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高三化学一轮复习讲义第4章 第1节 碳、硅及其化合物
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这是一份高三化学一轮复习讲义第4章 第1节 碳、硅及其化合物，共15页。
[基础知识整合]
1．碳、硅单质的存在形式、物理性质和用途
2.化学性质
碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。
[应用体验]
1．从元素周期表的位置看，碳和硅均为ⅣA族元素，自然界中有碳的多种单质存在，自然界中有硅的单质吗？为什么？
[提示] 没有。因为硅有很强的亲氧性，在地壳形成时硅与氧易结合，难分离，因而硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。
2．写出由SiO2制备纯硅的化学方程式。
[提示] SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up15(高温),\s\d15( ))Si(粗)＋2CO↑，
Si(粗)＋2Cl2eq \(=====,\s\up15(△))SiCl4，
SiCl4＋2H2eq \(=====,\s\up15(高温))Si＋4HCl。
[考点多维探究]
角度1 碳、硅的性质和应用
1．科学家在不断深入的研究中，发现了一系列新的碳单质，对碳单质的研究已发展成一门独立的科学——碳科学。下列关于碳单质的叙述正确的是( )
A．碳的各种单质互称为碳的同素异形体
B．碳元素的各种单质结构虽然不同，但性质差别不大
C．碳元素的单质性质不同，其用途相同
D．碳元素的单质只有金刚石与石墨
A [碳的各种单质由于组成结构的不同，性质、应用也不一定相同。]
2．(2017·济南模拟)有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列有关硅的说法中，不正确的是( )
【导学号：95812062】
A．高纯度的硅广泛用于制作计算机芯片
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
D [硅为亲氧元素，在自然界中不存在游离态的单质。]
3.下列说法正确的是( )
A．单质eq \(――→,\s\up15(＋O2))氧化物eq \(――→,\s\up15(＋H2O))酸或碱eq \(――→,\s\up15(＋NaOH或HCl))盐，碳或硅单质可以按上述关系进行转化
B．若a、b、c分别为Si、SiO2、H2SiO3，则可以通过一步反应实现转化：bc―→a
C．太阳能电池板中的硅在元素周期表中处于金属元素与非金属元素的交界位置
D．单质硅常用于制造光导纤维
C [A项，SiO2与H2O不反应；B项，SiO2不能一步生成H2SiO3；D项，SiO2制造光导纤维。]
角度2 硅的制备
4．(2014·天津高考改编)晶体硅(熔点1 410 ℃)是良好的半导体材料。由粗硅制纯硅过程如下：
Si(粗)eq \(――→,\s\up15(Cl2),\s\d15(460 ℃))SiCl4eq \(――→,\s\up15(蒸馏),\s\d15( ))SiCl4(纯)eq \(――→,\s\up15(H2),\s\d15(1 100 ℃))Si(纯)
(1)工业上用焦炭与石英砂在高温下反应制取粗硅，其反应的化学方程式为
_____________________________________________________________，
上述反应中的氧化剂是________。
(2)粗硅与Cl2加热到460 ℃时发生反应，写出该反应的化学方程式_______。
(3)在1 100 ℃时，SiCl4被H2还原的化学方程式为_______________。
[答案] (1)2C＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温))Si(粗)＋2CO↑ SiO2
(2)Si＋2Cl2eq \(=====,\s\up15(460 ℃))SiCl4
(3)SiCl4＋2H2eq \(=====,\s\up15(1 100 ℃))Si＋4HCl
Si单质特性理解误区
(1)Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up15(高温))Si＋2CO↑。
(2)非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si与碱液作用却放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(3)非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
(4)非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。
考点2| 碳、硅的氧化物的性质及应用
[基础知识整合]
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：与人体内血红蛋白相结合，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＋O2eq \(=====,\s\up15(点燃))2CO2，可作燃料。
②还原性：CO还原Fe2O3的反应为3CO＋Fe2O3eq \(=====,\s\up15(高温))2Fe＋3CO2，可用于冶炼金属。
2．CO2与SiO2性质的比较
(1)共性
均属于酸性氧化物，均能与碱、金属氧化物反应，写出二者与NaOH溶液(足量)反应的离子方程式：CO2＋2OH－===COeq \\al(2－,3)＋H2O、SiO2＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋H2O；二者与CaO反应的化学方程式：CO2＋CaO===CaCO3、SiO2＋CaOeq \(=====,\s\up15(高温))CaSiO3。
(2)差异性
①SiO2与氢氟酸反应的方程式：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
