碳及無機非金屬材料【講】(人教版)(解析版)

4.1碳及無機非金屬材料知識整理知識整理碳及其重要化合物一、碳單質(zhì)1．存在形式：金剛石、石墨、無定形碳、足球烯等，它們互為同素異形體。2．主要化學(xué)性質(zhì)——還原性（1）燃燒：C＋O2eq\o(=,\s\up7(點燃))CO2。（2）與氧化物反應(yīng)eq\a\vs4\al(\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(CuO：C＋2CuO\o(=,\s\up7(△))2Cu＋CO2↑(冶煉金屬),SiO2：2C＋SiO2\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑(工業(yè)上制取粗硅),H2O：C＋H2O(g)\o(=,\s\up7(高溫))CO＋H2(制取水煤氣))))eq\a\vs4\al(（3）與強,氧化性,酸反應(yīng))eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(濃H2SO4：C＋2H2SO4(濃)\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O,濃HNO3：C＋4HNO3(濃)\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋4NO2↑＋2H2O))二、碳的氧化物——CO和CO21．一氧化碳的性質(zhì)及應(yīng)用（1）物理性質(zhì)：無色、無味的氣體，難溶于水，能使人中毒的原因是一氧化碳與人體內(nèi)血紅蛋白相結(jié)合，人體因缺氧而中毒。（2）化學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用(寫出有關(guān)化學(xué)方程式)①可燃性：2CO＋O2eq\o(=,\s\up7(點燃))2CO2，可做燃料。②還原性：CO還原Fe2O3的反應(yīng)為3CO＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(高溫))2Fe＋3CO2，可用于冶煉金屬。2．二氧化碳的性質(zhì)（1）物理性質(zhì)：無色、無味的氣體，能溶于水，固態(tài)CO2俗稱干冰。（2）化學(xué)性質(zhì)：與H2O、Na2O、Ca(OH)2(足量、澄清)、Mg反應(yīng)的化學(xué)方程式分別為CO2＋H2O=H2CO3，Na2O＋CO2=Na2CO3，CO2＋Ca(OH)2=CaCO3↓＋H2O，2Mg＋CO2eq\o(=,\s\up7(點燃))2MgO＋C。3．二氧化碳在自然界中的循環(huán)（1）CO2的主要來源：大量含碳燃料的燃燒。（2）自然界消耗CO2的主要反應(yīng)①溶于江水、海水中：CO2＋H2OH2CO3。②光合作用將CO2轉(zhuǎn)化為O2和有機物：6H2O＋6CO2eq\o(→,\s\up7(光))C6H12O6＋6O2。③巖石的風(fēng)化：CaCO3＋H2O＋CO2=Ca(HCO3)2。三、碳酸(H2CO3)碳酸是弱酸、不穩(wěn)定，只能在水中存在。H2CO3在水中與CO2共存，因此常把CO2＋H2O當(dāng)碳酸用。四、碳酸鹽(常見的有Na2CO3和NaHCO3，詳見第3章)五、草酸(H2C2O4)、草酸鹽的性質(zhì)(教材補遺)1．草酸(H2C2O4)的性質(zhì)H2C2O4是二元弱酸；有較強的還原性，能使酸性高錳酸鉀溶液褪色：2KMnO4＋5H2C2O4＋3H2SO4=K2SO4＋2MnSO4＋10CO2↑＋8H2O；H2C2O4不穩(wěn)定，固體受熱易分解：H2C2O4eq\o(=,\s\up7(△))H2O＋CO↑＋CO2↑。2．草酸鹽的性質(zhì)（1）(NH4)2C2O4易溶于水，微溶于乙醇，加熱易分解，由氨水與草酸溶液作用而成。（2）CaC2O4難溶于水和醋酸，能溶于鹽酸和硝酸；灼燒時轉(zhuǎn)變成氧化鈣。（3）草酸鎂、草酸亞鐵等微溶于水，可由對應(yīng)的可溶性金屬鹽與草酸銨在水溶液中反應(yīng)而得，加熱分解可得到對應(yīng)金屬氧化物。知識演練知識演練判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)。（1）活性炭具有除異味和殺菌作用。()（2）澄清的石灰水久置后出現(xiàn)白色固體：Ca(OH)2＋CO2=CaCO3↓＋H2O。