第12讲　碳、硅及其化合物

考点一　碳、硅的性质及其应用

1．单质的存在形态、物理性质和用途

2.C、Si的化学性质(写化学方程式)

(1)C的化学性质——还原性

(2)Si的化学性质——还原性

Si

【感悟测评】

判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)碳的几种单质物理性质不同的主要原因是其结构不同。(　　)

(2)金刚石、石墨、C60三者之间互为同位素关系。(　　)

(3)无定形硅常用于制作半导体材料。(　　)

(4)常温下硅既不能与强酸反应也不能与强碱反应。(　　)

(5)加热到一定温度，硅能与氧气、氯气等非金属反应。(　　)

(6)晶体硅可用作光导纤维材料。(　　)

答案：(1)√　(2)×　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×

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：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，但硅能跟HF作用：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。

考向一　碳、硅的性质和用途

1．下列说法正确的是(　　)

A．常温下硅与O2不反应，故硅在自然界中有游离态

B．碳、硅的单质均不导电

C．碳、硅与O2反应均生成酸性氧化物

D．工业上利用碳与H2O(g)反应制水煤气

解析：A项，硅在自然界中无游离态；B项，石墨、晶体硅能导电；C项，C与O2反应生成的CO不是酸性氧化物。

答案：D

2．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

解析：CO、SiO2都不溶于水，CO也不与NaOH溶液反应，故A、C错误；碳除了金刚石、石墨外还有C60等单质，故D错误。

答案：B

考向二　硅的工业制法

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(　　)

A．2C＋SiO2Si＋2CO↑

B．SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

C．Si＋2Cl2SiCl4

D．SiCl4＋2H2Si＋4HCl

解析：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。

答案：B

4．用无机矿物资源生产部分材料，其产品流程示意图如下：

下列有关说法中不正确的是(　　)

A．制取粗硅时可能发生生成SiC的反应

B．生产铝、铜、高纯硅及玻璃的过程中都涉及氧化还原反应

C．黄铜矿冶炼铜时，SO2可用于生产硫酸，FeO可用作冶炼铁的原料

D．粗硅制高纯硅时，提纯四氯化硅可用多次分馏的方法

解析：生产玻璃不涉及氧化还原反应。

答案：B

考点二　CO2、SiO2的性质与应用

CO2和SiO2的比较

【多维思考】

1．SiO2既能与NaOH反应又能与HF反应，SiO2是两性氧化物吗？为什么？

提示：不是，因为SiO2与氢氟酸反应生成的不是盐。

2．指出3C＋SiO2SiC＋2CO↑中的氧化剂和还原剂。

提示：氧化剂、还原剂均是C。

二氧化硅性质的特殊性

考向一　SiO2的性质及用途

1．下列说法正确的是 (　　)

A．在粗硅的制取中发生2C＋SiO22CO↑＋Si，硅被还原，所以碳的还原性强于硅的还原性

B．盛放NaOH溶液时，使用带玻璃塞的磨口瓶

C．用SiO2制取硅酸，应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应，然后再通入CO2

D．由Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑可知，硅酸的酸性强于碳酸

解析：选项A、D的反应在高温且均生成了气体，使平衡正移，致使反应能顺利进行，但不能说明C、Si的还原性强弱，也不能说明H2SiO3与H2CO3酸性的强弱，故错误；NaOH能与玻璃成分中的SiO2反应生成Na2SiO3而使瓶塞粘在一起。由SiO2制取H2SiO3的过程为：SiO2Na2SiO3H2SiO3。

答案：C

2．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括号内。

(1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O (　　)

(2)SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑(　　)

(3)SiO2＋2CSi＋2CO ↑ (　　)

(4)SiO2＋3CSiC＋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．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：(1)C　(2)D　(3)B　(4)E　(5)A

【速记卡片】　SiO2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：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

考向二　CO2与盐或碱溶液反应的规律

3．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 (　　)

答案：B

4．标准状况下，将3.36 L CO2气体通入200 mL 1.00 mol·L－1 NaOH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∶1 D．1∶3

解析：n(CO2)＝＝0.15 mol，n(NaOH)＝0.2 L×1.00 mol·L－1＝0.2 mol

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＝0.05 mol，y＝0.1 mol

答案：B

【速记卡片】　CO2与NaOH溶液反应产物的判断

(1)将CO2通入一定量的NaOH溶液中至过量的反应原理：

①转化示意图：NaOHNa2CO3NaHCO3

②有关化学方程式：

Ⅰ.2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O

Ⅱ.Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3

(2)反应后溶质成分的判断：

考点三　硅酸及无机非金属材料

1．硅酸

(1)溶解性：不溶于水。

(2)化学性质

(3)制备——可用硅酸钠与盐酸反应制得：Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl。

(4)用途：硅酸用于制硅胶，硅胶可用作催化剂的载体和干燥剂。

2．硅酸盐

(1)硅酸盐

由硅、氧和金属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

硅酸钠水溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料等。

3．无机非金属材料

(1)硅酸盐材料

(2)具有特殊功能的含硅物质

①碳化硅具有金刚石结构，可用作磨料。

②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。

③硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。

【多维思考】

1．如何由SiO2制备H2SiO3？用化学方程式表示。

提示：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl。

2．向水玻璃中加入酚酞试液，有什么现象？然后再滴加盐酸，充分振荡静置有什么现象？

提示：滴加酚酞，溶液变红；加入盐酸，溶液的红色逐渐变浅至无色，静置一会有胶冻状的凝胶生成。

　硅及其化合物在常用物质中的易错点

(1)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，计算机芯片的成分是晶体硅而不是SiO2。

(2)水晶、石英、玛瑙、硅石、沙子等主要成分是SiO2，而不是硅酸盐。

(3)传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸盐。

考向一　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带磨口玻璃塞的试剂瓶中

B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，两个反应是相互矛盾的，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．(2019·湖北大联考)将足量CO2气体通入水玻璃中，然后蒸干，再在高温下充分灼烧，最后所得固体物质是 (　　)

