2021版高考化学（人教版）一轮复习学案：第13讲　碳、硅及无机非金属材料


第13讲　碳、硅及无机非金属材料

　考点一　碳及其重要化合物

[知识梳理]
一、碳单质
1．存在形式：金刚石、石墨、无定形碳、足球烯等，它们互为同素异形体。
2．主要化学性质——还原性
(1)燃烧：C＋O2CO2。


二、碳的氧化物——CO和CO2
1．一氧化碳的性质及应用
(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一氧化碳与人体内血红蛋白相结合，人体因缺氧而中毒。
(2)化学性质及应用(写出有关化学方程式)
①可燃性：2CO＋O22CO2，可做燃料。
②还原性：CO还原Fe2O3的反应为3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2，可用于冶炼金属。
2．二氧化碳的性质
(1)物理性质：无色、无味的气体，能溶于水，固态CO2俗称干冰。
(2)化学性质：与H2O、Na2O、Ca(OH)2(足量、澄清)、Mg反应的化学方程式分别为CO2＋H2OH2CO3，Na2O＋CO2===Na2CO3，CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，2Mg＋CO22MgO＋C。
3．CO2在自然界中的循环
(1)CO2的主要来源：大量含碳燃料的燃烧。
(2)自然界消耗CO2的主要反应
①溶于江水、海水中：CO2＋H2OH2CO3。
②光合作用将CO2转化为O2和有机物：6H2O＋6CO2C6H12O6＋6O2。
③岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2===Ca(HCO3)2。
三、碳酸(H2CO3)
碳酸是弱酸、不稳定，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。
四、碳酸的酸式盐和正盐的比较
1．在水中的溶解性
(1)含K＋、Na＋、NH的碳酸的正盐易溶于水，其余一般难溶于水；碳酸的酸式盐均能溶于水。
(2)一般来说，在相同温度下，碳酸的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；碳酸的可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度，如溶解度：Na2CO3>NaHCO3。
2．热稳定性
一般来说，热稳定性顺序为碳酸的正盐>碳酸的酸式盐>碳酸，如稳定性：Na2CO3>NaHCO3>H2CO3；碳酸的可溶性正盐>碳酸的难溶性正盐，如CaCO3高温下易分解，而K2CO3不易分解。
3．水溶液的酸碱性
相同温度下，物质的量浓度相同时，碳酸的正盐溶液的pH大于其酸式盐溶液的pH，如pH：Na2CO3溶液>NaHCO3溶液。
五、草酸(H2C2O4)、草酸盐的性质
1．草酸(H2C2O4)的性质
H2C2O4是二元弱酸；有较强的还原性，能使酸性高锰酸钾溶液褪色：2KMnO4＋5H2C2O4＋3H2SO4===K2SO4＋2MnSO4＋10CO2↑＋8H2O；H2C2O4不稳定，固体受热易分解：H2C2O4H2O＋CO↑＋CO2↑。
2．草酸盐的性质
(1)(NH4)2C2O4易溶于水，微溶于乙醇，加热易分解，由氨水与草酸溶液作用而成。
(2)CaC2O4难溶于水和醋酸，能溶于盐酸和硝酸；灼烧时转变成氧化钙。
(3)草酸镁、草酸亚铁等微溶于水，可由对应的可溶性金属盐与草酸铵在水溶液中反应而得，加热分解可得到对应金属氧化物。

