第四章第一讲碳硅和无机非金属材料.docx
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第四章第一讲碳硅和无机非金属材料
第一讲 碳、硅及无机非金属材料
[2017高考导航]
考纲要求
真题统计
命题趋势
1.了解碳、硅单质及其重要化合物的主要性质及应用。
2．了解碳、硅单质及其重要化合物对环境质量的影响。
3．以新材料、新技术为背景考查碳、硅元素及其重要化合物的性质及应用。
2015，卷Ⅰ26T；
2015，卷Ⅱ7T（A）、13T（D）；
2014，卷Ⅱ7T（AD）、9T（B）、10T（C）
高考对本部分的考查主要以碳、硅单质及其重要化合物的性质、应用为主，题型延续选择题或非选择题的形式，中等难度。
预计2017年高考将以碳族元素新型材料为主线考查相关知识，也可能以实验设计为中心来命题，复习备考时注重Si、SiO2的用途。
考点一 碳、硅单质及其重要化合物的性质[学生用书P78]
一、碳、硅的单质
1．存在：
自然界中碳元素既有游离态，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．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
3.碳、硅单质的化学性质
碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。
碳
硅
二、碳、硅的氧化物
1．CO的性质
（1）物理性质：
无色无味的气体，难溶于水。
能使人中毒的原因是与人体中血红蛋白相结合，因缺氧而中毒。
（2）化学性质
①可燃性：
2CO＋O2
2CO2。
②还原性：
CO还原Fe2O3的反应为Fe2O3＋3CO
2Fe＋3CO2。
2．二氧化碳与二氧化硅的比较
（1）物理性质
①熔沸点：
CO2的熔沸点比SiO2的熔沸点低。
②溶解性：
CO2可溶于水，SiO2不溶于水。
（2）化学性质
物质
二氧化碳
二氧化硅
化学性质
与水反应
CO2＋H2O
H2CO3
不反应
与酸反应
不反应
氢氟酸用于刻蚀玻璃：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
与碱反应
（如NaOH）
CO2＋2NaOH===
Na2CO3＋H2O或CO2
＋NaOH===NaHCO3
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（盛碱液的试剂瓶不能用玻璃塞）
与盐反应
（如Na2CO3）
CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3
SiO2＋Na2CO3
Na2SiO3＋CO2↑
与碱性氧
化物反应
与Na2O反应：
CO2＋Na2O===Na2CO3
与CaO反应：
SiO2＋CaO
CaSiO3
与碳反应
C＋CO2
2CO
2C＋SiO2
Si＋2CO↑
（3）主要用途
CO2：
化工原料、灭火剂。
干冰用作制冷剂，人工降雨。
SiO2：
制光学仪器、石英玻璃。
水晶可制作饰品，常用来制造通讯材料光导纤维。
三、硅酸和硅酸钠
1．硅酸
硅酸不溶于水，其酸性比碳酸弱，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：
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（或泡花碱），有黏性，水溶液显碱性。
（2）它能与酸性较硅酸强的酸反应，Na2SiO3溶液与下列两种物质反应的化学方程式分别为
与盐酸反应：
Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
与CO2（少量）反应：
Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。
（3）用途：
黏合剂（矿物胶），耐火阻燃材料。
1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）
（1）（2015·高考安徽卷）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。
（ ）
（2）SiO2可由两种单质直接反应生成，将其加入Ba（HCO3）2溶液中同时有气体和沉淀产生。
（ ）
（3）硅是非金属元素，晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体。
（ ）
（4）硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。
（ ）
（5）硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应。
（ ）
（6）加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应。
（ ）
（7）碳的几种同素异形体性质不同的原因主要是由于其结构不同。
（ ）
（8）工业上制取粗硅的反应是SiO2＋C
Si＋CO2↑。
（ ）
答案：
（1）×
（2）× （3）√ （4）√ （5）× （6）√
（7）√ （8）×
2．用短线连接碳、硅单质的物理性质和用途
答案：
（1）—③
（2）—① （3）—⑤ （4）—② （5）—④
3．指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在A～E选项中选择正确答案填入横线上。
（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O__________。
