高中化学碳硅知识.docx

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高中化学碳硅知识

碳、硅及其化合物

教学目标：

1．了解碳元素、硅元素的单质的主要性质及应用。

2.了解碳元素、硅元素的重要化合物的主要性质及应用。

3.了解碳元素、硅元素的单质及其重要化合物对环境质量的影响。

教学重难点：

了解碳元素、硅元素的重要化合物的主要性质及应用

教学过程：

考点一　碳、硅及其重要化合物的性质

1．碳、硅元素的存在形态

（1）碳元素在自然界中既有游离态又有化合态。

碳的同素异形体有金刚石、石墨、无定形碳、C60等。

（2）硅元素在地壳中的含量占第二位，仅次于氧元素，全部以化合态存在，是一种亲氧元素，单质硅有晶体和无定形两种。

2．碳、硅单质的结构、物理性质与用途的比较

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

金刚石用于制造切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯

晶体硅用作半导体材料，制造硅芯片和硅太阳能电池

3.碳、硅单质的化学性质

（1）碳

（2）硅

①与F2反应：

Si＋2F2===SiF4。

②与氢氟酸反应：

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。

③与NaOH溶液反应：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

④与O2反应：

Si＋O2SiO2。

⑤与Cl2反应：

Si＋2Cl2SiCl4。

硅的工业制法

碳、硅单质的特殊性

1．一般情况下，非金属元素的单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。

2．一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。

3．Si的还原性大于C，但C在高温下能还原出Si：

SiO2＋2CSi＋2CO↑。

4．非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

5．非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能与HF反应：

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。

6．一般情况下，金属（Na、K）能置换出水中的氢，但C在高温下也能置换出H2O中的氢：

C＋H2O（g）H2＋CO。

物质

二氧化硅

二氧化碳

结构

空间立体网状结构，不存在单个分子

存在单个分子

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

①与水

反应

不反应

CO2＋H2OH2CO3

②与酸

反应

只与氢氟酸反应：

SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

不反应

③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

④与盐

反应

如与Na2CO3反应：

SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑

如与Na2SiO3反应：

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

⑤与碱

性氧化

物反应

如与CaO反应：

SiO2＋CaOCaSiO3

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

碳、硅单质的特殊性

1．一般情况下，非金属元素的单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。

2．一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。

3．Si的还原性大于C，但C在高温下能还原出Si：

SiO2＋2CSi＋2CO↑。

4．非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

5．非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能与HF反应：

Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。

6．一般情况下，金属（Na、K）能置换出水中的氢，但C在高温下也能置换出H2O中的氢：

C＋H2O（g）H2＋CO。

1．判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”

（1）用活性炭去除冰箱中的异味，没有发生化学反应（　　）

（2）大量燃烧化石燃料是造成雾霾的一种重要原因（　　）

（3）硅胶可作袋装食品的干燥剂（　　）

（4）金刚石、白磷都属于单质（　　）

（5）由于晶体硅熔点高硬度大，则可用于制作半导体材料（　　）

（6）甲乙丙，若甲为焦炭，则丁可能是O2（　　）

（7）SiO2可与HF反应，因而氢氟酸不能保存在玻璃瓶中（　　）

（8）高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅（　　）

（9）单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料（　　）

（10）合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料（　　）

（11）SiO2有导电性，所以SiO2可用于制备光导纤维（　　）

（12）（12）硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中（　　）

答案　

（1）√　

（2）√　（3）√　（4）√　（5）×　（6）√　（7）√　（8）√　（9）√　（10）×　　（11）×　（12）×

题组1　碳、硅单质的性质

1．下列关于碳和硅的叙述中，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

2．下列物质间的转化不能通过一步反应完成的是（　　）。

A．SiO2―→Si　B．CO2―→C

C．SiO2―→H2SiO3　D．Si―→Na2SiO3

题组2　碳、硅氧化物的性质

3．下列说法正确的是（　　）。

A．反应：

SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，说明H2SiO3的酸性大于H2CO3的酸性

B．可在试管内完成焦炭和石英砂（SiO2）制取硅的反应

C．二氧化硅是生产光导纤维、玻璃的基本原料

D．CO2、CH4、N2是温室气体

4．向含有0.2molNaOH和0.1molBa（OH）2的溶液中持续稳定地通入CO2气体，当通入气体为8.96L（0℃，1.01×105Pa）时立即停止，则这一过程中，溶液中离子的物质的量与通入CO2气体的体积关系图像正确的是（气体的溶解和离子的水解忽略不计）（　　）。