[自主检测]
判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)(2019·高考全国卷Ⅲ，7C)活性炭具有除异味和杀菌作用。(　　)
(2)(2019·高考全国卷Ⅱ，11B)澄清的石灰水久置后出现白色固体：Ca(OH)2＋CO2===CaCO3↓＋H2O。(　　)
(3)(2018·高考全国卷Ⅲ，10B)用标准HCl溶液滴定NaHCO3溶液来测定其浓度，选择酚酞为指示剂。(　　)
(4)(2018·高考全国卷Ⅰ，7D改编)含Li＋的滤液含Li沉淀，可用硫酸钠代替碳酸钠。(　　)
(5)[2017·高考全国卷Ⅱ，26(4)改编]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2MnO＋5H2C2O4＋6H＋===2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O。(　　)
(6)(2017·高考天津卷)将固体加热至恒重可除去NaHCO3固体中的Na2CO3。(　　)
(7)12C、13C、14C是碳的三种同素异形体。(　　)
(8)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。(　　)
(9)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应。(　　)
(10)向Ca(ClO)2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。(　　)
(11)向CaCl2溶液中通入CO2，无明显现象，若先通入NH3再通入CO2，溶液会变浑浊。(　　)
(12)向饱和NaCl的氨水溶液中通入过量CO2气体，有晶体析出。(　　)
答案：(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×　(7)×　(8)×　(9)×　(10)√　(11)√　(12)√

演练一　碳及其化合物的性质及对环境的影响
1．化学与社会、科学、技术、环境密切相关。下列说法不正确的是(　　)
A．T­碳是一种新型三维碳结构晶体，与C60互为同素异形体
B．推广利用CO2合成聚碳酸酯可降解塑料符合低碳经济理念
C．将金属钛、铝混合后在空气中熔化可制得强度较大的钛铝合金材料
D．为汽车安装尾气催化转化装置，可将尾气中的部分CO和NO转化为无毒气体
解析：选C。B项，利用CO2合成聚碳酸酯类可降解塑料，实现“碳”的循环利用，减少二氧化碳的排放，故B正确；C项，在空气中加热熔化，金属易与氧气发生反应，所以不能直接在空气中制备钛铝合金，故C错误。
2．用四种溶液进行实验，下表中溶液与操作及现象对应关系错误的是(　　)

选项
溶液
操作及现象
A
饱和Na2CO3
溶液　　　
通入CO2，溶液变浑浊
B
Na2SiO3溶液
通入CO2，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失
C
Ca(ClO)2溶液
通入CO2，溶液变浑浊，再加入品红溶液，红色褪去
D
澄清石灰水
通入CO2，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失，再加入足量NaOH溶液，又变浑浊
解析：选B。A项，由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3的溶解度，在饱和Na2CO3溶液中发生反应：Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3↓，因而会析出NaHCO3晶体；B项，发生反应：CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓，CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3，H2SiO3与CO2不反应，浑浊不会消失；C项，发生反应：CO2＋Ca(ClO)2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO，溶液变浑浊，再加入品红溶液，品红被HClO氧化而褪色；D项，首先发生反应：CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，继续通入CO2至过量，生成可溶于水的Ca(HCO3)2，再加入足量的NaOH溶液，发生反应：2NaOH＋Ca(HCO3)2===CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O，溶液又变浑浊。
3．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中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________(填物质名称)。
(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℃、200kPa、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＋3H2CH3OH＋H2O
演练二　CO2通入碱溶液中反应产物的定量分析
4．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∶1 D．1∶3
解析：选B。n(CO2)＝＝0.15mol，
n(NaOH)＝0.2L×1.00mol·L－1＝0.20mol，
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＝0.10mol，则充分反应后溶液中c(CO)∶c(HCO)＝0.05mol∶0.10mol＝1∶2。
5．(2020·合肥期末)常温下，向Ba(OH)2和NaOH混合溶液中缓慢通入CO2至过量(溶液温度变化忽略不计)，生成沉淀物质的量与通入CO2体积的关系如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．b点时溶质为NaHCO3
B．V4的值为90
C．V1、V2、V3时，溶液中c(Ba2＋)·c(CO)相等
D．原混合溶液中n[Ba(OH)2]∶n(NaOH)＝1∶2
解析：选D。ab段发生的反应为2OH－＋CO2===CO＋H2O、CO＋H2O＋CO2===2HCO，所以b点溶液中溶质为NaHCO3，故A正确；发生反应Ba2＋＋2OH－＋CO2===BaCO3↓＋H2O时消耗30mL的二氧化碳，发生反应NaOH＋CO2===NaHCO3时消耗30mL的二氧化碳，发生反应BaCO3＋CO2＋H2O===Ba2＋＋2HCO时消耗30mL的二氧化碳，所以V4的值为90，故B正确；Ksp(BaCO3)＝c(Ba2＋)·c(CO)，温度不变，溶度积不变，故C正确；D项，原混合溶液中Ba(OH)2和NaOH的物质的量之比为1∶1，故D错误。