()（3）用標(biāo)準(zhǔn)HCl溶液滴定NaHCO3溶液來測定其濃度，選擇酚酞為指示劑。()（4）含Li＋的濾液eq\o(→,\s\up7(碳酸鈉))含Li沉淀，可用硫酸鈉代替碳酸鈉。()（5）草酸鈣沉淀經(jīng)稀H2SO4處理后，用KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，通過測定草酸的量可間接獲知鈣的含量，滴定反應(yīng)為2MnOeq\o\al(－,4)＋5H2C2O4＋6H＋=2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O。()（6）將固體加熱至恒重可除去NaHCO3固體中的Na2CO3。()（7）12C、13C、14C是碳的三種同素異形體。()（8）金剛石和石墨由相同的元素組成，因此它們具有相同的性質(zhì)。()（9）石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸姆磻?yīng)屬于氧化還原反應(yīng)。()（10）向Ca(ClO)2溶液中通入CO2氣體，溶液變渾濁，繼續(xù)通入CO2至過量，渾濁消失。()（11）向CaCl2溶液中通入CO2，無明顯現(xiàn)象，若先通入NH3再通入CO2，溶液會變渾濁。()（12）向飽和NaCl的氨水溶液中通入過量CO2氣體，有晶體析出。()答案：(1)×(2)√(3)×(4)×(5)√(6)×(7)×(8)×(9)×(10)√(11)√(12)√素養(yǎng)提升素養(yǎng)提升一、碳及其化合物的性質(zhì)及對環(huán)境的影響1．化學(xué)與社會、科學(xué)、技術(shù)、環(huán)境密切相關(guān)。下列說法不正確的是()A．T-碳是一種新型三維碳結(jié)構(gòu)晶體，與C60互為同素異形體B．推廣利用CO2合成聚碳酸酯可降解塑料符合低碳經(jīng)濟理念C．將金屬鈦、鋁混合后在空氣中熔化可制得強度較大的鈦鋁合金材料D．為汽車安裝尾氣催化轉(zhuǎn)化裝置，可將尾氣中的部分CO和NO轉(zhuǎn)化為無毒氣體解析：選C。B項，利用CO2合成聚碳酸酯類可降解塑料，實現(xiàn)“碳”的循環(huán)利用，減少二氧化碳的排放，故B正確；C項，在空氣中加熱熔化，金屬易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，所以不能直接在空氣中制備鈦鋁合金，故C錯誤。2．(雙選)用四種溶液進行實驗，下表中溶液與操作及現(xiàn)象的對應(yīng)關(guān)系錯誤的是()選項溶液操作及現(xiàn)象A飽和Na2CO3溶液通入CO2，溶液無明顯變化BHCl溶液逐滴滴入Na2CO3溶液，開始無明顯變化，一段時間后產(chǎn)生氣泡CCa(ClO)2溶液通入CO2，溶液變渾濁，再加入品紅溶液，紅色褪去D澄清石灰水通入CO2，溶液變渾濁，繼續(xù)通入CO2至過量，渾濁消失，再加入足量NaOH溶液，又變渾濁解析：選AB。A項，Na2CO3的溶解度大于NaHCO3的溶解度，向飽和Na2CO3溶液中通入CO2，發(fā)生反應(yīng)：Na2CO3＋CO2＋H2O=2NaHCO3↓，因而會析出NaHCO3晶體，A錯誤；B項，發(fā)生反應(yīng)：2HCl＋Na2CO3=2NaCl＋CO2↑＋H2O，立即產(chǎn)生氣泡，B錯誤；C項，發(fā)生反應(yīng)：CO2＋Ca(ClO)2＋H2O=CaCO3↓＋2HClO，溶液變渾濁，再加入品紅溶液，品紅被HClO氧化而褪色，C正確；D項，首先發(fā)生反應(yīng)：CO2＋Ca(OH)2=CaCO3↓＋H2O，繼續(xù)通入CO2至過量，生成可溶于水的Ca(HCO3)2，再加入足量的NaOH溶液，發(fā)生反應(yīng)：2NaOH＋Ca(HCO3)2=CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O，溶液又變渾濁，D正確。3．碳和碳的氧化物是生活中的常見物質(zhì)，回答下列問題：（1）下列有關(guān)說法正確的是________(填字母)。a．利用二氧化碳制造全降解塑料，可以減緩二氧化碳對環(huán)境的影響b．金剛石、石墨、C60的化學(xué)性質(zhì)相似，物理性質(zhì)卻有很大差異c．木炭、一氧化碳在一定條件下都能還原氧化銅d．