资源简介 第四单元 非金属及其重要化合物第1讲 碳、硅及无机非金属材料复习目标1.了解C、Si单质及其重要化合物的制备方法、性质和用途。2.了解传统无机非金属材料的组成、性能及用途。3.了解新型无机非金属材料的性能及用途。考点一 碳和硅的单质及其氧化物INCLUDEPICTURE"基础自主夯实.TIF"1.碳和硅的原子结构特点、碳和硅的存在(1)碳和硅的原子结构特点①硅原子和碳原子的最外电子层均有4个电子。②碳和硅的原子结构示意图分别为eq \a\vs4\al()、eq \a\vs4\al(),硅与碳一样,其原子既不易失去电子,也不易得到电子,主要形成四价的化合物。(2)碳的存在①自然界中碳元素既有游离态,又有化合态,碳是构成有机物的主要元素。②碳单质主要有金刚石、石墨、C60等,其互为同素异形体。(3)硅的存在①硅在地壳中的含量仅次于氧。②在地球上硅仅有化合态,主要以熔点很高的氧化物及硅酸盐的形式存在。③硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。2.碳和硅单质的物理性质与用途碳 硅物理性质 金刚石熔点高、硬度大石墨熔点高、质软,有滑腻感 晶体硅为灰黑色固体,有金属光泽、硬度大、熔点高用途 金刚石用作切割刀具,石墨用作电极、铅笔芯 晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池3.碳的化学性质与氧气反应 C+O2CO2,2C+O22CO与H2O(g)反应 C+H2O(g)CO+H2与CO2反应 C+CO22CO与SiO2反应 2C+SiO2Si+2CO↑与CuO反应 C+2CuO2Cu+CO2↑与浓硫酸反应 2H2SO4(浓)+CCO2↑+2SO2↑+2H2O与浓硝酸反应 C+4HNO3(浓)CO2↑+4NO2↑+2H2O4.硅的化学性质和工业制法(1)化学性质反应物质 化学方程式F2 Si+2F2===SiF4HF Si+4HF===SiF4↑+2H2↑NaOH溶液 Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑O2 Si+O2SiO2Cl2 Si+2Cl2SiCl4(2)工业制法制粗硅 SiO2+2CSi+2CO↑制高纯硅 Si+3HClSiHCl3+H2SiHCl3+H2Si+3HCl5.碳和硅的氧化物(1)一氧化碳①物理性质:无色气体,有毒,难溶于水。②化学性质a.燃烧:2CO+O22CO2,蓝色火焰。b.还原CuO:CO+CuOCu+CO2(冶炼金属)。(2)二氧化硅和二氧化碳的比较物质 二氧化硅 二氧化碳化学式 SiO2 CO2结构 空间立体网状结构,不存在单个分子 存在单个CO2分子主要物理性质 硬度大,熔点高,不溶于水 常温下为气体,微溶于水化学性质 与水反应 不反应 CO2+H2O??H2CO3与酸反应 只与氢氟酸反应:SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O 不反应与碱(NaOH)反应 SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞) CO2少量:CO2+2NaOH===Na2CO3+H2OCO2过量:CO2+NaOH===NaHCO3与盐反应 SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑ Na2SiO3+H2O+CO2(不足)===H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2H2O+2CO2(足量)===H2SiO3↓+2NaHCO3与碱性氧化物反应 与CaO反应:SiO2+CaOCaSiO3 与Na2O反应:Na2O+CO2===Na2CO3用途 制光导纤维、光学仪器、电子部件、仪器轴承、石英坩埚、玻璃等 制饮料、制碳酸盐INCLUDEPICTURE"误点查正.TIF" 请指出下列各说法的错因(1)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应。错因:同素异形体之间的转化,化合价不变,不是氧化还原反应。(2)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。错因:由于盐酸的酸性比碳酸强,CO2与CaCl2溶液不反应。(3)向空气中排放二氧化碳会形成酸雨。错因:pH<5.6的雨水才是酸雨,CO2不能形成酸雨。(4)工业上用焦炭和石英制取粗硅的反应方程式为SiO2+CSi+CO2↑。错因:在高温条件下生成CO而不是CO2。(5)SiO2是酸性氧化物,可溶于强碱(如NaOH),不溶于任何酸。错因:SiO2能与氢氟酸反应。(6)Si和SiO2都可用于制造光导纤维。错因:Si不能用于制造光导纤维。INCLUDEPICTURE"课堂精讲答疑.TIF"1.