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，当通入CO2的量介于两者之间时，既有碳酸盐又有碳酸氢盐生成，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：
　
　考点二　硅及其重要化合物　无机非金属材料

[知识梳理]
一、硅单质(Si)
1．存在：硅是一种亲氧元素，在自然界中以化合态存在，在地壳中的含量仅次于氧，硅单质主要有结晶形和无定形两大类。
2．物理性质：晶体硅是灰黑色固体，硬度大，有脆性，熔、沸点高，具有金属光泽。
3．化学性质：常温下能与F2、HF、NaOH反应；加热时能与H2化合生成不稳定的氢化物SiH4，还能与Cl2、O2化合分别生成SiCl4、SiO2。涉及的化学方程式如下：
(1)与非金属单质反应
(2)与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
(3)与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(4)制法：SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑。
(5)用途：①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。
二、二氧化硅(SiO2)
1．石英晶体是结晶的二氧化硅，存在于沙子、水晶、玛瑙(含杂质的石英)等中。SiO2晶体是由Si原子和O原子按1∶2的比例所组成的立体网状结构的晶体。Si、SiC、Si3N4、BN等都是由原子直接构成的。
2．结构
SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为立体网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO2晶体中Si和O的原子个数比例为1∶2。

3．二氧化硅与二氧化碳的性质与用途比较

性质与用途
二氧化硅
二氧化碳
物理性质
硬度大，熔、沸点
高，不溶于水
熔、沸点低，
可溶于水
化学性质
与水反应
不反应
CO2＋H2OH2CO3
与酸反应
氢氟酸用于刻蚀玻璃的化学方程式：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
不反应
与碱反应
(如NaOH)
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(盛碱液的试剂瓶不能用玻璃塞)
CO2＋2NaOH===
Na2CO3＋H2O或CO2
＋NaOH===NaHCO3
与盐反应
(如Na2CO3)
化学方程式：SiO2＋Na2CO3CO2↑＋Na2SiO3
CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3
与碱性氧
化物反应
与CaO反应：SiO2＋CaOCaSiO3
与Na2O反应：CO2＋Na2O===Na2CO3
与碳反应
2C＋SiO2Si＋2CO↑
C＋CO22CO
主要用途
制光学仪器、石英玻璃；水晶可制作饰品；常用来制造通信材料——光导纤维
化工原料、灭火剂；干冰用作制冷剂，人工降雨
三、硅酸、硅酸盐
1．硅酸(H2SiO3)
(1)物理性质
硅酸的溶解度很小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。
(2)化学性质
①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。
②不稳定，受热易分解：H2SiO3SiO2＋H2O。
(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)。
(4)用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。
2．硅酸盐
(1)硅酸盐是由硅、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：硅酸钠溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体，其水溶液显碱性，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。
能与酸性比硅酸强的酸反应，如Na2SiO3溶液与少量CO2反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。
(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，石棉(CaMg3Si4O12)可表示为CaO·3MgO·4SiO2。
四、无机非金属材料
1．无机非金属材料分类

