化学高分培养计划一轮全国创新高分讲义：第13讲　碳、硅及其重要化合物

学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精学必求其心得，业必贵于专精第四章非金属元素及其重要化合物考纲解读1.了解常见非金属元素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、硅单质的物理性质与用途1．碳、硅单质的存在形式2．碳、硅的物理性质和用途(用短线连接起来)：①－c②－a③－e④－b⑤－d①碳单质的结构不同导致物理性质不同,但化学性质相似.②同素异形体之间的转化是化学变化，但不是氧化还原反应.二、碳、硅单质的化学性质—-还原性硅、碳的最外层都是4个电子，位于元素周期表的第ⅣA族，不容易失也不容易得电子,通常化学性质稳定,但在一定条件下也能与许多物质发生化学反应，一般表现为还原性。1．碳的性质碳有重要的用途，除了在氧气中燃烧利用其热能外,还能用于金属冶炼(如铜)、制取粗硅、生产水煤气等，完成下列化学方程式.①CO2＋Ceq\o（=,\s\up17(高温）)2CO；②C＋H2O（g)eq\o(=，\s\up17(高温）)CO＋H2。2．硅的化学性质硅的化学性质不活泼，在常温下只能与氟气、氢氟酸、NaOH溶液反应,不能与H2、O2、Cl2、浓硫酸、浓硝酸反应,但加热时能与O2、Cl2反应。完成下列化学方程式：①Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up17(△))SiCl4；②Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；③Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑.3．硅的工业制法用焦炭和二氧化硅在电炉中反应得到粗硅，反应的化学方程式为SiO2＋2Ceq\o(=，\s\up17（高温))Si＋2CO。工业上常用焦炭在电炉中还原SiO2得到粗硅，但反应需隔绝空气(或O2），生成的是CO而不是CO2。三、二氧化硅1．物理性质硬度大,熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水.2．化学性质(1)与酸反应只与氢氟酸反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。(2）与碱（NaOH）反应SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞）.（3）与盐反应:如与Na2CO3反应:Na2CO3＋SiO2eq\o(=，\s\up17(高温)）Na2SiO3＋CO2↑.（4)与碱性氧化物反应：如与CaO反应：CaO＋SiO2eq\o(=,\s\up17（高温））CaSiO3。3．用途光导纤维、光学仪器、电子部件。

四、硅酸五、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过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。六、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．正误判断，正确的画“√”，错误的画“×”。（1)碳有多种同素异形体，而氧不存在同素异形体。（）（2)单质硅常用作半导体材料和光导纤维。（)(3）硅在自然界中只以化合态的形式存在。（)(4）单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料。（）（5）pH＝2的溶液中可能大量存在Na＋、NHeq\o\al（＋，4）、SiOeq\o\al(2－,3）。（）(6）向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸的离子方程式:Na2SiO3＋2H＋=H2SiO3↓＋2Na＋。（）答案（1)×(2)×（3)√(4)√（5)×(6）×2．下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是（)①水玻璃既不易燃烧也不受腐蚀②水泥、玻璃、沙子都是硅酸盐制品③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料A．①②B．②③C．①④D．③④答案C解析水玻璃是Na2SiO3的水溶液,可用作防火剂和防腐剂，①正确；沙子不属于硅酸盐制品,②不正确；光导纤维的主要成分是SiO2,③不正确。考点1碳、硅单质及其氧化物典例1（2017·青岛高三模拟)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＋H2O②SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高温))Si＋2CO↑③SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O④Na2CO3＋SiO2eq\o(=，\s\up17（高温）)Na2SiO3＋CO2↑⑤SiO2＋3Ceq\o（=，\s\up17(高温）)SiC＋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．aceB．bdeC．cdeD．ab解析通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是③，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。答案B名师精讲熟记硅及其化合物的特殊性质1．下列有关说法中错误的是(）A．氢氟酸不能盛放在玻璃试剂瓶中B．单晶硅可将太阳能转化为电能但不能将太阳能转化为热能C．灼烧NaOH固体时不能使用瓷坩埚，因坩埚中的SiO2能与NaOH反应D．由沙子制备光伏材料的反应之一为SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17(高温))Si＋2CO↑答案B解析氢氟酸能与玻璃中的SiO2反应，A正确;单晶硅也可将太阳能转化为热能，B错误；高温下NaOH能与瓷坩埚中的SiO2反应，C正确;沙子的主要成分是SiO2，与碳反应时得到的是CO，D正确.2．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＋SiO2eq\o(=,\s\up17（高温））Si＋2CO↑B．SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2OC．Si＋2Cl2eq\o(=，\s\up17（△）)SiCl4D．SiCl4＋2H2eq\o（=，\s\up17(高温)）Si＋4HCl答案B解析工业制取纯硅的工艺流程为：SiO2eq\o（→，\s\up17（C))粗硅eq\o（→，\s\up17(Cl2））SiCl4eq\o(→，\s\up17（H2))纯硅，该工艺流程中不涉及SiO2与NaOH溶液的反应。考点2硅酸硅酸盐典例2下列有关硅及硅酸盐材料的说法正确的是（)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\o(=，\s\up17（高温)）Na2SiO3＋CO2↑,两反应是相互矛盾的，不可能都能发生C．普通玻璃、石英玻璃,水泥等均属于硅酸盐材料D．祖母绿的主要成分为Be3Al2Si6O18，用氧化物形式表示为3BeO·Al2O3·6SiO2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，石英玻璃的成分为SiO2，SiO2是氧化物不是盐；D项正确.答案D名师精讲1．硅及其化合物的特殊性（1）无机酸一般易溶于水，而H2SiO3却难溶于水。（2）因H2CO3的酸性强于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下Na2CO3＋SiO2eq\o（=，\s\up17(高温))Na2SiO3＋CO2↑也能发生.（3）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;水玻璃又称为泡花碱，但它却是盐溶液（存放的试剂瓶不能用玻璃塞），而不是碱溶液。（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）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eq\f(1，2）K2O·eq\f（1，2）Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。3．如图所示是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程，下列说法正确的是（）A．SiO2属于两性氧化物B．盛放Na2CO3溶液的试剂瓶用玻璃塞C．硅胶吸水后可重复再生D．图中所示的转化都是氧化还原反应答案C解析SiO2是酸性氧化物，A错误；Na2CO3溶液呈碱性,能与玻璃的主要成分SiO2反应，生成具有粘性的硅酸钠，导致试剂瓶不易打开，故盛放Na2CO3溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，B错误；题图中有的转化不是氧化还原反应，如SiO2与NaOH溶液的反应,D错误。(建议用时：40分钟)一、选择题（每题6分，共54分)1．某短周期非金属元素的原子核外最外层电子数是次外层电子数的一半，该元素（)A．在自然界中只以化合态的形式存在B．单质常用作半导体材料和光导纤维C．最高价氧化物不与酸反应D．气态氢化物比甲烷稳定答案A解析由已知信息可知该非金属元素为硅。硅强烈亲氧，在自然界以氧化物或复杂硅酸盐形式存在，不存在单质硅,A正确；硅单质能用作半导体材料而不能用作光导纤维，制造光导纤维是用二氧化硅，B错误；SiO2能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O,C错误；非金属性：C>Si，故SiH4的稳定性弱于甲烷，D错误。2．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Si3N4B．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SiO2D．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。3．(2017·甘肃天水一中模拟）下列说法正确的是（）A．单质eq\o(→,\s\up17(＋O2)）氧化物eq\o（→,\s\up17（＋H2O））酸或碱eq\o(→，\s\up17（＋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→aC．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答案C解析A项，SiO2不与H2O反应；B项，b→c，c→a均不能通过一步反应实现转化；D项,用于制造光导纤维的是SiO2，而非单质硅.4．下列关于C、Si两种元素的说法正确的是(）A．两者结合形成的化合物是共价化合物B．在自然界中都能以游离态存在C．氢化物的热稳定性比较：CH4〈SiH4D．最高价氧化物都能与水反应生成相应的酸答案A解析C、Si都是非金属元素，结合形成的化合物是共价化合物，A正确；Si元素为亲氧元素,不能以游离态存在，故B错；非金属性C〉Si,故氢化物的热稳定性SiH4<CH4，故C错;SiO2既不溶于水，也不和水反应，故D错.5．（2017·安徽合肥联考）近几年我国载人飞船多次升空，显示出我国航天技术已进入世界一流，飞船应用了许多尖端的合成材料。据报道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陶瓷和碳纤维复合而成的。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，强度大，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答案B解析航空材料具有质轻、强度高、耐高温、抗氧化等性能，又由题中信息可知,该材料具有一定的韧性，故B错,A正确；复合材料属于混合物,没有固定的熔点，碳化硅高温结构陶瓷和碳纤维复合而成的材料属于新型无机非金属材料，C、D正确。6．下列离子方程式不正确的是（)A．石英与烧碱反应：SiO2＋2OH－=SiOeq\o\al(2－,3)＋H2OB．硅与烧碱反应:Si＋2OH－=SiOeq\o\al（2－，3）＋H2↑C．硅酸钠溶液中通入少量CO2：SiOeq\o\al（2－，3)＋CO2＋H2O=COeq\o\al（2－,3）＋H2SiO3↓D．往水玻璃中加入盐酸：2H＋＋SiOeq\o\al（2－,3)=H2SiO3↓答案B解析硅与烧碱溶液反应时，H2O参与反应，Si＋2OH－＋H2O=SiOeq\o\al（2－,3）＋2H2↑。