硅单质的特殊性(1)非金属单质跟碱液作用一般无H2放出,但Si与碱液作用却放出H2:Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。(2)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↑。(3)非金属单质大多为非导体,但Si为半导体。2.含硅化合物的特殊性(1)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它不溶于水,不能直接与水作用制备H2SiO3。(2)酸性氧化物一般不与酸作用,但SiO2能跟HF作用:SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。故不能用玻璃容器盛放氢氟酸,可以用氢氟酸刻蚀玻璃。(3)无机酸一般易溶于水,但H2SiO3难溶于水。(4)因H2CO3的酸性大于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生反应Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高温下SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑也能发生。INCLUDEPICTURE"题组巩固提升.TIF"角度一 碳及其重要化合物1.材料新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课题。其结构模型如图所示。下列有关说法正确的是( )A.石墨烯是一种新型化合物B.氧化石墨烯即石墨烯的氧化物C.二者和石墨都是碳的同素异形体D.氧化石墨烯具有一定的亲水性答案 D2.下列关于碳及其氧化物的说法不正确的是( )A.过度排放CO2会导致“温室效应”,应提倡“低碳生活”B.CO、CO2、葡萄糖都属于有机物C.金刚石和石墨都是碳单质,但原子排列方式不同,物理性质也不同D.一氧化碳易与血液中的血红蛋白结合答案 B角度二 硅和二氧化硅3.有些科学家提出硅是“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。下列有关硅的说法,不正确的是( )A.高纯度的硅广泛用于制作计算机中的芯片B.硅可由二氧化硅还原制得C.低温时,硅与水、空气和一般酸不反应,但能与氢氟酸反应D.自然界中硅的储量丰富,自然界中存在大量的单质硅答案 D4.下列关于硅及其化合物的描述,正确的是( )A.SiO2硬度大,故可用于制造光导纤维B.在给定条件下,下列物质间转化可实现:CaCO3CaOCaSiO3C.硅太阳能电池工作时,光能转化成电能,该过程与氧化还原反应有关D.在给定条件下,下列物质间转化可实现:SiO2SiCl4Si答案 B5.常温下,下列各组物质不发生反应的是( )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 ⑤二氧化硅与浓硝酸 ⑥二氧化硅与NaOH溶液A.①②④ B.②④⑤C.②⑤⑥ D.③④⑥答案 BINCLUDEPICTURE"思维建模.TIF"硅及其化合物之间的转化考点二 无机非金属材料INCLUDEPICTURE"基础自主夯实.TIF"1.硅酸和硅酸钠(1)硅酸①硅酸不溶于水,其酸性比碳酸弱,硅酸不能使紫色石蕊试液变红色。②硅酸不稳定,受热易分解:H2SiO3SiO2+H2O。③硅酸能与碱溶液反应,如与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O。④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。⑤实验室制法:Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓。(2)硅酸钠(Na2SiO3)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它能与酸性较硅酸强的酸反应,如与CO2水溶液反应:Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3。③用途:黏合剂(矿物胶),耐火阻燃材料。2.传统无机非金属材料水泥 玻璃 陶瓷原料 石灰石、黏土 石灰石、纯碱、石英砂 黏土主要成分 硅酸二钙(2CaO·SiO2)硅酸三钙(3CaO·SiO2)铝酸三钙(3CaO·Al2O3) Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 含水的铝硅酸盐主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑性质 水硬性 无固定熔点 耐高温、耐腐蚀、硬度大3.特殊功能的含硅物质(1)碳化硅具有类似金刚石结构,可用作磨料。(2)含硅元素4%的硅钢具有导磁性。