学案41 碳硅及无机非金属材料.docx

1、学案41 碳硅及无机非金属材料第1节碳、硅及无机非金属材料明考纲1了解碳、硅的原子结构、认识硅在自然界的存在形式。2了解碳、硅及其重要化合物的主要性质。3了解硅酸盐产品及其在生产生活中的用途。析考情高考对本节内容的考查点有三个：一是以新材料、新技术为背景考查C、Si及其重要化合物的性质及应用；二是以推断题考查C、Si及其化合物之间的转化关系；三是以硅、硅酸的制备为载体，考查实验探究能力。特别注意，Si、SiO2在现代科技中的用途经常以选择题形式出现，已成为高考考查热点。考点碳、硅单质的性质及用途1碳单质的存在、性质和用途种类主要有金刚石、石墨、C60或富勒烯等结构金刚石：正四面体空间网状结构石

2、墨：平面正六边形层状结构物理性质金刚石：熔点高，硬度大，不导电石墨：熔点高，质软，有滑腻感，能导电化学性质与O2反应O2充足时：CO2CO2O2不足时：2CO22CO与氧化物反应CuO：2CuOC2CuCO2(冶炼金属)SiO2：SiO22CSi2CO(制取粗硅)H2O：CH2O(g)COH2(制取水煤气)与强氧化性酸反应浓H2SO4：C2H2SO4(浓)CO22SO22H2O浓HNO3：C4HNO3(浓)CO24NO22H2O用途金刚石：用作切削刀具、装饰品等石墨：作电极、高温润滑剂、铅笔芯等2硅单质的存在、性质和制备(1)结构及物理性质 (2)化学性质硅的化学性质不活泼，常温下不能被浓硫酸

3、、浓硝酸等强氧化剂氧化，只能与F2、氢氟酸、强碱溶液反应；在加热条件下，能与O2、Cl2等少数非金属单质化合。写出下列相关反应的化学方程式： (3)工业制备反应原理：制粗硅SiO22CSi2CO粗硅的提纯Si2Cl2SiCl4、SiCl42H2Si4HCl易错警示(1)用石英砂和焦炭制备粗硅的反应必须要隔绝空气在电炉中进行，得到的氧化产物是CO而不是CO2。(2)硅与碱溶液反应时，硅为还原剂，H2O为氧化剂。判断正误，正确的画“”，错误的画“”。(1)碳和硅两种元素共有两种单质。()(2)12C、13C、14C是碳的三种同素异形体。()(3)硅单质广泛存在于自然界中，天然存在的单质硅叫硅石。(

4、)(4)常温下，硅很稳定，不能跟酸、碱溶液反应。()(5)硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。()(6)C60属于原子晶体，熔点高，硬度大。()提示(1)(2)(3)(4)(5)(6)题组一 碳、硅的性质及用途1.2015福建厦门质检关于金刚石、石墨和C60的判断，正确的是()A均含共价键 B互为同分异构体C互为同位素 D性质相同答案A解析金刚石、石墨和C60是由碳元素形成的不同单质，三者互为同素异形体，均含共价键，本题答案为A。22015济南模拟有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列有关硅的说法中，不正确的是

5、()A高纯度的硅广泛用于制作计算机B硅可由二氧化硅还原制得C低温时，硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸反应D自然界中硅的储量丰富，自然界中存在大量的单质硅答案D解析硅是重要的半导体材料，可用于生产制造计算机中的芯片，A正确；2CSiO2Si2CO，B正确；常温下，Si的性质稳定，但可以与F2、HF、强碱溶液反应，C正确；自然界中不存在单质硅，D错误。题组二 硅的制备3.半导体工业中，有一句行话：“从沙滩到用户”，即由SiO2制取Si。制取过程中不涉及的化学反应是()A2CSiO2Si2COBSiO22NaOH=Na2SiO3H2OCSi2Cl2SiCl4DSiCl42H2Si4HCl答案B解

6、析工业制取纯硅的工艺流程为SiO2粗硅SiCl4纯硅，该工艺流程中不涉及SiO2与NaOH溶液的反应。4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：高温下用过量的碳还原二氧化硅制得粗硅，同时得到一种可燃性气体；粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3(Si3HClSiHCl3H2)；SiHCl3与过量的H2在11001200 的温度下反应制得纯硅，已知SiHCl3能与水剧烈反应，在空气中易自燃。请回答：(1)第一步制取粗硅的化学方程式为_。(2)粗硅与HCl气体反应完全后，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

7、纯SiHCl3采用的方法为_。(3)实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅装置如图所示(加热和夹持装置略去)：装置B中的试剂是_，装置C中的烧杯需要加热，目的是_。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是_。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_。答案(1)SiO22CSi2CO(2)分馏(或蒸馏)(3)浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化有固体物质生成在题给反应温度下(11001200 )，普通的玻璃会软化SiHCl3H2Si3HCl排尽装置中的空气解析(3)因SiHCl3与水

