人教版-必修二-第五章 化工生产中的重要非金属元素-第三节 无机非金属材料

《非金属及其化合物》导学案第一节碳、硅及无机非金属材料1.了解碳、硅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.了解碳、硅元素单质及其重要化合物对环境的影响。考点（一）碳及其化合物【精讲精练快冲关】[知能学通]1.碳单质（1）碳单质的存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为同素异形体。（2）结构金刚石：正四面体形空间网状结构；石墨：平面正六边形层状结构。（3）物理性质：金刚石熔点高、硬度大；石墨熔点高、质软，有滑腻感，电的良导体。（4）主要化学性质——还原性①与O2反应O2足量：C＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))CO2；O2不足：2C＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2CO。②与氧化物反应CuO：2CuO＋Ceq\o(=,\s\up7(△))2Cu＋CO2↑（冶炼金属）；SiO2：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑（制取粗硅）；H2O：C＋H2O（g）eq\o(=,\s\up7(高温))CO＋H2（制取水煤气）。③与强氧化性酸反应浓H2SO4：C＋2H2SO4（浓）eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O；浓HNO3：C＋4HNO3（浓）eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。（5）用途：金刚石用于制造切割刀具；石墨用于制造电极、铅笔芯。2.一氧化碳（CO）（1）物理性质：无色气体，有毒，难溶于水。（2）化学性质——还原性①燃烧：2CO＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2CO2，淡蓝色火焰；②还原CuO：CuO＋COeq\o(=,\s\up7(△))Cu＋CO2（冶炼金属）。3.二氧化碳（CO2）（1）一种无色、无味的气体，能溶于水，固态CO2俗称干冰。（2）与H2O、Na2O、Ca（OH）2（足量、澄清）、Mg反应的化学方程式分别为CO2＋H2OH2CO3、Na2O＋CO2=Na2CO3、CO2＋Ca（OH）2=CaCO3↓＋H2O、2Mg＋CO2eq\o(=,\s\up7(点燃))2MgO＋C。（3）CO2在自然界中的循环CO2的主要来源大量含碳燃料的燃烧自然界消耗CO2的主要反应①溶于江水、海水中：CO2＋H2OH2CO3；②光合作用将CO2转化为O2；③岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2=Ca（HCO3）24.碳酸（H2CO3）弱酸性、不稳定性。碳酸（H2CO3）只能存在于水中。H2CO3在水中与CO2共存，因此常把CO2＋H2O当碳酸用。5.碳酸的酸式盐和正盐的比较（1）在水中的溶解性①含K＋、Na＋、NHeq\o\al(＋,4)的正盐易溶于水，其余一般不溶于水；酸式盐均能溶于水。②一般来说，在相同温度下，难溶性正盐溶解度小于其酸式盐溶解度，如溶解度：Ca（HCO3）2>CaCO3；可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度，如溶解度：Na2CO3>NaHCO3。（2）热稳定性一般来说，热稳定性顺序为正盐>酸式盐>碳酸，如稳定性：Na2CO3>NaHCO3>H2CO3；可溶性正盐>难溶性正盐，如CaCO3高温分解，而K2CO3不易分解。（3）水溶液酸碱性强弱物质的量浓度相同时，正盐溶液的pH大于其酸式盐溶液，如pH：Na2CO3溶液>NaHCO3溶液。[题点练通]题点一碳及其化合物的性质1.（2019·合肥瑶海区模拟）碳和碳的化合物间的部分转化关系如图所示，下列说法正确的是（）A.由碳酸转化成X一定要在加热条件下进行B.由碳转化为X一定发生的是化合反应C.物质X一定是二氧化碳D.若使一氧化碳转化成X，只能通过一氧化碳在空气（或氧气）中燃烧获得解析：选C由转化关系图可知，X是二氧化碳，碳酸在常温下就容易分解生成二氧化碳，故A错误，C正确；在高温的条件下，碳能与氧化铜反应生成铜和二氧化碳，该反应属于置换反应，故B错误；一氧化碳还可以通过还原氧化铁或还原氧化铜等方法转化成二氧化碳，故D错误。2.将足量CO2通入KOH和Ca（OH）2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量（n）和通入CO2体积（V）的关系正确的是（）解析：选D依次发生的反应为Ca（OH）2＋CO2=CaCO3↓＋H2O，2KOH＋CO2=K2CO3＋H2O，K2CO3＋CO2＋H2O=2KHCO3，CaCO3＋CO2＋H2O=Ca（HCO3）2。3.