(3)硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。4.新型无机非金属材料(1)高温结构陶瓷:耐高温、耐磨蚀、抗氧化等优良性能。(2)超导陶瓷:有超导性,可用于电力、交通、医疗等领域。(3)压电陶瓷:具有压电效应。INCLUDEPICTURE"误点查正.TIF" 请指出下列各说法的错因(1)生产水泥的原料主要是纯碱、石灰石和二氧化硅。错因:生产水泥的原料主要是黏土和石灰石。(2)玻璃容器可长期盛放各种酸。错因:玻璃容器不能存放氢氟酸。(3)浓硫酸可刻蚀石英制艺术品。错因:刻蚀石英制艺术品应该用氢氟酸。(4)石英只能用于生产光导纤维。错因:石英可用于生产光导纤维、玻璃等。(5)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料。错因:合成纤维是有机物。INCLUDEPICTURE"课堂精讲答疑.TIF"一、常见的无机非金属材料、金属材料与复合材料无机非金属材料 金属材料 复合材料传统无机非金属材料和新型无机非金属材料(高温结构陶瓷、超导陶瓷、压电陶瓷、光导纤维、富勒烯、碳纳米管、石墨烯) 黑色金属材料(钢铁);有色金属材料(金、银、铜及其合金) 生产生活中的复合材料(玻璃钢:玻璃纤维增强树脂基复合材料);航空航天中的复合材料(飞机、火箭:纤维增强金属基复合材料;航天飞机:纤维增强陶瓷基复合材料)二、硅酸盐组成的表示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:1.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。2.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。如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2,长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。INCLUDEPICTURE"题组巩固提升.TIF"角度一 无机非金属材料1.“九秋风露越窑开,夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句,描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品,下列有关说法中正确的是( )A.硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高B.玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品C.制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英D.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐答案 A2.下列有关硅及其化合物的说法中正确的是( )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+SiO2Na2SiO3+CO2↑,两反应是相互矛盾的,不可能都发生C.硅的导电性能介于导体和绝缘体之间,是良好的半导体材料D.普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料答案 CINCLUDEPICTURE"易错警示.TIF"(1)用作半导体材料的是晶体硅,用于制作光导纤维的是SiO2,计算机芯片的成分是晶体硅。(2)水晶、石英、玛瑙、硅石的主要成分是SiO2。角度二 硅酸盐组成的表示3.古瓷中所用颜料成分大多为硅酸盐,如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox,铜为+2价)。下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是( )A.x等于6B.性质稳定,不易脱色C.易溶解于强酸和强碱D.可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2答案 C4.中国科学院空天信息创新研究院根据玉兔二号提供的一个暗绿色闪光的“石块”信息进行分析,发现石块主要由约45%的斜长石(CaAl2Si2O8)、7%的辉石XYAl2-2nSi2O6(X、Y为单核离子,0A.含硅元素,属于硅酸盐;含金属元素,属于金属材料B.斜长石可以写为CaSiO3·Al2(SiO3)3的形式C.橄榄石的氧化物形式一定为MgO·FeO·SiO2D.若辉石中n=1、Y为V3+时,X可以是Na+或Li+等一价离子答案 D高考真题演练1.(2022·广东高考)广东一直是我国对外交流的重要窗口,馆藏文物是其历史见证。