第10講 無(wú)機(jī)非金屬材料的主角-碳和硅

第10講無(wú)機(jī)非金屬材料的主角——碳和硅課標(biāo)版化學(xué)

題組一碳、硅元素的存在及單質(zhì)的性質(zhì)和用途1.存在形態(tài)及常見(jiàn)單質(zhì)自然界中碳元素既有游離態(tài),又有化合態(tài),而硅元素因有親氧性,所以僅有教材研讀①

化合

態(tài)。碳單質(zhì)主要有金剛石、石墨等同素異形體,硅單質(zhì)主要有

②

晶體硅

和③

無(wú)定形硅

兩大類。

碳硅結(jié)構(gòu)金剛石:④

空間網(wǎng)狀

結(jié)構(gòu);石墨:層狀結(jié)構(gòu)晶體硅:與金剛石類似的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)金剛石熔點(diǎn)高、硬度大;石墨熔點(diǎn)高、質(zhì)⑤

軟

,有滑膩感晶體硅為灰黑色固體,有金屬光澤、硬度大、熔點(diǎn)⑥

高

用途金剛石用作切割刀具,⑦

石墨

用作電極、鉛筆芯晶體硅用作⑧

半導(dǎo)體

材料、硅芯片和硅太陽(yáng)能電池2.單質(zhì)的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)與用途比較3.主要化學(xué)性質(zhì)C—

Si—

題組二二氧化硅、硅酸、硅酸鹽1.二氧化硅SiO2

H2SiO3

3.硅酸鹽(1)Na2SiO3Na2SiO3的水溶液俗稱

水玻璃

。a.貯存:盛Na2SiO3溶液的試劑瓶不能用玻璃塞。2.硅酸b.變質(zhì):Na2SiO3水溶液在空氣中易變質(zhì),反應(yīng)的離子方程式為

Si

+CO2+H2O

H2SiO3(膠體)+C

。(2)硅酸鹽的氧化物表示法a.書寫順序:

低價(jià)

金屬氧化物寫在前,

高價(jià)

金屬氧化物寫在后;活潑金屬氧化物寫在前,不活潑金屬氧化物寫在后。b.書寫原則:分子中各原子數(shù)目比不變,各元素化合價(jià)

不變

且代數(shù)和為零;若系數(shù)配置出現(xiàn)分?jǐn)?shù)時(shí)應(yīng)化為正整數(shù)。如長(zhǎng)石(KAlSi3O8)可表示為K

2O·Al2O3·6SiO2。題組三無(wú)機(jī)非金屬材料1.材料的分類材料

水泥玻璃陶瓷主要原料①

黏土、石灰石、石膏

②石灰石、石英砂、純堿

黏土主要設(shè)備③

水泥回轉(zhuǎn)窯

玻璃窯陶瓷窯2.傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料變化復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過(guò)程主要反應(yīng):Na2CO3+SiO2

Na2SiO3+CO2↑④CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑

復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過(guò)程組成硅酸三鈣(3CaO·SiO2)硅酸二鈣(2CaO·SiO2)鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)硅酸鈉、硅酸鈣和二氧化硅硅酸鹽用途重要的建筑材料制化學(xué)實(shí)驗(yàn)用的玻璃儀器、窗玻璃等在工農(nóng)業(yè)、科技、生活、實(shí)驗(yàn)室中使用廣泛3.新型無(wú)機(jī)非金屬材料,如⑤

高溫結(jié)構(gòu)陶瓷

、⑥

光導(dǎo)纖維

等。主要特性:能承受高溫、高強(qiáng)度;具有電學(xué)、光學(xué)特性;具有生物功能。1.判斷下列說(shuō)法是否正確。(1)碳單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為還原性,能被氧化劑氧化為+2價(jià)或+4價(jià)的

化合物。

(

)(2)硅的性質(zhì)很穩(wěn)定,在常溫下不與任何物質(zhì)反應(yīng)。

(

)(3)C60、金剛石、石墨互為同位素。

(

)

答案

(1)√

(2)?

(3)?