A．Na2SiO3　　　　　　 B．Na2CO3、Na2SiO3

C．Na2CO3、SiO2 D．SiO2

解析：CO2与水玻璃反应生成Na2CO3(NaHCO3)和H2SiO3，在高温条件下H2SiO3变为SiO2，NaHCO3变为Na2CO3，Na2CO3与SiO2又反应生成Na2SiO3和CO2，所以最后得到的固体物体是Na2SiO3，故A项正确。

答案：A

考向二　无机非金属材料

3．下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是 (　　)

①硅是非金属元素，但硅单质能导电　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．①②　　 B．②③

C．①④　　　 D．③④

解析：光导纤维、沙子的主要成分均是SiO2。

答案：C

4．氮化硅(Si3N4)是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮气在1 300 ℃时反应获得。

(1)根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是______(填序号)。

A．制汽轮机叶片 B．制有色玻璃

C．制永久性模具 D．制陶瓷发动机

(2)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应。该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式： ___________________

_________________________________________________________。

(3)现用SiCl4和N2(在H2气氛下)，加强热发生反应，可获得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为________________________

_________________________________________________________。

解析：由Si3N4的硬度大、熔点高、化学性质稳定，可知Si3N4的用途符合A项、C项、D项。

答案：(1)ACD　(2)Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑(或Si3N4＋16HF===3SiF4↑＋4NH4F)

(3)3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl

【速记卡片】　无机非金属材料的分类

无机非金属材料

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)(2019·高考江苏卷，3C)因为SiO2硬度大，所以可用于制造光导纤维(　　)

(2)(2019·高考天津卷，3A改编)硅太阳能电池工作时，光能转化成电能与氧化还原反应无关(　　)

(3)(2019·高考海南卷)石英砂可用于生产单晶硅(　　)

(4)(2019·高考浙江卷，7B)Ge(32号元素)的单晶可以作为光电转换材料用于太阳能电池(　　)

(5)(2019·高考全国卷Ⅲ，7D)因为HF与SiO2反应，所以可用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记(　　)

(6)(2019·高考重庆卷，1C)烧结黏土制陶瓷涉及化学反应(　　)

(7)(2019·高考重庆卷，2B)P的非金属性强于Si，H3PO4比H2SiO3的酸性强(　　)

(8)(2019·高考全国卷Ⅱ，7A)硅胶可用作食品干燥剂(　　)

(9)(2019·高考海南卷)可用磨口玻璃瓶保存NaOH溶液(　　)

(10)(高考海南卷)Si和SiO2都用于制造光导纤维(　　)

(11)(高考福建卷，9②改编)SiO2既能与KOH溶液反应又能与浓盐酸反应(　　)

(12)(高考江苏卷，8C改编)SiO2、NaOH、HF三者两两均能反应(　　)

答案：(1)×　(2)√　(3)√　(4)√　(5)√　(6)√　(7)√　(8)√ 　(9)×　(10)×　(11)×　(12)√

2．(2019·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元素；其氧化物为二氧化硅，SiO2可与氢氟酸反应；根据反应的流程图可知，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，则Y的化学式是SiH4，加热分解可得到Si单质。其余问题可解。

答案：(1)氢氟酸　SiO2＋2MgO2↑＋Mg2Si

(2)Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑　

(3)非极性键，极性键

3．(2019·高考全国卷Ⅱ)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：

回答下列问题：

(1)在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是________，还可使用________代替硝酸。

(2)沉淀A的主要成分是______，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为________________。

(3)加氨水过程中加热的目的是________。沉淀B的主要成分为________________、_______________________________ (写化学式)。

(4)草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后，用KMnO4标准溶液滴定，通过测定草酸的量可间接获知钙的含量，滴定反应为MnO＋H＋＋H2C2O4→Mn2＋＋CO2＋H2O。实验中称取0.400 g水泥样品，滴定时消耗了0.050 0 mol·L－1的KMnO4溶液36.00 mL，则该水泥样品中钙的质量分数为________________。

解析：(1)Fe3＋容易在pH较小时转换为沉淀，所以需要将Fe2＋氧化为Fe3＋。

双氧水可以将Fe2＋氧化为Fe3＋且不会引入杂质。

(2)二氧化硅不溶于一般酸溶液，所以沉淀A是二氧化硅。SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

(3)加热可以促进Fe3＋、Al3＋水解转换为Fe(OH)3、Al(OH)3。在pH＝4～5时Ca2＋、Mg2＋不沉淀，Fe3＋、Al3＋沉淀，所以沉淀B为Fe(OH)3、Al(OH)3。

(4)5Ca2＋～5H2C2O4～2KMnO4

n(KMnO4)＝0.050 0 mol/L×36.00×10－3 mL＝1.80×10－3 mol

n(Ca2＋)＝4.50×10－3 mol

水泥中钙的质量分数为4.50×10－3 mol×40.0 g/mol/0.400 g×100%＝45.0%。

答案：(1)将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋　双氧水(H2O2)

(2)SiO2　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

(3)防止胶体生成，易沉淀分离　Fe(OH)3

Al(OH)3　(4) 5Ca2＋～5H2C2O4～2KMnO4

n(KMnO4)＝0.050 0 mol/L×36.00×10－3 mL＝1.80×10－3 mol

n(Ca2＋)＝4.50×10－3 mol

水泥中钙的质量分数为4.50×10－3 mol×40.0 g/mol/0.400 g×100%＝45.0%

2019通用版版高考化学微一轮复习第12讲碳硅及其化合物学案050919精品教育 doc