下列文物主要由硅酸盐制成的是( )文物选项 A.南宋鎏金饰品 B.蒜头纹银盒 C.广彩瓷咖啡杯 D.铜镀金钟座答案 C2.(2022·湖北高考)C60在高温高压下可转变为具有一定导电性、高硬度的非晶态碳玻璃。下列关于该碳玻璃的说法错误的是( )A.具有自范性B.与C60互为同素异形体C.含有sp3杂化的碳原子D.化学性质与金刚石有差异答案 A解析 自范性是晶体性质,碳玻璃为非晶态,所以没有自范性,A错误。3.(2022·江苏高考)周期表中ⅣA族元素及其化合物应用广泛,甲烷具有较大的燃烧热(890.3 kJ·mol-1),是常见燃料;Si、Ge是重要的半导体材料,硅晶体表面SiO2能与氢氟酸(HF,弱酸)反应生成H2SiF6(H2SiF6在水中完全电离为H+和SiF);1885年德国化学家将硫化锗(GeS2)与H2共热制得了门捷列夫预言的类硅——锗。下列化学反应表示正确的是( )A.SiO2与HF溶液反应:SiO2+6HF===2H++SiF+2H2OB.高温下H2还原GeS2:GeS2+H2===Ge+2H2SC.铅蓄电池放电时的正极反应:Pb-2e-+SO===PbSO4D.甲烷的燃烧:CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(g) ΔH=890.3 kJ·mol-1答案 A4.(2021·山东高考)有利于实现“碳达峰、碳中和”的是( )A.风能发电 B.粮食酿酒C.燃煤脱硫 D.石油裂化答案 A5.(2020·浙江高考)Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一,其相关性质的说法不正确的是( )A.可发生反应:Ca3SiO5+4NH4ClCaSiO3+2CaCl2+4NH3↑+2H2OB.具有吸水性,需要密封保存C.能与SO2反应生成新盐D.与足量盐酸作用,所得固体产物主要为SiO2答案 D6.(2019·全国卷Ⅰ)陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是( )A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成C.陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐D.陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点答案 A课时作业建议用时:40分钟选择题(每小题只有1个选项符合题意)1.(2022·辽宁省大连市高三期末模拟)化学与生活、生产、社会可持续发展密切相关。下列有关化学知识的说法错误的是( )A.碳纳米管表面积大,可用作新型储氢材料B.我国发射的“北斗组网卫星”所使用的碳纤维,是一种非金属材料C.高纯二氧化硅广泛用于制作光导纤维,光导纤维遇强碱会“断路”D.我国发射的嫦娥五号探测器的太阳能电池帆板的材料是SiO2答案 D2.有关碳、硅两种元素的说法中,不正确的是( )A.它们的原子都既不易得到电子也不易失去电子,主要形成四价的化合物B.碳元素在自然界中存在游离态,而硅元素在自然界中只有化合态C.它们的单质在空气中加热时都可以发生化学反应D.它们的单质都能和氢氧化钠溶液反应答案 D3.下列说法不正确的是( )A.SiO2能与HF反应,因此可用HF刻蚀玻璃B.向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶C.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D.氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料,化学式为Si3N4答案 C4.《本草纲目》中对玻璃有如下叙述:“本作颇黎。颇黎,国名也。其莹如水,其坚如玉,故名水玉,与水精(即水晶,主要成分为SiO2)同名……有酒色、紫色、白色,莹澈与水精相似”。下列说法错误的是( )A.文中所描述的玻璃颜色,来自某些金属氧化物B.玻璃质地坚硬,不易破碎C.将石灰石、纯碱、石英砂在高温下熔融,可制得普通玻璃D.不能用带有磨口玻璃塞的玻璃试剂瓶盛放NaOH溶液答案 B5.由下列实验事实得出的结论正确的是( )A.由SiO2+2CSi+2CO↑可知,碳的非金属性强于硅B.由SiO2不能与水反应生成H2SiO3可知,SiO2不是H2SiO3的酸酐C.SiO2可与NaOH溶液反应,也可与氢氟酸反应,可知SiO2为两性氧化物D.CO2通入Na2SiO3溶液产生白色沉淀,可知酸性H2CO3>H2SiO3答案 D解析 该反应不能比较C、Si的非金属性,A错误;SiO2是H2SiO3的酸酐,B错误;两性氧化物是指和酸、碱反应生成盐和水的氧化物,二氧化硅和氢氟酸反应是其特殊性质,不能和其他酸发生反应,二氧化硅和碱溶液反应生成盐和水,是酸性氧化物,C错误。6.