高考化学考点18 碳、硅及其化合物

一、碳族元素原子结构：相同点最外层有4个电子；不同点电子层数、原子半径。1相似点：（1）主要化合价：+2、+4、4。（2）气态氢化物通式：RH4。（3）氧化物的常见形式：RO、RO2。（4）最高价氧化物的水化物的通式：H2RO3或H4RO4。2递变规律：（1）原子半径逐渐增大。（2）单质的密度逐渐增大。（3）单质的熔沸点逐渐降低。（4）元素非金属性逐渐减弱。（5）元素金属性逐渐增强。（6）气态氢化物的稳定性逐渐减弱。（7）最高价氧化物的水化物的酸性逐渐减弱，碱性逐渐增强。（8）C、Si、Ge、Sn的+4价化合物稳定，而Pb的+2价化合物稳定。二、碳、硅单质的性质、用途及制法1碳、硅在自然界中的存在碳、硅均为第A族元素，非金属性较强的是碳。碳在自然界中以游离态和化合态存在；硅元素在自然界中只以化合态存在，因其有亲氧性。2碳、硅单质的化学性质及用途（2）硅3硅的工业制法（1）四氯化硅还原法工艺流程石英砂粗硅SiCl4高纯硅反应原理Si(粗)+2Cl2SiCl4SiCl4+2H2Si(纯)+4HCl（2）三氯甲硅烷还原法制备高纯度硅(常用方法)工艺流程反应原理SiO2+2CSi+2CO，Si+3HClSiHCl3+H2，SiHCl3+H2Si+3HCl。三、碳、硅的氧化物1一氧化碳（1）物理性质：无色无味的有毒气体，难溶于水。（2）化学性质：可燃性：2CO+O22CO2还原性：CO还原Fe2O3的反应为：3CO+Fe2O32Fe+3CO2 2二氧化碳和二氧化硅的比较物质二氧化硅二氧化碳结构四面体结构，不存在单个分子直线形结构，存在单个CO2分子晶体类型原子晶体分子晶体化学式SiO2分子式：CO2主要物理性质硬度大、熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水化学性质与水反应不反应来源：。网Z。X。X。CO2+H2OH2CO3来源：与酸反应只与HF反应：SiO2+4HFSiF4+2H2O不反应与碱（NaOH）反应SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)CO2+2NaOHNa2CO3+H2O 或CO2+NaOHNaHCO3与盐的反应如与Na2CO3反应：SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2如与Ca(ClO)2反应：Ca(ClO)2+CO2+H2OCaCO3+2HClO与碱性氧化物反应如与CaO反应：SiO2+CaOCaSiO3如与Na2O反应：CO2+Na2ONa2CO3用途光导纤维、光学仪器、电子部件灭火、人工降雨、制饮料、制碳酸盐注意：玻璃中含有SiO2，SiO2能够与碱液缓慢反应，带玻璃塞的玻璃试剂瓶一般都是磨砂口的，接触非常严密，接触碱液时间长了会生成具有黏合性很强的Na2SiO3水溶液，从而使瓶塞与瓶颈黏在一起，不易分开。四、碳、硅元素的酸及其盐（一）碳酸及其盐1碳酸是一种二元弱酸，酸性：CH3COOHH2CO3。2热分解：碳酸酸式盐正盐（盐中金属阳离子相同时）。3盐在水中的溶解性：钾、钠、铵盐和酸式盐均可溶于水，钾、钠、铵盐和酸式盐的溶解度小于其正盐；Mg2+、Ca2+、Ba2+等高价阳离子的酸式盐溶解度大于其正盐的溶解度（正盐均难溶于水）。4在可溶性碳酸盐溶液中慢慢滴加H+，并不断振荡，反应是分步进行的，先生成，再生成CO2；因此利用两者滴加顺序不同，出现现象不同，可将它们互相鉴别出来。但难溶于水的碳酸盐与H+的反应，因其反应只是发生在固体表面，故不能分步进行。（二）硅酸和硅酸盐1硅酸（1）物理性质：硅酸难溶于水。（2）化学性质 弱酸性：其酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊试液变红。与NaOH溶液反应的化学方程式为：H2SiO3+2NaOHNa2SiO3+2H2O 不稳定性：受热易分解，化学方程式为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+2HClH2SiO3+2NaCl （4）用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。2硅酸与碳酸的比较物质硅酸碳酸化学式H2SiO3H2CO3酸酐SiO2CO2制法Na2SiO3+2HClH2SiO3+2NaClCO2+H2OH2CO3颜色与状态白色、粉末状无色液态，只存在于水溶液中水溶性不溶于水只存在于水溶液中酸性比较弱强3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，多用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示它们的组成，如硅酸Na2SiO3可表示为Na2OSiO2，长石KAlSi3O8可表示为：K2OAl2O36SiO2。4硅酸钠（1）物理性质：白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性。（2）化学性质：水解显碱性。与酸性较硅酸强的酸反应，化学方程式分别为：与盐酸反应：Na2SiO3+2HClH2SiO3+2NaCl与CO2的水溶液反应：Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3（3）用途：黏合剂（矿物胶），防腐剂，耐火阻燃材料。