②SiO2与Na2CO3、CaCO3的反应——工业制玻璃
SiO2＋Na2CO3eq \(=====,\s\up15(高温))Na2SiO3＋CO2↑；
SiO2＋CaCO3eq \(=====,\s\up15(高温))CaSiO3＋CO2↑。
③CO2与H2O反应的方程式：CO2＋H2OH2CO3。
④SiO2为高硬度、高熔沸点的固体，不溶于水，而CO2为低熔沸点的气体，可溶于水。
3．SiO2与CO2的用途
CO2：制饮料、碳酸盐，干冰用作制冷剂，作灭火剂，干冰用作人工降雨。
SiO2：光导纤维、制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。
[应用体验]
1．(1)氢氟酸如何保存？能否用玻璃试剂瓶存放？为什么？
(2)碱性溶液(如NaOH)如何保存？能否用带玻璃塞的试剂瓶保存？为什么？
[提示] (1)氢氟酸应保存在塑料瓶或铅皿中。不能用玻璃瓶存放，因为氢氟酸与玻璃中的SiO2反应生成气体SiF4，强烈腐蚀玻璃。
(2)碱性溶液应保存在带有橡皮(胶)塞的玻璃试剂瓶中。不能用玻璃塞试剂瓶保存，因为玻璃塞为磨口，易与碱性物质反应生成黏性物质，使玻璃塞与瓶口黏结。
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)：___________________________________________________。
[提示] (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
[考点多维探究]
角度1 CO2、CO的主要性质及应用
1．下列关于CO2的说法，正确的是( )
A．CO2是一种温室气体，但它是植物光合作用的必要反应物
B．将过量CO2分别通入CaCl2溶液、Na2SiO3溶液、NaHCO3溶液、Ca(OH)2溶液均有白色沉淀生成
C．Na、Mg的失火均可用CO2灭火
D．CO2、CO、SiO2均为酸性氧化物
A [B项，过量CO2通入CaCl2溶液、Ca(OH)2溶液不能得到沉淀；C项，Na着火生成的Na2O2与CO2反应生成O2，同时Mg与CO2反应生成C，不能用CO2灭火；D项，CO不是酸性氧化物。]
2．甲气体可发生如下变化：
甲气体eq \(――→,\s\up15(通过灼热的炭层))乙气体eq \(――→,\s\up15(通过灼热的炭层))丙气体eq \(――→,\s\up15(通过灼热的CuO))乙气体eq \(――→,\s\up15(通过澄清石灰水))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
C [根据实验过程中的现象可依次确定丁为CaCO3，乙为CO2，丙为CO，甲为O2。]
3．往100 mL NaOH溶液中通入CO2，充分反应后，在减压和较低温度下，小心将溶液蒸干，得白色固体M。通入CO2的体积V(CO2)/mL(标准状况下，下同)与M的质量W/g的关系如图。
(1)A点时，白色固体M的化学式为________，通入CO2的体积为_____mL。
(2)C点时，白色固体M的化学式为________，通入CO2的体积为______mL。
(3)推算B点时M的组成____(用化学式表示)及通入CO2气体的体积为___mL。
[解析] 首先NaOH转化为Na2CO3，继续通CO2又转化为NaHCO3，结合图形得出：A点M为Na2CO3，V(CO2)＝1 120 mL；C点M为NaHCO3，V(CO2)＝2 240 mL；B点为Na2CO3和NaHCO3的混合物，由守恒法求出V(CO2)＝1 792 mL。
[答案] (1)Na2CO3 1 120 (2)NaHCO3 2 240
(3)Na2CO3和NaHCO3 1 792
CO2与强碱(OH－)反应的产物判断技巧
当n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下：
角度2 SiO2的主要性质和SiO2与CO2的比较
4．(2017·临沂模拟)据报道，科学家通过对稻壳进行控制性焚烧热解，从中提取一种叫做生物质纳米结构二氧化硅的超高活性材料，将少量这种材料掺入混凝土中，即可制备出超高强度的高性能混凝土。下列关于二氧化硅的说法正确的是( )
【导学号：95812063】
A．二氧化硅溶于水生成硅酸，所以二氧化硅属于酸性氧化物
B．将二氧化碳通入硅酸钠溶液中可以得到硅酸
C．因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸的酸性比碳酸强
D．水晶是比较纯净的二氧化硅，沙子的主要成分是硅酸盐
B [A项，SiO2与H2O不反应；C项，H2SiO3酸性比H2CO3弱；D项，沙子的主要成分为SiO2。]
5．(2016·菏泽质检)下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是________(填序号)。
①CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐(酸性氧化物)均能与NaOH反应
②SiO2为酸性氧化物，不与任何酸反应
③光导纤维的主要成分是SiO2，能导电
④SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O体现了SiO2为酸性氧化物的性质
⑤Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→SiOeq \\al(2－,3)均能一步转化
⑥SiO2＋3Ceq \(=====,\s\up15(高温))SiC＋2CO↑中SiO2作氧化剂
⑦CO2和SiO2常温下都是由相应的分子构成
⑧存放NaOH溶液的试剂瓶应用橡皮塞，不用玻璃塞的理由是玻璃中含有的SiO2与NaOH反应
[解析] ②SiO2与氢氟酸反应；③光导纤维能传输光，不导电；⑤SiO2→H2SiO3不能一步转化；⑥SiO2既不作氧化剂也不作还原剂；⑦SiO2是由原子构成的晶体，不是由分子构成。
[答案] ①④⑧
SiO2的特性及原理
(1)一般情况下，碱性氧化物与酸反应，酸性氧化物与碱反应，不与酸反应，但SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，所以不能用玻璃容器盛放氢氟酸，可以用氢氟酸刻蚀玻璃。