科技的进步为二氧化碳资源化利用提供了广阔的前景。下列说法错误的是( )A.CO2是自然界碳循环中的重要物质B.CO2加氢转化为乙烯,CO2被还原C.CO2与环氧丙烷可合成可降解塑料D.CO2电催化时,在阳极转化为燃料答案 D解析 CO2在阴极得电子转化为燃料,D错误。7.(2022·湖南常德二模)工业上制备高纯硅有多种方法,其中的一种工艺流程如图所示。已知:流化床反应器的产物中,除SiCl4外,还有SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、FeCl3等。下列说法正确的是( )A.电弧炉中发生的反应为C+SiO2CO2↑+SiB.SiCl4进入还原炉之前需要经过蒸馏提纯C.每生成1 mol高纯硅,需要44.8 L Cl2(标准状况)D.该工艺流程中Si的产率高,符合绿色化学要求答案 B解析 电弧炉中发生反应SiO2+2CSi+2CO↑,A错误;根据已知信息可知,流化床反应器的产物中,除SiCl4外,还有SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、FeCl3等,因此进入还原炉之前需要蒸馏提纯,B正确;流化床反应器中有多种含氯副产物,因此生成1 mol高纯硅,需要氯气的物质的量大于2 mol,C错误;流化床反应器的产物中有多种含硅副产物,导致Si的损失,不符合原子经济性原则,D错误。8.用4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( )选项 操作及现象 溶液A 通入CO2,溶液不变浑浊,先通入CO2再通入氨气,溶液变浑浊 CaCl2溶液B 通入CO2,溶液变浑浊,继续通CO2至过量,浑浊消失 Na2SiO3溶液C 通入CO2,溶液变浑浊,再加入品红溶液,红色褪去 Ca(ClO)2溶液D 通入CO2,溶液变浑浊,继续通CO2至过量,浑浊消失,再加入足量NaOH溶液,又变浑浊 Ca(OH)2溶液答案 B9.实验室用H2还原SiHCl3(沸点:31.85 ℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去),下列说法正确的是( )A.装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓硫酸、冰水B.实验时,应先加热管式炉,再打开活塞KC.为鉴定制得的硅中是否含有微量铁单质,需要用到的试剂为盐酸、双氧水、KSCN溶液D.该实验中制备氢气的装置也可用于饱和食盐水与电石反应制备乙炔答案 C10.下列离子方程式不正确的是( )A.石英与烧碱溶液反应:SiO2+2OH-===SiO+H2OB.硅与烧碱溶液反应:Si+2OH-===SiO+H2↑C.硅酸钠溶液中通入少量CO2:SiO+CO2+H2O===CO+H2SiO3↓D.往水玻璃中加入盐酸:2H++SiO===H2SiO3↓答案 B解析 硅与烧碱溶液反应时,H2O参与反应,正确的离子方程式为Si+2OH-+H2O===SiO+2H2↑,B错误。11.SiO2是一种化工原料,可以制备一系列物质(如图)。下列说法错误的是( )A.图中所涉及反应都需在高温下进行B.纯净的二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要基础材料C.用盐酸可除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙D.制玻璃和陶瓷都需用SiO2答案 DINCLUDEPICTURE"素养提升题.TIF"硅及其化合物在自然界广泛存在并被人类应用。氮化硅可用作高温陶瓷复合材料,在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。由石英砂合成氮化硅粉末的路线如图所示:其中—NH2中各元素的化合价与NH3相同。请回答下列问题:(1)石英砂不能与碱性物质共同存放,以NaOH为例,用化学方程式表示其原因:________________________________。(2)图示①~⑤的变化中,属于氧化还原反应的是________。(3)在反应⑤中,3 mol Si(NH2)4在高温下加热可得1 mol氮化硅粉末和8 mol A气体,则氮化硅的化学式为________。(4)在高温下将SiCl4在B和C两种气体的气氛中,也能反应生成氮化硅,B和C两种气体在一定条件下化合生成A。写出SiCl4与B和C两种气体反应的化学方程式:________________________________。答案 (1)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O(2)①② (3)Si3N4(4)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl21 展开更多...... 收起↑ 资源预览