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第13讲　碳、硅及其化合物
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复习目标 1. 了解碳、硅及其重要化合物的主要性质和应用。2. 了解粗硅的冶炼方法(从沙子到单晶硅)。3. 了解传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的种类、性质和用途。
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课前自测 判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。(1) 活性炭具有除异味和杀菌作用( 　　)(2) (2024·南京、盐城一模)金刚石、石墨、C60三者互为同位素( 　　)(3) 单晶硅和石英互为同素异形体( 　　)(4) 天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅( 　　)(5) 计算机芯片、光导纤维、太阳能电池板的化学成分都是高纯硅( 　　)(6) (2020·江苏卷)已知反应：SiCl4(g)＋2H2(g)Si(s)＋4HCl(g)，每生成1 mol Si需消耗2×22.4 L H2( 　　)(7) SiO2的熔点比干冰高的原因是SiO2分子间的范德华力大( 　　)(8) 可用磨口玻璃瓶保存NaOH溶液( 　　)(9) 硅酸钠是一种难溶于水的硅酸盐( 　　)(10) 在某固体试样加水后的上层清液中，滴加盐酸出现白色沉淀，再加NaOH溶液沉淀溶解，则该固体试样中存在SiO( 　　)(11) 陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐( 　　)(12) 汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土( 　　)
考点1　碳、硅单质
知 识 梳 理
C、Si单质的结构、物理性质及用途
1. 自然界中碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态。碳单质主要有金刚石、石墨、C60、石墨烯等，它们之间的关系是互为_______________；硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。
2. C、Si单质的物理性质与用途
(1) 金刚石：熔点高、硬度大，可作切割刀具。
(2) 晶体硅：灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高，可用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池板。
(3) 石墨：熔点高、质软、有滑腻感、能导电，可用作铅笔芯、电极。
(4) 石墨烯：石墨烯就是单层石墨，有优良的导电性能。
3. C60结构分析
C60(如图所示)是由60个C原子形成的封闭笼状分子，形似足球的32面体，有______个六边形和______个五边形。
碳的化学性质
1. 与氧气反应
C＋O2CO2(O2足量)；
2C＋O22CO(O2少量)。
2. 与氧化物反应
(1) C＋CO2_________；
(2) 3C＋2Fe2O3________________________。
(3) C＋H2OCO＋H2(工业制水煤气)
3. 与强氧化性酸反应
C＋___H2SO4(浓)_______________________________________；
C＋___HNO3(浓) _______________________________________。
硅的化学性质
1. 与O2反应：Si＋O2SiO2
2. 与F2、Cl2反应
Si＋2F2===SiF4、Si＋2Cl2SiCl4
3. 与氯化氢反应
Si＋3HClH2＋SiHCl3
4. 与氢氟酸反应(写化学方程式，下同)：________________________________________________。
5. 与NaOH溶液反应：________________________________________________________________。
高纯硅的制备
1. 原料：焦炭和石英。
2. 粗硅的制备：SiO2＋2C_____________________。
3. 粗硅的提纯：Si＋3HClH2＋SiHCl3、H2＋SiHCl3 Si＋3HCl
典 题 悟 法
物质的转化
　(2024·江苏各地模拟重组)下列化学方程式书写错误的是( 　　)
A. Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
B. Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
C. Si＋4HCl(aq)===SiCl4＋2H2↑
D. SiO2＋2CSi＋2CO↑
工业制硅
　(2023·湖北卷)工业制备高纯硅的主要过程如下。下列说法错误的是( 　　)
石英砂粗硅SiHCl3高纯硅
A. 制备粗硅的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑
B. 1 mol Si中含有的Si—Si的数目约为4×6.02×1023
C. 原料气HCl和H2应充分去除水和氧气
D. 生成SiHCl3的反应为熵减过程
考点2　碳、硅的氧化物
知 识 梳 理
一氧化碳
1. 物理性质
通常状况下为无色、无味的气体，难溶于水。
2. 化学性质
(1) 可燃性：2CO＋O22CO2
(2) 还原性：CO＋CuOCu＋ CO2、
3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2(高炉炼铁)。
SiO2与CO2的性质及用途
物质 SiO2(______氧化物) CO2(______氧化物)
物理性质 硬度___，熔、沸点___，常温下为固体，不溶于水 熔、沸点低，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C反应 SiO2＋2CSi＋2CO↑ C＋CO22CO
与HF反应 SiO2＋4HF===___________________________ 不反应
与碱反应 SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O盛碱液的试剂瓶不能用玻璃塞 CO2＋2NaOH===________________(少量CO2)CO2＋NaOH===_______________(过量CO2)
与盐反应 SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑ Ca(ClO)2＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO
与碱性氧化物反应 SiO2＋CaOCaSiO3 CO2＋Na2O===Na2CO3
用途 SiO2是制造光导纤维的主要原料 干冰(固态CO2)用于人工降雨
①CO2中混有的CO用灼热的CuO除去。
②石英、水晶、沙子的主要成分是____________。珍珠的主要成分是CaCO3；钻石是金刚石；宝石的主要成分是Al2O3。
③SiO2难溶于水，不能与水反应生成H2SiO3。
④SiO2是酸性氧化物，不与强酸(如盐酸、硫酸、硝酸)反应，但能与弱酸——氢氟酸反应生成SiF4气体，故可用氢氟酸在玻璃上刻字绘画。
⑤SiO2是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应生成硅酸钠和水。硅酸钠是一种黏合剂，故在保存氢氧化钠、氢氧化钾、Na2CO3等碱性溶液时，不能将其装在带磨口玻璃塞的玻璃试剂瓶内，要用橡胶塞。
⑥石英坩埚不能用来熔融NaOH等碱性固体。
典 题 悟 法
物质的转化
　(2024·江苏各地模拟重组)下列物质转化关系正确的是( 　　)
A. SiO2Na2SiO3SiO2
B. SiSiO2H2SiO3
C. H2SiO3SiO2SiCl4
D. CaCO3CaOCaSiO3
　(2024·江苏各地模拟重组)下列化学反应表示错误的是( 　　)
A. 氢氟酸与玻璃中SiO2反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
B. SiHCl3转化为高纯硅的化学方程式：SiHCl3＋H2Si＋3HCl
C. 盛放碱液的试剂瓶不能用玻璃塞的原因：SiO2＋2OH－===SiO＋H2O
D. 向苯酚钠溶液中通入少量的CO2：2C6H5O－＋CO2＋H2O―→2C6H5OH＋CO
金属离子与酸式碳酸盐反应
　(1) 向FeSO4溶液中加入NH4HCO3，生成FeCO3并且产生一种无色气体，写出对应的离子方程式：___________________________________________________________________________。
(2) 50 ℃时，向MnSO4溶液中加入NH4HCO3沉锰，生成MnCO3并且产生一种无色气体，写出对应的化学方程式：_________________________________________________________________________。