2．常见硅酸盐材料比较


水泥
普通玻璃
陶瓷
生产原料
石灰石、黏土
纯碱、石灰石、石英砂
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑
3.玻璃生产中的两个重要反应
Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；
CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。
[自主检测]
1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)(2019·高考全国卷Ⅱ，9B)常温常压下，硅单质为固态。(　　)
(2)硅在自然界中只以化合态的形式存在。(　　)
(3)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料。(　　)
(4)Si和SiO2都可用于制造光导纤维。(　　)
(5)非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4。(　　)
(6)高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅。(　　)
(7)硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应。(　　)
(8)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)溶液，不溶于任何酸溶液。(　　)
(9)玻璃是一种晶体，有较高的熔点。(　　)
(10)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱。(　　)
(11)光导纤维、碳纳米管、氮化硅结构陶瓷等都是新型无机非金属材料。(　　)
(12)普通玻璃、石英玻璃、水泥、玛瑙都属于硅酸盐产品。(　　)
答案：(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√　(6)√　(7)×　(8)×　(9)×　(10)×　(11)√　(12)×
2．[2018·高考全国卷Ⅲ，28(1)]SiHCl3在常温常压下为易挥发的无色透明液体，遇潮气时发烟生成(HSiO)2O等，写出该反应的化学方程式：________________________________。
答案：2SiHCl3＋3H2O===(HSiO)2O＋6HCl
3．歌曲《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案让人赏心悦目，但古瓷所用颜料的成分一直是个谜。近年来科学家才得知古瓷中所用的颜料大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜元素的化合价为＋2价)，其中x等于________，硅酸铜钡可用氧化物的形式表示为___________________________。
答案：6　BaO·CuO·2SiO2

(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而不是晶体硅。
(2)不要混淆常见含硅物质的类别。
①计算机芯片的主要成分是晶体硅而不是SiO2。
②水晶、沙子、玛瑙等的主要成分是SiO2而不是硅酸盐。
③光导纤维的主要成分是SiO2，不属于硅酸盐材料。
④传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸盐。
(3)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。
(4)硅酸盐写成氧化物形式的方法
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。
③当计量数配置出现分数时应化为整数，如正长石：KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。

演练一　硅及其化合物的性质
1．下列关于硅的说法不正确的是(　　)
A．硅是非金属元素，晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体
B．硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料
C．用二氧化硅制取单质硅的反应中硅元素被氧化
D．加热到一定温度时，硅能与氢气、氧气等非金属单质发生反应
解析：选C。A项，晶体硅是灰黑色有金属光泽的非金属固体，正确；B项，硅在元素周期表中位于金属和非金属的分界处，所以晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，正确；C项，硅元素由＋4价变为0价，被还原，错误；D项，加热条件下，硅能与一些非金属单质反应，如硅能与氢气、氧气等非金属单质发生反应，正确。
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2.24L气体(标准状况)时，得到2.8g硅
解析：选C。A项，二氧化硅是酸性氧化物，但二氧化硅不溶于水，与水不反应，故A错误；B项，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；C项，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，二氧化硅能与碳酸钠固体反应生成硅酸钠和二氧化碳，故C正确；D项，由化学方程式SiO2＋2CSi＋2CO↑可知，当生成2.24L(标准状况)即0.1mol气体时，得到0.05mol即1.4g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
解析：选D。A项，氢氟酸与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，能腐蚀玻璃，可用于刻蚀玻璃，故A正确；B项，盐酸的酸性强于硅酸，所以向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶，故B正确；C项，根据化合物中各元素的化合价的代数和为0的原则，得氮化硅的化学式为Si3N4，故C正确；D项，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，故D错误。
演练二　无机非金属材料的性能及应用
4．(2020·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．制水泥的主要原料为纯碱、石灰石和石英砂
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
解析：选C。陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英砂是制普通玻璃的主要原料，而制水泥的主要原料是黏土和石灰石，B项错误；硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高，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。
5．宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“入窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是(　　)
A．窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料
C．高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物
D．陶瓷属于硅酸盐材料，耐酸碱腐蚀，但是不能用来盛装氢氟酸
解析：选C。不同的金属化合物颜色可能不同，在高温下，釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化称为窑变，故A正确；新型无机非金属材料主要有新型陶瓷、硅和二氧化硅、碳纳米材料等，氧化铝陶瓷属于新型陶瓷，故B正确；瓷器是以黏土为主要原料经高温烧结而成的，瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅，是混合物，故C错误；HF能与二氧化硅反应，陶瓷的主要成分是硅酸盐和二氧化硅，所以陶瓷不能用来盛装氢氟酸，故D正确。
演练三　高纯硅的制取
6．高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
下列说法不正确的是(　　)
A．步骤①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑
B．步骤①中每生成1molSi，转移4mol电子
C．高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
D．SiHCl3(沸点33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸点67.6℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3
解析：选A。A项，二氧化硅在高温下与C反应生成CO气体，即步骤①的化学方程式为SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑，故A错误；B项，步骤①中Si的化合价降低4价，故每生成1molSi，转移电子数为4mol，故B正确；C项，高纯硅是半导体，是制造集成电路、太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料，故C正确；D项，沸点相差30℃以上的两种互溶液体可以采用蒸馏的方法分离，故D正确。
7．硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：
(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：