确定混合气体（CO、CO2）中含有CO气体的实验设计方法如图所示。请回答下列问题：（1）填写下列指定装置的作用。A：_______________________。B：___________________________________。E：_______________________。F：___________________________________。（2）写出C中的化学方程式：_______________________________________。（3）确定混合气体中含有CO气体的实验现象：_______________________。（4）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。①CO（CO2）：__________________________________________。②CO2（CO）：_________________________________________________。答案：（1）A：除去混合气体中的CO2气体B：检验混合气体中CO2是否除尽E：除去尾气中的CO2气体F：除去尾气中的CO气体，防止污染环境（2）CO＋CuOeq\o(=,\s\up7(△))Cu＋CO2（3）B中无明显现象，C中的物质由黑色变成红色，D中的澄清石灰水变浑浊（4）①通过盛有浓NaOH溶液的洗气瓶，再通过盛有浓硫酸的洗气瓶②通过盛放灼热CuO的硬质玻璃管eq\a\vs4\al([归纳拓展])CO2通入稀的碱溶液中反应产物的判断（以KOH为例）可能发生的反应：CO2＋2KOH=K2CO3＋H2O①CO2＋KOH=KHCO3②当eq\f(nKOH,nCO2)≥eq\f(2,1)时，只发生反应①，产物为K2CO3、H2O；当eq\f(nKOH,nCO2)≤eq\f(1,1)时，只发生反应②，产物为KHCO3；当eq\f(1,1)<eq\f(nKOH,nCO2)<eq\f(2,1)时，反应①、②都发生，产物为KHCO3、K2CO3、H2O。题点二草酸（盐）的实验探究4.（2018·全国卷Ⅱ节选）K3[Fe（C2O4）3]·3H2O（三草酸合铁酸钾）为亮绿色晶体，可用于晒制蓝图。某小组为探究三草酸合铁酸钾的热分解产物，按如图所示装置进行实验。（1）通入氮气的目的是_________________________________________。（2）实验中观察到装置B、F中澄清石灰水均变浑浊，装置E中固体变为红色，由此判断热分解产物中一定含有________、________。（3）为防止倒吸，停止实验时应进行的操作是________________________。（4）样品完全分解后，装置A中的残留物含有FeO和Fe2O3，检验Fe2O3存在的方法是___________________________________________________。解析：（1）空气中含有O2，为防止Fe2＋被O2氧化，应先通入N2，隔绝空气，且使反应产生的气体全部进入后续装置。（2）B中澄清石灰水变浑浊，证明分解过程中产生CO2；F中澄清石灰水变浑浊，E中固体变为红色，说明E中发生反应：CuO＋COeq\o(=,\s\up7(△))Cu＋CO2，所以分解产物中一定含有CO。（3）实验结束时，为了防止倒吸，应先熄灭装置A、E的酒精灯，冷却后停止通入氮气。（4）检验Fe2O3的方法是取少许固体粉末于试管中，加稀硫酸溶解，滴入1～2滴KSCN溶液，溶液变红色，证明含有Fe2O3。答案：（1）隔绝空气、使反应产生的气体全部进入后续装置（2）CO2CO（3）先熄灭装置A、E的酒精灯，冷却后停止通入氮气（4）取少许固体粉末于试管中，加稀硫酸溶解，滴入1～2滴KSCN溶液，溶液变红色，证明含有Fe2O35.（2015·全国卷Ⅰ）草酸（乙二酸）存在于自然界的植物中，其K1＝×10－2，K2＝×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________________________________，由此可知草酸晶体分解的产物中有______________。装置B的主要作用是________________。（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和如图所示的部分装置（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________________________。（3）设计实验证明：①草酸的酸性比碳酸的强__________________________________。②草酸为二元酸________________________________________。解析：（1）结合草酸晶体（H2C2O4·2H2O）的组成可知，澄清石灰水应是用来检验其分解产物CO2的存在。因草酸晶体易升华，且草酸钙难溶于水，若草酸进入C装置，会干扰CO2的检验，故装置B中冰水的主要作用是冷凝挥发出来的草酸。（2）①要验证草酸晶体分解产物中还有CO，只能通过检验CO与CuO反应的产物CO2的存在来达到这一目的。