(3) 50 ℃时，向ZnSO4溶液中加入NH4HCO3“碳化”，生成ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O、(NH4)2SO4和CO2，写出“碳化”过程的化学方程式：_______________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________。
有关酸式碳酸盐的反应
类型1：金属离子M2＋与HCO反应生成碳酸盐MCO3沉淀、CO2气体和水；M2＋主要有：Ca2＋、Fe2＋、Mn2＋、Ni2＋、Co2＋等。
Fe2＋＋2HCO===FeCO3↓＋CO2↑＋H2O
Ca2＋＋2HCO===CaCO3↓＋CO2↑＋H2O
类型2：金属离子M3＋与HCO反应生成M(OH)3沉淀和CO2气体；M3＋主要有：Al3＋、Fe3＋等。
Al3＋＋3HCO===Al(OH)3↓＋3CO2↑
Fe3＋＋3HCO===Fe(OH)3↓＋3CO2↑
类型3：金属离子M2＋与HCO反应生成碱式碳酸盐M2(OH)2CO3沉淀或带结晶水的碱式碳酸盐沉淀[如ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O]和CO2气体；M2＋主要有：Cu2＋、Zn2＋等。
考点3　碳酸、硅酸、硅酸盐
知 识 梳 理
碳酸与碳酸根离子
H2CO3中，碳原子的杂化方式为_________。H2CO3属于分子晶体。CO中，碳原子的杂化方式为_________，CO的空间结构为_______________。
硅酸
1. 分子结构：H2SiO3分子中，Si原子的杂化方式为_________。但在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体()，Si在四面体的中心，Si原子的杂化方式为_________。
2. 物理性质：___溶于水。
3. 化学性质
(1) 弱酸性
①H2SiO3酸性比H2CO3___，______(填“能”或“不能”)使紫色石蕊试液变红。
②H2SiO3能与NaOH溶液反应(写化学方程式)：________________________________________________ _________________________________。
(2) 不稳定性：H2SiO3________________________。
4. 用途
硅酸在水中易缩合形成胶体，将硅酸凝胶烘干脱水得到硅胶(SiO2)，硅胶常用作干燥剂。
硅酸钠(Na2SiO3)
1. 物理性质：易溶于水的白色粉状固体。
2. 化学性质(写化学方程式)
(1) 与盐酸反应：________________________________________________________________________；
(2) 硅酸钠溶液中通入过量CO2：____________________________________________________________ __________________________________________。
(说明酸性：H2CO3___H2SiO3；非金属性：C___Si)
3. 用途：Na2SiO3溶液(水玻璃)可用作黏合剂、木林防火剂。
无机非金属材料
1. 传统硅酸盐材料
水泥 玻璃 陶瓷
主要原料 石灰石、黏土、石膏 石英(SiO2)、纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3) 黏土
主要成分 硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3) 硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)、二氧化硅(SiO2) 硅酸盐
制备过程中的主要反应 复杂的物理及化学变化 Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑ 复杂的物理及化学变化
特性 水硬性 无固定熔点 抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘
2. 新型无机非金属材料
(1) Si：Si晶体是半导体材料，可用于制造硅芯片和硅太阳能电池板。
(2) SiO2：SiO2具有良好的导光性，可用于制造光导纤维和光学仪器。
(3) 新型陶瓷
①耐高温结构陶瓷(如：SiC、Si3N4)；
②压电陶瓷(如：钛酸盐、锆酸盐)；
③透明陶瓷(Al2O3、AlN)；
④超导陶瓷。
(4) 碳纳米材料
碳纳米材料包括富勒烯、碳纳米管(生产电池和传感器等)、石墨烯(用于超级电容器、电池)等。
典 题 悟 法
物质的性质与用途
　(2024·江苏各地模拟重组)下列物质结构与性质或物质性质与用途对应关系正确的是( 　　)
A. 石墨晶体的层状结构间存在分子间作用力，具有导电性
B. SiC中原子以共价键形成空间网状结构，可作砂轮的磨料
C. SiO2是酸性氧化物，能用氢氟酸雕刻玻璃