(2)一般情况下，酸性氧化物与水反应能生成相应的酸，如CO2＋H2OH2CO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。
(3)一般情况下，因为碳酸的酸性比硅酸强，可发生反应，如Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，即符合“较强酸制较弱酸”的复分解反应规律。而SiO2与Na2CO3、CaCO3高温可以发生反应：Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温),\s\d15( ))Na2SiO3＋CO2↑(原理是：难挥发性物质制备易挥发性物质)。
考点3| 硅酸及其盐和无机非金属材料
[基础知识整合]
1．硅酸的性质、制备与应用
2．硅酸盐
(1)概念：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)表示方法：硅酸盐矿物的成分复杂，常用氧化物的形式表示它们的组成，如硅酸钠(Na2SiO3)写成Na2O·SiO2，钾云母(KH2Al3Si3O12)写成K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O。
(3)硅酸钠(Na2SiO3)——又称泡花碱
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与较强的酸反应生成硅酸。
③用途：黏合剂、耐火阻燃材料。
3．无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料
(2)新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。
(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。
[应用体验]
1．硅酸制备硅胶的原理是什么？
[提示] 硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶，经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶，称为硅胶。
2．(1)写出由SiO2制备H2SiO3的化学方程式。
(2)写出水玻璃在空气中变质的化学方程式。
[提示] (1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，
Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3(胶体)＋2NaCl。
(2)Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。
[考点多维探究]
角度1 硅酸及其盐和无机非金属材料
1．下列关于硅酸及其盐的说法正确的是( )
A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中
B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温))Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都能发生
C．硅酸可以用SiO2与H2O反应制备
D．将CO2通入水玻璃中有白色沉淀生成
D [A项，Na2SiO3溶液本身能黏结玻璃；B项，不矛盾，二者的反应条件和环境不同；C项，SiO2与H2O不反应。]
2．青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀HNO3溶液处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是( )
A．青石棉是一种硅酸盐材料
B．青石棉中含有一定量的石英晶体
C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O
D．1 ml青石棉能使1 ml HNO3被还原
B [青石棉是一种硅酸盐，Si元素以盐的形式存在，不含有SiO2晶体。]
3．(2017·合肥一检)硅及其化合物是带来人类文明的重要物质。下列说法正确的是( )
【导学号：95812064】
A．陶瓷、水晶、水泥、玻璃都属于硅酸盐
B．水玻璃是纯净物，可用于生产黏合剂和防火剂
C．某硅酸盐的化学式为KAlSi3O8，可用K2O·Al2O3·6SiO2表示
D．高纯硅可用于制造光导纤维，高纯二氧化硅可用于制造太阳能电池
C [A.水晶主要成分是SiO2不是硅酸盐，错误；B.水玻璃是Na2SiO3溶液，具有黏性，因此可以作黏合剂，由于其不能燃烧，故也是防火剂，错误；C.硅酸盐可以用盐的形式表示，也可以用氧化物的形式表示，在表示时各种元素的原子个数比不变，所以某硅酸盐的化学式为KAlSi3O8，可用K2O·Al2O3·6SiO2，正确；D.高纯度的SiO2用于制造光纤，高纯度的Si用于制造太阳能电池，错误。]
硅酸盐氧化物形成的表示方法
(1)氧化物的一般书写顺序：活泼金属氧化物―→较活泼金属氧化物―→二氧化硅―→水。
(2)氧化物前计量数的配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置计量数，且不同氧化物间以“·”隔开。
(3)当计量数配置出现分数时一般应化为整数。如正长石：KAlSi3O8将eq \f(1,2)K2O·eq \f(1,2)Al2O3·3SiO2，写成K2O·Al2O3·6SiO2，但原子个数比不变。
角度2 硅及其化合物的转化
4．下列变化中，不能一步实现的是( )
A．Na2SiO3→H2SiO3
B．H2SiO3→SiO2
C．H2SiO3→Si
D．SiO2→Na2SiO3
C [A项，Na2SiO3eq \(――→,\s\up15(H＋))H2SiO3；B项，H2SiO3eq \(――→,\s\up15(△))SiO2；C项，
H2SiO3eq \(――→,\s\up15(△))SiO2→Si；D项，SiO2eq \(――→,\s\up15(NaOH))Na2SiO3。]
5．已知A是灰黑色的、有金属光泽的固体单质。根据如图所示的物质之间的转化关系，回答下列有关问题。
(1)写出B、C两物质的名称：B________，C________。