大氣中二氧化碳的消耗途徑主要是綠色植物的光合作用（2）吸煙對人體有害，燃著的香煙產(chǎn)生的煙氣中含有一種能與血液中的血紅蛋白結(jié)合的有毒氣體，它是________(填化學(xué)式)。（3）影視舞臺上經(jīng)?？吹皆旗F繚繞，使人如入仙境的景象，產(chǎn)生這一景象可用的物質(zhì)是________(填物質(zhì)名稱)。（4）為減少二氧化碳對環(huán)境的影響，可將二氧化碳與氫氣在300℃、200kPa、催化劑的條件下，反應(yīng)生成一種清潔燃料甲醇(CH3OH)和水，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為______________。答案：(1)abcd(2)CO(3)干冰(4)CO2＋3H2eq\o(=,\s\up11(300℃、200kPa),\s\do4(催化劑))CH3OH＋H2O二、CO2通入堿溶液中反應(yīng)產(chǎn)物的定量分析4．標(biāo)準(zhǔn)狀況下，將3.36LCO2氣體通入200mL1.00mol·L－1NaOH溶液中，充分反應(yīng)后溶液中c(COeq\o\al(2－,3))與c(HCOeq\o\al(－,3))的比值為(不考慮COeq\o\al(2－,3)、HCOeq\o\al(－,3)的水解)()A．1∶1 B．1∶2C．2∶1 D．1∶3解析：選B。n(CO2)＝eq\f(3.36L,22.4L·mol－1)＝0.15mol，n(NaOH)＝0.2L×1.00mol·L－1＝0.20mol，由于1<eq\f(n(NaOH),n(CO2))<2，故二者完全反應(yīng)生成含Na2CO3和NaHCO3的混合溶液。設(shè)n(Na2CO3)＝x，n(NaHCO3)＝y(tǒng)，則有eq\b\lc\{(\a\vs4\al\co1(x＋y＝0.15mol(根據(jù)碳元素守恒),2x＋y＝0.20mol(根據(jù)鈉元素守恒)))，解得x＝0.05mol，y＝0.10mol，則充分反應(yīng)后溶液中c(COeq\o\al(2－,3))∶c(HCOeq\o\al(－,3))＝0.05mol∶0.10mol＝1∶2。5．(雙選)常溫下，向Ba(OH)2和NaOH混合溶液中緩慢通入CO2至過量(溶液溫度變化忽略不計)，生成沉淀物質(zhì)的量與通入CO2體積的關(guān)系如圖所示。下列說法不正確的是()A．b點時溶質(zhì)為NaHCO3B．V4的值為100C．V1、V2、V3時，溶液中c(Ba2＋)·c(COeq\o\al(2－,3))相等D．原混合溶液中n[Ba(OH)2]∶n(NaOH)＝1∶2解析：選BD。ab段發(fā)生的反應(yīng)為2OH－＋CO2=COeq\o\al(2－,3)＋H2O、COeq\o\al(2－,3)＋H2O＋CO2=2HCOeq\o\al(－,3)，所以b點溶液中溶質(zhì)為NaHCO3，故A正確；發(fā)生反應(yīng)Ba2＋＋2OH－＋CO2=BaCO3↓＋H2O時消耗30mL的二氧化碳，發(fā)生反應(yīng)NaOH＋CO2=NaHCO3時消耗30mL的二氧化碳，發(fā)生反應(yīng)BaCO3＋CO2＋H2O=Ba2＋＋2HCOeq\o\al(－,3)時消耗30mL的二氧化碳，所以V4的值為90，故B錯誤；Ksp(BaCO3)＝c(Ba2＋)·c(COeq\o\al(2－,3))，溫度不變，溶度積不變，故C正確；D項，原混合溶液中Ba(OH)2和NaOH的物質(zhì)的量之比為1∶1，故D錯誤。方法技巧方法技巧CO2與堿反應(yīng)產(chǎn)物的定量判斷CO2通入NaOH、Ca(OH)2等強堿溶液的反應(yīng)產(chǎn)物與CO2氣體的通入量有關(guān)，當(dāng)通入少量CO2時生成碳酸鹽，當(dāng)通入過量CO2時生成碳酸氫鹽，當(dāng)通入CO2的量介于兩者之間時，既有碳酸鹽又有碳酸氫鹽生成，因此推斷時一定要注意CO2與堿之間量的關(guān)系。以CO2與NaOH溶液反應(yīng)為例，將CO2通入NaOH溶液中，可能發(fā)生的反應(yīng)為①CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O；②CO2＋NaOH=NaHCO3。當(dāng)n(OH－)∶n(CO2)的值不同時產(chǎn)物如下：知識整理知識整理無機非金屬材料一、無機非金屬材料無機非金屬材料包括傳統(tǒng)無機非金屬材料和新型無機非金屬材料。傳統(tǒng)無機非金屬材料多為硅酸鹽材料，它包括陶瓷、玻璃和水泥；新型無機非金屬材料包括硅和二氧化硅、新型陶瓷、碳納米材料等。