8、强烈反应，故A中产生的H2必须干燥，因此B中的试剂为浓H2SO4，起干燥作用，且C烧瓶需加热，其目的是使SiHCl3汽化，加快其与H2的反应速率。石英管中产生的物质应为硅，故D中有固体产生，由题给信息，制纯硅的反应条件为11001200 ，此温度下普通的玻璃容易软化。因高温下H2与O2反应容易爆炸，故还应排尽装置中的空气。总结提升碳、硅单质的特殊性(1) 一般情况下，非金属元素单质熔、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：S

9、iO22CSi2CO。(4)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟HF作用：Si4HF=SiF42H2。(5)常见与强碱反应生成H2的固体单质有Al和Si，能够置换出H2O中氢的非金属单质为碳，这些特征反应常作为推断题的突破口。(6)金刚石为原子晶体，1 mol金刚石含有2 mol碳碳单键；晶体硅为原子晶体， 1 mol晶体硅含有2 mol SiSi键；二氧化硅晶体为原子晶体，1 mol SiO2中含有4 mol SiO 键；石墨为混合晶体，1 mol石墨中含1.5 mol CC 键，每个六元环中平均含2个碳原子；C60是分子晶体。考点碳和硅的氧化物1一氧化碳CO是无色无味的有毒气体，不溶

10、于水，可用作气体燃料和冶金工业的还原剂。(1)燃烧的化学方程式为2COO22CO2。(2)还原CuO的化学方程式为COCuOCuCO2。2二氧化碳和二氧化硅二氧化碳二氧化硅类别均为酸性氧化物结构特点由二氧化碳分子构成，属于分子晶体由氧原子与硅原子构成立体网状结构，属于原子晶体主要物理性质熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水化学性质与水反应CO2H2O H2CO3不反应与酸反应不反应只与氢氟酸反应：SiO24HF=SiF42H2O与碱反应CO2少量：CO22OH=COH2OCO2过量：CO2OH=HCOSiO22NaOH= Na2SiO3H2O(盛碱性液的

11、试剂瓶用橡胶塞)与盐反应如与Na2SiO3反应：CO2Na2SiO3H2O=H2SiO3Na2CO3或Na2SiO32H2O2CO2(足量)=H2SiO32NaHCO3如与Na2CO3反应：SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2与碱性氧化物反应如与Na2O反应：CO2Na2O=Na2CO3如与CaO反应：SiO2CaOCaSiO3用途制饮料、制碳酸盐光导纤维、光学仪器、电子部件易错警示(1)不能依据反应2CSiO2Si2CO来说明C的还原性比Si强，也不能依据反应SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2来说明SiO2水化物的酸性比H2CO3强。(2)氢氟酸能腐蚀玻璃并用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸

12、不用玻璃瓶而用塑料瓶。盛放碱性溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，因为SiO2与碱溶液反应生成具有黏性的Na2SiO3。(3)SiO2虽然能与NaOH溶液、HF溶液反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物，但与水不能直接反应。判断正误，正确的画“”，错误的画“”。(1)CO2溶于水生成碳酸，SiO2也能溶于水并生成硅酸。()(2)SiO2是酸性氧化物，不与任何酸反应。()(3)SiO2既能与碱反应，又能与酸(氢氟酸)反应，属于两性氧化物。()(4)CO和CO2是碳的两种氧化物，二者均是温室气体。()(5)CO2不支持燃烧是相对的。()提示(1)(2)(3)(4)(5)题组一 二氧化硅的结构与性质1.下面

13、关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是()A存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角B最小的环上，有3个Si原子和3个O原子C最小的环上，Si和O原子数之比为12D最小的环上，有6个Si原子和6个O原子答案D解析本题考查SiO2晶体结构。二氧化硅是原子晶体，结构为空间网状，存在硅氧四面体结构，硅处于中心，氧处于4个顶角，所以A错误；在SiO2晶体中，每6个Si和6个O形成一个12元环(最小环)，所以D正确，B、C错误。2指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在AE选项中选择正确答案填入括号内。SiO22NaOH=Na2SiO3H2O()SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2(

14、)SiO22CSi2CO()SiO23CSiC2CO()SiO24HF=SiF42H2O()A作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀B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未参加氧化还原反应答案CDBEA解析在中体现SiO2的酸性氧化物的性质；中是与盐反应生成酸酐；在中SiO2中元素化合价降低，显示氧化性；在中SiO2元素化合价不变；在中玻璃中SiO2被HF腐蚀。总结提升含硅化合物的特殊性(1)SiO2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作用，但SiO2能跟HF作用：SiO24HF=SiF42H2O。(3)不要混淆二氧