①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：______________________________
________________________________________________________________________。
②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出并配平该反应的化学方程式：_____________________________________；
H2还原SiHCl3过程中若混有O2，可能引起的后果是________________________。
(2)某化学研究性学习小组在探究硅的制取方法时，从资料中查阅到下列信息：
Ⅰ.Mg在高温条件下可与SiO2反应；
Ⅱ.金属硅化物与稀H2SO4反应生成硫酸盐和SiH4；
Ⅲ.SiH4在空气中自燃。
他们根据信息进行实验，当用足量稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物时，发现有爆鸣声和火花；然后过滤、洗涤、干燥；最后称量、计算，测得其产率只有预期值的63%左右。
①第Ⅰ步实验发生反应的化学方程式是_______________________________________
________________________________________________________________________。
②用稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得固体产物时，产生爆鸣声和火花的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(2)①类似于镁和二氧化碳的反应，可生成单质硅和氧化镁；在高温条件下，硅还能继续与活泼金属镁化合。②发现有爆鸣声和火花，说明生成了气体SiH4，且SiH4发生了自燃。
答案：(1)①SiHCl3＋H2Si＋3HCl
②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl　发生爆炸
(2)①2Mg＋SiO22MgO＋Si、2Mg＋SiMg2Si
②硅化镁与稀硫酸反应生成的SiH4可自燃，即发生反应Mg2Si＋2H2SO4===2MgSO4＋SiH4↑，SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O

在设计制备纯硅实验题中常遇到的知识点
(1)高温下用木炭还原二氧化硅制得粗硅：
SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑；
(2)粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：
Si(粗)＋3HClSiHCl3＋H2；　
(3)粗硅与干燥Cl2反应制得SiCl4：
Si(粗)＋2Cl2SiCl4；
(4)SiHCl3与过量H2在高温下反应制得纯硅：
SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl；
(5)SiCl4与过量H2在高温下反应制得纯硅：
SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl；　Ｋ
(6)SiO2＋2Mg2MgO＋Si；
(7)SiHCl3、SiCl4能与水发生反应：
SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑；
SiCl4＋3H2O===H2SiO3↓＋4HCl；
(8)SiH4在空气中易自燃：
SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O。　

1．(2019·高考全国卷Ⅰ，7，6分)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，由黏土经高温烧结而成
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
解析：选A。“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关，而氧化铁显红色，A项错误；秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成，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；陶瓷的主要成分是硅酸盐，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．(2019·高考北京卷)下列我国科研成果所涉及材料中，主要成分为同主族元素形成的无机非金属材料的是(　　)





