新教材2022届新高考化学人教版一轮学案：4.1 碳、硅和无机非金属材料

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[考试要求]
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。3.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。
考点一 碳及其化合物
1 知识梳理
1.碳
(1)存在形式既有________又有________。碳单质主要有金刚石、石墨、C60、C70，互为____________。
(2)碳单质的结构与物理性质
(3)碳的化学性质
2．碳的氧化物（CO、CO2）的比较
3.CO2在自然界中的循环
CO2的主要来源：大量含碳燃料的燃烧。
自然界消耗CO2的主要反应：
（1）溶于江水、海水中：CO2＋H2O⇌H2CO3；
（2）光合作用：6CO2＋6H2O eq \(――→,\s\up7(光)) ；
（3）岩石的风化：______________________________________________。
4．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。
5．碳酸的正盐和酸式盐的比较
[判断] （正确的打“√”，错误的打“×”）
（1）碳有多种同素异形体，而氧不存在同素异形体（ ）
（2）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（ ）
（3）石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应（ ）
（4）向空气中排放二氧化碳会形成酸雨（ ）
（5）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（ ）
[提醒]
CO2与碱反应产物的判断
（1）CO2与单一组分反应（如CO2通入NaOH溶液）具体分析过程用数轴表示如下：
（2）CO2与多组分反应[如CO2通入NaOH、Ca（OH）2的混合溶液]，反应的顺序是
①Ca（OH）2＋CO2===CaCO3↓＋H2O
②2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O
③Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3
④CaCO3＋H2O＋CO2===Ca（HCO3）2
2 对点速练
练点一 碳及其化合物的性质判断
1．近年来科学家制造出大量的新物质，对下列三种物质的相关说法错误的是（ ）
A.石墨烯具有良好的导电性
B．上述三种物质与金刚石互为同素异形体
C．石墨炔孔径略大于H2分子的直径，可作H2的提纯薄膜
D.上述三种物质与浓硫酸都能发生反应，但反应产物不同
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
练点二 碳及其化合物的实验与计算
3．确定混合气体（CO、CO2）中含有CO气体的实验设计方法。
按要求回答下列问题：
（1）写出下列装置的作用：
A：______________________________________________。
B：______________________________________________。
E：______________________________________________。
F：______________________________________________。
（2）写出C中的化学方程式：______________________________________________。
（3）确定混合气体中含有CO气体的实验现象：______________________________________________
______________________________________________。
4．标准状况下，将3.36 L CO2气体通入200 mL 1.00 ml·L－1 NaOH溶液中，充分反应后溶液中c（CO32-）与c（HCO3-）的比值为（不考虑CO32-、HCO3-的水解）（ ）
A．1∶1 B．1∶2
C．2∶1 D．1∶3
考点二 硅及其化合物、无机非金属材料
1 知识梳理
1.硅
（1）硅的结构与物理性质
（2）硅的化学性质
①与氢氟酸反应：______________________________________________。
②与NaOH溶液反应：
Si＋2NaOH＋H2O===______________________________________________。
③与O2反应：______________________________________________。
（3）硅的工业制法
用焦炭和二氧化硅在电炉中反应得到粗硅，反应的化学方程式为______________________________________________。
2．二氧化硅
（1）存在
石英、水晶、玛瑙、沙子（含杂质）等。
（2）物理性质
熔、沸点高，硬而脆，不溶于水。
（3）化学性质
（4）用途：光导纤维、光学仪器。
3．常见无机非金属材料
（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
②玻璃生产中的两个重要反应：
______________________________________________；
______________________________________________。
（2）新型无机非金属材料
①高温结构陶瓷 ②生物陶瓷 ③压电陶瓷