五、无机非金属材料1物质的分类2传统无机非金属材料玻璃水泥陶瓷主要原料纯碱、石灰石、石英石灰石、黏土黏土设备玻璃熔炉水泥回转窑陶瓷窑生产过程中的主要变化SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2，CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2复杂的物理、化学变化复杂的物理、化学变化主要成分Na2SiO3，CaSiO3，SiO23CaOSiO2、2CaOSiO2、CaOAl2O33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、较强的抗化学浸蚀性和电绝缘性等。（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。考向一 碳、硅的性质和用途典例1 下列关于碳、硅的叙述正确的是A碳、硅都是A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】C1硅被誉为无机非金属材料的主角。有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”。下列有关说法正确的是A硅的含量居第二位，在地球上有丰富的单质硅资源，如石英、水晶的主要成分都是SiO2B单质硅是一种良好的半导体材料，可用于制造太阳能电池C存放NaOH溶液的试剂瓶应用玻璃塞D60 g SiO2含有NA个SiO2分子考向二 CO2、SiO2的性质典例1 下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是ACO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐BSiO2既能与KOH反应，又能与浓盐酸反应，而CO2不能CCO2是酸性氧化物，SiO2是两性氧化物DCO2和SiO2都是由相应的分子构成的【答案】A2二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。ae是对反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行判断，其中正确的是SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2OSiO2+2CSi+2COSiO2+4HFSiF4+2H2ONa2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2SiO2+3CSiC+2COa.反应中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃b.反应中SiO2表现出氧化性c.反应中SiO2表现了酸性氧化物的通性d.反应符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理e.反应中SiO2未参加氧化还原反应Aace Bbde Ccde Dab二氧化硅的特殊性（1）非金属氧化物一般由分子构成，而SiO2是由Si和O按个数比12直接构成。Si、SiC、Si3N4、BN等也是直接由原子构成。（2）SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3。（3）酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2+4HF=SiF4+2H2O。（4）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。（5）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；红、蓝宝石的主要成分是Al2O3。考向三 CO2与盐或碱溶液反应的规律1、CO2与NaOH溶液反应产物的定量判断方法与碱的反应反应原理CO2+2NaOH(足量)Na2CO3+H2OCO2+NaOH(少量)NaHCO3反应后溶质成分的判断，x=n(NaOH)n(CO2)x11NaHCO311 x 21NaOH、Na2CO3也可用数轴表示： CO2+Na2CO3+H2O2NaHCO3CO2(少量)+2NaAlO2+3H2O2Al(OH)3+Na2CO3CO2(足量)+NaAlO2+2H2OAl(OH)3+NaHCO3CO2(少量)+Ca(ClO)2+H2OCaCO3+2HClOCO2(少量)+Na2SiO3+H2OH2SiO3+Na2CO3典例1 浓度相同的NaOH溶液各100 mL倒入A、B、C三个烧杯中，分别向三份溶液中通入不等量的CO2，充分反应后，再向三份所得溶液中逐滴加入0.2 molL1的盐酸，产生CO2的体积与所加盐酸体积之间的关系如图所示。下列判断不正确的是A原NaOH溶液的浓度为0.2 molL1BB烧杯中通入的CO2体积为448 mL(标准状况)C通入CO2后，A烧杯中的溶质为Na2CO3和NaHCO3D通入CO2后，C烧杯中溶质成分的物质的量之比为n(NaOH)n(Na2CO3)21【答案】B3将过量的CO2分别通入：CaCl2溶液；Na2SiO3溶液；Ca(OH)2溶液；饱和Na2CO3溶液。