因为草酸晶体的分解产物本身含有CO2，会对CO的检验造成干扰，所以在检验CO前应将分解产物中的CO2除尽，可选用F装置来除去CO2，D装置用来检验CO2是否除尽。将除去CO2的气体通过盛有无水氯化钙的装置G干燥，然后通过盛有CuO的装置H，CuO将CO氧化为CO2，再将气体通过盛有澄清石灰水的D装置，用来检验CO2的存在。因CO有毒，最后可将尾气通过排水法收集。②若前一个装置D中澄清石灰水不变浑浊，说明草酸晶体分解的产物CO2已除尽；H中黑色CuO变红，同时其后的装置D中澄清石灰水变浑浊，说明草酸晶体分解产物中含有CO。（3）①根据强酸制弱酸的反应原理，可选择NaHCO3中加入草酸溶液的实验方法来证明草酸的酸性比碳酸的强。②根据酸碱中和反应原理，可采用中和滴定的方法用NaOH标准溶液来滴定一定物质的量浓度的草酸溶液，根据反应的草酸与NaOH的物质的量的比值为1∶2，证明草酸是二元酸。答案：（1）有气泡逸出、澄清石灰水变浑浊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、ICuO②H中黑色粉末变为红色，其后的D中澄清石灰水变浑浊（3）①向盛有少量NaHCO3的试管里滴加草酸溶液，有气泡产生②用NaOH标准溶液滴定草酸溶液，消耗NaOH的物质的量为草酸的2倍6.（2019·宁波模拟）一定条件下，草酸铜晶体（CuC2O4·xH2O）受热分解的化学方程式为CuC2O4·xH2Oeq\o(=,\s\up7(△))CuO＋CO↑＋CO2↑＋xH2O↑。某化学兴趣小组设计如图装置，探究草酸铜晶体分解的气体产物。请回答下列问题：（1）该套实验装置的明显缺陷是___________________________。（2）实验过程中观察到B中白色无水硫酸铜变成蓝色，C、F中澄清石灰水变浑浊，E中_______________________（填实验现象），则可证明草酸铜晶体热分解的气体产物是H2O、CO、CO2。（3）该兴趣小组改变热分解反应条件，完全反应后发现C中白色沉淀量明显较先前实验多，而E、F中未见明显现象，请推测A装置中固体产物成分并设计一个实验方案，用化学方法验证固体产物_______________________________（不考虑操作和药品的问题）。解析：实验中A为热分解装置，B用于检验水，C用于检验并吸收CO2，D为干燥装置，E中CO与氧化铜在加热条件下反应生成CO2，F用于检验CO2的生成，以证明A中生成CO，实验缺少尾气处理装置。（1）CO有毒，可污染环境，从环保角度考虑，该套实验装置的明显缺陷是没有处理尾气。（2）实验过程中观察到B中白色无水硫酸铜变成蓝色，可证明生成水，C、F中澄清石灰水变浑浊，且E中黑色固体变红色，可说明草酸铜晶体热分解的气体产物中有CO、CO2。（3）由于改变了反应条件，可能使分解生成的CO直接把CuO还原为Cu单质，这样没有CO与E中的CuO反应，所以E、F中无明显现象，所以A装置中固体产物为铜单质。答案：（1）没有尾气处理装置（2）黑色粉末变红色（3）取少量加热后固体产物，加入稀硫酸，如溶液不呈蓝色，则说明生成固体为铜[归纳拓展]草酸、草酸盐的性质（1）草酸的性质草酸的化学式为H2C2O4，草酸晶体的化学式为H2C2O4·2H2O。①弱酸性：草酸为二元弱酸，酸性比醋酸的酸性强，电离方程式为H2C2O4H＋＋HC2Oeq\o\al(－,4)。②还原性：H2C2O4中C元素的化合价为＋3价，具有还原性，能使酸性高锰酸钾溶液褪色，反应的化学方程式为2KMnO4＋5H2C2O4＋3H2SO4=K2SO4＋2MnSO4＋10CO2↑＋8H2O。③不稳定性：草酸晶体受热易分解，反应的化学方程式为H2C2O4·2H2Oeq\o(=,\s\up7(△))CO↑＋CO2↑＋3H2O。（2）草酸盐的性质①（NH4）2C2O4溶于水，加热分解，由氨水和草酸溶液反应生成。②CaC2O4不溶于水、醋酸，溶于盐酸、稀硝酸，灼烧时转变成碳酸钙或氧化钙。③MgC2O4、FeC2O4不溶于水，可由对应的可溶性金属盐与草酸铵反应而得到，加热分解可得到对应金属氧化物。考点（二）硅、二氧化硅与硅酸【精讲精练快冲关】[知能学通]1.硅（Si）（1）硅的存在：硅在自然界中以化合态存在，在地壳中的含量仅次于氧。（2）晶体硅的结构：与金刚石类似的空间网状结构。（3）物理性质：灰黑色，硬度大，熔、沸点高，具有金属光泽。（4）化学性质：常温下与F2、HF、NaOH溶液反应；加热时能与H2化合生成不稳定的氢化物SiH4，加热时还能与Cl2、O2化合分别生成SiCl4、SiO2。涉及的化学方程式如下：①②与氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑。③与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。