題組一碳、硅元素的存在及單質(zhì)的性質(zhì)和用途2.將2.8g硅粉與2.3g鈉同時(shí)放入足量水中,采用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄊ占磻?yīng)過(guò)程

中產(chǎn)生的氣體(全部收集),這些氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為

(

)A.1.12LB.4.48LC.5.6LD.3.36L

答案

D本題重點(diǎn)考查鈉與水、硅與堿溶液反應(yīng)的有關(guān)計(jì)算。2Na+2H2O

2NaOH+H2↑2×23g2mol22.4L2.3g0.1mol1.12LSi+2NaOH+H2O

Na2SiO3+2H2↑28g2mol2×22.4L1.4g0.1mol2.24L反應(yīng)后硅有剩余,V(H2)=1.12L+2.24L=3.36L。3.將碳、硅單質(zhì)的物理性質(zhì)和用途用短線連接起來(lái)。①金剛石

a.質(zhì)軟、能導(dǎo)電?？芍齐姌O②石墨

b.作吸附劑、脫色劑③C60

c.熔點(diǎn)高、硬度大。制飾品和切削工具④活性炭

d.熔點(diǎn)高。半導(dǎo)體材料和制光電池的材料⑤晶體硅

e.具有特殊結(jié)構(gòu)?？赡艹蔀樾滦痛呋瘎┗虼呋瘎┹d體

答案①—c,②—a,③—e,④—b,⑤—d。

解析略。4.判斷下列說(shuō)法是否正確。(1)SiO2不與水反應(yīng)生成硅酸,因此SiO2不是酸性氧化物。

(

)(2)SiO2不與任何酸反應(yīng)。

(

)(3)2C+SiO2

Si+2CO↑,說(shuō)明C的還原性比Si強(qiáng)。(

)(4)根據(jù)反應(yīng):SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑,可知SiO2水化物的酸性比H2CO3強(qiáng)。

(

)(5)合成纖維和光導(dǎo)纖維都是新型無(wú)機(jī)非金屬材料。

(

)(6)光導(dǎo)纖維的主要成分是Si。

(

)

答案

(1)?

(2)?

(3)?

(4)?

(5)?

(6)?題組二二氧化硅、硅酸、硅酸鹽5.硅及其化合物的應(yīng)用范圍很廣,下列說(shuō)法正確的是

(

)A.硅是人類將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的常用材料B.粗硅制備單晶硅不涉及氧化還原反應(yīng)C.石英玻璃和餐桌上的瓷盤都是硅酸鹽制品D.鹽酸可以與硅反應(yīng),故采用鹽酸為拋光液拋光單晶硅

答案

A粗硅制備單晶硅涉及兩個(gè)反應(yīng):Si+2Cl2

SiCl4,SiCl4+2H2

Si+4HCl,兩個(gè)反應(yīng)都是氧化還原反應(yīng),B錯(cuò);石英玻璃的主要成分是二氧化硅,不屬于硅酸鹽制品,C錯(cuò);硅與鹽酸不反應(yīng),D錯(cuò)。6.在一定條件下,不能與SiO2反應(yīng)的是

(

)①焦炭②SO2③CaO④氫氟酸⑤高氯酸⑥KOH溶液⑦Na2CO3

⑧N2A.③⑤⑦B.⑤⑦⑧C.②⑤⑧D.⑧

答案

CSiO2+2C

Si+2CO↑、SiO2+CaO

CaSiO3、SiO2+4HF

SiF4↑+2H2O、SiO2+2KOH

K2SiO3+H2O、SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑。7.判斷下列說(shuō)法是否正確。(1)水晶、玻璃、陶瓷、水泥都屬于硅酸鹽。

(

)(2)水晶可制太陽(yáng)能電池。

(

)(3)陶瓷、水泥、金剛砂及所有的玻璃都是硅酸鹽產(chǎn)品。(

)(4)合成纖維和光導(dǎo)纖維都是有機(jī)高分子材料。

(

)(5)氮化硅陶瓷是新型無(wú)機(jī)非金屬材料。

(

)

答案

(1)?

(2)?

(3)?

(4)?

(5)√題組三無(wú)機(jī)非金屬材料8.“飛天”艙外航天服是我國(guó)自行研制的,使用了多種新材料。下列對(duì)材

料的說(shuō)法錯(cuò)誤的是

(

)A.新材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,是社會(huì)發(fā)展和人類進(jìn)步的一種標(biāo)志B.水泥、玻璃、陶瓷屬于新型無(wú)機(jī)非金屬材料C.傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料雖有不少優(yōu)點(diǎn),但質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊D.新型結(jié)構(gòu)陶瓷具有能承受高溫、抗氧化、耐磨損、密度小等特點(diǎn),可應(yīng)

用于宇航事業(yè)