（2）SiO2＋Na2CO3高温,Na2SiO3＋CO2↑__________。
（3）SiO2＋2C高温,Si＋2CO↑__________。
（4）SiO2＋3C高温,SiC＋2CO↑__________。
（5）SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O__________。
A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀
B．具有氧化性
C．酸性氧化物的通性
D．将挥发性的酸酐从其盐中置换出来
E．氧化还原反应中既不作氧化剂，也不作还原剂
答案：
（1）C
（2）D （3）B （4）E （5）A
名师点拨
（1）Si的还原性强于C，但C在高温下能还原SiO2生成Si，且氧化产物为CO：
2C＋SiO2
Si＋2CO↑，其原因是产物CO为气体，离开反应体系，促使反应向正反应方向进行。
（2）非金属单质跟碱溶液作用一般无H2产生，但Si能跟碱液作用放出H2，如Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
（3）CO2是温室气体，但CO2不是污染性气体。
（4）酸性氧化物一般和水反应生成相应的酸，SiO2虽然是H2SiO3的酸酐，但它不与水反应，不能直接与水作用制备H2SiO3。
（2016·最新改编题）将一定量的CO2气体缓慢通入400mL0.5mol·L－1KOH溶液中，充分反应后，在减压低温下蒸发溶液得到16.9g白色固体，请通过计算确定此白色固体的组成，其质量分别为多少？
通入CO2气体的体积在标准状况下是多少升？
[解析] 根据题意：
400mL0.5mol·L－1KOH溶液含KOH的物质的量为0.20mol，若生成的固体全部为K2CO3，则其质量为0.10mol×138g·mol－1＝13.8g，若生成的固体全部为KHCO3，则其质量为0.2mol×100g·mol－1＝20g。
现固体质量为16.9g。
所以，此固体为K2CO3和KHCO3的混合物，设K2CO3和KHCO3的物质的量分别为amol、bmol，则有：
解得：
a＝0.05，b＝0.10，所以，白色固体中m（K2CO3）＝0.05mol×138g·mol－1＝6.9g；m（KHCO3）＝0.1mol×100g·mol－1＝10g，反应中消耗n（CO2）＝amol＋bmol＝0.15mol。
故V（CO2）＝0.15mol×22.4L·mol－1＝3.36L。
[答案] 白色固体为K2CO3和KHCO3的混合物。
质量分别为K2CO36.9g和KHCO310g。
通入CO2气体的体积在标准状况下为3.36L。
（计算过程见解析）
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∶1 B．1∶2
C．2∶1D．1∶3
解析：
选B。
n（CO2）＝
＝0.15mol，
n（NaOH）＝0.2L×1.00mol·L－1＝0.2mol，
由于1<
<2，故二者完全反应生成含Na2CO3和NaHCO3的混合溶液。
设n（Na2CO3）＝x，n（NaHCO3）＝y
则有
解得x＝0.05mol，y＝0.1mol。
CO2与碱反应产物的定量判断
CO2通入NaOH、Ca（OH）2等强碱溶液的反应产物与CO2气体的通入量有关，当通入少量CO2时生成碳酸盐，当通入过量CO2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，将CO2通入NaOH溶液中，可能发生的反应为
①CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O；
②CO2＋NaOH===NaHCO3。
当n（OH－）∶n（CO2）的值不同时产物如下：
题组一 碳、硅单质及其重要化合物的性质
1．（2016·湖北八市联考）下列与化学有关的表述正确的是（ ）
A．硅燃烧放出的热量多，污染小，便于运输、贮存，可作为一种新型能源
B．光导纤维可用作通信材料是因为其具有导电性
C．高纯度的单晶硅用于制造登月车的光电池和光导纤维
D．水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品
解析：
选A。
硅为固体燃料，燃烧生成二氧化硅固体，其污染容易得到有效控制，硅的化学性质不活泼，运输、贮存比较容易，A正确；光导纤维的主要成分是二氧化硅，是光通信的传输材料，在玻璃纤维中传导的不是电信号，而是光信号，故称其为光导纤维，B错误；高纯度的单晶硅用于制造登月车的光电池，但是制造光导纤维的材料是二氧化硅，C错误；水晶项链是二氧化硅制品，餐桌上的瓷盘是硅酸盐制品，D错误。
2．（2016·厦门十中月考）某同学为了验证碳和硅两种元素非金属性的相对强弱，用下图所示装置进行实验（夹持仪器已略去，气密性已检验）。
实验操作步骤：
Ⅰ.打开弹簧夹1，关闭弹簧夹2，并打开活塞a，滴加盐酸。
Ⅱ.A中看到白色沉淀时，…，关闭活塞a。
请回答：
（1）B中反应的离子方程式是________________________________________________________________________。
（2）通过步骤Ⅰ、Ⅱ得知盐酸具有的性质是__________（填字母）。
A．挥发性B．还原性
C．氧化性D．酸性
（3）C装置的作用是________，X是________（写化学式）。
（4）为了验证碳的非金属性强于硅，步骤Ⅱ中未写的操作和现象是_______________________，
D中反应的化学方程式是____________________________________。
（5）碳、硅的非金属性逐渐减弱的原因是_________________（从原子结构角度加以解释）。
