2021届高考化学人教版一轮创新教学案：第4章第13讲　碳、硅及其重要化合物

[考纲解读]　1.了解常见非金属元素C、Si、Cl、S、N的单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。2.了解常见非金属元素单质及其重要化合物对环境的影响。

第13讲　碳、硅及其重要化合物

一、碳、硅单质

1．单质的结构、存在形态、物理性质和用途

2．碳和硅的化学性质

3．硅的工业制法及提纯

石英砂粗硅SiCl4高纯硅

反应①：SiO2＋CSi＋2CO↑。

反应②：Si＋2Cl2SiCl4。

反应③：SiCl4＋2H2Si＋4HCl。

二、碳、硅的氧化物

1．一氧化碳

(1)物理性质

无色气体，有毒，难溶于水。

(2)化学性质

①燃烧：

2CO＋O22CO2，淡蓝色火焰(空气中燃烧)。

②还原Fe2O3：

Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2(冶炼金属)。

2．二氧化碳和二氧化硅的比较

三、硅酸、硅酸盐、无机非金属材料

1．硅酸(H2SiO3)

2．硅酸盐

(1)硅酸盐

是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的重要成分。

(2)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，如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。

(3)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与酸性较硅酸强的酸反应

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．无机非金属材料

(1)传统无机非金属材料

①三种硅酸盐工业生产的比较

②主要用途：陶瓷、玻璃、水泥是重要建筑材料，也广泛应用于生活中。

(2)新型无机非金属材料

①高温结构陶瓷：如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学侵蚀性和电绝缘性等。

②生物陶瓷：对机体无排异反应，不会引起代谢作用异常。

③压电陶瓷：具有压电效应。

1.判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，并指明错因。

(1)硅在自然界中以游离态和化合态的形式存在。(×)

错因：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。(×)

错因：晶体硅不是因为其熔点高、硬度大而作半导体材料，是因为其导电性介于导体和绝缘体之间。

(3)Si和SiO2都可用于制造光导纤维。(×)

错因：Si不能用于制造光导纤维。

(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：CaCl2与CO2不反应，通入CO2无明显现象。

(5)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱，不溶于任何酸。(×)

错因：SiO2可溶于氢氟酸。

(6)向空气中排放二氧化碳会形成酸雨。(×)

错因：酸雨的pH<5.6，而饱和H2CO3的pH＝5.6。故CO2不会形成酸雨。

(7)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱。(×)

错因：水玻璃是Na2SiO3的水溶液，硅酸钠俗称泡花碱，属于盐。

2．教材改编题

(据人教必修一P81T10)下列关于碳、硅及其化合物的叙述正确的是(　　)

A．碳、硅都是ⅣA族元素，它们在自然界中都以化合态形式存在

B．二氧化碳、二氧化硅的物理性质相似

C．二氧化碳、二氧化硅都是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应生成相应的盐

D．高纯度的二氧化硅用于制造半导体材料

答案　C

解析　自然界中有游离态的碳存在，如金刚石；通常状况下，CO2为气态，SiO2为固态；用于制半导体材料的是高纯度的晶体硅。

考点一　碳、硅单质及其氧化物

[解析]　Si与O2反应生成SiO2，SiO2不与H2O反应，“氧化物酸或碱”不能实现，A项错误；b→c，c→a均不能通过一步反应实现，B项错误；二氧化碳和二氧化硅都属于酸性氧化物，都能与NaOH溶液反应生成盐和水，C项正确；硅酸盐可以用盐的形式或二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成，Al2Si2O5(OH)4可表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，D项错误。

[答案]　C

熟记硅及其化合物的特殊性质

1．二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。a～e是对①～⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行判断，其中正确的是(　　)

①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

②SiO2＋2CSi＋2CO↑

③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

④Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑

⑤SiO2＋3CSiC＋2CO↑

a．反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃

b．反应②中SiO2表现出氧化性

c．反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性

d．反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性酸酐的原理

e．反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应

A．ace  B．bde

C．cde  D．ab

答案　B

解析　通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是③，这属于SiO2的特性，因此a、c判断错误；反应②是一个置换反应，其中二氧化硅被还原，表现出氧化性，b判断正确；反应④是一个复分解反应，用难挥发的二氧化硅制取易挥发的二氧化碳，d判断正确；反应⑤中碳的化合价由0变为－4和＋2，硅的化合价和氧的化合价都没有改变，因此二氧化硅没有参加氧化还原反应，e判断也正确。