答案

B水泥、玻璃、陶瓷屬于傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料。9.下列敘述正確的是

(

)①久置于空氣中的氫氧化鈉溶液,加鹽酸時(shí)有氣體產(chǎn)生②濃硫酸可用于干燥氫氣、碘化氫等氣體,但不能干燥氨氣、二氧化氮?dú)?/p>

體③SiO2和CO2都是酸性氧化物,都能與強(qiáng)堿溶液反應(yīng),但不能與任何酸反應(yīng)④玻璃、水泥、水晶項(xiàng)鏈都是硅酸鹽制品⑤蔗糖炭化的演示實(shí)驗(yàn)中,濃硫酸既體現(xiàn)了其強(qiáng)氧化性又體現(xiàn)了其脫水性⑥氫氧化鐵膠體與氯化鐵溶液分別蒸干灼燒得到相同的物質(zhì)A.①④⑤B.①⑤⑥C.②③④D.④⑤⑥形成碳酸鈉,加鹽酸時(shí)有氣體產(chǎn)生;②濃硫酸具有強(qiáng)氧化性,所以不能干燥

具有強(qiáng)還原性的氣體,如碘化氫;③SiO2能與氫氟酸反應(yīng);④水晶的主要成分

是SiO2,不是硅酸鹽;⑤蔗糖炭化的演示實(shí)驗(yàn)中,濃硫酸既體現(xiàn)了其強(qiáng)氧化性

又體現(xiàn)了其脫水性;⑥氫氧化鐵膠體與氯化鐵溶液分別蒸干灼燒都得到Fe2

O3。

答案

B①久置于空氣中的氫氧化鈉溶液能夠吸收空氣中的二氧化碳重難一硅及其化合物的性質(zhì)

典例1

(2014山東萊州一中月考)下列說(shuō)法正確的是

(

)A.二氧化硅是酸性氧化物,它可以跟堿反應(yīng),但不能與任何酸反應(yīng)B.根據(jù)反應(yīng)SiO2+CaCO3

CaSiO3+CO2↑,可推知硅酸的酸性比碳酸的酸性強(qiáng)C.碳酸比硅酸的酸性強(qiáng),且硅酸不溶于水D.CO2與SiO2均可溶于水生成對(duì)應(yīng)的酸

考查內(nèi)容SiO2的性質(zhì)。重難突破

解題關(guān)鍵解答本題的關(guān)鍵是注意SiO2的特性。

解析SiO2可與氫氟酸反應(yīng):SiO2+4HF

SiF4↑+2H2O,A項(xiàng)錯(cuò)誤;由于反應(yīng)條件是高溫,生成的CO2脫離反應(yīng)體系,使反應(yīng)進(jìn)行,與碳酸、硅酸的酸

性強(qiáng)弱無(wú)關(guān),B項(xiàng)錯(cuò)誤;SiO2不溶于水,與水不反應(yīng),D項(xiàng)錯(cuò)誤。

答案

C1-1

(2014北京海淀模擬)下列敘述正確的是

(

)A.高純度的硅單質(zhì)廣泛用于制作光導(dǎo)纖維B.硅酸鈉的水溶液俗名為水玻璃,可用于制備硅膠和木材防火劑C.制造玻璃是復(fù)雜的物理變化,玻璃的組成不同,性能不同D.SiO2屬于酸性氧化物,可用SiO2與H2O在高溫下反應(yīng)制H2SiO3

答案

B

解析高純度的硅單質(zhì)主要用于制造半導(dǎo)體芯片,制作光導(dǎo)纖維的是SiO2,A項(xiàng)錯(cuò)誤;制造玻璃包含復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化,C項(xiàng)錯(cuò)誤;SiO2與H2O

不反應(yīng),D項(xiàng)錯(cuò)誤。1-2

(2014江西贛州于都一模)下列是中學(xué)化學(xué)中常見(jiàn)物質(zhì)間的反應(yīng)轉(zhuǎn)化

關(guān)系圖,其中部分產(chǎn)物已略去。已知:A、D是單質(zhì),且C、E、G中均含有A

單質(zhì)中的元素,B、F、H中均含有D單質(zhì)中的元素;常溫下,除C、E外其他

物質(zhì)均為固體。試回答下列問(wèn)題:(1)寫出下列物質(zhì)的化學(xué)式:A

,H

;E→A

;(3)B的用途(至少說(shuō)出一種):