BCCC

考点二　硅酸盐及无机非金属材料

1．硅酸

硅酸难溶于水，其酸性比碳酸弱，硅酸不能（填“能”或“不能”）使紫色石蕊试液变红色。

（1）硅酸不稳定，受热易分解，其化学方程式为：

H2SiO3SiO2＋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，硅胶有很强的吸水能力，常用作干燥剂。

2．硅酸盐

（1）概念：

由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。

（2）表示方法：

硅酸盐矿物的成分复杂，常用氧化物的形式表示它们的组成，如硅酸钠（Na2SiO3）写成Na2O·SiO2，钾云母（KH2Al3Si3O12）写成K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O。

（3）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它能与较强的酸反应，如与盐酸反应的化学方程式为：

Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓；与CO2水溶液反应的化学方程式为：

Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。

③用途：

黏合剂（矿物胶），耐火阻燃材料。

3．无机非金属材料

（1）传统无机非金属材料

①三种硅酸盐工业生产的比较：

水泥

玻璃

陶瓷

生产原料

石灰石、黏土

纯碱、石灰石和石英

黏土

主要设备

水泥回转窑

玻璃窑

陶瓷窑

主要成分

3CaO·SiO2

2CaO·SiO2

3CaO·Al2O3

Na2SiO3

CaSiO3

SiO2

硅酸盐

生产条件

高温

②主要用途：

陶瓷、玻璃、水泥是主要建筑材料，也广泛应用于生活中。

（2）新型无机非金属材料

①高温结构陶瓷：

如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学侵蚀性和电绝缘性等。

②生物陶瓷：

对机体无排异反应，不会引起代谢作用异常。

③压电陶瓷：

具有压电效应。

2．判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”。

（1）玻璃是一种晶体，有较高的熔点。

（　　）

（2）水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱。

（　　）

（3）向一定浓度的Na2SiO3溶液中通入适量CO2出现白色沉淀，证明H2CO3的酸性比H2SiO3的酸性强。

（　　）

（4）传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料（　　）

（5）新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的许多缺点（　　）

（6）高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点（　　）

（7）水泥、玻璃、青花瓷、水晶、玛瑙都属于硅酸盐工业产品（　　）

（8）2MgO·SiO2中的酸根阴离子为SiO（　　）

答案　

（1）×　

（2）×　（3）√　（4）√　（5）√　（6）√　（7）×　（8）×

[示向题组]

1．（2014·济南联考）下列有关硅及硅酸盐材料的说法正确的是（　　）。

A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中

B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都能发生

C．普通玻璃、石英玻璃，水泥等均属于硅酸盐材料

D．祖母绿的主要成分为Be3Al2Si6O18，用氧化物形式表示为3BeO·Al2O3·6SiO2

2．（2014·郑州一模）材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是（　　）。

材料

主要化学成分

刚玉、金刚石

三氧化二铝

大理石、石灰石

碳酸钙

普通水泥、普通玻璃

硅酸盐

沙子、石英

二氧化硅

3．下列物质性质与用途对应关系正确的是（　　）。

性质

用途

硅酸钠化学性质稳定

用作木材防火剂

硅胶具有吸附水分的能力

硅用作半导体材料

二氧化硅硬度大、熔点高

用氢氟酸在玻璃上刻花纹

焦炭具有可燃性

焦炭还原二氧化硅冶炼粗硅

4．（2013·海南卷，20－Ⅱ）硅在地壳中的含量较高。

硅及其化合物的开发由来已久，在现代生活中有广泛应用。

回答下列问题：

（1）1810年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、木炭和铁时，得到一种“金属”。

这种“金属”可能是________。

（2）陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。

其中，生产普通玻璃的主要原料有________。

（3）高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。

工业上提纯硅有多种路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下：

发生的主要反应

电弧炉

SiO2＋2CSi＋2CO↑

流化床反应器

Si＋3HCSiHCl3＋H2

还原炉

SiHCl3＋H2Si＋3HCl

①用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅，该反应的化学方程式为____________________；碳化硅又称________，其晶体结构与________相似。

②在流化床反应的产物中，SiHCl3大约占85%，还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等，有关物质的沸点数据如下表，提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和________________________________________________________________________。

物质

SiCl4

SiHCl3

SiH2Cl2

SiH3Cl

HCl

SiH4

沸点/℃

2355

57.6

31.8

8.2

－30.4

－84.9

－111.9

③SiHCl3极易水解，其完全水解的产物为____________。

（4）氯碱工业可为上述工艺生产提供部分原料，这些原料是____________。

5．（2014·济南四校期中联考）单晶硅是信息产业中重要的基础材料。

通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅（含铁、铝、硼、磷等杂质），粗硅与氯气反应生成四氯化硅（反应温度450～500℃），四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。

以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。