解析：
B中CaCO3与盐酸反应的离子方程式为CaCO3＋2H＋===Ca2＋＋CO2↑＋H2O，此反应表明盐酸具有酸性，A中看到的白色沉淀是AgCl沉淀，此现象表明盐酸具有挥发性。
C装置是用饱和NaHCO3溶液除去CO2中混有的HCl气体，以保证与Na2SiO3溶液反应生成白色胶状沉淀的是CO2，此反应的化学方程式为CO2＋Na2SiO3＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3（也可生成NaHCO3），从而说明碳酸的酸性强于硅酸，进而证明碳的非金属性强于硅。
答案：
（1）CaCO3＋2H＋===Ca2＋＋CO2↑＋H2O
（2）AD （3）除HCl气体 NaHCO3
（4）打开弹簧夹2，关闭弹簧夹1，当D中出现白色胶状沉淀后 Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3（答案合理即可）
（5）碳和硅位于同一主族，从上到下，原子半径逐渐增大，得电子的能力减弱，非金属性减弱
题组二 SiO2和CO2的性质
3．下列说法正确的是（ ）
①二氧化硅是酸性氧化物，它可以跟碱反应，但不能与任何酸反应 ②根据反应SiO2＋CaCO3
CaSiO3＋CO2↑可推知硅酸酸性比碳酸强 ③二氧化碳通入硅酸钠溶液中可以制得硅酸 ④二氧化硅常被用来制造光导纤维
A．①② B．②③
C．③④D．①④
解析：
选C。
①SiO2能与氢氟酸反应，②高温条件下反应并不能说明硅酸的酸性比碳酸的酸性强。
4．将足量CO2通入KOH和Ca（OH）2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量（n）和通入CO2体积（V）的关系正确的是（ ）
解析：
选D。
CO2＋2OH－===CO
＋H2O，Ca2＋＋CO
===CaCO3↓，故开始有沉淀生成。
当Ca2＋全部变成CaCO3沉淀后，CO2与OH－反应生成CO
，CO2再与CO
反应生成HCO
，沉淀无变化，最后CaCO3＋CO2＋H2O===Ca（HCO3）2，沉淀溶解。
（1）SiO2既能与酸（氢氟酸）反应又能与NaOH溶液反应，但SiO2不是两性氧化物。
它属于酸性氧化物。
（2）验证碳和硅非金属性强弱应是比较其最高价氧化物对应水化物的酸性强弱。
（3）非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但Si却能与HF反应。
（4）当有多种组分与一种物质反应时，判断反应顺序的方法：
先假设与其中的一种组分反应，若产物还能与另一种组分反应，则假设错误。
例如：
将CO2通入KOH、Ba（OH）2混合溶液中，假设CO2先与KOH反应，则生成的K2CO3会与Ba（OH）2继续反应生成BaCO3，故假设错误，所以应该是CO2先与Ba（OH）2反应。
考点二 硅酸盐及无机非金属材料[学生用书P81]
1．硅酸盐
（1）由硅、氧和金属元素组成化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
（2）硅酸钠：
Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓。
（3）硅酸盐组成的表示
通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成，如硅酸钠（Na2SiO3）可表示为Na2O·SiO2，钾长石（KAlSi3O8）可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。
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高温,Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2高温,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。
1．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）
（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H2SiO3的酸性比H2CO3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）高温结构陶瓷材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点。
（ ）
（7）传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐。
（ ）
答案：
（1）×
（2）× （3）× （4）√ （5）√ （6）√ （7）×
2．世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：
“中国至少在距今3000年以前，就已经使用玻璃了。
”下列有关玻璃的说法不正确的是（ ）
A．制普通玻璃的原料主要是石灰石和黏土
B．玻璃在加热熔化时没有固定的熔点
C．普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅
D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起
解析：
选A。
制普通玻璃的原料主要有石灰石、纯碱和石英，A项不正确；普通玻璃是混合物，没有固定的熔点，B、C、D项正确。
名师点拨
（1）不要混淆硅和二氧化硅的用途：
用作半导体材料的是晶体硅而不是SiO2，用于制作光导纤维的是SiO2而不是硅。
（2）不要混淆常见含硅物质的类别
