2022届高三化学一轮复习讲义：碳、硅及无机非金属材料

这是一份2022届高三化学一轮复习讲义：碳、硅及无机非金属材料，共12页。

复习目标 1.了解C、Si元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及应用。
2.了解C、Si元素单质及其重要化合物对环境的影响。3.了解无机非金属材料的性质和用途。
考点一 碳及其重要化合物
1．碳单质
(1)存在形式：有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为同素异形体。
①
②
③
(2)主要化学性质——还原性
答案 C＋2CuOeq \(=====,\s\up7(△))2Cu＋CO2↑
2C＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))Si＋2CO↑
C＋H2O(g)eq \(=====,\s\up7(高温))H2＋CO
C＋2H2SO4(浓)eq \(=====,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O
C＋4HNO3(浓)eq \(=====,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O
2．CO、CO2的性质对比
3.碳酸(H2CO3)
性质：为弱酸、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。
4．碳酸的正盐和酸式盐的比较
(1)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(×)
错因：它们的化学性质相似，但物理性质不同。
(2)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应(×)
错因：同素异形体之间的转化，化合价不变，不是氧化还原反应。
(3)向空气中排放二氧化碳会形成酸雨(×)
错因：pH<5.6的雨水才是酸雨，CO2不能形成酸雨。
(4)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(×)
错因：由于盐酸的酸性比碳酸强，CO2与CaCl2溶液不反应。
(5)氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体(√)
1．碳的重要化合物转化关系如下：
思考每步转化的试剂及条件，并用化学方程式表示标有序号的各步变化。
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________；
③________________________________________________________________________；
④________________________________________________________________________；
⑤________________________________________________________________________；
⑥________________________________________________________________________。
答案 ①2C＋O2eq \(=====,\s\up7(点燃))2CO(氧气不足)
(或C＋CO2eq \(=====,\s\up7(高温))2CO、
2C＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))2CO↑＋Si)
②2CO＋O2eq \(=====,\s\up7(点燃))2CO2
(或CO＋CuOeq \(=====,\s\up7(△))Cu＋CO2)
③CO2＋Ceq \(=====,\s\up7(高温))2CO
④CO2＋2Mgeq \(=====,\s\up7(点燃))2MgO＋C
⑤CaCO3＋CO2＋H2O===Ca(HCO3)2
⑥Ca(HCO3)2eq \(=====,\s\up7(△))CaCO3＋CO2↑＋H2O
[或Ca(HCO3)2＋Ca(OH)2===2CaCO3↓＋2H2O]
2．写出除去下列气体中混有的杂质(括号内为杂质)可采取的方法。
(1)CO(CO2)：___________________________________________________________；
(2)CO2(CO)：___________________________________________________________；
(3)CO2(O2)：____________________________________________________________；
(4)CO2(SO2)：___________________________________________________________；
(5)CO2(HCl)：___________________________________________________________。
答案 (1)通过盛有NaOH浓溶液的洗气瓶
(2)通过盛放灼热CuO的硬质玻璃管
(3)通过盛放灼热铜网的硬质玻璃管
(4)通过盛有饱和NaHCO3溶液或酸性KMnO4溶液的洗气瓶 (5)通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶
1．新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课题。其结构模型如图所示。
下列有关说法正确的是( )
A．石墨烯是一种新型化合物
B．氧化石墨烯即石墨烯的氧化物
C．二者和石墨都是碳的同素异形体
D．氧化石墨烯具有一定的亲水性
答案 D
解析 石墨烯是碳的单质，A错误；氧化石墨烯因为还含有氢元素，故不是石墨烯的氧化物，也不是碳的同素异形体，B、C错误；由于氧化石墨烯结构中含有羟基和羧基等亲水基团，所以它具有一定的亲水性，D正确。
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中不正确的是( )
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由可溶性的Ca(HCO3)2转化成CaCO3的结果
答案 B
3．(2020·成都调研)科技的进步为二氧化碳资源化利用提供了广阔的前景。下列说法错误的是( )
A．CO2是自然界碳循环中的重要物质
B．CO2加氢转化为乙烯，CO2被还原
C．CO2电催化时，在阳极转化为燃料
D．CO2与环氧丙烷可合成可降解塑料
答案 C
解析 含碳燃料燃烧以及动植物呼吸都会产生二氧化碳，植物光合作用消耗二氧化碳，所以CO2是自然界碳循环中的重要物质，故A正确；CO2加氢转化为乙烯，C的化合价降低，CO2得电子，被还原，故B正确；CO2中C为＋4价，只能发生得电子的还原反应，CO2在阴极得电子转化为燃料，阳极为失电子的氧化反应，故C错误；CO2与环氧丙烷发生加聚反应，可合成可降解塑料，故D正确。
4．碳和碳的氧化物是生活中的常见物质，回答下列问题：
(1)下列有关说法正确的是________(填字母)。
a．利用二氧化碳制造全降解塑料，可以减缓二氧化碳对环境的影响
b．金刚石、石墨、C60的化学性质相似，物理性质却有很大差异
c．木炭、一氧化碳在一定条件下都能还原氧化铜
d．大气中二氧化碳的消耗途径主要是绿色植物的光合作用
