维（2018·江苏，3B）

答案　A

解析　工业上以黏土为原料烧制瓷器，A项正确；二氧化硅对光具有良好的全反射作用，故用于制作光导纤维，而Si为半导体材料，可作光电材料，B项错误；在金刚石中，1个C原子参与形成4个C—C键，则平均每个C原子形成4×

＝2个C—C键，n（金刚石）＝

＝1mol，所以12g金刚石中含有2NA个化学键，C项错误；SiO2作光导纤维是由于SiO2具有光学性质，与熔点和硬度无关，D项错误。

4．下列有关硅及其化合物的叙述错误的是（　　）

A．SO2通入Na2SiO3溶液产生胶状沉淀，证明酸性H2SO3>H2SiO3（2017·北京，10D）

B．可用磨口玻璃瓶保存NaOH溶液（2015·海南，7B）

C．HF能与SiO2反应，可用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记（2016·全国卷Ⅲ，7D）

D．石英砂可用于生产单晶硅（2016·海南，4C）

答案　B

解析　A项，依据强酸制弱酸原理判断；B项，NaOH与玻璃中的SiO2会发生反应2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O，产生的Na2SiO3有黏合性，会将玻璃瓶与玻璃塞黏在一起，因此不能使用玻璃塞，要用橡胶塞，错误。

5．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__________、__________________________________。

答案　

（1）氢氟酸（HF）　SiO2＋4Mg

2MgO＋Mg2Si

（2）Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑　

（3）非极性键　极性键

解析　根据题意，单质Z为半导体，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，分子结构与甲烷相似，则Y的分子式是SiH4，加热分解可得到Si单质。

一、选择题：

每小题只有一个选项符合题意。

1．碳循环（如图）对人类生存、发展有着重要的意义。

下列说法错误的是（　　）

A．碳是构成有机物的主要元素

B．光合作用是将太阳能转化为化学能的过程

C．化石燃料的大量燃烧是产生温室效应的原因之一

D．石油的年产量是一个国家石油化工发展水平的标志

答案　D

2．宋代五大名窑分别为：

钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。

其中钧窑以“入窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。

下列关于陶瓷的说法不正确的是（　　）

A．窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化

B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料

C．高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物

D．陶瓷属于硅酸盐材料，耐酸碱腐蚀，但是不能用来盛装氢氟酸

答案　C

解析　不同的金属氧化物颜色可能不同，在高温下，釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化称为窑变，故A正确；瓷器是由黏土烧结而成，瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅，是混合物，故C错误；HF能与二氧化硅反应，陶瓷的成分是硅酸盐和二氧化硅，所以陶瓷不能用来盛装氢氟酸，故D正确。

3．硅及其化合物的应用范围很广。

下列说法正确的是（　　）

A．硅是人类将太阳能转化为电能的常用材料

B．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应

C．石英玻璃和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品

D．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅

答案　A

解析　硅是人类将太阳能转化为电能的常用材料，A项正确；粗硅制备单晶硅的过程：

粗硅首先与氯气发生氧化还原反应生成四氯化硅，四氯化硅再与氢气发生氧化还原反应生成纯硅，B项错误；石英玻璃不是硅酸盐制品，是二氧化硅制品，C项错误；盐酸不与硅反应，D项错误。

4．常温下，下列各组物质不发生反应的是（　　）

①硅与NaOH溶液　②硅与盐酸　③硅与氢氟酸　④二氧化硅与碳酸钠　⑤二氧化硅与NaOH溶液　⑥二氧化硅与浓硝酸

A．①②④B．③④⑥

C．②⑤⑥D．②④⑥

答案　D

解析　常温下，能发生反应①Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑，③Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑，⑤SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。

5．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