高三化学一轮复习讲义 29　第一篇　第二部分　专题4　第20讲　无机非金属材料与环境保护(基础课)

第20讲无机非金属材料与环境保护(基础课)1．了解碳、硅及其重要化合物的性质及应用。2．了解硅的工业制备。3．了解无机非金属材料的性质及用途。4．了解环境污染及保护与绿色化学。5．了解“碳达峰”和“碳中和”。碳的单质与氧化物1．碳单质(1)结构类型与物理性质存在形式有金刚石、石墨、C60(足球烯)、C70等，它们互为同素异形体。①②③(2)重要化学性质(用化学方程式表示)2．碳的氧化物(1)一氧化碳的性质及应用①物理性质：无色无味的气体，难溶于水，能使人中毒。中毒的原因是一氧化碳与人体内__________易结合难分离，使人因缺氧而中毒。②化学性质及应用(写出有关化学方程式)a．可燃性：____________________，可作燃料。b．还原性：CO还原Fe2O3的反应为____________________，可用于冶炼金属。(2)CO2的制备、性质、用途及检验①实验室制备：CaCO3＋2HCl=__________。②化学性质a③用途：制饮料、碳酸盐，作灭火剂，干冰用作制冷剂，也可用于人工降雨。④检验使带火星的木条熄灭检验CO2中CO是否存在的实验装置确定混合气体中含有CO的实验现象是D中的物质由黑色变成红色，B中无明显现象，F中的澄清石灰水变浑浊。判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)金刚石和石墨由相同的元素组成，因此它们具有相同的性质。 ()(2)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应。 ()(3)C、CO均可以与MgO反应生成Mg。 ()(4)水煤气的制备利用了C的还原性，C还原H2O生成H2和CO。 ()(5)CO2可以用大理石与稀硫酸反应来制备。 ()(6)向CaCl2溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失。 ()(7)CO2可以作任何物质燃烧的灭火剂。 ()(8)能使澄清石灰水变浑浊的气体一定是CO2。 ()——碳及其氧化物的性质与应用1．石墨烯是用微机械剥离法从石墨中分离出的单层石墨(结构如图)。下列说法错误的是()A．石墨烯是一种单质B．石墨烯的化学性质与C60几乎相同C．石墨烯与金刚石、石墨互为同素异形体D．石墨烯能导电，所以石墨烯是电解质2．通过资源化利用的方式将CO2转化为具有工业应用价值的产品(如图所示)，是一种较为理想的减排方式，下列说法中正确的是()A．CO2经催化分解为C、CO、O2的反应为放热反应B．除去Na2CO3固体中少量NaHCO3可用热分解的方法C．过氧化尿素和SO2都能使品红溶液褪色，其原理相同D．由CO2和H2合成甲醇，原子利用率达100%——“碳达峰”与“碳中和”3．“碳达峰、碳中和”事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。下列措施对实现“碳达峰、碳中和”不具有直接贡献的是()A．植树造林 B．开发核能C．燃煤脱硫 D．节约用电4．我国科学家成功利用CO2人工合成淀粉，使淀粉生产方式从农业种植转为工业制造成为可能，其原理如图所示。下列说法错误的是()A．甲醇可用于燃料电池的正极活性物质B．化妆品中添加二羟基丙酮的主要作用为保湿C．淀粉可用于制备葡萄糖D．该过程有利于实现“碳达峰、碳中和”“碳达峰”“碳中和”中的“碳”是指二氧化碳，从碳循环的角度分析，有两种实现途径：一是减少含碳燃料的使用，降低二氧化碳的排放量，如节约用电，节省能源，充分利用氢能、太阳能等无碳能源(要注意无碳能源与新型清洁能源不同)；二是增大吸收二氧化碳的力度，以减少二氧化碳的总量，如植树造林、研究“碳捕捉与储存”技术等。——CO2的性质实验探究5．(2023·泰州模拟)研究CO2在海洋中的转移和归宿，是当今海洋科学研究的前沿领域。(1)溶于海水的CO2主要以4种无机碳形式存在，其中HCO3-占95%。写出CO2溶于水产生HCO____________________________________________________________________、____________________________________________________________________。(2)在海洋碳循环中，通过如图所示的途径固碳。①写出钙化作用的离子方程式：____________________________________________________________________________________________________________。②同位素示踪法证实光合作用释放出的O2只来自H2O。