(2)吸烟对人体有害，燃着的香烟产生的烟气含有一种能与血液中的血红蛋白结合的有毒气体，它是________(填化学式)。
(3)影视舞台上经常看到云雾缭绕，使人如入仙境的景象，产生这一景象可用的物质是________(填物质俗称)。
(4)为减少二氧化碳对环境的影响，可将二氧化碳与氢气在300 ℃、200 kPa和催化剂的条件下，反应生成一种清洁燃料甲醇(CH3OH)和水，其反应的化学方程式为__________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)abcd (2)CO (3)干冰 (4)CO2＋3H2eq \(===========,\s\up7(300 ℃、200 kPa),\s\d5(催化剂)) CH3OH＋H2O
考点二 硅、无机非金属材料
1．硅单质
2．二氧化硅
3．硅酸
4．硅酸盐
(1)硅酸盐是由硅、氧与其他化学元素结合而成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
(2)硅酸钠
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与酸性比硅酸强的酸反应
a．与盐酸反应的化学方程式：
Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
b．与CO2水溶液反应的化学方程式：
Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。
③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。
(3)硅酸盐组成的表示方法：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。
①氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物间以“·”隔开。
②各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。
如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。
5．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：Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑。
(2)新型无机非金属材料
(1)工业上用焦炭和石英制取粗硅的反应方程式为SiO2＋Ceq \(=====,\s\up7(高温))Si＋CO2↑(×)
错因：在高温条件下生成CO而不是CO2。
(2)Si和SiO2都可用于制造光导纤维(×)
错因：Si是半导体材料，SiO2用于制造光导纤维。
(3)非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4(√)
(4)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸(×)
错因：SiO2能与氢氟酸反应。
(1)工业上可用以下流程制取高纯硅，完成各步反应的化学方程式：
eq \x(石英砂)eq \(―――→,\s\up7(①焦炭),\s\d5(高温))eq \x(粗硅)eq \(―――→,\s\up7(②氯气),\s\d5(加热))eq \x(SiCl4)eq \(―――→,\s\up7(③氢气),\s\d5(高温))eq \x(高纯硅)
反应①：________________________________________________________________________；
反应②：________________________________________________________________________；
反应③：________________________________________________________________________。
答案 SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up7(高温))Si(粗)＋2CO↑
Si(粗)＋2Cl2eq \(=====,\s\up7(△))SiCl4
SiCl4＋2H2eq \(=====,\s\up7(高温))Si(纯)＋4HCl
(2)能否依据反应Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑说明H2SiO3的酸性比H2CO3强？
答案 不能。强酸＋弱酸盐===强酸盐＋弱酸，该规律仅适用于常温下水溶液中进行的反应，而该反应是在高温且熔融态下进行的，只能从化学平衡移动角度去解释反应发生的原因——CO2为气体，能及时分离出反应体系，使化学反应向右进行。
题组一 硅 无机非金属材料的性质及应用
1．(2019·康定教学质量检查)“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
答案 C
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。
2．(2020·河南期末)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
答案 C
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；由化学方程式SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up7(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。
3．下列说法不正确的是( )
A．SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃
B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶
C．氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，化学式为Si3N4
D．石英是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能
答案 D
解析 氢氟酸与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，故HF可用于刻蚀玻璃，故A正确；盐酸的酸性强于硅酸，所以向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸可制备硅酸凝胶，故B正确；根据N的非金属性强于Si及化合物中正负化合价的代数和为0的原则，得氮化硅的化学式为Si3N4，故C正确；晶体硅是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能，而不是二氧化硅，故D错误。
题组二 工业上制取高纯硅
4．科学家最新研制的利用氯化氢和氢气生产高纯硅的工艺流程如图所示：
容器①中进行的反应为①Si(粗)＋3HCl(g)eq \(=====,\s\up7(△))SiHCl3(l)＋H2(g)；容器②中进行的反应为②SiHCl3＋H2eq \(=====,\s\up7(高温))Si(纯)＋3HCl。下列说法不正确的是( )
A．该工艺流程的优点是部分反应物可循环使用
B．①和②互为可逆反应
C．该流程中需要隔绝空气