2．(2020·杭州质检)用4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

解析　A项，CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3↓，由于NaHCO3的溶解度比Na2CO3小，且生成的NaHCO3的质量多而析出；B项，CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓，H2SiO3与CO2不反应，浑浊不会消失；C项，CO2＋Ca(ClO)2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO，所以溶液变浑浊，加入的品红被HClO氧化褪色；D项，首先发生反应CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，继续通CO2至过量，产生可溶于水的Ca(HCO3)2，再加入足量的NaOH，则发生反应：2NaOH＋Ca(HCO3)2===CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O，溶液又变浑浊。

考点二　硅酸盐　无机非金属材料

[解析]　A项，硅酸钠本身是一种黏合剂，易造成磨口玻璃塞与瓶口黏结；B项，两反应条件不同，反应①是在溶液中进行，强酸可以制弱酸，而高温条件下，CO2是气体，逸出反应体系，能促使反应发生；C项，石英玻璃的主要成分为SiO2，SiO2是氧化物不是盐；D正确。

[答案]　D

1．硅及其化合物的用途

(1)Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，是一种黏合剂，是制备硅胶和木材防火剂的原料，与玻璃的成分不相同；Na2SiO3又称为泡花碱，但它却是盐。

(2)不要混淆二氧化硅和硅的用途

用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。

(3)熟悉几种常见饰品的主要成分

水晶、石英、玛瑙的主要成分是SiO2；珍珠的主要成分是CaCO3；钻石是金刚石，主要成分是C；红宝石的主要成分是Al2O3。

2．硅酸盐改写成氧化物形式的方法

(1)氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构，且不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。

(2)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。

(3)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。

(4)当计量数配置出现分数时应化为整数。如长石：KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。

3．(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错误；硅酸盐制品性质稳定、熔点高，C正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D错误。

4．和田玉是一种具有链状结构的含水钙镁硅酸盐，某种和田玉的化学成分为Ca2Mg3Fe2(Si4O11)2(OH)2，下列有关叙述正确的是(　　)

A．其化学式改写为氧化物的形式为2CaO·3MgO·Fe2O3·8SiO2·H2O

B．它能够抵抗任何酸碱的腐蚀

C．其中铁元素的化合价为＋3

D．其中铁元素的化合价为＋2

答案　D

解析　假设和田玉中铁元素的化合价为＋x，根据化合物中各元素的化合价代数和为零，可得：(＋2)×2＋(＋2)×3＋(＋x)×2＋(＋4)×8＋(－2)×22＋(－1)×2＝0，即x＝2，所以其化学式改写为氧化物的形式为2CaO·3MgO·2FeO·8SiO2·H2O；硅酸盐一般耐酸碱的腐蚀，但不是所有的酸碱都不能腐蚀它，如氢氟酸可以和其中的硅元素反应生成SiF4气体，浓硝酸可以将其中所含的Fe2＋氧化成Fe3＋。

　　建议用时：40分钟　　　满分：100分

一、选择题(每题6分，共72分)

1．(2019·长春外国语学校高三期末考试)化学与人类生活、生产和社会可持续发展密切相关，下列说法正确的是(　　)

A．计算机芯片的材料是经提纯的二氧化硅

B．“地沟油”可以用来制肥皂和生物柴油

C．硅胶、生石灰、铁粉是食品包装中常用的干燥剂

D．铝及其合金是电气、工业、家庭广泛使用的材料，是因为铝的冶炼方法比较简单

答案　B

解析　计算机芯片的主要成分是硅，故A错误；“地沟油”的主要成分是油脂，在碱性条件下水解发生皂化反应可制肥皂，地沟油中提炼出油脂可制造生物柴油，故B正确；铁粉是抗氧化剂，不是干燥剂，故C错误；铝及其合金具有密度低、强度高，导电性、导热性和抗蚀性优良等特点，所以在电气、工业、家庭中广泛使用，与冶炼难易无关，故D错误。

2．(高考组合题)下列有关硅及其化合物的叙述错误的是(　　)

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

B．(2017·江苏高考)SiO2硬度大，故可用于制造光导纤维

C．(2016·全国卷Ⅲ)HF能与SiO2反应，可用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记

D．(2016·海南高考)石英砂可用于生产单晶硅

答案　B

解析　B项，前后无因果关系。

3．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

答案　C

解析　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；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，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。

4．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

答案　B

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。

5．硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是(　　)

