碳硅及其化合物-讲义

1、 碳族元素 I 课标要求 通过实验了解硅及其化合物的主要性质，认识其在信息技术、材料科学等领域的应用。 n 考纲要求 i了解单质硅及其重要硅的化合物的主要性质及应用 3. 能综合应用硅及硅的化合物知识 川教材精讲 1本考点知识结构 新型无机材 料鯨训等 与HF的反应 硅磯盐 石英琥璃 光导野维 硅酸盐化学 式的变换 CaC2 C* CO C0s CaCC: 制水泥 制跛璃I ；COCO 有机物 % 翎石 石墨等 嗓钢I I候氏制喊 跟镁反应 跟C,HsONa反应 炼铁 氨气制濮白耕 海水中標取镁 2碳族元素 碳族元素的特征：碳族元素原子最外层电子数为4,既不容易失去电子，又不容易得到电子，易形

2、成共价键， 难形成离子键。碳族元素形成的单质在同周期中硬度最大，熔沸点最高（如金刚石、晶体硅）。 碳族元素的化合价：碳族元素的主要化合价有+2, +4，其中铅+2价稳定，其余元素+4价稳定。 碳族元素的递变规律：从上到下电子层数增多，原子半径增大，原子核对最外层电子的吸引能力减弱，失电 子的能力增强，从上到下由非金属递变为金属的变化非常典型。其中碳是非金属，锡、铅是金属，硅、锗是半导体 材料。 碳族元素在自然界里的存在：自然界里碳有游离态和化合态两种；硅在地壳里无游离态，主要以含氧化合物 的形式存在。 几种同素异形体：碳：金刚石、石墨、C60、C70等；硅：晶体硅，无定形硅。 3. 碳 在常温

3、下碳很稳定，只在高温下能发生反应，通常表现为还原性。 燃烧反应 与某些氧化物的反应：C + CO2=2CO; C + 2CuO CO2 f+ 2Cu; C + H20 丄二 CO+ H2O （CO、H2的混合气体叫水煤气）; 2C+SQ2Si+2CO f 与氧化性酸反应： C+ 2H2SO4 （浓）旦CO2f+ 2SO2 T+ 2H2O; C+ 4HNO3 （浓）一 CO2T+ 4NO2f+ 2H2O 4. CO 不溶于水，有毒（CO和血红蛋白结合，使血红蛋白无法和O2结合，而使细胞缺氧引起中毒 ），但由于CO无色 无味因此具有更大的危险性。 可燃性 还原性：CO+CuO CO2+ Cu, C

4、O+H 20（g） ，- CO2+H2O 5. CO2 直线型（O = C = O）非极性分子，无色能溶于水，密度大于空气，可倾倒，易液化。固态CO2俗称干冰，能升 华，常用于人工降雨。实验室制法：CaCO3+ 2HCl = CaCl2 + CO2 T+出0。 酸性氧化物一一酸酐 Ca（OH）2 + CO2= CaCO3 J+ H2O（用于检验 CO2） 氧化性：CO2+ C42CO; 2Mg + CO22MgO + C 6. 碳酸盐 溶解性：Ca（HCO 3）2CaCO3； Na2CO3NaHCO 3。 热稳定性：Na2CO3CaCO3；碱金属正盐 碱金属酸式盐：Na2CO3NaHCO 3

5、亦- 相互转化：碳酸正盐 -碳酸酸式盐（除杂用） 7. 硅 硅在地壳中只有化合态，没有游离态。其含量在地壳中居第二，仅次于氧，是构成矿物和岩石的主 要成分。 晶体硅是灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体，是半导体，具有较高的硬度和熔点。 硅的化学性质不活泼，常温下，只能与氟气、氢氟酸及强碱溶液反应：Si+2F2 = SiF4、Si+4HF = SiF4+2H2f、 Si+2NaOH+H 2O = Na2SiO3+2H 2 T;在加热条件下，能与氧气、氯气等少数非金属单质化合：Si +。2二SiO2。 制备：在电炉里用碳还原二氧化硅先制得粗硅：SiO2+ 2C 丄 Si + 2COT ,将制得的粗硅

