碳硅及其化合物讲义

1、碳族元素.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。.考纲要求1.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.教材精讲1.本考点知识结构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

2、，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：CCO22CO；C2CuOCO22Cu；CH2OCOH2O（CO、H2的混合气体叫水煤气）；2C+SiO2Si+2CO与氧化性酸反应：C2H2SO4（浓）CO22SO22H2O；C4HNO3（浓）CO24NO22H2O4.CO不溶于水

3、，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+CuOCO2Cu，CO+H2O(g)CO2+H2O5.CO2直线型（OCO）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：CaCO32HClCaCl2CO2H2O。酸性氧化物一酸酐Ca(OH)2CO2CaCO3H2O(用于检验CO2)氧化性：CO2C2CO；2MgCO22MgOC6.碳酸盐溶解性：Ca(HCO3)2>CaCO3；Na2CO3>NaHCO3。热稳定性：Na2CO3&g

4、t;CaCO3；碱金属正盐>碱金属酸式盐: Na2CO3>NaHCO3。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+2F2SiF4、Si+4HFSiF4+2H2、Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2；在加热条件下，能与氧气、氯气等少数非金属单质化合：SiO2SiO2。制备：在电炉里用碳还原二氧化硅先制得粗硅：SiO22CSi2CO，将制得

5、的粗硅，再与C12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十2C12SiCl4、 SiCl4+2H2Si+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.SiO2SiO2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+CaOCaSiO3、SiO2+2NaOHNa2S

6、iO3+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Na2CO3）在熔化条件下反应生成相应的硅酸钠：SiO22NaOHNa2SiO3H2O，SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2­，然后用酸与硅酸钠作用制得硅酸：Na2SiO3+2HCl =H2SiO3+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：SiO2+4HFSiF4+2H2O(氢氟酸不能盛放在玻璃容器中)。光导纤

7、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 ；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,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,

8、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H4SiO4、H2SiO3、H2Si2O5等。一般用通式xSiO2·yH2O表示，由于“H2SiO3”分子式最简单，习惯采用H2SiO3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+H2OH2SiO3+Na2CO3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

9、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：SiO22CSi2CO非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si却放出H2：Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+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+4HFSiF4+2H2非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备H2SiO3。酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2+4HFSiF4+2H

10、2O无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水。因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通人CO2能发生下列反应：Na2SiO3+CO2+H2OH2SiO3+Na2CO3，但在高温下SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2也能发生。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，组成可用氧化物的形式表示。例如：硅酸钠Na2SiO3(Na2O·SiO2)；镁橄榄石Mg2SiO4(2MgO·SiO2)；高岭石Al2(Si

11、2O5)(OH)4(A12O3·2SiO2·2H2O)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（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3），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

12、应是：SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2、SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2，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：Al2O3·2SiO2·2H2O。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）陶瓷；透明的氧化铝、砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化镁（MgF2）、氟化钙（CaF2）等氧

13、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。.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。A是制取C02的装置。写出A中发生反应的化学方程式：_。仪器加入试剂加入该试剂的目的B饱和NaHC03溶液CD填写表中空格： 写出过氧化钠与二氧化碳反应的化学方程式：_。 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

14、可能存在的杂质气体有：制取二氧化碳的是HCl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+2HCl=CaCl2+H2O+CO2 B 饱和NaHCO3 除CO2中的HCl C Na2O2粉末 反应物D NaOH溶液 除去未反应的CO2 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，氯化氢

15、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HCl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2021 年度国家自然科学二等奖。已知C36是由正

16、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 DC36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答案正确与否需要进行如下的计算分析：设：C36中正五边形和正六边形的个数分别为x、y个根据一个棱边为两个面（正五边形或正六边形）所共用，一个面上的顶点C原子与相邻C原子通过CC键或C=C键形成三个棱边，考虑一个

17、棱边（CC键或C=C键）为两个C原子共用，结合题设信息可得如下方程式：x=12y=8 1/2×(5x+6y)=36+x+y-2 1/2×(5x+6y)= 1/2×（3×36） 而双键数应按所有碳原子最多可形成的CC键数减去边数为：1/2×（4×36）1/2×（3×36）=18所以C、D答案正确。答案：B【点评】利用不断发现的新材料，而作为高考命题新的生长点，这是近几年化学高考的一个值得关注的动向。万变不离其宗，其实本问题的解决还有赖于晶体计算中的分摊思想和足球分子结构的直观想象，同时也足以说明数学工具在化学分子结构