7．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·H2OB．它能够抵抗任何酸碱的腐蚀C．其中铁元素的化合价为＋3D．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＋。8．用四种溶液进行实验，下表中“操作及现象”与“溶液”对应关系错误的是()答案B解析由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3的溶解度，Na2CO3＋CO2＋H2O=2NaHCO3↓,因而会析出NaHCO3晶体，A项正确；B项，CO2＋Na2SiO3＋H2O=Na2CO3＋H2SiO3↓,CO2＋Na2CO3＋H2O=2NaHCO3，H2SiO3与CO2不反应，浑浊不会消失；C项，CO2＋Ca（ClO）2＋H2O=CaCO3↓＋2HClO，溶液变浑浊后加入品红溶液，被HClO氧化褪色；D项，首先CO2＋Ca（OH)2=CaCO3↓＋H2O，继续通CO2，生成可溶于水的Ca(HCO3）2，再加入足量的NaOH，则:2NaOH＋Ca（HCO3)2=CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O，溶液又变浑浊.9．对于反应3C＋SiO2eq\o(=，\s\up17（高温))SiC＋2CO↑，下列说法正确的是()A．SiC是氧化产物B．还原剂与氧化剂的物质的量之比为1∶2C．若生成4。48LCO,则转移0.4mol电子D．该反应中C既是氧化剂又是还原剂答案D解析SiC中碳元素化合价是－4价，SiC是还原产物，A项错误；该反应中还原剂与氧化剂的物质的量之比为2∶1,B项错误；没有说明是否为标准状况,C项错误；碳元素化合价既有升高又有降低，所以C既是氧化剂又是还原剂,D项正确.二、非选择题（共46分）10．（2017·四川成都调研)(12分）晶体硅是信息科学和能源科学中的一种重要材料，可用于制芯片和太阳能电池等。以下是工业上制取纯硅的一种方法。请回答下列问题(各元素用相应的元素符号表示)：（1）在上述生产过程中，属于置换反应的有________(填反应代号）。（2)写出反应③的化学方程式________。（3)化合物W的用途很广,通常可用作建筑工业和造纸工业的黏合剂，可作肥皂的填充剂,是天然水的软化剂。将石英砂和纯碱按一定比例混合加热至1373～1623K反应，生成化合物W，其化学方程式是____________________________________。（4）A、B、C三种气体在“节能减排"中作为减排目标的一种气体是________（填化学式）；分别通入W溶液中能得到白色沉淀的气体是________（填化学式）。答案（1）①②③（2)SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up17(1357K)）Si＋3HCl（3)SiO2＋Na2CO3eq\o（=，\s\up17(1373～1623K））Na2SiO3＋CO2↑（4)CO2CO2和HCl解析反应①为石英砂和焦炭生成粗硅和一氧化碳的反应：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up17（3273K））Si＋2CO↑，属于置换反应；反应②是Si＋3HCleq\o（=,\s\up17(523～527K))SiHCl3＋H2，属于置换反应；反应③是SiHCl3＋H2eq\o(=，\s\up17（1357K）)Si＋3HCl，属于置换反应；反应④为特定条件下的反应：CO＋H2Oeq\o（=,\s\up17(1073K)，\s\do17（催化剂)）H2＋CO2，不属于置换反应.A、B、C分别为CO、CO2、HCl，其中CO2是温室气体，是节能减排的目标气体，CO2和HCl通入W（硅酸钠)溶液中能够生成白色沉淀（硅酸）.11．（16分)硅是带来人类文明的重要元素之一,从传统材料到信息材料的发展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的保护下，使SiCl4与N2反应生成的Si3N4沉积在石墨表面,写出该反应的化学方程式:________。（2）工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅：①整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出该反应的化学方程式：________。②假设每一轮次制备1mol纯硅，且生产过程中硅元素没有损失,反应Ⅰ中HCl的利用率为90％，反应Ⅱ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________.答案（1）3SiCl4＋2N2＋6H2=Si3N4＋12HCl(2）①SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑②5∶1解析(2）②由题中条件可知，由以上数据，循环生产中只能产生3molHCl，但HCl的利用率为90％，因此需要增加eq\b\lc\（\rc\)（\a\vs4\al\co1(\f（3,90％）－3）)molHCl，循环生产中只产生1molH2,但H2的利用率为93。75％,因此需要增加eq\b\lc\(\rc\）(\a\vs4\al\co1(\f（1，93。75%）－1))molH2，因此，补充投入HCl和H2的物质的量之比是eq\b\lc\（\rc\）(\a\vs4\al\co1(\f（3，90％）－3))∶eq\b\lc\（\rc\)（\a\vs4\al\co1（\f（1,93.75％）－1))≈5∶1。12．（2017·福州质检）(18分）晶体硅是一种重要的非金属材料。物质熔点/℃SiHCl333.0SiCl457.6HCl－84模拟制备纯硅的主要步骤如下:①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HCleq\o（=，\s\up17（300℃)）SiHCl3＋H2；③SiHCl3与过量H2在1000～1100℃反应制得纯硅。可能用到的信息如下：已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃；步骤②中粗硅与HCl反应时会生成少量SiCl4。请回答下列问题：(1)粗硅与HCl反应完全后，依据上表所示沸点差异提纯SiHCl3,该提纯方法为____