A.4.03米大口径碳化硅反射镜
B.2022年冬奥会聚氨酯速滑服
C.能屏蔽电磁波的碳包覆银纳米线
D.“玉兔二号”钛合金筛网轮
解析：选A。SiC中的C、Si分别为第二周期和第三周期的第ⅣA族元素，二者均为非金属元素，形成的SiC为无机非金属材料，A项正确；聚氨酯中含有C、H、N等元素，三种元素不属于同主族元素，且聚氨酯为有机材料，B项错误；碳包覆银纳米线由C、Ag元素组成，是无机非金属材料，但两种元素不是同主族元素，C项错误；钛合金是金属材料，D项错误。
3．(2018·高考江苏卷)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
解析：选C。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。
4．[2017·高考全国卷Ⅱ，26(1)(2)]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_________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)水泥熟料中的CaO和铁、铝、镁等金属的氧化物均能溶于盐酸，加入硝酸能将水泥样品中可能含有的Fe2＋氧化为Fe3＋，为了不引入新杂质，还可用H2O2代替硝酸。(2)根据图示流程可知，不溶于盐酸和硝酸的沉淀A为SiO2，SiO2能溶于弱酸氢氟酸，生成SiF4和H2O。
答案：(1)将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋　H2O2
(2)SiO2　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

一、选择题
1．硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。在无机非金属材料中，硅一直扮演着主角。下面几种物质中含有硅单质的是(　　)

解析：选C。玛瑙、光导纤维和水晶的主要成分都是SiO2，硅单质可用来制造太阳能电池。
2．(2020·合肥模拟)《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙黏土而为之”“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。下列说法错误的是(　　)
A．沙子和黏土的主要成分为硅酸盐
B．“燃薪举火”使黏土发生了复杂的物理化学变化
C．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦
D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
解析：选A。沙子的主要成分为二氧化硅，二氧化硅是氧化物，不属于硅酸盐，A项错误。黏土烧制成瓦的过程中发生了复杂的物理化学变化，B项正确。由“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”可知，C项正确。黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料，D项正确。
3．下列叙述中正确的是(　　)
A．因为Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸的强
B．碳和硅都是ⅣA族的元素，所以二氧化碳和二氧化硅的物理性质相似
C．二氧化硅既溶于氢氧化钠溶液又溶于氢氟酸，所以二氧化硅是两性氧化物
D．二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物，但二氧化硅不能和水反应生成硅酸
解析：选D。A项的反应之所以能发生，是因为生成的产物中有气体放出，促使反应能顺利进行，故不能通过此反应判断H2CO3与H2SiO3的酸性强弱，A项错误；CO2和SiO2的物理性质差异较大，B项错误；SiO2与氢氟酸的反应不属于酸性氧化物与一般酸的反应，在此反应中SiO2并没有表现出碱性氧化物的性质，C项错误。
4．“碳捕捉技术”指的是通过一定的方法将工业生产中产生的CO2分离出来并利用。例如，可利用NaOH溶液来“捕捉”CO2，其基本过程如图所示(部分条件及物质未标出)。

下列有关该方法的叙述中正确的是(　　)
①能耗大是该方法的一大缺点
②整个过程中，只有一种物质可以循环利用
③“反应分离”环节中，分离物质的基本操作是蒸发结晶、过滤
④该方法可减少碳排放，捕捉到的CO2还可用来制备甲醇等产品
A．①②　　 B．②③
C．③④ D．①④
解析：选D。该方法中高温反应炉分离出CO2，需要消耗较多能量，①正确；整个过程中NaOH和CaO均可循环利用，②错误；从捕捉室中得到的溶液是NaHCO3溶液，加入CaO后生成CaCO3和NaOH，通过过滤的方法即可分离，③错误；捕捉到的CO2可与H2反应制备甲醇：CO2＋3H2CH3OH＋H2O，④正确。
5．(2020·甘谷第一中学第二次检测)碳循环(如图)对人类生存、发展有着重要的意义。下列说法错误的是(　　)