15、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、计算机芯片的是晶体硅。(4)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；红、蓝宝石的主要成分是Al2O3。题组二 二氧化碳的性质3.用四种溶液进行实验，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，溶液不变浑浊BaCl2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，再加入足量的NaOH溶液，又变浑浊Ca(OH

16、)2溶液答案B解析A项，CO2与BaCl2溶液不反应；B项，CO2Na2SiO3H2O=Na2CO3H2SiO3，H2SiO3与CO2不反应，浑浊不会消失；C项，CO2Ca(ClO)2H2O=CaCO32HClO，溶液变浑浊后加入品红溶液，品红溶液被HClO氧化褪色；D项，通入CO2少量时发生反应：CO2Ca(OH)2=CaCO3H2O，继续通CO2，生成可溶于水的Ca(HCO3)2，再加入足量的NaOH溶液，则：2NaOHCa(HCO3)2=CaCO3Na2CO32H2O，溶液又变浑浊。4二氧化碳又名碳酸气，具有较高的民用和工业价值，在多种领域有着广泛的应用。目前，二氧化碳在棚菜气肥、蔬菜(

17、肉类)保鲜、生产可降解塑料等方面也展现出良好的发展前景。二氧化碳是一种无色无味的气体，无毒、不导电并且没有可燃性。但是金属镁在点燃的条件下可以在二氧化碳气体中燃烧，其中还原产物是碳。.氧化产物是_；请写出化学反应方程式，并用单线桥法表示该反应的电子转移总数_。.CO2气体与碱溶液反应时，用量不同其生成的产物不同。少量CO2通入过量的KOH溶液中，请写出离子反应方程式_；取两份等物质的量浓度等体积的Ca(OH)2溶液，一份通入过量CO2，生成沉淀的物质的量(n)和通入CO2体积(V)的关系如图1所示。写出沉淀变化由a到b的离子方程式_。.另一份先加入少量的KOH固体溶解，再将过量CO2通入KOH

18、和Ca(OH)2的混合溶液中，请绘图2表示出生成沉淀的物质的量(n)和通入CO2体积(V)的关系；并写出该图与中不同曲线处对应的离子反应方程式_。答案.CO22OH=COH2OCaCO3CO2H2O=Ca22HCO.COCO2H2O=2HCO解析本题考查元素及其化合物知识。 .Mg在二氧化碳中点燃生成氧化镁和碳，其反应方程式为2MgC4eO22MgOC，其中MgO为氧化产物。.少量CO2与KOH溶液反应生成K2CO3和水，其离子方程式为CO22OH=COH2O；过量CO2与Ca(OH)2溶液先生成沉淀，然后又转化为Ca(HCO3)2，沉淀溶解，故a到b的离子方程式为CaCO3CO2H2O=Ca

19、22HCO。.把过量的CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合溶液中，CO2先与OH反应生成CO，遇到Ca2生成CaCO3沉淀，再通入CO2时，CO2继续和OH反应，直到CO2过量时，CO和CaCO3全部转化为HCO，最后沉淀溶解。总结提升碳酸的“强酸性”碳酸虽然是一种弱酸，但其酸性比硅酸、次氯酸、偏铝酸等物质的酸性强，将CO2气体通入Na2SiO3、NaClO、NaAlO2盐溶液中，均能发生反应而生成相应的弱酸和碳酸(氢)盐，这是“强酸制弱酸”原理的应用。如：CO2(少量)Na2SiO3H2O=Na2CO3H2SiO3；CO2(少量)Ca(ClO)2H2O=CaCO32HClO；CO2(少量)

20、2NaAlO23H2O=2Al(OH)3Na2CO3；CO2(过量)NaAlO22H2O=Al(OH)3NaHCO3；题组三 CO2与碱、盐溶液反应产物的定量判断5往100 mL NaOH溶液中通入CO2，充分反应后，在减压和较低温度下，小心将溶液蒸干，得白色固体M。通入CO2的体积V(CO2)/mL(标准状况，下同)与M的质量W/g的关系如图。(1)A点时，白色固体M的化学式为_，通入CO2的体积为_mL。(2)C点时，白色固体M的化学式为_，通入CO2的体积为_mL。(3)推算B点时M的组成_(用化学式表示)及通入CO2气体的体积为_mL。答案(1)Na2CO31120(2)NaHCO32