。

答案

(1)CH2SiO3(2)2Na2O2+2CO2

2Na2CO3+O2Si+2NaOH+H2O

Na2SiO3+2H2↑2Mg+CO2

C+2MgO(3)制造光導(dǎo)纖維

解析單質(zhì)A與B高溫下反應(yīng)生成單質(zhì)D與氣態(tài)化合物C,C可與氧氣反應(yīng)生成E,推測(cè)E一定為非金屬氧化物,而E又能與Mg反應(yīng)生成單質(zhì)A,推測(cè)E為

CO2,則A為單質(zhì)碳。CO2與Na2O2反應(yīng)生成Na2CO3,因?yàn)閱钨|(zhì)D能與NaOH反

應(yīng),而固態(tài)單質(zhì)能與NaOH反應(yīng)的在中學(xué)階段只有Al與Si,Al不能由碳單質(zhì)(2)寫出下列反應(yīng)的化學(xué)方程式:E→G

,D→F

,與化合物反應(yīng)制得,所以推斷D為Si,則B為SiO2,F為Na2SiO3。而Na2SiO3能

與E(CO2)、H2O反應(yīng)生成Na2CO3與H2SiO3,H2SiO3受熱分解生成B(SiO2)。一般規(guī)律硅及其化合物的特性硅的還原性大于碳C可以還原SiO22C+SiO2

Si+2CO↑非金屬單質(zhì)與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)一般不產(chǎn)生H2硅可與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)產(chǎn)生H2非金屬單質(zhì)一般不與非氧化性酸反應(yīng)Si可以和氫氟酸反應(yīng)Si+4HF

SiF4↑+2H2↑一般非金屬單質(zhì)為絕緣體硅為半導(dǎo)體,常用作電子部件酸性氧化物一般與水反應(yīng)生成相應(yīng)的酸SiO2不溶于水,不與水反應(yīng)

硅及其化合物的特性酸性氧化物一般不與酸發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)SiO2可以和氫氟酸反應(yīng)SiO2+4HF

SiF4↑+2H2O“較強(qiáng)酸制較弱酸”是復(fù)分解反應(yīng)的一個(gè)規(guī)律,H2CO3酸性強(qiáng)于H2SiO3高溫時(shí)SiO2可以和碳酸鹽反應(yīng)生成CO2Na2CO3+SiO2

Na2SiO3+CO2↑CaCO3+SiO2

CaSiO3+CO2↑無(wú)機(jī)酸一般易溶于水硅酸和原硅酸均難溶于水大多數(shù)硅酸鹽難溶于水常見(jiàn)的可溶性硅酸鹽為Na2SiO3,水溶液俗稱水玻璃、泡花堿化學(xué)性質(zhì)碳硅與單質(zhì)反應(yīng)C+O2

CO22C+O2

2COC+2S(氣)

CS2Si+O2

SiO2Si+2F2

SiF4Si+2Cl2

SiCl4與氧化物反應(yīng)C+2CuO

CO2↑+2Cu3C+Fe2O3

3CO↑+2Fe2C+SiO2

2CO↑+Si3C+SiO2

2CO↑+SiC——與氧化性酸反應(yīng)C+4HNO3(濃)

CO2↑+4NO2↑+2H2OC+2H2SO4(濃)

CO2↑+2SO2↑+2H2O不與HNO3、H2SO4等反應(yīng),但有:Si+4HF

SiF4↑+2H2↑與水或堿溶液反應(yīng)C+H2O(氣)

CO+H2Si+2NaOH+H2O

Na2SiO3+2H2↑比較項(xiàng)目

二氧化碳(CO2)二氧化硅(SiO2)存在

空氣,燃料的燃燒產(chǎn)物存在于巖石中,沙子、石英、水晶、硅藻土都含SiO2物理性質(zhì)

常溫時(shí)是無(wú)色無(wú)味、比空氣重的氣體,微溶于水堅(jiān)硬難熔的固體,不溶于水2.二氧化碳與二氧化硅的比較

①與水CO2+H2O

H2CO3不反應(yīng)

②與酸不反應(yīng)只與氫氟酸反應(yīng)

③與NaOH溶液CO2(少量)+2NaOH

Na2CO3+H2OSiO2+2NaOH

Na2SiO3+H2O

④與堿性氧化物CO2+CaO

Ca-CO3SiO2+CaO

Ca-SiO3

⑤與過(guò)氧化物2CO2+2Na2O2

2Na2CO3+O2不反應(yīng)組成和結(jié)構(gòu)