18、分析中的重要作用。例3据报导我国科学家近年来研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料，其主要成分是由碳化硅（结构类似于金刚石）、陶瓷和碳纤维复合而成。下列相关叙述不正确的是 A它耐高温抗氧化 B它比钢铁轻、硬，但质地较脆 C它没有固定熔点 D它是一种新型无机非金属材料【解析】此航空材料是碳化硅、陶瓷和碳纤维等无机非金属材料复合而成，是混合物，故没有固定熔点。同时它也糅合了碳化硅、陶瓷和碳纤维各自的优良性能，耐高温、抗腐蚀、抗氧化、坚硬、轻巧、有良好的韧性等。碳化硅、陶瓷、碳纤维均属于无机非金属材料。答案：B【点评】对醒目的字句进行字斟酢句的分析、加工、联想是新信息问题解决的关键。.跟踪训练一、选

19、择题（下列各题均只有一个合理答案，请将合理答案的序号填在第卷题首的答案栏内，填在其他地方无效）1、（06上海）下列不符合当今化学研究方向的是 A发现新物质 B合成新材料 C研究化学反应的微观过程 D研究化学反应中原子守恒关系2人类使用材料的增多和变化，标志着人类文明的进步，下列材料与化学制备无关的是（ ） A石器 B青铜器 C铁器 D高分子材料3下列说法中，正确的是（ ）A二氧化硅溶于水显酸性 B二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸高温C水玻璃露置空气中发生反应：Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3，所以碳酸酸性比硅酸酸性强 D高温时纯碱和石英发生反应：Na2CO3+Si

20、O2= Na2SiO3+CO2，所以硅酸酸性比碳酸酸性强 4我国科学家在“纳米材料国家重点实验室”里成功研制出了3mm长的碳纳米管，长度居世界之首。这种碳纤维强度高、刚度大、密度小、熔点高、化学稳定性好，因而被称为“超级纤维”。下列对此碳纳米管的说法中不正确的是 A它是制造飞机的理想材料 B它与石墨互为同素异形体C这种碳纳米管中含有非极性共价键 D碳纤维复合材料为高分子化合物5金属陶瓷是一种应用于高科技的复合材料，合成方法是将陶瓷（主要成分：Al2O3、ZrO2等耐高温材料）和粘结金属（主要是Cr、Mo、W、Ti等高熔点金属）研磨混匀成型后，高温烧结使金属仍然以单质的形式存在于金属陶瓷之中，据

21、此判断合成工艺必须A.在氧气中合成 B.在HCl气氛中合成 C.在氮气气氛中合成D.在空气中合成二、选择题（下列各题均有2个答案，请将合理答案的序号填在第卷题首的答案栏内，填在其他地方无效）6下列所列各物质的用途中，正确的是 ( )A.含氧化亚铜的红色玻璃片：制夏天用的变色眼镜 B.硅胶：干燥剂、吸附剂、催化剂载体C.石英：光导纤维 D.硅酸：粘合剂、耐火材料7硅酸铜钡是当今用最新科学技术才能合成的一种物质。然而现在发现，我国秦朝兵马俑用的一种颜料竟是硅酸铜钡。下列关于硅酸铜钡的学说正确的是（ ）A易溶于水 B难溶于水 C既属于硅酸盐，也属于复盐 D属于无机高分子材料8科学家在高压下成功地将C

22、O2转化为具有类似SiO2结构的晶体，下列关于CO2的原子晶体的说法正确的是ACO2的分子晶体转化为原子晶体是化学变化 BCO2的原子晶体和分子晶体实际上是同种物质CCO2的原子晶体和分子晶体具有相同的物理性质 D在CO2的原子晶体中，每一个C原子周围结合4个O原子9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。下列关于硅的说法中错误的是（ ） A硅原子既不易失去电子又不易得到电子，主要形成四价的化合物。 B高纯度的硅被广泛用于制作计算机芯片 C自然界中存在贮量丰富的单质硅 D晶体硅的熔点比结构相似的碳化硅晶体的熔点要高10、“耐高温长寿命抗

23、氧化陶瓷复合材料应用技术”获2021 年度国家技术发明一等奖。该复合材料的强度比钢还大，在航空航天器中用来替代金属材料，可节约2030%的燃料。下列关于该材料的叙述中不正确的是（ ） A该材料属于传统无机非金属材料 B该材料的化学性质非常稳定 C与金属一样有较好的传热性能 D可以替代金属做耐高温结构材料11下列表述不正确的是（ ）A 人造刚玉熔点很高，可用作高级耐火材料，主要成分是二氧化硅B 化学家采用玛瑙研钵摩擦固体反应物进行无溶剂合成，玛瑙的主要成分是硅酸盐C 提前建成的三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料D 太阳能电池可采用硅材料制作，其应用有利于环保、节能角氧12原硅酸的结构为，若