①计算机芯片的成分是晶体硅而不是SiO2。
②水晶、石英、玛瑙等主要成分是SiO2，而不是硅酸盐。
③光导纤维的主要成分是SiO2，也不属于硅酸盐材料。
④传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃主要成分是硅酸盐。
（2016·天津高三模拟）晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下：
①高温下用炭还原二氧化硅制得粗硅；
②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：
Si＋3HCl300℃,SiHCl3＋H2；
③SiHCl3与过量H2在1000～1100℃反应制得纯硅。
已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。
请回答下列问题：
（1）第①步制备粗硅的化学方程式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3（沸点33.0℃）中含有少量SiCl4（沸点57.6℃）和HCl（沸点－84.7℃），提纯SiHCl3采用的方法为________________________________________________________________________。
（3）用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下（热源及夹持装置略去）:
①装置B中的试剂是________________。
装置C中的烧瓶需要加热，其目的是________________________________________________________________________。
②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是________________，装置D不能采用普通玻璃管的原因是________________________，装置D中发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂是________（填写字母代号）。
a．碘水 b．氯水 c．NaOH溶液 d．KSCN溶液
e．Na2SO3溶液
[解析] 高纯硅的制备是以初步冶炼得到的粗硅为原料，在加热条件下与氯化氢气体反应，制成气态化合物SiHCl3，与杂质分离，然后在高温条件下用氢气还原，重新得到硅和氯化氢气体，这样就去掉杂质，得到高纯硅。
（1）工业上制粗硅时，是以SiO2为原料，在高温下用C还原SiO2得到粗硅：
SiO2＋2C高温,Si＋2CO↑，这样得到的硅含有杂质，可以作为冶炼制取高纯硅的原料。
（2）由题给物质沸点的不同，可以考虑用分馏的方法来进行分离。
（3）由于SiHCl3遇水强烈反应，所以反应环境必须无水，制得的氢气必须干燥，B中放的是干燥剂（浓硫酸），常温下，SiHCl3呈液态，为了增大两者的接触面积，可以通过加热的方法使SiHCl3汽化。
D装置用石英管而不用普通玻璃管的目的是两者反应需要高温，温度太高，普通玻璃管会软化。
SiHCl3在空气中会自燃，必须排尽装置中的空气。
铁元素的检验是利用Fe3＋遇KSCN溶液变红色。
所以鉴定产品硅中是否含微量铁单质，试样用稀盐酸溶解后，还需要的试剂是氯水和KSCN溶液。
[答案]
（1）SiO2＋2C
Si＋2CO↑
（2）分馏（或蒸馏）
（3）①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
②有固体物质生成 在反应温度下，普通玻璃管会软化
SiHCl3＋H2
Si＋3HCl ③排尽装置中的空气 ④bd
（2015·高考海南卷）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的化学反应方程式为________________________，Y分子的电子式为________。
（3）Z、X中共价键的类型分别是________________。
解析：
Z为半导体单质，则Z是Si；Si的氧化物为SiO2（X），可与氢氟酸反应。
根据反应流程图可知，SiO2与Mg在加热条件下反应生成Mg2Si，Mg2Si与盐酸反应生成的Y为氢化物，则Y的分子式是SiH4，加热分解可得到Si单质。
答案：
（1）氢氟酸 SiO2＋4Mg
2MgO＋Mg2Si
（2）Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑ H
S
H
（3）非极性（共价）键、极性（共价）键
实验题中隐含信息的筛选
要重视实验题中的信息条件，如若指明某物质“与水强烈反应”或“在潮湿空气中即水解”等特性，则意味着制取该物质或收集它的前后装置中必须隔绝水蒸气；若题中给出多个物质的沸点，则意味着要用分馏法分离它们；若给出几个离子开始水解和完全水解时的pH，则意味着要通过调节溶液pH来分离它们。
题组一 硅酸、硅酸盐
1．下列有关硅及其化合物的说法中正确的是（ ）
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＋SiO2
Na2SiO3＋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
答案：
D
2．随着我国“嫦娥三号”的成功着陆及“玉兔号”月球车开始工作，可以获取大量月球物质并进行成分分析，月球上的主要矿物有辉石（CaMgSi2O6）、钾长石（KAlSi3O8）和橄榄石[（Mg，Fe）2SiO4]等，下列说法
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