A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为Si3N4

B．碳化硅(SiC)的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承

C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为SiO2

D．硅酸盐Na2Fe2Si3O10用氧化物的形式表示为Na2O·2FeO·3SiO2

答案　D

解析　正确的表示应该为Na2O·Fe2O3·3SiO2，故D错误。

6．硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是(　　)

A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料

B．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应

C．反应Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑中，Si为氧化剂

D．硅能与氢氟酸反应，则硅可以与盐酸反应

答案　A

解析　由粗硅制备单晶硅的过程一般为SiSiCl4Si＋HCl，都是氧化还原反应，B错误；反应中Si的化合价升高，作还原剂，C错误；硅不能与盐酸反应，D错误。

7．(2019·高考名校联考信息优化卷)二氧化硅(SiO2)又称硅石，是制备硅及其化合物的重要原料，其相关转化关系如图所示，下列说法正确的是(　　)

A．SiO2属于两性氧化物

B．盛放Na2CO3溶液的试剂瓶不能用玻璃塞

C．硅胶吸水后不能重复再生

D．图中所示转化反应都是氧化还原反应

答案　B

解析　SiO2是酸性氧化物，A项错误；硅胶吸水后可以再生，C项错误；SiO2与HF的反应、SiO2与NaOH的反应、Na2SiO3与HCl的反应、SiO2与Na2CO3的反应等均为非氧化还原反应，D项错误。

8．将足量CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量(n)和通入CO2体积(V)的关系正确的是(　　)

答案　D

解析　CO2与KOH和Ca(OH)2都会反应，但存在着竞争，如果先与KOH反应，则反应后生成的K2CO3立即会与Ca(OH)2反应生成CaCO3，因此，可以看成CO2先与Ca(OH)2反应，所以通CO2后立即有CaCO3生成。第二步还要判断CO2是先跟KOH反应还是先与生成的CaCO3反应，同样可以采用假设法判断，即如果先与CaCO3反应，则生成的Ca(HCO3)2又会与KOH反应，因此是先与KOH反应，此过程生成沉淀的物质的量不变，当KOH反应完全，再与CaCO3反应，直至沉淀完全溶解，故选D。

9．(2019·银川模拟)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①为Si(粗)＋3HCl(g)===SiHCl3(l)＋H2(g)；容器②中进行的反应②为SiHCl3＋H2===Si(纯)＋3HCl。下列说法正确的是(　　)

A．该工艺流程的优点是部分反应物可循环使用

B．最好用分液的方法分离Si和SiHCl3

C．反应①和②中HCl均作氧化剂

D．反应①和②均属于可逆反应

答案　A

解析　从反应流程容易看出，HCl可循环使用，A正确；Si为固体，SiHCl3为液体，用过滤法分离，B错误；反应①中HCl作氧化剂，反应②中HCl为氧化产物，C错误；反应①和②都不是可逆反应，D错误。

10．甲气体可发生如下变化：

甲气体乙气体丙气体乙气体丁固体。则甲、乙、丙、丁分别为(　　)

A．CO2、CO、O2、CaO  B．O2、CO、CO2、CaCO3

C．O2、CO2、CO、CaCO3  D．CO、CO2、O2、Ca(OH)2

答案　C

解析　以丙气体为突破口，丙通过灼热的CuO后，生成的乙气体可与澄清石灰水反应生成固体，说明乙是CO2，则丙是CO，甲是O2，丁是CaCO3。

11．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

答案　B

解析　n(CO2)＝＝0.150 mol，n(NaOH)＝0.200 L×1.00 mol·L－1＝0.200 mol，＝＝，即1<<2，反应产物为Na2CO3、NaHCO3，设其物质的量分别为x、y，则解得所以＝。

12．(2019·咸阳一模)《美国化学会志》报道了中国科学家以二氧化碳和钠在一定条件下反应制得金刚石，该反应的化学方程式为：3CO2＋4Na===2X＋C(金刚石)。设NA为阿伏加德罗常数的值，下列有关此反应的叙述不正确的是(　　)

A．X的化学式为Na2CO3

B．在该反应中Na发生氧化反应，金刚石为还原产物

C．当有0.4 mol Na参加反应时，消耗的CO2的体积为6.72 L

D．当有3 mol CO2参加反应时，转移电子数目为4NA

答案　C

解析　根据原子守恒配平该化学方程式：3CO2＋4Na===2Na2CO3＋C(金刚石)，X为Na2CO3，A正确；该反应中Na作还原剂，发生氧化反应，CO2作氧化剂，发生还原反应，金刚石为还原产物，B正确；当0.4 mol Na参加反应时，标准状况下消耗的CO2的体积为6.72 L，C错误；该反应中转移4e－，当有3 mol CO2参加反应时，转移的电子数为4NA，D正确。