[判断] （正确的打“√”，错误的打“×”）
[判断] (正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)硅在自然界中只以化合态的形式存在( )
(2)硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应( )
(3)单质硅常用作半导体材料和光导纤维( )
(4)SiO2不与任何酸反应，可用石英制造耐酸容器( )
(5)Si→SiO2→H2SiO3均能进行一步转化( )
(6)石英砂可用于生产单晶硅( )
(7)传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料( )
(8)水泥、玻璃、青花瓷、水晶、玛瑙都属于硅酸盐产品( )
(9)硅胶是硅酸钠的水溶液失去水后形成的凝胶( )
[提醒]
（1）SiO2虽能与HF反应，但不是两性氧化物，是酸性氧化物。
（2）SiO2虽是酸酐，但难溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3。
（3）H2CO3酸性强于H2SiO3，但高温下可发生Na2CO3＋SiO2 eq \(=====,\s\up7(高温)) Na2SiO3＋CO2↑。
（4）Si还原性强于C，但高温下可发生2C＋SiO2 eq \(=====,\s\up7(高温)) Si＋2CO↑。
2 对点速练
eq \a\vs4\al(练点一 硅及其化合物性质应用)
1．下列有关硅的说法中，不正确的是（ ）
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
2．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2.24 L气体（标准状况）时，得到2.8 g硅
3．水玻璃（Na2SiO3溶液）广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。
如图是用稻壳灰（SiO2：65%～70%、C：30%～35%）制取水玻璃的工艺流程：
下列说法正确的是（ ）
A．原材料稻壳灰价格低廉，且副产品活性碳有较高的经济价值
B．操作A与操作B完全相同
C．该流程中硅元素的化合价发生改变
D．反应器中发生的复分解反应为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
练点二 硅的工业制取
4．高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料，它可以按下列方法制备：
SiO2 eq \(――→,\s\up7(①C),\s\d5(高温)) Si（粗） eq \(――→,\s\up7(②HCl),\s\d5(300 ℃)) SiHCl3 eq \(――→,\s\up7(③过量H2),\s\d5(1 000～1 100 ℃)) Si（纯）
下列说法正确的是（ ）
A．步骤①的化学方程式为SiO2＋C eq \(=====,\s\up7(高温)) Si＋CO2↑
B．步骤①②③中每生成或反应1 ml Si，转移4 ml电子
C．二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应
D．SiHCl3（沸点为33.0 ℃）中含有少量的SiCl4（沸点为67.6 ℃），通过蒸馏（或分馏）可提纯SiHCl3
练后归纳
在设计制备纯硅的过程中，常遇到的知识点
（1）高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅：
SiO2＋2C eq \(=====,\s\up7(高温)) Si（粗）＋2CO↑
（2）粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：
Si＋3HCl eq \(=====,\s\up7(300 ℃)) SiHCl3＋H2
（3）粗硅与干燥Cl2反应制得SiCl4：
Si（粗）＋2Cl2 eq \(=====,\s\up7(高温)) SiCl4
（4）SiHCl3与过量H2在高温下反应制得纯硅：
SiHCl3＋H2 eq \(=====,\s\up7(高温)) Si（纯）＋3HCl
（5）SiCl4与过量H2在高温下反应制得纯硅：
SiCl4＋2H2 eq \(=====,\s\up7(高温)) Si（纯）＋4HCl
练点三 无机非金属材料
5．“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
6．氮化硅可用作高温陶瓷复合材料，在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。由石英砂合成氮化硅粉末的路线如下图所示：
其中—NH2中各元素的化合价与NH3相同。
请回答下列问题：
（1）石英砂不能与碱性物质共同存放，以NaOH为例，用化学反应方程式表示其原因：______________________________________________
______________________________________________。
（2）图示①～⑤的变化中，属于氧化还原反应的是 。
（3）SiCl4在潮湿的空气中剧烈水解，产生白雾，军事工业中用于制造烟雾剂。SiCl4水解的化学反应方程式为 。
（4）在反应⑤中，3 ml Si（NH2）4在高温下加热可得1 ml 氮化硅粉末和8 ml A气体，则氮化硅的化学式为 。
（5）在高温下将SiCl4在B和C两种气体的气氛中，也能反应生成氮化硅，B和C两种气体在一定条件下化合生成A。
写出SiCl4与B和C两种气体反应的化学方程式______________________________________________