(2)写出D→B的化学方程式：__________________________________。
(3)写出B→C的离子方程式：__________________________________。
[解析] 由题意知：A为Si，B为Na2SiO3，C为H2SiO3，D为SiO2。
[答案] (1)硅酸钠 硅酸 (2)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O (3)SiOeq \\al(2－,3)＋H2O＋CO2===COeq \\al(2－,3)＋H2SiO3↓
硅及其化合物之间的常见转化关系
[课堂小结·反馈达标1＋1] 全新理念 探究高考 明确考向
1．一组判断，展示高考易误点
(1)(2016·全国丙卷)HF与SiO2反应实际应用是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记。( )
(2)(2015·全国卷Ⅱ)硅胶可用作食品干燥剂。( )
(3)(2014·全国卷Ⅰ)如图：①中为浓硝酸，②中为Na2CO3，③中为Na2SiO3溶液，可证明酸性：硝酸＞碳酸＞硅酸。( )
(4)(2014·全国卷Ⅱ)用活性炭去除冰箱中的异味，没有发生化学反应。( )
(5)(2014·全国卷Ⅱ)利用如图装置除去CO气体中的CO2气体。( )
(6)(2013·全国卷Ⅰ)黑火药由硫黄、硝石、木炭三种物质按一定比例混合制成。( )
(7)(2012·全国卷)单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料。( )
(8)(2012·全国卷)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料。( )
(9)(2015·安徽高考)SiO2既能和NaOH溶液反应又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物。( )
(10)(2013·广东高考)因为SiO2可与HF反应，所以氢氟酸不能保存在玻璃瓶中。( )
(11)计算机芯片和光导纤维的主要成分均为SiO2。( )
[答案] (1)√ (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)√ (7)√ (8)× (9)× (10)√ (11)×
2．一题串知，覆盖高考考什么
(2015·全国卷Ⅰ改编)草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中，其K1＝5.4×10－2，K2＝5.4×10－5。草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。草酸晶体(H2C2O4·2H2O)无色，熔点为101 ℃，易溶于水，受热脱水、升华，170 ℃以上分解。
回答下列问题：
(1)甲组同学按照如图所示的装置，通过实验检验草酸晶体的分解产物。装置C中可观察到的现象是________________________________________，
反应的离子方程式为___________________________________，
说明分解产物中含有________。装置B的主要作用是
_________________________________。[考查CO2的检验和主要性质]
(2)乙组同学认为草酸晶体分解产物中还有CO，为进行验证，选用甲组实验中的装置A、B和下图所示的部分装置(可以重复选用)进行实验。
①乙组同学的实验装置中，依次连接的合理顺序为A、B、____________。装置H反应管中盛有的物质是________。
②能证明草酸晶体分解产物中有CO的现象是________。[考查CO的检验与性质]
(3)若上图中的装置C中的澄清石灰水改为水玻璃，则装置C中的现象是
_______________，反应的离子方程式为_______________，
此现象说明H2SiO3比H2CO3的酸性________。[考查硅酸及硅酸盐的性质]
(4)氢氟酸不能用玻璃瓶盛装的理由是(写化学方程式)______________，
氢氧化钠溶液的试剂瓶不用玻璃塞的理由是(写离子方程式)_________。
[考查SiO2的主要性质]
[答案] (1)有气泡逸出、澄清石灰水变浑浊
CO2＋Ca2＋＋2OH－===CaCO3↓＋H2O CO2 冷凝(水蒸气、草酸等)，防止草酸进入装置C反应生成沉淀，干扰CO2的检验
(2)①F、D、G、H、D、I CuO ②H中黑色粉末变为红色，其后的D中澄清石灰水变浑浊
(3)白色沉淀或变浑浊，有气泡逸出
CO2＋SiOeq \\al(2－,3)＋H2O===H2SiO3↓＋COeq \\al(2－,3) 弱
(4)4HF＋SiO2===SiF4↑＋2H2O
SiO2＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋H2O
考纲定位
考情播报
1.掌握碳、硅单质及其重要化合物的主要性质及应用。
2．了解碳、硅单质及其重要化合物对环境质量的影响。
3．了解常见的无机非金属材料。
4．了解碳、硅及其重要化合物的制备方法。
2016·全国甲卷T7/全国丙卷T7(D)
2015·全国卷ⅠT26/全国卷ⅡT7(A)、T13(D)
2014·全国卷 Ⅰ T8(A、C)、T13(D)/全国卷 Ⅱ T7(A、D)、T9(B)、T10(C)
2013·全国卷ⅠT7(D)/全国卷ⅡT9(B)、T10(C)
2012·全国卷T8(B、D)
碳
硅
存在形式
游离态和化合态
化合态
单质的
结构
金刚石：立体网状结构；
石墨：层状结构；
C60：足球形分子
晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构
物理
性质
金刚石：熔点很高、硬度很大；
石墨：硬度较小、电的良导体
晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、熔点高、硬度大，有脆性
用途
金刚石用于制造切割刀具，石墨用于制造电极、铅笔芯
晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池
水泥
玻璃
陶瓷
生产原料
黏土、石灰石