6、，再与CJ反应后， 蒸馏出SiCl4,然后用H2还原SiCl4可得到纯硅。有关的反应为：Si十2C1?二SiCl4、SQI4+2H2丄-Si+4HCl。 硅在高新技术中的应用：高纯硅可作半导体材料，晶体硅还可做光电转换材料及制作DNA芯片为代表的生 物工程芯片。 8.SiO2 SiO2为原子晶体，是一种坚硬难熔的固体，硬度、熔点都很高。而CO2通常状况下是气体，固体熔点很低。 其差别在于晶体类型不同。CO2是分子晶体，故熔点很低。 二氧化硅的化学性质很稳定，不能跟酸（氢氟酸除外）发生反应。由于它是一种酸性氧化物，所以能跟碱性氧 化物或强碱反应。 SiO2+CaOOaSO3、SiO2+2NaOH

7、 = Na2SiO3+H2O（碱溶液不能在使用磨口玻璃塞的试剂瓶中） 二氧化硅是一种特殊的酸性氧化物。 a. 酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但二氧化硅却不能直接跟水化合，它的对应水化物（硅酸）只能用相 应的可溶性硅酸盐跟盐酸作用制得： 首先让SiO2和NaOH （或NazCOs）在熔化条件下反应生成相应的硅酸钠： SiO? + 2NaOHNa2SiO3+ H2O, SiO2 + Na2CO2-Na2SiO3+ CO?，然后用酸与硅酸钠作用制得硅酸： Na2SiO3+2HCI =H 2SiO3+2NaCl。 b. 酸性氧化物一般不跟酸作用，但二氧化硅却能跟氢氟酸起反应：SQ2+4HF =

8、SiF4+2H2O （氢氟酸不能盛放在 玻璃容器中）。 光导纤维：从高纯度的SiO2或石英玻璃熔融体中，拉出的直径约100m的细丝，称为石英玻璃纤维，这种 纤维称为光导纤维。光纤通信是一种新技术，它将光信号在光导纤维中进行全反射传播，取代了电信号在铜线中的 传播，达到两地通信的目的。光纤通信优点：信息传输量大，每根光缆可同时通过10亿路电话；原料来源广；质 量轻，每千米27克；不怕腐蚀，铺设方便；抗电磁干扰，保密性好。 石英、水晶及其压电效应 石英的主要成分是SiO2,可用来制造石英玻璃。石英晶体中有时含有其他元素的化合物，它们以溶解状态存在于 石英中，呈各种颜色。纯净的 SiO2晶体叫做水晶

9、，它是六方柱状的透明晶体，是较贵重的宝石。水晶或石英在受压时 能产生一定的电场，这种现象被称为 压电效应”后来这种 压电效应”被应用在电子工业及钟表工业和超声技术上。 9. 硅酸和硅胶 硅酸：硅酸有多种形式，如H4SQ4、H2SQ3、H?Si2O5等。一般用通式 RSiO? RH2O表示，由于“HSQ3分子 式最简单，习惯采用 H2SQ3作为硅酸的代表。 硅酸酸性比碳酸还弱，由下列反应可证明：Na2SiO3+CO2+H2O = H2SQ3J +N2CO3 硅胶：刚制得的硅酸是单个小分子，能溶于水，在存放过程中，它会逐渐失水聚合，形成各种多硅酸，接着 就形成不溶于水，但又暂不从水中沉淀出来的硅溶

10、胶”如果向硅溶胶中加入电解质，则它会失水转为硅凝胶” 把硅凝胶烘干可得到硅胶”烘干的硅胶是一种多孔性物质，具有良好的吸水性。而且吸水后还能烘干重复使用， 所以在实验室中常把硅胶作为作为干燥剂。 10. 硅及其化合物的 反常” Si的还原性大于 C,但C却能在高温下还原出 Si: SiO2+ 2C=Si+ 2COT 非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si却放出H2: Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2 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? 非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。 SiO2是H2SQ3的酸酐，但它不溶于水

11、，不能直接将它与水作用制备H2SQ3。 酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SQ2+4HF = SiF4+2H2O 无机酸一般易溶于水，但H2SQ3难溶于水。 因H2CO3的酸性大于H2SQ3,所以在Na2SiO3溶液中通人CO2能发生下列反应：Na2SiO3+CO2+ H2O= H2SQ3J +N2CO3,但在高温下 SiO2+Na2CO3 口- NazSiOs+CO?他能发生。 Na2SiO3的水溶液称水玻璃， 但它与玻璃的成分大不相同，硅酸钠水溶液（即水玻璃）称泡花碱，但它却是盐的 溶液，并不是碱溶液。 11. 硅酸盐 硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，其结构复杂，组成可用氧

