【鲁科版】高考化学一轮复习第12讲碳硅及无机非金属材料教案

第12讲　碳、硅及无机非金属材料

[考纲要求]　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质量的影响。

考点一　碳及其重要化合物

1．碳单质

(1)碳单质的存在形式有金刚石、石墨、木炭、足球烯，它们互为同素异形体。

(2)结构

金刚石：正四面体空间网状结构；石墨：平面正六边形层状结构。

(3)物理性质：金刚石熔点高、硬度大；石墨熔点高、质软，有滑腻感。

(4)主要化学性质——还原性

①可燃性

②C＋

③C＋

2．一氧化碳

(1)物理性质：无色气体，有毒，难溶于水。

(2)化学性质——还原性

①燃烧：2CO＋O22CO2，淡蓝色火焰；

②还原CuO：CuO＋COCu＋CO2(冶炼金属)。

3．二氧化碳(CO2)

(1)一种无色、无味的气体，能溶于水，固态CO2俗称干冰。

(2)与H2O、Na2O、Ca(OH)2(足量、澄清)、Mg反应的方程式分别为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

①CO2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：

a．溶于江水、海水中：CO2＋H2O⇌H2CO3；

b．光合作用将CO2转化为O2；

c．岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2===Ca(HCO3)2。

4．碳酸(H2CO3)

弱酸性、不稳定性。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．碳酸的酸式盐和正盐的比较

(1)在水中的溶解性

①含K＋、Na＋、NH的正盐易溶于水，其余一般不溶于水；酸式盐均能溶于水。

②一般来说，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。

(2)热稳定性

一般来说，热稳定性顺序为正盐>酸式盐>碳酸，如稳定性Na2CO3>NaHCO3>H2CO3。可溶性正盐>难溶性正盐，如CaCO3高温分解，而K2CO3不易分解。

(3)水溶液酸碱性强弱

物质的量浓度相同时，正盐溶液的pH大于其酸式盐溶液，如pH：Na2CO3溶液>NaHCO3溶液。

1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。

(1)12C、13C、14C是碳的三种同素异形体(×)

(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(×)

(6)氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体(√)

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(HCl)：

________________________________________________________________________。

答案：　(1)通过盛有浓NaOH溶液的洗气瓶

(2)通过盛放灼热CuO的硬质玻璃管

(3)通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶

题组一　CO2通入碱溶液中反应产物的定量分析

1．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

B　[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。]

2．向300 mL KOH溶液中缓慢通入一定量的CO2气体，充分反应后，在减压低温下蒸发溶液得到白色固体，请回答下列问题：

(1)由于CO2通入量不同，所得到的白色固体的量及组成也不同，试推断有几种可能的组成，并分别列出。

(2)若通入CO2气体2.24 L(标准状况)，得到11.9 g白色固体，请通过计算确定：此白色固体是由哪些物质组成的？其质量分别为多少？KOH的物质的量浓度为多少？

解析：　(1)可能发生的反应有：

CO2不足时，CO2＋2KOH===K2CO3＋H2O①

CO2过量时，CO2＋KOH===KHCO3②

其中分别为、1。所以可确定、1为临界点。

画数轴：

根据数轴、列表得出结果。

(2)根据题意：n(CO2)＝＝0.1 mol，若生成的固体全部为K2CO3，则其质量为0.1 mol×138 g·mol－1＝13.8 g，若生成的固体全部为KHCO3，则其质量为0.1 mol×100 g·mol－1＝10 g。现固体质量为11.9 g。所以，此固体为K2CO3和KHCO3的混合物。设K2CO3和KHCO3的物质的量分别为a mol、b mol，则有：

解得a＝b＝0.05

白色固体中m(K2CO3)＝0.05 mol×138 g·mol－1＝6.9 g；

m(KHCO3)＝0.05 mol×100 g·mol－1＝5 g，反应中消耗n(KOH)＝2a mol＋b mol＝0.15 mol。故c(KOH)＝＝0.5 mol·L－1。

答案：　(1)