D. SiO2硬度高，可用于制造光导纤维
物质的转化
　(2023·江苏各地模拟重组)在给定条件下，下列物质间的转化能实现的是( 　　)
A. SiO2Na2SiO3(aq)H2SiO3
B. SiO2SiCl4Si
C. SiO2H2SiO3Na2SiO3
D. 石英砂粗硅SiCl4
　(2024·江苏各地模拟重组)下列说法正确的是( 　　)
A. 向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸：Na2SiO3＋2H＋===H2SiO3↓＋2Na＋
B. 用pH计测量Na2SiO3溶液和Na2CO3溶液的pH，探究H2CO3酸性比H2SiO3强
C. 将浓盐酸滴入Na2CO3固体中，生成的气体通入盛有Na2SiO3溶液的试管中，出现浑浊，碳的非金属性强于硅
D. 向久置的Na2SiO3溶液滴加稀盐酸，有气泡产生，说明Na2SiO3溶液已变质
传统硅酸盐材料
　(2024·江苏各地模拟重组)下列叙述正确的是( 　　)
A. 石墨烯属于传统无机非金属材料
B. 烧制陶器的主要原料为黏土、石灰石和石英砂
C. 制玻璃的原料之一可用作制光导纤维
D. 硼硅玻璃中含有的Na2O·B2O3·SiO2是一种复杂的氧化物
新型无机非金属材料
　(2024·江苏各地模拟重组)下列叙述正确的是( 　　)
①“C919”大飞机使用的氮化硅陶瓷属于传统硅酸盐材料
②“天和”核心舱电推进系统中的霍尔推力器腔体使用的氮化硼陶瓷属于新型无机非金属材料
③“神舟十三号”宇宙飞船返回舱所用高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料
④相控阵雷达使用的碳化硅陶瓷属于新型的有机材料
A. ①④　 B. ②③　
C. ①③　 D. ②④
硅酸盐的氧化物书写
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。
3. 当计量数配置出现分数时应化为整数。如正长石：KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。
1. (2021·江苏适应性) “中国芯”的主要原材料是高纯单晶硅，反应SiCl4(g)＋2H2(g)Si(s)＋4HCl(g)可用于纯硅的制备。下列有关说法正确的是( 　　)
A. SiCl4为极性分子
B. HCl的电子式为H
C. 单晶硅为分子晶体
D. 硅原子的结构示意图为
2. (2019·江苏卷)下列有关物质的性质与用途具有对应关系的是( 　　)
A. 二氧化硅具有高熔点，可用于制备光导纤维
B. SiO2熔点很高，可用于制造坩埚
C. SiO2熔点高、硬度大，可用于制作光学仪器
D. 硅酸钠易溶于水，可用于生产黏合剂和防火剂
阅读下列材料，完成第3题。
甲烷具有较大的燃烧热(890.3 kJ/mol)，是常见燃料；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； Pb、PbO2是铅酸蓄电池的电极材料。
3. (2022·江苏卷)下列化学反应表示正确的是( 　　)
A. SiO2与HF溶液反应：SiO2＋6HF===2H＋＋SiF＋2H2O
B. 高温下H2还原 GeS2：GeS2＋H2===Ge＋2H2S
C. 铅酸蓄电池放电时的正极反应：Pb－2e－＋SO===PbSO4
D. 甲烷的燃烧：CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH＝＋890.3 kJ/mol
4. (1) 实验室由炼钢污泥(简称铁泥，主要成分为铁的氧化物)制备软磁性材料α-Fe2O3。其主要实验流程如图所示：
铁泥―→―→―→―→―→α-Fe2O3
将提纯后的FeSO4溶液与氨水-NH4HCO3混合溶液反应，生成FeCO3沉淀。生成FeCO3沉淀的离子方程式：_______________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________。
(2) 配制FeCl3溶液时，某同学误将FeCl3固体直接放入NaHCO3溶液中，看到红褐色沉淀和大量气泡，用离子方程式解释原因：______________________________________________________________________。
(3) (2023·南京、盐城一模)氟碳铈矿(主要成分为CeFCO3)和浓硫酸发生反应，生成Ce2(SO4)3等。该反应不宜在玻璃器皿中进行，其原因是____________________________________。
第13讲　碳、硅及其化合物
[备考导航]
(1) ×　(2) ×　(3) ×　(4) √　(5) ×　(6) ×　(7) ×　(8) ×　(9) ×　(10) ×　(11) √　(12) √