D．粗硅制备不能通过SiO2eq \(―――→,\s\up7(HClaq))SiCl4eq \(――→,\s\up7(H2),\s\d5(高温))Si实现
答案 B
解析 A项，反应②中生成的HCl在反应①中循环利用，正确；B项，反应①与反应②对应的反应温度不一致，不是可逆反应，错误；C项，高温条件下，Si、SiHCl3、H2都与O2反应，故需隔绝空气，正确；D项，SiO2不与HCl反应，不能通过上述途径制硅，正确。
5．晶体硅是一种重要的非金属原料，由粗硅制备纯硅的主要步骤如下：
①粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3：Si(粗)＋3HCleq \(=====,\s\up7(300 ℃))SiHCl3＋H2；
②经过纯化的SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃下反应制得纯硅。
回答相关问题：
(1)粗硅与HCl气体反应完全后，经冷凝得到SiHCl3(沸点为36.5 ℃)，只含有少量SiCl4(沸点为57.6 ℃)和HCl(沸点为－84.7 ℃)，提纯SiHCl3的方法为_____________________________。
(2)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置已略去)：
①在加热D装置前应先打开A装置中分液漏斗的活塞，目的是_________________________
_______________________________________________________________________________。
②C装置中烧瓶需要加热，采用的方法是_____________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)蒸馏 (2)①排出系统内的空气，以防爆炸 ②水浴加热
1．(2019·全国卷Ⅰ，7)陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是( )
A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁
B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧制而成
C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐
D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
答案 A
解析 “雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关，而氧化铁显红棕色，A项错误；秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧制而成，B项正确；陶瓷以黏土为原料，经高温烧制而成，属于人造材料，主要成分是硅酸盐，C项正确；陶瓷主要成分是硅酸盐，硅酸盐中硅元素化合价处于最高价，化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点，D项正确。
2．化学与生活密切相关。下列叙述错误的是( )
A．高纯硅可用于制作光感电池(2019·全国卷Ⅲ，7A)
B．活性炭具有除异味和杀菌作用(2019·全国卷Ⅲ，7C)
C．无水CCl2呈蓝色，吸水会变为粉红色，可用于判断变色硅胶是否吸水(2019·天津，3D)
D．天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅(2019·浙江4月选考，8C)
答案 B
3．下列说法正确的是( )
A．汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土(2018·天津，1C)
B．SiO2具有导电性，可用于制作光导纤维和光电池(2018·海南，5B)
C．12 g金刚石中含有化学键的数目为4NA(2018·海南，9A)
D．因为SiO2熔点高硬度大，所以可用于制光导纤维(2018·江苏，3B)
答案 A
解析 工业上以黏土为原料烧制瓷器，A项正确；二氧化硅对光具有良好的全反射作用，故用于制作光导纤维，而Si为半导体材料，可作光电材料，B项错误；在金刚石中，1个C原子参与形成4个C—C键，则平均每个C原子形成4×eq \f(1,2)＝2个C—C键，n(金刚石)＝eq \f(12 g,12 g·ml－1)＝1 ml，所以12 g金刚石中含有2NA个化学键，C项错误；SiO2用于制造光导纤维是由于SiO2具有光学性质，与熔点和硬度无关，D项错误。
4．下列有关硅及其化合物的叙述错误的是( )
A．SO2通入Na2SiO3溶液产生胶状沉淀，证明酸性H2SO3>H2SiO3(2017·北京，10D)
B．可用磨口玻璃瓶保存NaOH溶液(2015·海南，7B)
C．HF能与SiO2反应，可用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记(2016·全国卷Ⅲ，7D)
D．石英砂可用于生产单晶硅(2016·海南，4C)
答案 B
解析 A项，依据强酸制弱酸原理判断；B项，NaOH与玻璃中的SiO2会发生反应2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O，产生的Na2SiO3有黏合性，会将玻璃瓶与玻璃塞黏在一起，因此不能使用玻璃塞，要用橡胶塞，错误。可燃性
2C＋O2(不足)eq \(=====,\s\up7(点燃))2CO、C＋O2(足量)eq \(=====,\s\up7(点燃))CO2
与氧化物反应
CuO：______________________(冶炼金属)；
SiO2：____________________(制取粗硅)；
H2O：__________________(制取水煤气)
与强氧化性酸反应
浓H2SO4：________________________________________________；
浓HNO3：___________________________________________________
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
CO2eq \(,\s\up7(C，△),\s\d5(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(COeq \\al(2－,3))
酸式盐(HCOeq \\al(－,3))
溶解性
只有钾、钠、铵盐可溶
一般都可溶
溶解度
一般而言，在相同温度下，难溶性正盐溶解度小于其酸式盐溶解度，如溶解度Ca(HCO3)2>CaCO3；可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度，如溶解度Na2CO3>NaHCO3。
热稳定性
正盐>酸式盐>碳酸
溶液pH
同浓度：正盐>酸式盐
相互转化
COeq \\al(2－,3)eq \(,\s\up7(①CO2＋H2O；②H＋),\s\d5(OH－))HCOeq \\al(－,3)
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
材料类型
主要特性
示例
用途
高温结构陶瓷
能承受高温，强度高
氮化硅陶瓷
汽轮机叶片、轴承、永久性模具等
半导体陶瓷
具有电学特性
二氧化锡陶瓷
集成电路中的半导体
光学材料
具有光学特性
光导纤维
光缆通讯、医疗、照明等
生物陶瓷
具有生物功能
氧化铝陶瓷
人造骨骼、人造关节、接骨螺钉