(2)白色固体为K2CO3和KHCO3的混合物；质量分别为K2CO3 6.9 g和KHCO3 5 g；c(KOH)＝0.5 mol·L－1。

题组二　CO2的综合利用

3．为检验二氧化碳气体中是否混有一氧化碳，某课外兴趣小组的同学设计了如下图所示的实验装置：

根据装置回答问题：

(1)A装置的作用是____________。

(2)实验后怎样处理尾气__________，发生反应的化学方程式为

________________________________________________________________________。

(3)若实验时观察到

________________________________________________________________________，

则证明原气体中一定含有一氧化碳。

解析：　(1)除去混合气体的CO2时，可先将混合气体通入盛有浓NaOH溶液的洗气瓶中，故A装置的作用是吸收CO2，以排除对下面实验的干扰。

(2)CO有毒，故将CO点燃生成CO2才能排放到空气中。

(3)CO还原CuO的实验现象是黑色粉末变成红色，故利用这一现象来证明原气体中一定含有CO。

答案：　(1)吸收CO2　(2)点燃　2CO＋O22CO2

(3)B中无明显现象，装置C中黑色粉末变成光亮的红色，D中澄清石灰水变浑浊

4．研究CO2在海洋中的转移和归宿，是当今海洋科学研究的前沿领域。

(1)溶于海水中的CO2主要以4种无机碳形式存在，其中HCO占95%。写出CO2溶于水产生HCO的方程式：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)在海洋碳循环中，通过下图所示的途径固碳。

写出钙化作用的离子方程式：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)海水中溶解无机碳占海水总碳的95%以上。其准确测量是研究海洋碳循环的基础。测量溶解无机碳，可采用如下方法：

①气提、吸收CO2。用N2从酸化后的海水中吹出CO2并用碱液吸收(装置示意图如下)。将虚线框中的装置补充完整并标出所用试剂。

②滴定。将吸收液吸收的无机碳转化为NaHCO3，再用x mol·L－1 HCl溶液滴定，消耗y mL HCl溶液。海水中溶解无机碳的浓度＝________mol·L－1。

答案：　(1)CO2＋H2O⇌H2CO3、H2CO3⇌H＋＋HCO

(2)2HCO＋Ca2＋===CaCO3↓＋CO2↑＋H2O

(3)①　②

考点二　硅及其化合物　无机非金属材料

1．硅(Si)

(1)硅的存在：硅在自然界中以化合态存在，在地壳中的含量仅次于氧。

(2)物理性质：灰黑色，硬度大，熔、沸点高，具有金属光泽。

(3)化学性质：常温下与F2、HF、NaOH反应；加热时能与H2化合生成不稳定的氢化物SiH4，加热时还能与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(粗硅)＋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。

2．二氧化硅(SiO2)

(1)二氧化硅存在于沙子、石英、水晶、玛瑙(含杂质的石英)等中。SiO2是由Si和O按个数比1∶2直接构成。Si、SiC、Si3N4、BN等也是直接由原子构成的。

(2)二氧化硅的性质及用途

3.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===2NaCl＋H2SiO3↓。

(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。

4．硅酸盐

(1)由硅、氧和金属元素组成化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。

(2)硅酸钠

Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓

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。

(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，

钾长石(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

(2)玻璃的生产

①反应原理：SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑

SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑

②主要成分：SiO2、CaSiO3、Na2SiO3。

(3)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。

(4)新型无机非金属材料

如高温陶瓷、压电陶瓷、生物陶瓷、光导纤维等。

(1)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。

(2)NaOH溶液可以用玻璃瓶盛放，但不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶。

1．判断正误，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)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料(×)

(3)Si和SiO2都可用于制造光导纤维(×)

(4)非金属性：C>Si，则热稳定性：CH4>SiH4(√)

(5)硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应(×)

(6)SiO2是酸性氧化物 ，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸(×)

(7)玻璃是一种晶体，有较高的熔点(×)

(8)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱(×)

2．写出除去下列固体粉末中混有杂质(括号内为杂质)可采取的方法，写出有关反应的方程式。

(1)CaCO3(SiO2)

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)SiO2(CaCO3)

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)SiO2(NH4Cl)

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案：　(1)在固体混合物中加入足量氢氧化钠溶液，充分反应后，过滤、洗涤。SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

(2)在固体混合物中加入足量稀盐酸，充分反应后，过滤、洗涤。CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O