二、非选择题(共28分)

13．(2019·江西南昌一模)(16分)二氯二氢硅(SiH2Cl2)常用于外延法工艺中重要的硅源。易燃、有毒，与水接触易水解，沸点为8.2 ℃。在铜催化作用下，HCl与硅在250～260 ℃反应可以制得SiH2Cl2。

(1)利用浓硫酸、浓盐酸为原料，选用A装置制取HCl，利用了浓硫酸的________性。

(2)D装置中生成二氯二氢硅的化学方程式为______________________________。

(3)按照气体从左到右的方向，制取SiH2Cl2的装置(h处用止水夹夹好)连接次序为a→(　　)→(　　)→(　　)→(　　)→(　　)→(　　)→(　　)(填仪器接口的字母，其中装置C用到2次)。

(4)按从左到右的顺序，前面装置C中装的药品为________，后面装置C的作用为______________________________。

(5)反应除生成二氯二氢硅之外，还会生成H2和________、________等。

(6)新的制取SiH2Cl2的方法是：往硅粉中先通入Cl2，在300～350 ℃反应生成SiCl4，然后再与HCl在250～260 ℃反应，可以大大提高产率。如果通入气体次序相反，结果会________________________________(用化学方程式表示)。

答案　(1)吸水　(2)Si＋2HClSiH2Cl2　(3)d　e　f　g　b　c　d　(4)P2O5或CaCl2　尾气处理和防止空气中的水进入B中　(5)SiCl4　SiHCl3　(6)SiH2Cl2＋2Cl2SiCl4＋2HCl(或SiH2Cl2＋Cl2SiHCl3＋HCl)

解析　(1)浓硫酸有吸水性，使浓盐酸更易挥发出HCl。

(2)利用原子守恒法配平。

(3)A装置制取HCl，连接C装置干燥，从f进入D中反应，SiH2Cl2从g处挥发出来，在B装置中收集，SiH2Cl2的密度比空气大，导气管应长进短出，为防止空气中的水进入B中，则应在B后接干燥管。

(4)前面的装置C是用来干燥氯化氢气体的，应选用P2O5或CaCl2，后面装置C的作用为尾气处理和防止空气中的水进入B中，应选碱石灰。

(6)如果通入气体次序相反，SiH2Cl2会与Cl2继续反应，生成SiCl4、SiHCl3。

14．(12分)未来的交通工具将采用新一代无机非金属材料制成的无水冷发动机。这类材料中研究较多的是化合物G。

(1)化合物G的相对分子质量为140，G中硅元素的质量分数为60%，另有元素Y。G可以由化合物E(含两种元素)与NH3反应而生成，同时产生HCl气体。请推断：

①化合物G的化学式为________。

②1 mol NH3和0.75 mol E恰好完全反应生成G和HCl，则化合物E的分子式为________。

(2)粉末状G能够与空气中的氧气和水作用，所得产物中都有一种酸性氧化物，它是工业上生产玻璃的主要原料。与氧气反应所得的产物还有一种单质，与水反应生成的另一种产物是该种单质元素的氢化物。请写出化合物G与水反应的化学方程式______________________________________。

(3)为了使化合物G能成为新一代汽车发动机材料，现采用常压下在G中添加氧化铝，经高温烧结制成一种高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀的陶瓷材料，它的商品叫“赛伦”，化学通式可表示为Si6－xAlxOxY8－x。在接近于1700 ℃时x的极限值约为4.0，在1400 ℃时x为2.0，以保持整个化合物呈电中性。试问：赛伦中Y元素的化合价为________。

答案　(1)①Si3N4　②SiCl4　(2)Si3N4＋6H2O===3SiO2＋4NH3↑　(3)－3

解析　(1)①1个G分子中Si的原子数为＝3，另一种元素不可能是氢，而是氮，氮的原子数为＝4，故G的化学式为Si3N4。②根据原子守恒可知E的分子式为SiCl4。

(2)由题意知Si3N4与H2O反应生成SiO2和NH3。

(3)Si为＋4价，Al为＋3价，O为－2价，当x＝4时代入得Y的化合价a：2×4＋4×3＋(－2)×4＋a×4＝0，a＝－3。