考点1
[知识梳理]
知识1　1. 同素异形体　3. 20　12
知识2　2. (1) 2CO　(2)4Fe＋3CO2↑
3. 2　CO2↑＋2SO2↑＋2H2O
4　CO2↑＋4NO2↑＋2H2O
知识3　4. Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
5. Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
知识4　2. Si＋2CO↑
[典题悟法]
典例1　C　【解析】 Si与盐酸不反应，C错误。
典例2　B　【解析】 1mol Si中含有2 mol Si—Si，B错误；H2易燃易爆，SiHCl3极易水解，故原料气HCl和H2应充分去除水和氧气，C正确；Si＋3HClH2＋SiHCl3是气体分子数减小的反应，为熵减过程，D正确。
考点2
[知识梳理]
知识2　酸性　酸性　大　高　SiF4↑＋2H2O　Na2CO3＋H2O　NaHCO3
[常考归纳]　②SiO2
[典题悟法]
典例3　D　【解析】 Na2SiO3与HCl反应生成H2SiO3，A错误；SiO2与水不反应，B错误；SiO2与HCl不反应，C错误。
典例4　D　【解析】 苯酚钠溶液中通入少量CO2，发生反应生成苯酚和NaHCO3，D错误。
典例5　(1) Fe2＋＋2HCO===FeCO3↓＋CO2↑＋H2O
(2) MnSO4＋2NH4HCO3MnCO3↓＋CO2↑＋(NH4)2SO4＋H2O
(3) 3ZnSO4＋6NH4HCO3===3(NH4)2SO4＋ZnCO3·2Zn(OH)2·H2O↓＋5CO2↑
考点3
[知识梳理]
知识1　sp2　sp2　平面三角形
知识2　1. sp2　sp3　2. 难　3. (1) ①弱　不能
②H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O　(2)SiO2＋H2O
知识3　2. (1) Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl
(2) Na2SiO3＋2CO2＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3
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[典题悟法]
典例6　B　【解析】 石墨能导电的原因是未成键的p电子在层内可以自由移动，A错误；SiC中原子间以共价键形成空间网状结构，SiC是共价晶体，硬度大，可作砂轮的磨料，B正确；SiO2是酸性氧化物的原因是SiO2能与碱反应生成盐和水，C错误；SiO2传导光的能力较强，可用于制造光导纤维，D错误。
典例7　A　【解析】 SiO2与浓盐酸不反应，B错误；SiO2与水不反应，C错误；石英砂与C需在高温的条件反应生成粗硅和CO，D错误。
典例8　D　【解析】 Na2SiO3溶于水，在离子方程式中应拆开，A错误；未指明溶液的浓度，无法比较，B错误；浓盐酸挥发出来的HCl通入Na2SiO3溶液中也生成沉淀，C错误；久置的Na2SiO3变质时，易混有Na2CO3或NaHCO3，故加入稀盐酸，有气泡产生，D正确。
典例9　C　【解析】 石墨烯属于新型无机非金属材料，A错误；烧制陶器的主要原料为黏土，B错误；制玻璃的原料之一SiO2可制光导纤维，C正确；硼硅玻璃的成分主要是硅酸盐和硼酸盐，D错误。
典例10　B　【解析】 氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷、高温结构陶瓷、碳化硅陶瓷都属于新型无机非金属材料，B正确。
[质量评价]
1. B　【解析】 SiCl4的空间结构为正四面体形，为非极性分子，A错误；单晶硅为共价晶体，C错误；硅的原子结构示意图为，D错误。
2. B　【解析】 SiO2传导光的能力较强，可用于制造光导纤维，A错误；SiO2透光性好，可用于制作光学仪器，C错误；Na2SiO3不可燃且其水溶液是矿物胶，可用于生产黏合剂和防火剂，D错误。
3. A　【解析】 H原子不守恒，且反应条件应该是高温，B错误；铅酸蓄电池放电时，正极发生得电子的还原反应，正极反应式为PbO2＋2e－＋SO＋4H＋===PbSO4＋2H2O，负极反应式为Pb－2e－＋SO===PbSO4，C错误；表示CH4的燃烧热时，生成物水应该为液态，且燃烧为放热反应，热化学方程式中的ΔH应该小于0，D错误。
4. (1) Fe2＋＋HCO＋NH3·H2O===FeCO3↓＋NH＋H2O或Fe2＋＋HCO＋NH3===FeCO3↓＋NH
(2) Fe3＋＋3HCO===Fe(OH)3↓＋3CO2↑
(3) 反应生成的HF会腐蚀玻璃

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