24、去掉氢原子后的剩余部分即SiO44-为原硅酸根，其构型为正四面体（如图），称为“硅氧四面体”。四面体角顶上的氧原子叫“角氧”。有关叙述不正确的是 （ ）A两分子原硅酸脱去一分子水得到的H6Si2O7分子中有6个SiO键B两个硅氧四面体，彼此共用一个角氧相连后，形成的Si2O76 离子中各个键角不一定为109º28C3个硅氧四面体彼此用2个角氧相连后，形成的Si3O96离子一定呈链状Dn个硅氧四面体彼此用四个角氧连接后的晶体是二氧化硅13、下列反应化学方程式表示不正确的是A.黄铁矿煅烧：2FeS2+5O2FeO+4SO2 B.石英与石灰石共熔：SiO2+CaOCaSiO3C.氨的催化氧

25、化：4NH3+5O24NO+6H2O D.氯气与石灰乳反应：2Cl2+2Ca(OH) 2=CaCl2+Ca（ClO）2+2H2O三、本题有2个小题14为比较HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某同学设计了如图所示的装置，想通过一次实验达到实验目的，请你协助完成实验。A B 可供选择的试剂有：稀盐酸、浓盐酸、稀硫酸、浓硫酸、碳酸钠粉末、碳酸钠溶液、碳酸氢钠粉末、碳酸氢钠溶液、硅酸钠粉末、硅酸钠溶液。请依据此实验填空：锥形瓶内所装某试剂是_，分液漏斗中所盛试剂是_。装置B中所盛的试剂是_，出现的现象是 ，B中发生的化学反应方程式为_。实验结束后，有人提出该实验不严密，你的看法如何？请说出理

26、由或改进意见。15、（06天津理综）晶体硅是一种重要的非金属材料。制备纯硅的主要步骤如下：300高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅粗硅与干燥HCl气体反应制得SiCl3：Si3HCl SiCl32SiCl3与过量2在10001100反应制得纯硅已知SiCl3能与2强烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题：（1）第步制备粗硅的化学反应方程式为 。（2）粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiCl3（沸点33.0）中含有少量SiCl4（沸点57.6）和HCl（沸点84.7），提纯SiCl3采用的方法为： 。（3）用SiCl3与过量2反应制备纯硅的装置如下（热源及夹持装置略去）：装置中的试剂是 ，装置中

27、的烧瓶需要加热，其目的是： 。反应一段时间后，装置中观察到的现象是 ，装置不能采用普通玻璃管的原因是 ，装置中发生反应的化学方程式为 。为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及 。为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂（填写字母代号）是 碘水氯水溶液溶液23溶液四、本题有2个小题16、材料科学与近几年来与化学有关的科学研究的热点.某新型无机非金属材料K由两种非金属元素组成,它是一种超硬物质,具有耐磨耐腐蚀抗冲击抗氧化的特性,它是以中学化学的常见物质为原料来生产的,如图虚线框外为其生产过程;线框内的其他转化是为探究C的

28、组成而设,GH均为难溶于水的白色固体;图中C M K均含有A元素,C物质遇水强烈水解,能生成一种白色胶状物质F和E的酸雾,其余物质均为中学化学常见的物质.试回答:单质A单质B化合物C化合物MA(NH2)4KEFGGHIF过量NH3隔绝空气 高温水过量CO2AgNO3 溶液NaOH溶液稀HNO3指出K可能所属的晶体类型 .写出化学式:单质B ,化合物F 写出下列反应的离子方程式: P写出反应的化学方程式 17、为了测定K2CO3和NaHCO3混合物的组成，某学生每次称取一定质量的混合物溶于水配成溶液，向其中加入相同浓度的Ba(OH)2溶液，每次实验均充分反应，实验结果记录如下表：实验次数混合物的

29、质量/g所加Ba(OH)2溶液的体积/L测得沉淀的质量/g10.8580.51.37921.7160.532.5740.54.13743.4320.55.51654.2900.55.51665.1480.55.516请回答下列问题：（1）第二次实验中产生沉淀的质量是 g；（2）求所用Ba(OH)2的溶液的物质的量浓度；（3）求混合物中K2CO3和NaHCO3的物质的量之比；（4）在25时，取下第3组实验所得溶液体积的1/10，加水配成500mL溶液，求此溶液pH（要求写出计算过程）。“碳族元素”参考答案一、 1、D 2A3C4D5C.二、6B. C 7BC8AD9CD10、AC11A B 12AC13、A. B. 三、14、碳酸钠粉末或碳酸氢钠粉末 稀盐酸 硅酸钠溶液 产生白色胶状沉淀 CO2 + Na2SiO3 + H2O Na2CO3 + H2SiO3 盐酸有一定的挥发性，应该在通入硅酸钠溶液前用装有饱和碳酸氢钠溶液的洗气瓶除去挥发出来的氯化氢。15、（1）SiO2+2C Si+2CO （2）分馏（或蒸馏） （3）浓硫酸 使滴人烧瓶中的 SiHCI3 气化 有固体物质生成 在反应温度下，普通玻璃会软化 SiHCI3+H2Si+3HCI 排尽装置中的空气 bd 四、16、(1)原子晶体 (2)Cl2;H2SiO3或H4SiO4