最终溶液中有白色沉淀析出的是ABCD考向四 无机非金属材料及硅酸盐的表示方法典例1 下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是硅酸盐Na2Fe2Si3O10用氧化物的形式表示为：Na2O2FeO3SiO2水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料.ABCD【答案】D4中国的瓷器驰名世界，传统陶瓷是以黏土主要成分为Al2Si2O5(OH)4等天然硅酸盐为主要原料烧成的制品。下列有关说法不正确的是A黏土也是制备玻璃的原料之一B黏土的主要成分可以表示为Al2O32SiO22H2OC陶瓷材料是人类应用最早的硅酸盐材料D传统陶瓷材料的成分与新型陶瓷材料的成分不同1下列叙述正确的是A红宝石、珍珠、水晶、钻石等装饰的主要成分都是硅酸盐B硅酸钠的水溶液俗名为水玻璃，可用于制备硅胶和木材防火剂C制造玻璃是复杂的物理过程，玻璃的组成不同，性能不同D金刚石是自然界中硬度最大的物质，不可能与氧气发生反应2寿山石主要成分为叶蜡石，叶蜡石组成为Al2O34SiO2H2O，下列观点不正确的是A寿山石雕刻作品要避免与酸、碱接触B寿山石颜色丰富多彩是因为含有不同形态的金属氧化物C潮湿的空气可能导致寿山石作品表面溶解变质D久置于干燥空气中可能会导致寿山石作品脱水变质3下列除杂方法正确的是ASiO2中含Al2O3杂质，可以加入足量NaOH溶液然后过滤除去BCO2中含有CO杂质，可以通入盛有CuO的玻璃管并加热CCO2中含有HCl杂质，可以通入盛有Na2CO3溶液的洗气瓶DNa2CO3溶液中含有Na2SiO3杂质，可以通入足量的CO2，然后过滤除去4水玻璃(Na2SiO3溶液)广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。如图是用稻壳灰(SiO2：65%70%、C：30%35%)制取水玻璃的工艺流程：下列说法正确的是A原材料稻壳灰价格低廉，且副产品活性炭有较高的经济价值B操作A与操作B完全相同C该流程中硅元素的化合价发生改变D反应器中发生的反应为氧化还原反应5下列关于硅及其化合物的叙述错误的是A硅是良好的半导体材料，二氧化硅可用于制造光导纤维B二氧化硅能与石灰石反应：SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2C可以用焦炭还原二氧化硅生产硅：SiO2+2CSi+2COD水泥的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO26SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如图所示)。下列说法错误的是A高炉炼铁时，加入石灰石将铁矿石中的脉石(主要成分为SiO2)转化为易熔的炉渣B纯净的二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要基础材料C用盐酸可除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙D图中所含反应都不属于氧化还原反应7将足量的CO2不断通入KOH、Ba(OH)2、KAlO2的混合溶液中，生成沉淀的物质的量与所通入CO2的体积关系如图所示。下列关于整个反应过程中的叙述不正确的是AOa段反应的化学方程式是Ba(OH)2+CO2BaCO3+H2OBab段与cd段所发生的反应相同Cde段沉淀减少是由于BaCO3固体溶解Dbc段反应的离子方程式是2+3H2O+CO22Al(OH)3+8某实验小组设计了如图装置对焦炭还原二氧化硅的气体产物的成分进行探究。已知：PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为CO+PdCl2+H2OCO2+2HCl+Pd(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。（1）实验前要通入足够长时间的N2，其原因是_。（2）装置B的作用是_。 （3）装置C、D中所盛试剂分别为_、_，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为_。（4）该装置的缺点是_。（5）资料表明，上述反应在焦炭过量时会生成副产物SiC。取18 g SiO2和8.4 g焦炭充分反应后收集到标准状况下的气体13.44 L，假定气体产物只有CO，固体产物只有Si和SiC，则Si和SiC的物质的量之比为_。（6）设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强： _。9硅是带来人类文明的重要元素之一，在传统材料发展到信息材料的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的作用下，使SiCl4与N2反应生成Si3N4沉积在石墨表面，该反应的化学方程式为_。（2）一种用工业硅(含少量铁、铜的单质及化合物)和氮气(含少量氧气)合成氮化硅的工艺主要流程如下：已知硅的熔点是1 420 ，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。N2净化时，铜屑的作用是_；硅胶的作用是_。在氮化炉中反应为3Si(s)+2N2(g)Si3N4(s)H=-727.5 kJmol-1，开始时须严格控制氮气的流速以控制温度的原因是_。