(3)方法一：在固体中加入适量水溶解、过滤。

方法二：将固体混合物在坩埚中充分灼烧，除去NH4Cl。NH4ClNH3↑＋HCl↑

3．实验室中要熔化烧碱固体，现有三种坩埚：石英坩埚、陶瓷坩埚、铁坩埚。你认为选哪一种？简述选择的依据。

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案：　选择铁坩埚。依据：铁不与烧碱反应，而石英坩埚、陶瓷坩埚中都含有SiO2，能与NaOH反应使得坩埚受损

题组一　硅和二氧化硅的特性

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

C　[选项A、D的反应在高温下均生成了气体，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。]

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

题组二　硅的工业制法

3．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为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(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，写出该反应的化学方程式

________________________________________________________________________；

H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：　(1)H2还原SiHCl3得到Si和HCl。

(2)SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，依据原子守恒，判断另一物质是H2。因H2还原SiHCl3的反应条件是高温(1 357 K)，若混入O2，则H2与O2混合加热可能发生爆炸，同时，O2也可能氧化SiHCl3。

答案：　(1)SiHCl3＋H2Si＋3HCl

(2)SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl↑＋H2↑

氧气与氢气混合，可能引起爆炸；氧气可能会氧化SiHCl3

提纯粗硅的两种方法

方法一　Si＋2Cl2SiCl4，

SiCl4＋2H2Si＋4HCl。

方法二　Si＋3HClSiHCl3＋H2，

SiHCl3＋H2Si＋3HCl

题组三　硅酸盐的成分及表示方法

4．(2019·福建龙岩调研)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

C　[不同的金属氧化物颜色可能不同，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先进陶瓷、非晶体材料、人工晶体、无机涂层，无机纤维等，氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，故B正确；瓷器的原料主要是黏土烧结而成，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。]

5．硅与铝同周期。SiO2是硅酸盐玻璃(Na2CaSi6O14)的主要成分，Na2CaSi6O14也可写成Na2O·CaO·6SiO2。盛放NaOH溶液的试剂瓶若用玻璃瓶塞容易形成黏性的硅酸盐而无法打开，发生反应的化学方程式为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

长石是铝硅酸盐的，不同类长石其氧原子的物质的量分数相同。由钠长石的化学式NaAlSi3O8可推知钙长石的化学式为

________________________________________________________________________。

解析：　根据不同类长石其氧原子的物质的量分数相同，结合化合价代数和是0可写出钙长石的化学式。

答案：　SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　CaAl2Si2O8

硅酸盐改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。

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

A　[本题考查物质组成、性质与用途，考查的核心素养是科学态度与社会责任。“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·北京，6)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　[B项，2022年冬奥会的速滑服是由有机合成材料制成的；C项，碳包覆银纳米线是金属材料；D项，钛合金筛网轮是金属材料。]

3．(2018·江苏，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

C　[A项，光合作用会吸收CO2放出O2；B项，自然降雨对大气中的CO2含量影响不大；D项，碳酸盐的沉积对大气中的CO2含量影响不大。]

4．下列有关硅及其化合物的叙述错误的是(　　)

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．SO2通入Na2SiO3溶液产生胶状沉淀，证明酸性H2SO3>H2SiO3(2017·北京，10D)

C．SiO2硬度大，故可用于制造光导纤维(2017·江苏，3C)

D．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)

C　

5．[2017·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)由题意知，水泥样品中含有铁、铝和镁等金属的氧化物，后面操作有加入氨水调节pH＝4～5，目的是除去Al元素和Fe元素，而在此pH范围内，Fe元素只有转化为Fe3＋才能完全生成沉淀，因此加入硝酸的目的是将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋；还可以使用双氧水等其他氧化剂代替硝酸。

(2)水泥样品中的SiO2、CaO及铁、铝、镁等金属的氧化物，只有SiO2(或反应生成的H2SiO3)不溶于盐酸，所以沉淀A的主要成分是SiO2(或H2SiO3)。SiO2(或H2SiO3)不与强酸反应，但可溶于氢氟酸中，反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(或H2SiO3＋4HF===SiF4↑＋3H2O)。

答案：　(1)将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋　H2O2

(2)SiO2(或H2SiO3)　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(或H2SiO3＋4HF===SiF4↑＋3H2O)