（5）硅的工业制法及提纯eq\x(石英砂)eq\o(→,\s\up7(①焦炭),\s\do5(高温))eq\x(粗硅)eq\o(→,\s\up7(②氯气),\s\do5(加热))eq\x(SiCl4)eq\o(→,\s\up7(③氢气),\s\do5(高温))eq\x(高纯硅)涉及的化学方程式：①SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑；②Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4；③SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(△))Si＋4HCl。（6）用途：①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。2.二氧化硅（SiO2）（1）二氧化硅存在于沙子、石英、水晶、玛瑙（含杂质的石英）等中。SiO2是由Si原子和O原子按个数比1∶2直接构成。Si、SiC、Si3N4、BN等也是直接由原子构成的。（2）二氧化硅的性质及用途主要物理性质硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水化学性质①与水反应不反应②与酸反应只与氢氟酸反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O③与碱反应（NaOH）SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O（盛碱液的试剂瓶用橡胶塞）④与盐反应如与Na2CO3反应：SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑⑤与碱性氧化物反应如与CaO反应：SiO2＋CaOeq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3用途光导纤维、光学仪器、电子部件3.硅酸（H2SiO3）硅酸不溶于水，其酸性比碳酸弱，硅酸不能（填“能”或“不能”）使紫色石蕊溶液变红色。（1）硅酸不稳定，受热易分解：H2SiO3eq\o(=,\s\up7(△))SiO2＋H2O。（2）硅酸能与碱溶液反应。（3）硅酸在水中易聚合形成胶体。硅胶吸附水分能力强，常用作干燥剂。[注意]（1）硅及其氧化物的特性物质一般规律特性Si硅的还原性比碳强SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑非金属单质与强碱反应一般不生成氢气Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑非金属单质一般不与非氧化性酸反应Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑一般非金属单质为绝缘体硅为半导体SiO2酸性氧化物一般与水反应生成相应的酸SiO2不溶于水，不与水反应酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一般规律，碳酸酸性强于硅酸：Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑（2）虽然SiO2既能与酸（HF）反应，又能与碱（NaOH）反应，但SiO2不是两性氧化物。[题点练通]1.判断下列说法的正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。（1）（2018·江苏高考）物质性质与用途具有对应关系：SiO2熔点高硬度大，可用于制光导纤维（）（2）（2018·天津高考）汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土（）（3）（2016·全国卷Ⅲ）因为HF与SiO2反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记（）（4）（2016·江苏高考）下列转化在一定条件下能够实现：SiO2eq\o(→,\s\up7(HClaq))SiCl4eq\o(→,\s\up7(H2),\s\do5(高温))Si（）（5）（2016·海南高考）石英砂可用于生产单晶硅（）（6）（2016·上海高考）用NaOH溶液不能分离氧化铁中混有的二氧化硅（）（7）硅的化学性质不活泼，硅在自然界中以游离态存在（）（8）干冰和二氧化硅都是共价化合物，都存在单个分子（）（9）硅可以制作光导纤维、太阳能电池（）（10）SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱（NaOH），不溶于任何酸（）答案：（1）×（2）√（3）√（4）×（5）√（6）×（7）×（8）×（9）×（10）×2.常温下，下列不发生反应的物质是（）①硅与NaOH溶液②硅与盐酸③硅与氢氟酸④二氧化硅与碳酸钠⑤二氧化硅与NaOH溶液A.①② B.③④C.②⑤ D.