______________________________________________。
本讲真题研练
1．[2020·天津卷，4]下列离子方程式书写正确的是（ ）
A.CaCO3与稀硝酸反应：CO32-＋2H+===H2O＋CO2↑
B.FeSO4溶液与溴水反应：2Fe2+＋Br2===2Fe3+＋2Br-
C.NaOH溶液与过量H2C2O4溶液反应：H2C2O4＋2OH-===C2O42-＋2H2O
D.C6H5ONa溶液中通入少量CO2：2C6H5O-＋CO2＋H2O===2C6H5OH＋CO32-
2．[2020·浙江7月，24]Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一，其相关性质的说法不正确的是（ ）
A.可发生反应：Ca3SiO5＋4NH4Cl eq \(=====,\s\up7(△)) CaSiO3＋2CaCl2＋4NH3↑＋2H2O
B.具有吸水性，需要密封保存
C.能与SO2反应生成新盐
D.与足量盐酸作用，所得固体产物主要为SiO2
3．[2018·江苏卷，1]CO2是自然界碳循环中的重要物质。下列过程会引起大气中CO2含量上升的是（ ）
A.光合作用 B．自然降雨
C.化石燃料的燃烧 D．碳酸盐的沉积
4．[2017·全国卷Ⅱ，26]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 、 （填化学式）。
（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：MnO4-＋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 ml·L－1的KMnO4溶液36.00 mL，则该水泥样品中钙的质量分数为 。
5．[2019·天津理综，10节选]多晶硅是制作光伏电池的关键材料。以下是由粗硅制备多晶硅的简易过程。
回答下列问题：
（1）硅粉与HCl在300 ℃时反应生成1 ml SiHCl3气体和H2，放出225 kJ热量，该反应的热化学方程式为 。SiHCl3的电子式为 。
（2）由粗硅制备多晶硅过程中循环使用的物质除SiCl4、SiHCl3和Si外，还有 （填分子式）。
第1讲 碳、硅及其化合物
考点一
1知识梳理
1．（1）游离态 化合态 同素异形体 （2）正四面体 高 大 正六边形 高 小 能 正五 正六 （3）C＋O2 eq \(=====,\s\up10(点燃)) CO2 2C＋O2 eq \(=====,\s\up10(点燃)) 2CO 3C＋Fe2O3 eq \(=====,\s\up10(高温)) 3CO↑＋2Fe 2C＋SiO2 eq \(=====,\s\up10(高温)) Si＋2CO↑ C＋H2O（g） eq \(=====,\s\up10(高温)) CO＋H2 C＋2H2SO4（浓）≜CO2↑＋2SO2↑＋2H2O C＋4HNO3（浓）≜CO2↑＋4NO2↑＋2H2O
3．（2）C6H12O6＋6O2 （3）CaCO3＋H2O＋CO2===Ca（HCO3）2
判断 答案：（1）× （2）× （3）× （4）× （5）×
2对点速练
1．解析：A项，石墨烯是一种新发现的材料，它的物理性质是拉力好、导电性和导热性好、硬度大、熔点高等；B项，同种元素的不同单质互称同素异形体；C项，碳原子半径大于氢原子，则石墨炔孔径大于H2分子的直径，可以容纳H2分子；D项，碳与浓硫酸反应产物均为二氧化碳和二氧化硫。
答案：D
2．答案：B
3．答案：（1）除去混合气体中的CO2气体 检验混合气体中的CO2是否除尽 除去尾气中的CO2气体 除去尾气中的CO气体、防止污染环境
（2）CO＋CuO≜Cu＋CO2
（3）B中无明显现象，C中的物质由黑色变成红色，D中的澄清石灰水变浑浊
4．解析：n（CO2）＝3.36 L22.4 L·ml－1＝0.150 ml，n（NaOH）＝0.200 L×1.00 ml·L－1＝0.200 ml，
n（NaOH）n（CO2）＝0.200 ml0.15 ml＝43，即1答案：B
考点二
1知识梳理
1．（2）Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑ Na2SiO3＋2H2↑ Si＋O2≜SiO2 （3）SiO2＋2C eq \(=====,\s\up10(高温)) Si＋2CO↑
2．（3）2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O CaO＋SiO2 eq \(=====,\s\up10(高温)) CaSiO3 SiO2＋2C eq \(=====,\s\up10(高温)) Si＋2CO↑ 2Mg＋SiO2 eq \(=====,\s\up10(高温)) 2MgO＋Si Na2CO3＋SiO2 eq \(=====,\s\up10(高温)) Na2SiO3＋CO2↑ CaCO3＋SiO2 eq \(=====,\s\up10(高温)) CaSiO3＋CO2↑
3．（1）石灰石、黏土 纯碱、石灰石和石英 黏土 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑 Na2CO3＋SiO2 eq \(=====,\s\up10(高温)) Na2SiO3＋CO2↑ CaCO3＋SiO2 eq \(=====,\s\up10(高温)) CaSiO3＋CO2↑
判断 答案：(1)√ (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)√ (8)× (9)×
2对点速练