X可能是_(选填“盐酸”“硝酸”“硫酸”或“氢氟酸”)。（3）工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅：整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应，该反应的化学方程式为_。假设每一轮次制备1 mol纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应中HCl的利用率为90%，反应中H2的利用率为93.75%。则在第二轮次的生产中，补充投入HCl和H2的物质的量之比是_。12018江苏下列有关物质性质与用途具有对应关系的是ANaHCO3受热易分解，可用于制胃酸中和剂BSiO2熔点高硬度大，可用于制光导纤维CAl2O3是两性氧化物，可用作耐高温材料DCaO能与水反应，可用作食品干燥剂22017江苏下列有关物质性质与用途具有对应关系的是 ANa2O2吸收CO2产生O2，可用作呼吸面具供氧剂 BClO2具有还原性，可用于自来水的杀菌消毒 CSiO2硬度大，可用于制造光导纤维 DNH3易溶于水，可用作制冷剂 32016江苏在给定的条件下，下列选项所示的物质间转化均能实现的是ASiO2SiCl4Si BFeS2SO2H2SO4 CN2NH3NH4Cl(aq)DMgCO3MgCl2(aq)Mg1【答案】B2【答案】B【解析】通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是，a、c判断错误；反应是一个置换反应，SiO2表现出氧化性，b正确；反应是一个复分解反应，符合用难挥发的二氧化硅制取易挥发的二氧化碳，d正确；反应中硅的化合价和氧的化合价都没有改变，e正确。&网3【答案】B【解析】CO2溶于水：CO2+H2OH2CO3，H2CO3的酸性比盐酸弱，而比硅酸强。根据酸与盐反应的规律，CO2通入CaCl2溶液中无明显现象(一般弱酸不能制强酸)；过量的CO2通入Na2SiO3溶液中有白色沉淀H2SiO3生成；CO2通入Ca(OH)2溶液至过量：Ca(OH)2+CO2CaCO3+H2O、CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2，最终生成Ca(HCO3)2而无沉淀产生；过量的CO2通入饱和Na2CO3溶液中：Na2CO3+H2O+CO22NaHCO3，生成的 NaHCO3的溶解度比Na2CO3的溶解度小，从而有晶体析出。4【答案】A【解析】制备玻璃的主要原料是石英、石灰石与纯碱，不包括黏土，A项错误。1【答案】B【解析】红宝石的主要成分为Al2O3，珍珠的主要成分为CaCO3，水晶的主要成分为SiO2，钻石为碳单质，A选项错误；制造玻璃包含复杂的物理变化和化学变化，C选项错误；金刚石是碳单质，具有碳单质的化学性质，D选项错误。2【答案】C【解析】根据寿山石的主要成分，可知其能与酸或碱发生反应，A正确；寿山石中含有不同形态的Al2O3，造成其色彩丰富，B正确；其中的氧化物Al2O3和SiO2不溶于水也不和水反应，在潮湿的空气中不会溶解变质，C错误；久置于干燥空气中，会失去其中的结晶水变质，D正确。3【答案】B【解析】A项，SiO2、Al2O3均与NaOH溶液反应；C项，应通入盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶；D项，引入了NaHCO3杂质。&网4【答案】A【解析】A项，稻壳灰来源广泛价格低廉，活性炭具有吸附性，有较高的经济价值，正确；B项，操作A为过滤，操作B为蒸发浓缩，是两种不同的操作，错误；C项，二氧化硅中，硅元素的化合价是4价，硅酸钠中，硅元素的化合价也是4价，所以该流程中硅元素的化合价没有发生改变，错误；D项，反应器中发生的反应为SiO22NaOH=Na2SiO3H2O，此反应没有化合价的变化，属于非氧化还原反应，错误。5【答案】D【解析】水泥的主要成分是硅酸二钙、硅酸三钙和铝酸三钙，普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2，D错误。6【答案】D7【答案】B【解析】本题考查二氧化碳的化学性质。KOH、Ba(OH)2、KAlO2的混合溶液中不断通入二氧化碳气体至过量，依次发生反应：Ba(OH)2+CO2BaCO3+H2O、2KOH+CO2K2CO3+H2O、2+3H2O+CO22Al(OH)3+、K2CO3+H2O+CO2 2KHCO3、BaCO3+H2O+CO2 Ba(HCO3)2。根据以上分析，AOa段反应的化学方程式是Ba(OH)2+CO2BaCO3+H2O，正确；Bab段发生反应2KOH+CO2K2CO3+H2O，cd段发生反应K2CO3+H2O+CO2 2KHCO3，不相同，错误；Cde段发生反应BaCO3+H2O+CO2 Ba(HCO3)2，沉淀减少是由于BaCO3固体溶解，正确；Dbc段反应的离子方程式是2+3H2O+CO22Al(OH)3+，正确，故选B。8【答案】（1）将装置中的空气排尽，避免空气中的氧气等对实验产生干扰（2）作安全瓶，防止倒吸 &网（3）澄清石灰水PdCl2溶液 3SiO2+4C2CO2+2CO+3Si（4）缺少尾气吸收装置（5）21（6）向硅酸钠溶液中通入二氧化碳气体，溶液变浑浊，证明碳酸酸性大于硅酸 9【答案】