纯碱、石灰石、石英
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑
生产条件
高温
[基础知识整合]
1．碳、硅单质的存在形式、物理性质和用途
2.化学性质
碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。
[应用体验]
1．从元素周期表的位置看，碳和硅均为ⅣA族元素，自然界中有碳的多种单质存在，自然界中有硅的单质吗？为什么？
[提示] 没有。因为硅有很强的亲氧性，在地壳形成时硅与氧易结合，难分离，因而硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。
2．写出由SiO2制备纯硅的化学方程式。
[提示] SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up15(高温),\s\d15( ))Si(粗)＋2CO↑，
Si(粗)＋2Cl2eq \(=====,\s\up15(△))SiCl4，
SiCl4＋2H2eq \(=====,\s\up15(高温))Si＋4HCl。
[考点多维探究]
角度1 碳、硅的性质和应用
1．科学家在不断深入的研究中，发现了一系列新的碳单质，对碳单质的研究已发展成一门独立的科学——碳科学。下列关于碳单质的叙述正确的是( )
A．碳的各种单质互称为碳的同素异形体
B．碳元素的各种单质结构虽然不同，但性质差别不大
C．碳元素的单质性质不同，其用途相同
D．碳元素的单质只有金刚石与石墨
A [碳的各种单质由于组成结构的不同，性质、应用也不一定相同。]
2．(2017·济南模拟)有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列有关硅的说法中，不正确的是( )
【导学号：95812062】
A．高纯度的硅广泛用于制作计算机芯片
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
D [硅为亲氧元素，在自然界中不存在游离态的单质。]
3.下列说法正确的是( )
A．单质eq \(――→,\s\up15(＋O2))氧化物eq \(――→,\s\up15(＋H2O))酸或碱eq \(――→,\s\up15(＋NaOH或HCl))盐，碳或硅单质可以按上述关系进行转化
B．若a、b、c分别为Si、SiO2、H2SiO3，则可以通过一步反应实现转化：bc―→a
C．太阳能电池板中的硅在元素周期表中处于金属元素与非金属元素的交界位置
D．单质硅常用于制造光导纤维
C [A项，SiO2与H2O不反应；B项，SiO2不能一步生成H2SiO3；D项，SiO2制造光导纤维。]
角度2 硅的制备
4．(2014·天津高考改编)晶体硅(熔点1 410 ℃)是良好的半导体材料。由粗硅制纯硅过程如下：
Si(粗)eq \(――→,\s\up15(Cl2),\s\d15(460 ℃))SiCl4eq \(――→,\s\up15(蒸馏),\s\d15( ))SiCl4(纯)eq \(――→,\s\up15(H2),\s\d15(1 100 ℃))Si(纯)
(1)工业上用焦炭与石英砂在高温下反应制取粗硅，其反应的化学方程式为
_____________________________________________________________，
上述反应中的氧化剂是________。
(2)粗硅与Cl2加热到460 ℃时发生反应，写出该反应的化学方程式_______。
(3)在1 100 ℃时，SiCl4被H2还原的化学方程式为_______________。
[答案] (1)2C＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温))Si(粗)＋2CO↑ SiO2
(2)Si＋2Cl2eq \(=====,\s\up15(460 ℃))SiCl4
(3)SiCl4＋2H2eq \(=====,\s\up15(1 100 ℃))Si＋4HCl
Si单质特性理解误区
(1)Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up15(高温))Si＋2CO↑。
(2)非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si与碱液作用却放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(3)非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
(4)非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。
考点2| 碳、硅的氧化物的性质及应用
[基础知识整合]
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：与人体内血红蛋白相结合，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＋O2eq \(=====,\s\up15(点燃))2CO2，可作燃料。
②还原性：CO还原Fe2O3的反应为3CO＋Fe2O3eq \(=====,\s\up15(高温))2Fe＋3CO2，可用于冶炼金属。
2．CO2与SiO2性质的比较
(1)共性
均属于酸性氧化物，均能与碱、金属氧化物反应，写出二者与NaOH溶液(足量)反应的离子方程式：CO2＋2OH－===COeq \\al(2－,3)＋H2O、SiO2＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋H2O；二者与CaO反应的化学方程式：CO2＋CaO===CaCO3、SiO2＋CaOeq \(=====,\s\up15(高温))CaSiO3。
(2)差异性
①SiO2与氢氟酸反应的方程式：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
②SiO2与Na2CO3、CaCO3的反应——工业制玻璃
SiO2＋Na2CO3eq \(=====,\s\up15(高温))Na2SiO3＋CO2↑；
SiO2＋CaCO3eq \(=====,\s\up15(高温))CaSiO3＋CO2↑。