1．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；2C＋SiO2 eq \(=====,\s\up10(高温)) Si＋2CO↑，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。
答案：D
2．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 eq \(=====,\s\up10(高温)) Si＋2CO↑，可知当生成2.24 L（标准状况）即0.1 ml气体时，得到0.05 ml即1.4 g硅，故D错误。
答案：C
3．解析：A项，稻壳灰来源广泛，价格低廉，活性炭具有吸附性，有较高的经济价值，正确；B项，操作A为过滤，操作B为蒸发浓缩，是两种不同的操作，错误；C项，二氧化硅中，硅元素的化合价是＋4价，硅酸钠中，硅元素的化合价是＋4价，所以该流程中硅元素的化合价没有发生改变，错误；D项，由复分解反应的概念可知，SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，不属于复分解反应，错误。
答案：A
4．解析：A项，步骤①的化学方程式为SiO2＋2C eq \(=====,\s\up10(高温)) Si＋2CO↑；B项，步骤②③中每生成或反应1 ml Si，转移2 ml电子；C项，硅能与氢氟酸反应生成SiF4和氢气；D项，SiHCl3和SiCl4的沸点相差较大，可通过蒸馏（或分馏）提纯SiHCl3。
答案：D
5．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。
答案：C
6．解析：石英砂不能与碱性物质共同存放的实质是SiO2与碱性物质可以发生反应。反应①是石英砂与焦炭发生氧化还原反应，反应②是硅单质与Cl2反应，也是氧化还原反应。SiCl4水解可以看做Si结合四个OH－生成H4SiO4，H4SiO4不稳定失水生成H2SiO3，Cl－结合H＋生成HCl。氮化硅的化学式可通过题目信息运用质量守恒求得。结合题给信息，SiCl4与N2、H2反应可得到Si3N4和HCl。
答案：（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
（2）①②
（3）SiCl4＋3H2O===4HCl↑＋H2SiO3↓
（4）Si3N4
（5）3SiCl4＋2N2＋6H2 eq \(=====,\s\up10(高温)) Si3N4＋12HCl
本讲真题研练
1．解析：本题考查离子方程式的正误判断，考查的化学学科核心素养是宏观辨识与微观探析。碳酸钙难溶于水，在离子方程式中应写成化学式，A项错误；Br2能够氧化Fe2＋，B项正确；NaOH与过量H2C2O4反应生成NaHC2O4，C项错误；苯酚的酸性比HCO3-强，在苯酚钠溶液中通入少量CO2或过量CO2，均只生成HCO3-，D项错误。
答案：B
2．解析：本题考查元素化合物知识，考查的化学学科核心素养是证据推理与模型认知。加热时氯化铵分解生成HCl和氨气，HCl与Ca3SiO5反应得到硅酸钙、氯化钙和水，A项正确；水泥吸水会变硬，需密封保存，B项正确；Ca3 SiO5能与二氧化硫反应得到亚硫酸钙，C项正确；由上述分析可知，Ca3SiO5与足量盐酸反应得不到二氧化硅，D项错误。
答案：D
3．解析：光合作用过程中植物吸收CO2，使CO2含量下降，A项不符合题意；自然降雨的过程会消耗CO2，使CO2含量下降，B项不符合题意；化石燃料燃烧时会产生CO2，使CO2含量上升，C项符合题意；碳酸盐能够与CO2反应生成可溶性的碳酸氢盐，消耗CO2，使CO2含量下降，D项不符合题意。
答案：C
4．解析：（1）Fe3＋容易在pH较小时转化为沉淀，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）二氧化硅不与强酸反应，但与HF反应，所以沉淀A是二氧化硅。SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
（3）加热可以促进Fe3＋、Al3＋水解生成Fe（OH）3、Al（OH）3沉淀。pH为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 ml/L×36.00 mL×10－3 L·mL－1＝1.80×10－3 ml，n（Ca2＋）＝4.50×10－3 ml，水泥中钙的质量分数为 eq \f(4.50×10－3 ml×40.0 g/ml,0.400 g) ×100%＝45.0%。
答案：（1）将Fe2＋氧化为Fe3＋ 双氧水
（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）45.0%
5．答案：（1）Si（s）＋3HCl（g） eq \(=====,\s\up10(300 ℃)) SiHCl3（g）＋H2（g） ΔH＝－225 kJ·ml－1
（2）HCl、H2
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＋H2O⇌H2CO3
与碱反应
（石灰水）
无
Ca（OH）2＋CO2===CaCO3↓＋H2O（检验CO2）
相互转化
CO2 eq \(,\s\up14(C，△),\s\d12(①O2；②CuO)) CO
用途
燃料
冶炼金属
灭火 制汽水 植物肥料 化工原料等
正盐（CO32-）
酸式盐（HCO3-）
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
CO32- eq \(,\s\up12(①CO2＋H2O；②H＋),\s\d10(OH－)) HCO3-
石墨烯：从石墨中分离出来，是最薄、最坚硬的纳米材料
石墨炔：平面网状结构的全碳分子，具有优良的化学稳定性
纳米碳管：具有优良的场发射性能，制作阴极显像管、储氢材料
水泥
玻璃
陶瓷
生产原料



主要设备



生产条件
高温