21、240(3)Na2CO3和NaHCO31792解析首先NaOH转化为Na2CO3，继续通CO2又转化为NaHCO3，结合图形得出：A点M为Na2CO3，V(CO2)1120 mL；C点M为NaHCO3，V(CO2)2240 mL；B点为Na2CO3和NaHCO3的混合物，由守恒法求出V(CO2)1792 mL。总结提升CO2与碱、盐溶液的反应总结1与碱溶液的反应(1)反应原理NaOHNa2CO3NaHCO3(2)反应后溶质成分的判断x溶质成分x11NaHCO311x21NaOH、Na2CO3也可用数轴来表示：2与盐溶液的反应(1)CO2Na2CO3H2O=2NaHCO3(2)CO2(少量)Ca

22、(ClO)2H2O=CaCO32HClO(3)CO2(少量)Na2SiO3H2O=H2SiO3Na2CO33往某溶液中不断通入CO2至过量时，现象是“先产生白色沉淀，后沉淀逐渐溶解”的反应(1)往澄清石灰水中不断通入CO2气体Ca(OH)2CO2=CaCO3 H2OCaCO3 CO2H2O=Ca(HCO3 )2(2)往氢氧化钡溶液中不断通入CO2气体Ba(OH)2CO2=BaCO3 H2OBaCO3 CO2H2O=Ba(HCO3 )2(3)往漂白粉溶液中不断通入CO2气体Ca(ClO)2CO2H2O= CaCO3 2HClOCaCO3 CO2H2O=Ca(HCO3 )24往某溶液中不断通入CO

23、2气体至过量时，现象为“产生白色沉淀或浑浊，沉淀或浑浊不消失”的反应(1)在NaAlO2溶液中不断通入CO2气体至过量2AlOCO2(少量)3H2O=2Al(OH)3COAlOCO2(过量)2H2O=Al(OH)3HCO(2)往Na2SiO3 溶液中不断通入CO2气体至过量SiOCO2H2O=H2SiO3CO，SiO2CO22H2O=H2SiO32HCO(3)往饱和Na2CO3 溶液中通入CO2气体2NaCOCO2H2O=2NaHCO3 (4)Na2CO3溶液中通入CO2气体CO2COH2O=2HCO考点硅酸、硅酸盐和无机非金属材料1硅酸(1)弱酸性：H2SiO3难溶于水，其酸性比碳酸弱，不能

24、使指示剂变色，能与强碱(如NaOH)反应，反应的化学方程式为2NaOHH2SiO3=Na2SiO32H2O。(2)不稳定性：H2SiO3不稳定，受热易分解，反应的化学方程式为H2SiO3SiO2H2O。(3)硅酸的制备及硅胶制备原理：可溶性硅酸盐(如Na2SiO3)与其他酸(如盐酸)反应的化学方程式为Na2SiO32HCl=2NaClH2SiO3。硅胶：硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶，经干燥脱水后即得硅胶，常用作干燥剂和催化剂的载体。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)硅酸钠(Na2SiO3)白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有

25、黏性，水溶液显碱性。它能与较强的酸反应，如与盐酸反应：Na2SiO32HCl=2NaClH2SiO3；与CO2水溶液反应：Na2SiO3CO2H2O=H2SiO3Na2CO3。用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。(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Na2OSiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为K2OAl2O36SiO2。3无机非金属材料(1)传统无机非金属材料指的是我们常说的硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、陶瓷等，陶瓷、玻璃、水泥是主要建材，也广泛应用于生活中。(2)新型无机非金属材料，指的是一类新型的具有特殊结构和

26、特殊功能的非硅酸盐材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。(3)特殊功能的含硅物质碳化硅具有金刚石结构，可用作磨料。含硅元素4%的硅钢具有导磁性。硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。易错警示(1)Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，与玻璃的成分不相同；水玻璃又称为泡花碱，但它却是盐溶液(存放的试剂瓶不能用玻璃塞)，而不是碱溶液。(2)氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构，切不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。判断正误，正确的画“”，错误的画“”。(1)硅酸易溶于水，酸性比碳酸弱，化学性质比较稳定，受热不分解。()(2)水玻璃俗称泡花碱，是一种纯净物。()(3)向一定浓度的Na2

27、SiO3溶液中通入适量CO2出现白色沉淀，通入过量CO2，白色沉淀消失。()(4)玻璃是一种晶体，有较高的熔点。()(5)生产水泥和玻璃的共同原料是石英。()(6)新型无机非金属材料具有光学特性、生物功能、电学特性、耐高温、强度高。()(7)玛瑙手镯、水晶镜片、玻璃所用材料均为硅酸盐。()(8)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。()提示(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)题组一 硅酸盐的结构和性质1.2015济南模拟随着我国“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、正长石KAlSi3O8和橄榄石(Mg或Fe)2SiO4等，下列说法或分析不正确的是 ()A辉石、斜长石及橄榄石均属于硅酸盐矿B正长石的氧化物形式可表示为K2OAl2O33SiO2C橄榄石中铁为