③CO2与H2O反应的方程式：CO2＋H2OH2CO3。
④SiO2为高硬度、高熔沸点的固体，不溶于水，而CO2为低熔沸点的气体，可溶于水。
3．SiO2与CO2的用途
CO2：制饮料、碳酸盐，干冰用作制冷剂，作灭火剂，干冰用作人工降雨。
SiO2：光导纤维、制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。
[应用体验]
1．(1)氢氟酸如何保存？能否用玻璃试剂瓶存放？为什么？
(2)碱性溶液(如NaOH)如何保存？能否用带玻璃塞的试剂瓶保存？为什么？
[提示] (1)氢氟酸应保存在塑料瓶或铅皿中。不能用玻璃瓶存放，因为氢氟酸与玻璃中的SiO2反应生成气体SiF4，强烈腐蚀玻璃。
(2)碱性溶液应保存在带有橡皮(胶)塞的玻璃试剂瓶中。不能用玻璃塞试剂瓶保存，因为玻璃塞为磨口，易与碱性物质反应生成黏性物质，使玻璃塞与瓶口黏结。
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)：___________________________________________________。
[提示] (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
[考点多维探究]
角度1 CO2、CO的主要性质及应用
1．下列关于CO2的说法，正确的是( )
A．CO2是一种温室气体，但它是植物光合作用的必要反应物
B．将过量CO2分别通入CaCl2溶液、Na2SiO3溶液、NaHCO3溶液、Ca(OH)2溶液均有白色沉淀生成
C．Na、Mg的失火均可用CO2灭火
D．CO2、CO、SiO2均为酸性氧化物
A [B项，过量CO2通入CaCl2溶液、Ca(OH)2溶液不能得到沉淀；C项，Na着火生成的Na2O2与CO2反应生成O2，同时Mg与CO2反应生成C，不能用CO2灭火；D项，CO不是酸性氧化物。]
2．甲气体可发生如下变化：
甲气体eq \(――→,\s\up15(通过灼热的炭层))乙气体eq \(――→,\s\up15(通过灼热的炭层))丙气体eq \(――→,\s\up15(通过灼热的CuO))乙气体eq \(――→,\s\up15(通过澄清石灰水))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
C [根据实验过程中的现象可依次确定丁为CaCO3，乙为CO2，丙为CO，甲为O2。]
3．往100 mL NaOH溶液中通入CO2，充分反应后，在减压和较低温度下，小心将溶液蒸干，得白色固体M。通入CO2的体积V(CO2)/mL(标准状况下，下同)与M的质量W/g的关系如图。
(1)A点时，白色固体M的化学式为________，通入CO2的体积为_____mL。
(2)C点时，白色固体M的化学式为________，通入CO2的体积为______mL。
(3)推算B点时M的组成____(用化学式表示)及通入CO2气体的体积为___mL。
[解析] 首先NaOH转化为Na2CO3，继续通CO2又转化为NaHCO3，结合图形得出：A点M为Na2CO3，V(CO2)＝1 120 mL；C点M为NaHCO3，V(CO2)＝2 240 mL；B点为Na2CO3和NaHCO3的混合物，由守恒法求出V(CO2)＝1 792 mL。
[答案] (1)Na2CO3 1 120 (2)NaHCO3 2 240
(3)Na2CO3和NaHCO3 1 792
CO2与强碱(OH－)反应的产物判断技巧
当n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下：
角度2 SiO2的主要性质和SiO2与CO2的比较
4．(2017·临沂模拟)据报道，科学家通过对稻壳进行控制性焚烧热解，从中提取一种叫做生物质纳米结构二氧化硅的超高活性材料，将少量这种材料掺入混凝土中，即可制备出超高强度的高性能混凝土。下列关于二氧化硅的说法正确的是( )
【导学号：95812063】
A．二氧化硅溶于水生成硅酸，所以二氧化硅属于酸性氧化物
B．将二氧化碳通入硅酸钠溶液中可以得到硅酸
C．因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸的酸性比碳酸强
D．水晶是比较纯净的二氧化硅，沙子的主要成分是硅酸盐
B [A项，SiO2与H2O不反应；C项，H2SiO3酸性比H2CO3弱；D项，沙子的主要成分为SiO2。]
5．(2016·菏泽质检)下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是________(填序号)。
①CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐(酸性氧化物)均能与NaOH反应
②SiO2为酸性氧化物，不与任何酸反应
③光导纤维的主要成分是SiO2，能导电
④SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O体现了SiO2为酸性氧化物的性质
⑤Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→SiOeq \\al(2－,3)均能一步转化
⑥SiO2＋3Ceq \(=====,\s\up15(高温))SiC＋2CO↑中SiO2作氧化剂
⑦CO2和SiO2常温下都是由相应的分子构成
⑧存放NaOH溶液的试剂瓶应用橡皮塞，不用玻璃塞的理由是玻璃中含有的SiO2与NaOH反应
[解析] ②SiO2与氢氟酸反应；③光导纤维能传输光，不导电；⑤SiO2→H2SiO3不能一步转化；⑥SiO2既不作氧化剂也不作还原剂；⑦SiO2是由原子构成的晶体，不是由分子构成。
[答案] ①④⑧
SiO2的特性及原理
(1)一般情况下，碱性氧化物与酸反应，酸性氧化物与碱反应，不与酸反应，但SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，所以不能用玻璃容器盛放氢氟酸，可以用氢氟酸刻蚀玻璃。
(2)一般情况下，酸性氧化物与水反应能生成相应的酸，如CO2＋H2OH2CO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。