12、化物的形式表示。例如：硅酸钠 Na2SiO3（Na2OSiO2）;镁橄榄石 Mg 2SiO4（2MgO -SiO2）;高岭石 Al2（Si2O5）（OH） 4（A1 2O3 2 SiO2 2 H2O） 云母、滑石、石棉、高岭石等，它们都属于天然的硅酸盐。 人造硅酸盐：主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。 硅酸盐制品性质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途。最简单硅酸盐是硅酸钠，其水溶液俗称水玻 璃，是一种矿物胶，可作粘合剂，防腐剂。 12. 水泥、玻璃、陶瓷 普通水泥的主要成分是硅酸三钙（3CaOSiO2）、硅酸二钙（2CaOSiO2）和铝酸三钙（3CaO-

13、Al 2O3）,水泥具 有水硬性，水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。 制玻璃的主要原料是纯碱、石灰石和石英， 主要反应是：SiO2+Na2CO3二二Na2SiO3+CO2、SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2 T,玻璃是无固定熔点的混合物。加入氧化钴后的玻璃呈蓝色，加入氧化亚铜后的玻璃呈红色， 普通玻璃一般呈淡绿色，这是因为原料中混有二价铁的缘故。 制造陶瓷的主要原料是黏土，黏土的主要成分：Al 2O3 2SiO2 2H2O。 13. 无机非金属材料 无机非金属材料包含除传统陶瓷外的各种性能优异的精细陶瓷：耐高温的二氧化锆（ZrO2）陶瓷、高熔点的氮 化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）

14、陶瓷；透明的氧化铝、砷化镓（ GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化 镁（MgFJ、氟化钙（CaF2）等氧化物或非氧化物陶瓷；生物陶瓷；超细微粉体粒子制造的纳米陶瓷等。 IV 典型例题 例1、（06全国理综）在呼吸面具和潜水艇中可用过氧化钠作为供氧剂。请选用适当的化学试剂和实验用品，用 图中的实验装置进行实验，证明过氧化钠可作供氧剂。 程 氧化碳反应的化学方 试管F中收集满气体后，下一步实验操作是： 。 【解析】命题意图就是验证过氧化钠与水或二氧化碳的反应及对供氧剂信息的理解认识。实验仪器中的A是二 氧化碳发生装置，B、D是除杂装置，C是反应装置，E是收集装置。本实验可能存在的

15、杂质气体有：制取二氧化 碳的是HCI和水，但由于过氧化钠与二氧化碳和水都能反应产生氧气，故水不必除去。 答案： CaCO3+2HCI=CaCI 2+H2O+CO2 T B 饱和NaHC0 3 除CO2中的HCI C Na2O2粉末反应物 D NaOH溶液除去未反应的C02 2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2 把E中的导管移出水面，关闭分液漏斗活塞，用姆指堵住试管口，取出试管，立即把带火星的木条伸入试 管口内，木条复燃，证明试管中收集的气体是氧气。 【点评】本题涉及 CO2实验室制法，实验室用碳酸钙和盐酸反应指取CO2所得气体中，由于盐酸具有挥发性， 所制备气体中含有氯化氢气体和水蒸汽

16、，氯化氢气体也会与过氧化钠反应，因此需要用饱和碳酸钠溶液进行洗气， 以除去HCI气体，水蒸汽和CO2气体都会与过氧化钠反应生成氧气，所以不必除去水蒸汽，紧接着，让含有少量水 蒸汽的CO2气体通过过氧化钠（过氧化钠是粉末状物质，为了防止被气体吃入导气管，最好是用石棉绒包住过氧化 钠）进行反应，然后用氢氧化钠除去位反应的CO2，最后用排水法收集氧气，进行检验。不难看出题目涉及知识点 都来自课本中的主干知识，要求学生一定要重视课本。 例2、我国科学家合成出世界上最细的碳纳米管，直径仅有0.5nm，它的直径与 C36分子直径相当，十分接近 0.4nm理论极限值，这项成果获取 20RR年度国家自然科学二等奖。已知C36是由正五边形和正六边形构成的足球 状分子，在多面体中，棱边数 =顶点数+面数-2。根据以上信息，下列有关推断不正确的是（） A 碳纳米管与金刚石互为同素异形体B 碳纳米管属于高分子化合物 C.每个C36分子中有18个双键D C36分子中有12个正五边形，8个正六边形构成 【解析】由题意不难看出，碳纳米管与金刚石都是由碳元素组成的不同的单质，所以A正确；碳纳米管是单质， 而不是化合物，B显然是错误的。至于 C、D答