②④解析：选D①中发生反应Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑；Si不与除氢氟酸外的其他酸反应，②不反应，③中发生反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；④中SiO2与Na2CO3反应需要高温，常温下不反应；⑤中发生反应SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O。3.（2019·哈师大附中模拟）下列说法正确的是（）是硅酸的酸酐，可以与水反应生成硅酸B.向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶C.氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，分子式为Si3N4D.石英是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能解析：选BSiO2是硅酸的酸酐，但不能与水反应生成硅酸，故A错误；盐酸的酸性强于硅酸，所以可以向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶，故B正确；据化合物中正负化合价的代数和为0的原则，得氮化硅的化学式为Si3N4，氮化硅由原子构成，不存在分子，故C错误；晶体硅是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能，但石英的主要成分是SiO2，SiO2不是半导体材料，故D错误。4.（2017·全国卷Ⅱ节选）水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2，并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示：回答下列问题：（1）在分解水泥样品过程中，以盐酸为溶剂，氯化铵为助溶剂，还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是____________，还可使用________代替硝酸。（2）沉淀A的主要成分是________，其不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为_____________________________________________。（3）加氨水过程中加热的目的是______________________。沉淀B的主要成分为________________、_______________（写化学式）。解析：（1）水泥熟料中的CaO和铁、铝、镁等金属的氧化物均能溶于盐酸，加入硝酸能将水泥样品中可能含有的Fe2＋氧化为Fe3＋，为了不引入新杂质，还可用H2O2代替硝酸。（2）根据图示流程可知，不溶于盐酸和硝酸的沉淀A为SiO2（或H2SiO3），SiO2（或H2SiO3）能溶于弱酸氢氟酸，生成SiF4和H2O。（3）加入氨水调节溶液的pH＝4～5的过程中加热，能防止胶体生成，易沉淀分离，结合流程图可知，沉淀B的主要成分是Al（OH）3和Fe（OH）3。答案：（1）将样品中可能存在的Fe2＋氧化为Fe3＋H2O2（2）SiO2（或H2SiO3）SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O（或H2SiO3＋4HF=SiF4↑＋3H2O）（3）防止胶体生成，易沉淀分离Al（OH）3Fe（OH）3考点（三）硅酸盐与无机非金属材料【精讲精练快冲关】[知能学通]1.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常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a.与盐酸反应的化学方程式：Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3↓。b.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。2.无机非金属材料（1）传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。①常见硅酸盐材料比较水泥玻璃陶瓷生产原料石灰石、黏土纯碱、石灰石、石英黏土主要设备水泥回转窑玻璃熔窑陶瓷窑②玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。（2）新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等。[题点练通]1.大多数物质的俗名是根据其特殊的物理性质或用途得来的。下列物质的俗名与化学式或用途不相符的一组是（）选项俗名主要成分（化学式）用途A石英SiO2集成电路B纯碱Na2CO3制备玻璃C水玻璃Na2SiO3制备硅胶D铁红Fe2O3用作油漆和涂料解析：选A石英主要用于生产玻璃和光导纤维等，晶体硅才用于制作集成电路。2.（2019·邢台模拟）我国在航天、军事、天文等领城的发展备受世界瞩目，它们与化学有着密切联系。下列说法正确的是（）A.“中国天眼”的“眼眶