A．碳是构成有机物的主要元素
B．光合作用是将太阳能转化为化学能的过程
C．化石燃料的大量燃烧是产生温室效应的原因之一
D．石油的年产量是衡量一个国家石油化工发展水平的标志
解析：选D。有机物一定含有碳元素，所以碳是构成有机物的主要元素，A正确；光合作用是绿色植物将二氧化碳和水合成葡萄糖和氧气的过程，是把太阳能转化为化学能的过程，B正确；化石燃料中含碳元素，化石燃料的大量燃烧产生的二氧化碳气体是产生温室效应的原因之一，C正确；乙烯的年产量是衡量一个国家石油化工发展水平的标志，D错误。
6．(2020·宜春高三月考)下列转化关系中，不能通过一步反应实现的是(　　)
①SiO2→Na2SiO3　②CuSO4→CuCl2　③SiO2→H2SiO3
④CuO→Cu(OH)2　⑤Na2O2→Na2SO4
A．①② B．③④
C．②③④ D．②③④⑤
解析：选B。①中SiO2可与NaOH或Na2CO3反应生成Na2SiO3；②中CuSO4可与BaCl2反应生成BaSO4和CuCl2；③中SiO2不能与H2O反应，所以不能由SiO2一步反应制得H2SiO3；④中CuO不能与H2O反应，所以不能由CuO一步反应制得Cu(OH)2；⑤中Na2O2可与稀H2SO4反应生成Na2SO4。
7．下列说法正确的是(　　)
A．水泥、玻璃、青花瓷、水晶、玛瑙都属于硅酸盐工业产品
B．二氧化碳通入水玻璃中可以得到原硅酸
C．因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸酸性比碳酸强
D．2MgO·SiO2中的酸根阴离子为SiO
解析：选B。硅酸盐工业产品是用含硅物质为原料，经高温加热制成的产品。A项，水晶、玛瑙的主要成分均为SiO2，不是硅酸盐工业产品；C项，只能得出高温下硅酸钠比碳酸钠稳定的结论，无法比较碳酸与硅酸的酸性强弱；D项，2MgO·SiO2中的酸根阴离子应为SiO。
8．(2020·济南考试大纲调研卷)工业上制备高纯硅有多种方法，其中的一种工艺流程如下：

已知：流化床反应的产物中，除SiCl4外，还有SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、FeCl3等。下列说法正确的是(　　)
A．电弧炉中发生的反应为C＋SiO2CO2↑＋Si
B．SiCl4进入还原炉之前需要经过蒸馏提纯
C．每生产1mol高纯硅，需要44.8L(标准状况)Cl2
D．该工艺Si的产率高，符合绿色化学要求
解析：选B。A项，二氧化碳与焦炭在高温下反应生成粗硅和一氧化碳，则电弧炉中发生的反应为2C＋SiO22CO↑＋Si，选项A错误；B项，在流化床反应器中除SiCl4外，还有SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、FeCl3等，故SiCl4在进入还原炉之前需要经过蒸馏提纯，选项B正确；C项，根据转化关系Si→SiCl4→Si，每生产1mol高纯硅，需要44.8L(标准状况)Cl2，由于含有其他副反应，消耗Cl2大于44.8L，选项C错误；D项，该工艺中产生氯化氢气体且有氯气的参与，容易引起空气污染，不符合绿色化学要求，选项D错误。
9．实验室用H2还原SiHCl3(沸点：31.85℃)制备纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法正确的是(　　)

A．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓硫酸、冰水
B．实验时，应先加热管式炉，再打开活塞K
C．为鉴定制得的硅中是否含有微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、KSCN溶液
D．该实验中制备氢气的装置也可用于饱和食盐水与电石反应制备乙炔
解析：选C。本题制备纯硅，H2＋SiHCl3Si＋3HCl，此反应应在装置Ⅳ中进行。装置Ⅰ的目的是制取氢气，氢气中含有水蒸气，对后续实验产生干扰，必须除去，因此装置Ⅱ的目的是除去氢气中的水蒸气，即装置Ⅱ中盛放浓硫酸；装置Ⅲ的目的是使SiHCl3汽化，与氢气充分混合，因此应在热水浴中加热，A项错误；实验时应先打开活塞K，通入氢气，排尽装置中的空气，防止加热时发生爆炸，B项错误；硅不能与盐酸反应，铁与盐酸反应生成Fe2＋，Fe2＋被H2O2氧化成Fe3＋，遇KSCN溶液变红，可以鉴定制得的硅中是否含有铁单质，C项正确；饱和食盐水与电石反应制备乙炔，反应迅速放出大量热且生成微溶的氢氧化钙，因此不能用启普发生器进行实验，D项错误。
10．如图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程。下列说法正确的是(　　)