1個(gè)C原子和2個(gè)O原子構(gòu)成1個(gè)CO2分子。晶體由CO2分子組成不存在“SiO2”分子,1個(gè)Si原子與4個(gè)O原子結(jié)合,每個(gè)O原子與2個(gè)Si原子結(jié)合。晶體由Si、O原子構(gòu)成與環(huán)境相關(guān)問(wèn)題

溫室效應(yīng)粉塵污染,硅肺病用途

制(碳酸型)飲料;制堿;干冰作制冷劑,用于人工降雨光導(dǎo)纖維、化學(xué)儀器、光學(xué)儀器、飾品、電子部件重難二CO2與堿、鹽的反應(yīng)

典例2如下圖所示,將足量CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中,生成

沉淀的物質(zhì)的量(n)和通入CO2氣體的體積(V)的關(guān)系正確的是

(

)

考查內(nèi)容CO2與堿反應(yīng)的有關(guān)圖像。

解題關(guān)鍵解答本題的關(guān)鍵是判斷各物質(zhì)與CO2反應(yīng)的先后順序。

解析從化學(xué)原理分析,反應(yīng)可分為三個(gè)階段:第一階段是CO2+Ca2++2OH-

CaCO3↓+H2O;第二階段是CO2+OH-

HC

;第三階段是碳酸鈣的溶解過(guò)程,發(fā)生的反應(yīng)是CaCO3+H2O+CO2

Ca2++2HC

,可以看出使Ca2+完全變?yōu)镃aCO3沉淀所需CO2的量與使全部的CaCO3溶解所需CO2的量相等。因此只有選項(xiàng)D符合。

答案

D2-1

(2014寧夏銀川賀蘭一中期末)下列物質(zhì)的反應(yīng)過(guò)程符合圖示過(guò)程的是

(

)A.向CaCl2溶液中通入過(guò)量CO2B.向水玻璃溶液中通入過(guò)量CO2C.向澄清石灰水中通入過(guò)量CO2D.向水玻璃溶液中加入過(guò)量鹽酸

答案

C

解析A項(xiàng)不反應(yīng);B、D項(xiàng)中沉淀不溶解;C項(xiàng)先生成CaCO3,然后CaCO3與CO2、H2O反應(yīng)生成Ca(HCO3)2,符合題意。2-2將一定體積的CO2通入到一定濃度的NaOH溶液中,為了測(cè)定所得溶

液的成分,向該溶液中逐滴加入1mol·L-1鹽酸。所加入鹽酸的體積與產(chǎn)生

CO2氣體體積(標(biāo)準(zhǔn)狀況)的關(guān)系如下圖所示:(1)寫出OA段所發(fā)生反應(yīng)的離子方程式:

。(2)當(dāng)加入35mL鹽酸時(shí),所產(chǎn)生的CO2的體積(標(biāo)準(zhǔn)狀況)是

mL。(3)CO2與NaOH溶液反應(yīng)所得溶液中所含的溶質(zhì)有

,其物質(zhì)的量之比為

。

答案

(1)H++OH-

H2O、C

+H+

HC

(2)224(3)NaOH、Na2CO31∶4

解析由圖像可知,此溶液中的溶質(zhì)是NaOH、Na2CO3。(1)OA段:H+先與OH-反應(yīng)生成H2O,再與C

反應(yīng)生成HC

。相關(guān)反應(yīng)的離子方程式為H++OH-

H2O、H++C

HC

。(2)AB段:發(fā)生反應(yīng)H++HC

CO2↑+H2O,當(dāng)加入35mL鹽酸時(shí),產(chǎn)生的n(CO2)=n(H+)=(35-25)×10-3L×1mol·L-1=0.01mol,則V(CO2)=224mL。(3)H++C

HC

,HC

+H+

H2O+CO2↑,則n(C

)=nAB(H+)=(45-25)×10-3L×1mol·L-1=0.02mol,n(OH-)=[25-(45-25)]×10-3L×1mol·L-1=0.005mol,所以n(NaOH)∶n(Na2CO3)=n(OH-)∶n(C

)=0.005mol∶0.02mol=1∶4。

1.CO2與堿溶液的反應(yīng)(1)反應(yīng)原理NaOH

Na2CO3

NaHCO3(2)反應(yīng)后溶質(zhì)成分的判斷x=

溶質(zhì)成分x≤1∶1Na