用18O标记物质的光合作用的化学方程式如下，将其补充完整：________＋________光能叶绿素(CH2O)x＋x18O2＋(3)海水中溶解无机碳占海水总碳的95%以上，其准确测量是研究海洋碳循环的基础。测量溶解无机碳，可采用如下方法：①气提、吸收CO2。用N2从酸化后的海水中吹出CO2并用碱液吸收(装置示意图如下)。将虚线框中的装置补充完整并标出所用试剂。②滴定。将吸收液吸收的无机碳转化为NaHCO3，再用xmol·L-1稀盐酸滴定，消耗ymL稀盐酸。海水中溶解无机碳的物质的量浓度＝________mol·L-1。无机非金属材料1．硅单质硅元素在自然界中主要以二氧化硅和硅酸盐等化合态的形式存在于地壳中。(1)单质硅的性质①晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔、沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的__________材料。②硅与强碱溶液生成氢气(特征反应)：Si＋2NaOH＋H2O=__________。(2)高纯硅制备的一般流程及涉及的主要化学反应(填化学方程式)石英砂1800～2000℃①焦炭粗硅①__________________________________________________________________，②__________________________________________________________________________________________，③__________________________________________________________________。2．二氧化硅(1)晶体类型：共价晶体。(2)酸性氧化物：SiO2＋2NaOH=_________________________________。(3)高温下，与Na2CO3、CaCO3反应制玻璃：Na2CO3＋SiO2高温____________、CaCO3＋SiO2(4)与氢氟酸反应(特殊)____________________________________________________(写化学方程式)。3．硅酸及其盐(1)硅酸①硅酸(H2SiO3)是一种难溶于水的弱酸。②与强碱反应：H2(2)硅酸盐①硅酸盐的结构在硅酸盐中，Si和O构成了__________，即每个Si结合4个O，Si在四面体中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以再通过顶角的O相互连接。②硅酸盐的性质：硬度高、难溶于水、耐高温、耐腐蚀等。③硅酸钠(Na2SiO3)——俗称泡花碱a．白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称__________，有黏性，水溶液显__________性。b．与较强的酸反应生成硅酸(写化学方程式)：如Na2SiO3溶液与稀硫酸反应：__________；与CO2水溶液反应：__________。4．硅酸盐材料——传统无机非金属材料水泥玻璃陶瓷生产原料____________________黏土主要设备水泥回转窑玻璃窑陶瓷窑生产条件__________主要成分3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3Na2SiO3、CaSiO3、SiO2硅酸盐(1)生产水泥时加入适量石膏调节水泥__________。水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土。(2)玻璃没有固定的熔点，是混合物，在某一温度范围内逐渐软化，可吹成各种形状的制品。不是晶体，称为玻璃态物质。5．新型无机非金属材料(1)晶体硅：广泛应用于信息技术和新能源技术等领域，制硅芯片、硅太阳能电池等。(2)光导纤维：主要成分为__________，传输光信号，制作光缆。(3)新型陶瓷①高温结构陶瓷：如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨蚀等。再如碳化硅(SiC)俗称金刚砂，SiC具有优异的高温抗氧化性能，可用作耐高温结构材料和耐高温半导体材料。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。(4)碳纳米材料①富勒烯是由碳原子构成的一系列笼形分子的总称。②石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，具有独特的电阻率低、热导率高的特点和很高的强度。③碳纳米管可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。碳纳米管的比表面积大，有相当高的强度和优良的电学性能。——硅及其化合物的主要性质与应用1．氮化硅(Si3N4)是一种重要的结构陶瓷材料。