A．SiO2属于两性氧化物
B．盛放Na2CO3溶液的试剂瓶能用玻璃塞
C．硅胶吸水后可重复再生
D．图中所示的转化反应都是氧化还原反应
解析：选C。SiO2是酸性氧化物，能与氢氟酸反应是其特殊性质，A错；在图示转化关系中只有第一行的反应是氧化还原反应，其余均为非氧化还原反应，D错。
二、非选择题
11．硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。
(1)新型陶瓷Si3N4的熔点高、硬度大、化学性质稳定。工业上可以采用化学气相沉积法，在H2的保护下，使SiCl4与N2反应生成Si3N4沉积在石墨表面，写出该反应的化学方程式：________________________________________________________________________。
(2)氮化硅硬度大、熔点高、不溶于酸(氢氟酸除外)，是一种重要的结构陶瓷材料。已知硅的熔点是1420℃，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。一种用工业硅(含少量钾、钠、铁、铜的氧化物)合成氮化硅的主要工艺流程如下：

①净化N2和H2时，铜屑的作用是________________________，硅胶的作用是________________________。
②在氮化炉中发生反应3Si(s)＋2N2(g)===Si3N4(s)　ΔH＝－727.5kJ·mol－1，开始时，严格控制氮气的流速以控制温度的原因是__________________________________________
________________________________________________________________________。
③X可能是________(填“盐酸”“硝酸”“硫酸”或“氢氟酸”)。
答案：(1)3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl
(2)①除去原料气中的氧气　除去生成的水蒸气
②该反应是放热反应，防止局部过热，导致硅熔化成团，阻碍与N2的接触
③硝酸
12．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水解的化学方程式为___________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)在反应⑤中，3molSi(NH2)4在高温下加热可得1mol氮化硅粉末和8molA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：________________________________________________________________________。
解析：(1)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。(2)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发生氧化还原反应。(3)SiCl4水解可以看作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。(4)氮化硅的化学式可通过题目信息运用质量守恒求得3Si(NH2)4Si3N4＋8NH3↑。(5)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＋6H2Si3N4＋12HCl
13．(实验方案的评价)单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质)，粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度为450～500℃)，四氯化硅经提纯后用氢气还原可得到高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置图：

相关信息如下：
①四氯化硅遇水极易水解；②硼、铝、铁在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物；③有关物质的物理常数见下表。

物质
SiCl4
BCl3
AlCl3
FeCl3
沸点/℃
57.7
12.8
—
315
熔点/℃
－70.0
－107.2
—
—
升华温度/℃
—
—
180
300

请回答下列问题：
(1)装置A中g管的作用是___________________________________________________
____________________________；装置C中的试剂是________。　
(2)甲方案：f接装置Ⅰ；乙方案：f接装置Ⅱ。但是装置Ⅰ、Ⅱ都有不足之处，请你评价后填写下表。

方案
优点
缺点
甲


乙




(3)在上述(2)的评价基础上，请你设计一个合理方案并用文字表述：___________________。
(4)SiCl4与H2反应的化学方程式为___________________________________________
________________________________________________________________________。
答案：(1)平衡压强，使分液漏斗中的浓盐酸顺利流下　浓硫酸
(2)

方案
优点
缺点
甲
①收集产品的导管粗，不会堵塞导管
②冷凝产品，减少了产品损失
①空气中的水蒸气进入产品收集装置，使SiCl4水解
②没有尾气处理装置，污染环境
乙
①有尾气处理装置，注重环保
①产品易堵塞导管
①产品易堵塞导管
②没有冷凝装置，产品易损失
(3)在装置Ⅰ的i处接盛有碱石灰的干燥管j
(4)SiCl4＋2H2Si＋4HCl