(3)一般情况下，因为碳酸的酸性比硅酸强，可发生反应，如Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，即符合“较强酸制较弱酸”的复分解反应规律。而SiO2与Na2CO3、CaCO3高温可以发生反应：Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温),\s\d15( ))Na2SiO3＋CO2↑(原理是：难挥发性物质制备易挥发性物质)。
考点3| 硅酸及其盐和无机非金属材料
[基础知识整合]
1．硅酸的性质、制备与应用
2．硅酸盐
(1)概念：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)表示方法：硅酸盐矿物的成分复杂，常用氧化物的形式表示它们的组成，如硅酸钠(Na2SiO3)写成Na2O·SiO2，钾云母(KH2Al3Si3O12)写成K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O。
(3)硅酸钠(Na2SiO3)——又称泡花碱
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与较强的酸反应生成硅酸。
③用途：黏合剂、耐火阻燃材料。
3．无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料
(2)新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。
(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。
[应用体验]
1．硅酸制备硅胶的原理是什么？
[提示] 硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶，经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶，称为硅胶。
2．(1)写出由SiO2制备H2SiO3的化学方程式。
(2)写出水玻璃在空气中变质的化学方程式。
[提示] (1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，
Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3(胶体)＋2NaCl。
(2)Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。
[考点多维探究]
角度1 硅酸及其盐和无机非金属材料
1．下列关于硅酸及其盐的说法正确的是( )
A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中
B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温))Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都能发生
C．硅酸可以用SiO2与H2O反应制备
D．将CO2通入水玻璃中有白色沉淀生成
D [A项，Na2SiO3溶液本身能黏结玻璃；B项，不矛盾，二者的反应条件和环境不同；C项，SiO2与H2O不反应。]
2．青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀HNO3溶液处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是( )
A．青石棉是一种硅酸盐材料
B．青石棉中含有一定量的石英晶体
C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O
D．1 ml青石棉能使1 ml HNO3被还原
B [青石棉是一种硅酸盐，Si元素以盐的形式存在，不含有SiO2晶体。]
3．(2017·合肥一检)硅及其化合物是带来人类文明的重要物质。下列说法正确的是( )
【导学号：95812064】
A．陶瓷、水晶、水泥、玻璃都属于硅酸盐
B．水玻璃是纯净物，可用于生产黏合剂和防火剂
C．某硅酸盐的化学式为KAlSi3O8，可用K2O·Al2O3·6SiO2表示
D．高纯硅可用于制造光导纤维，高纯二氧化硅可用于制造太阳能电池
C [A.水晶主要成分是SiO2不是硅酸盐，错误；B.水玻璃是Na2SiO3溶液，具有黏性，因此可以作黏合剂，由于其不能燃烧，故也是防火剂，错误；C.硅酸盐可以用盐的形式表示，也可以用氧化物的形式表示，在表示时各种元素的原子个数比不变，所以某硅酸盐的化学式为KAlSi3O8，可用K2O·Al2O3·6SiO2，正确；D.高纯度的SiO2用于制造光纤，高纯度的Si用于制造太阳能电池，错误。]
硅酸盐氧化物形成的表示方法
(1)氧化物的一般书写顺序：活泼金属氧化物―→较活泼金属氧化物―→二氧化硅―→水。
(2)氧化物前计量数的配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置计量数，且不同氧化物间以“·”隔开。
(3)当计量数配置出现分数时一般应化为整数。如正长石：KAlSi3O8将eq \f(1,2)K2O·eq \f(1,2)Al2O3·3SiO2，写成K2O·Al2O3·6SiO2，但原子个数比不变。
角度2 硅及其化合物的转化
4．下列变化中，不能一步实现的是( )
A．Na2SiO3→H2SiO3
B．H2SiO3→SiO2
C．H2SiO3→Si
D．SiO2→Na2SiO3
C [A项，Na2SiO3eq \(――→,\s\up15(H＋))H2SiO3；B项，H2SiO3eq \(――→,\s\up15(△))SiO2；C项，
H2SiO3eq \(――→,\s\up15(△))SiO2→Si；D项，SiO2eq \(――→,\s\up15(NaOH))Na2SiO3。]
5．已知A是灰黑色的、有金属光泽的固体单质。根据如图所示的物质之间的转化关系，回答下列有关问题。
(1)写出B、C两物质的名称：B________，C________。
(2)写出D→B的化学方程式：__________________________________。
(3)写出B→C的离子方程式：__________________________________。