用石英砂和原料气(含N2和少量O2)制备Si3N4的操作流程如下(粗硅中含少量Fe、Cu的单质及化合物)：下列叙述正确的是()A．“还原”时反应的化学方程式为SiO2＋C高温SiB．“高温氮化”合成反应中N2是还原剂C．“操作X”可将原料气通过灼热的铜粉D．“稀酸Y”选用稀硫酸除去产物中的杂质2．硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。(1)可用于制作计算机芯片和太阳能电池板的是________(填元素符号或化学式)。(2)工艺师常用氢氟酸雕刻玻璃，该反应的化学方程式为____________________________________________________________________。(3)兵马俑中所用颜料成分之一为蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜为＋2价)，下列有关硅酸铜钡的说法不正确的是________(填字母)。A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2B．性质稳定，不易脱色C．x等于6D．易溶解于强酸和强碱(4)工业上提纯硅有多种路线，其中一种工艺流程如图：①电弧炉中发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________________________________________。②在流化床反应器中发生的反应的产物中，SiHCl3大约占85%，还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等，有关物质的沸点数据如表，则提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和________。物质SiSiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH3ClHClSiH4沸点/℃235557.631.88.2－30.4－84.9－111.9③整个制作过程必须严格控制无水、无氧，SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl气体和另一种物质，该反应的化学方程式为______________________________________________________________________________________________。——无机非金属材料3．根据乐器的制作材料可对中国古典乐器进行分类。下列对乐器类别及制作材料的相关描述不正确的是()选项乐器类别及制作材料描述A琴(“丝”类)：蚕丝可用于制琴弦蚕丝仅由碳、氢、氧元素组成B编钟(“金”类)：青铜可用于铸造编钟青铜是我国使用最早的合金C陶埙(“土”类)：陶土可用于烧制陶埙陶瓷属于无机非金属材料D纸：竹子可用于造纸竹子富含纤维素4．高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料，又称半导体材料，它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它的制备方法如图所示，下列说法错误的是()SiO2①C高温Si(粗)②HCl300℃SiHCl3A．硅和二氧化硅均能与氢氟酸反应B．步骤①中易产生SiC杂质，SiC属于共价化合物C．步骤③的反应属于置换反应D．熔融NaOH固体，可在石英坩埚中进行环境污染及保护与绿色化学1．常见环境污染(1)环境问题主要是指由于人类不合理地开发和利用自然资源而造成的生态环境破坏，以及工农业生产和人类生活所造成的环境污染。一般说的“三废”：主要是指__________、__________和废渣。(2)污染物的来源大气污染物主要来自化石燃料的燃烧和工业生产过程产生的废气及其携带的颗粒物。这些污染物在太阳辐射等因素的作用下形成次生污染物。如下图：(3)常见环境污染及其成因①酸雨——有关的物质为SO2和氮氧化合物。b．硝酸型酸雨：NOx排入大气中后，与空气(O2)、水反应生成HNO3随雨雪降到地面。即NOxO2+②光化学烟雾——主要是__________和碳氢化合物造成的。③臭氧层空洞——主要是__________、氮氧化合物等的排放引起的。④温室效应——主要是由于大气中__________等的含量的不断增加造成的。CH4等烃类也能引起温室效应。⑤白色污染——聚乙烯等难降解__________的大量使用。⑥水华、赤潮——含大量氮、磷的生活污水及工农业废污水的任意排放造成水体__________。⑦PM2.5——大气中直径小于或等于__________m的颗粒物，它主要来自化石燃料的燃烧(如机动车尾气、燃煤等)。⑧雾霾——雾和霾的统称。空气中的灰尘、硫酸、硝酸等组成的气溶胶系统造成视觉障碍的叫__________。二氧化硫、氮氧化物以及颗粒物(PM)这三项是雾霾主要污染物，前两者为气态污染物，最后一项颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首。⑨居室污染——甲醛、苯、甲苯、氡对空气的污染。来源于建筑、装修材料等。2．绿色化学——环境友好化学(1)核心：其核心思想就是改变“先污染后治理”的观念和做法，利用化学原理和技术手段，减少或消除产品在生产和应用中涉及的有害化学物质，实现从源头减少或消除环境污染。“消除污染源”与“消除污染”是不同的问题。“消除污染源”是减少排放；“消除污染”是将排放的污染物进行治理的过程。(2)特征①采用无毒、无害的原料；②在无毒、无害的条件(包括催化剂、溶剂)下进行；③产品应该是环境友好的；④具有“原子经济性”，即反应具有高选择性、极少副产物，甚至实现“__________”。此外，它还应当满足“物美价廉”的传统标准。(3)原子经济性①原子经济性可用原子利用率来衡量，其定义式可表示为原子利用率＝期望产物的总质量生成物的总质量×100%示例：请计算下列制备环氧乙烷()的原子利用率(保留小数点后一位有效数字)。②经济性的反应有两个显著优点：一是最大限度地利用了原料，二是最大限度地减少了废物的排放。③最高目标：原子利用率为__________，如__________反应和加成反应。1．下列说法不正确的是()A．工业上用氨水消除燃煤烟气中的SO2B．纳米铁粉主要通过物理吸附除去污水中的Cu2+、Hg2+、Ag＋等重金属离子C．空间站宇航员采用多次蒸馏的方法，从尿液中分离出纯净水，实现了水的再生循环D．中国科学院在国际上首次实现了从CO2到淀粉的全合成，有利于促进“碳中和”2．推进绿色发展，建设美丽中国。下列做法应提倡的是()A．限制二氧化碳排放，减少酸雨产生B．加大化肥、农药的施用，提高粮食产量C．将塑料焚烧处理，减轻白色污染D．开发新能源，减少化石燃料的使用3．在“绿色化学”工艺中，理想状态是反应物原子全部转化为欲制的产物，即原子利用率为100%。以下反应最符合绿色化学原子经济要求的是()A．乙烯聚合为聚乙烯高分子材料B．甲烷与氯气制备一氯甲烷C．以铜和浓硝酸为原料生产硝酸铜D．用二氧化硅制备高纯硅4．铁系纳米复合材料可以去除水体中的硝酸盐污染物。(1)Fe-Ag金属复合材料去除某pH＝2的废水中NO3-的反应历程如图所示(吸附在金属复合材料表面的物种用①如图中NO3-的去除机理可描述为____________________________________________________________________。②其他条件一定，反应相同时间，溶液的pH越大，NO____________________________________________________________________。(2)控制其他条件一定，反应相同时间，不同Ag负载比mAgmFe-Ag×100%的Fe-Ag金属复合材料对NO3-的去除率影响如图所示。____________________________________________________________________。(3)其他条件一定，反应相同时间，分别用含铁质量相等的纳米铁粉、Cu负载比为4%的Fe-Cu金属复合材料、Ag负载比为3%的Fe-Ag金属复合材料去除溶液中NO3-，反应后残留的NO3-①与其他材料相比，Fe-Ag金属复合材料去除NO3-②用纳米铁粉去除NO3-时，反应过程中的物种及能量变化如图所示，用纳米铁粉去除NO3-1．(2023·江苏卷，T1)我国提出2060年实现碳中和的目标，体现了大国担当。碳中和中的碳是指()A．碳原子 B．二氧化碳C．碳元素 D．含碳物质2．(2023·广东卷，T1)“高山流水觅知音”。下列中国古乐器中，主要由硅酸盐材料制成的是()A．九霄环佩木古琴B．裴李岗文化骨笛C．商朝后期陶埙D．曾侯乙青铜编钟3．(2022·河北卷，T1)定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是()A．传统陶瓷是典型的绝缘材料B．陶瓷主要成分为SiO2和MgOC．陶瓷烧制的过程为物理变化D．白瓷的白色是因铁含量较高4．(2023·江苏卷，T17)空气中CO2含量的控制和CO2资源利用具有重要意义。(1)燃煤烟气中CO2的捕集可通过如下所示的物质转化实现。“吸收”后所得的KHCO3溶液与石灰乳反应的化学方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________；载人航天器内，常用LiOH固体而很少用KOH固体吸收空气中的CO2，其原因是______________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)合成尿素[CO(NH2)2]