[解析] 由题意知：A为Si，B为Na2SiO3，C为H2SiO3，D为SiO2。
[答案] (1)硅酸钠 硅酸 (2)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O (3)SiOeq \\al(2－,3)＋H2O＋CO2===COeq \\al(2－,3)＋H2SiO3↓
硅及其化合物之间的常见转化关系
[课堂小结·反馈达标1＋1] 全新理念 探究高考 明确考向
1．一组判断，展示高考易误点
(1)(2016·全国丙卷)HF与SiO2反应实际应用是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记。( )
(2)(2015·全国卷Ⅱ)硅胶可用作食品干燥剂。( )
(3)(2014·全国卷Ⅰ)如图：①中为浓硝酸，②中为Na2CO3，③中为Na2SiO3溶液，可证明酸性：硝酸＞碳酸＞硅酸。( )
(4)(2014·全国卷Ⅱ)用活性炭去除冰箱中的异味，没有发生化学反应。( )
(5)(2014·全国卷Ⅱ)利用如图装置除去CO气体中的CO2气体。( )
(6)(2013·全国卷Ⅰ)黑火药由硫黄、硝石、木炭三种物质按一定比例混合制成。( )
(7)(2012·全国卷)单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料。( )
(8)(2012·全国卷)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料。( )
(9)(2015·安徽高考)SiO2既能和NaOH溶液反应又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物。( )
(10)(2013·广东高考)因为SiO2可与HF反应，所以氢氟酸不能保存在玻璃瓶中。( )
(11)计算机芯片和光导纤维的主要成分均为SiO2。( )
[答案] (1)√ (2)√ (3)× (4)√ (5)× (6)√ (7)√ (8)× (9)× (10)√ (11)×
2．一题串知，覆盖高考考什么
(2015·全国卷Ⅰ改编)草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中，其K1＝5.4×10－2，K2＝5.4×10－5。草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。草酸晶体(H2C2O4·2H2O)无色，熔点为101 ℃，易溶于水，受热脱水、升华，170 ℃以上分解。
回答下列问题：
(1)甲组同学按照如图所示的装置，通过实验检验草酸晶体的分解产物。装置C中可观察到的现象是________________________________________，
反应的离子方程式为___________________________________，
说明分解产物中含有________。装置B的主要作用是
_________________________________。[考查CO2的检验和主要性质]
(2)乙组同学认为草酸晶体分解产物中还有CO，为进行验证，选用甲组实验中的装置A、B和下图所示的部分装置(可以重复选用)进行实验。
①乙组同学的实验装置中，依次连接的合理顺序为A、B、____________。装置H反应管中盛有的物质是________。
②能证明草酸晶体分解产物中有CO的现象是________。[考查CO的检验与性质]
(3)若上图中的装置C中的澄清石灰水改为水玻璃，则装置C中的现象是
_______________，反应的离子方程式为_______________，
此现象说明H2SiO3比H2CO3的酸性________。[考查硅酸及硅酸盐的性质]
(4)氢氟酸不能用玻璃瓶盛装的理由是(写化学方程式)______________，
氢氧化钠溶液的试剂瓶不用玻璃塞的理由是(写离子方程式)_________。
[考查SiO2的主要性质]
[答案] (1)有气泡逸出、澄清石灰水变浑浊
CO2＋Ca2＋＋2OH－===CaCO3↓＋H2O CO2 冷凝(水蒸气、草酸等)，防止草酸进入装置C反应生成沉淀，干扰CO2的检验
(2)①F、D、G、H、D、I CuO ②H中黑色粉末变为红色，其后的D中澄清石灰水变浑浊
(3)白色沉淀或变浑浊，有气泡逸出
CO2＋SiOeq \\al(2－,3)＋H2O===H2SiO3↓＋COeq \\al(2－,3) 弱
(4)4HF＋SiO2===SiF4↑＋2H2O
SiO2＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋H2O
考纲定位
考情播报
1.掌握碳、硅单质及其重要化合物的主要性质及应用。
2．了解碳、硅单质及其重要化合物对环境质量的影响。
3．了解常见的无机非金属材料。
4．了解碳、硅及其重要化合物的制备方法。
2016·全国甲卷T7/全国丙卷T7(D)
2015·全国卷ⅠT26/全国卷ⅡT7(A)、T13(D)
2014·全国卷 Ⅰ T8(A、C)、T13(D)/全国卷 Ⅱ T7(A、D)、T9(B)、T10(C)
2013·全国卷ⅠT7(D)/全国卷ⅡT9(B)、T10(C)
2012·全国卷T8(B、D)
碳
硅
存在形式
游离态和化合态
化合态
单质的
结构
金刚石：立体网状结构；
石墨：层状结构；
C60：足球形分子
晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构
物理
性质
金刚石：熔点很高、硬度很大；
石墨：硬度较小、电的良导体
晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、熔点高、硬度大，有脆性
用途
金刚石用于制造切割刀具，石墨用于制造电极、铅笔芯
晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池
水泥
玻璃
陶瓷
生产原料
黏土、石灰石
纯碱、石灰石、石英
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑
生产条件
高温
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