二、硅酸鹽材料1．常見硅酸鹽材料比較水泥普通玻璃陶瓷生產(chǎn)原料石灰石、黏土純堿、石灰石、石英砂黏土主要設(shè)備水泥回轉(zhuǎn)窯玻璃窯陶瓷窯生產(chǎn)水泥時，加入適量石膏調(diào)節(jié)水泥的硬化速率。2．玻璃生產(chǎn)中的兩個重要反應(yīng)Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3＋CO2↑。三、新型無機非金屬材料1．硅(Si)（1）存在形式及高純硅的制備①硅在自然界主要以硅酸鹽(如地殼中的大多數(shù)礦物)和氧化物(如水晶、瑪瑙)的形式存在。②晶體硅中的雜質(zhì)會影響其導(dǎo)電性能，因此必須制備高純度的硅。工業(yè)上用焦炭還原石英砂可以制得含有少量雜質(zhì)的粗硅。將粗硅通過化學(xué)方法進一步提純，才能得到高純硅。工業(yè)制備高純硅發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(1800～2000℃))Si＋2CO↑(制粗硅)Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si＋3HCl(制高純硅)（2）用途①良好的半導(dǎo)體材料；②硅太陽能電池；③計算機芯片。2．二氧化硅(SiO2)（1）石英晶體是結(jié)晶的二氧化硅，存在于沙子、水晶、瑪瑙(含雜質(zhì)的石英)等中。SiO2晶體是由Si原子和O原子直接構(gòu)成的。另外，Si、SiC、Si3N4、BN等也是由原子直接構(gòu)成的。（2）結(jié)構(gòu)SiO2晶體有多種晶型，其基本結(jié)構(gòu)單元為硅氧四面體(如圖甲所示)，硅氧四面體通過氧原子相互連接為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(如圖乙所示)。每個硅原子與4個氧原子相連，而每個氧原子與2個硅原子相連，故SiO2晶體中Si和O的原子個數(shù)比為1∶2。（3）用途制光學(xué)儀器、石英玻璃(主要成分為SiO2)；水晶可制作飾品；常用來制造通信材料——光導(dǎo)纖維。知識演練知識演練1．判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)。（1）常溫常壓下，硅單質(zhì)為固態(tài)。()（2）硅在自然界中只以化合態(tài)的形式存在。()（3）晶體硅熔點高、硬度大，故可用于制作半導(dǎo)體材料。()（4）Si和SiO2都可用于制造光導(dǎo)纖維。()（5）高溫下用焦炭還原SiO2制取粗硅。()（6）玻璃是一種晶體，有較高的熔點。()（7）光導(dǎo)纖維、碳納米管都是新型無機非金屬材料。()（8）普通玻璃、石英玻璃、水泥、瑪瑙都屬于硅酸鹽產(chǎn)品。()答案：(1)√(2)√(3)×(4)×(5)√(6)×(7)√(8)×2．SiHCl3在常溫常壓下為易揮發(fā)的無色透明液體，遇潮氣時發(fā)煙生成(HSiO)2O等，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：_____________________________。答案：2SiHCl3＋3H2O=(HSiO)2O＋6HCleq\a\vs4\al()方法技巧方法技巧（1）不要混淆硅和二氧化硅的用途。用作半導(dǎo)體材料的是晶體硅而不是SiO2，用于制作光導(dǎo)纖維的是SiO2而不是晶體硅。（2）不要混淆常見含硅物質(zhì)的類別。①計算機芯片的主要成分是晶體硅而不是SiO2。②水晶、沙子、瑪瑙等的主要成分是SiO2而不是硅酸鹽。③光導(dǎo)纖維的主要成分是SiO2，不屬于硅酸鹽材料。④傳統(tǒng)的無機非金屬材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸鹽。素養(yǎng)提升素養(yǎng)提升一、無機非金屬材料的性能及應(yīng)用1．(雙選)“九秋風(fēng)露越窯開，奪得千峰翠色來”是贊譽越窯秘色青瓷的詩句，描繪我國古代精美的青瓷工藝品。玻璃、水泥和陶瓷均為硅酸鹽制品，下列有關(guān)說法中正確的是()A．陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽制品B．制水泥的主要原料為純堿、石灰石和石英砂C．硅酸鹽制品的性質(zhì)穩(wěn)定、熔點較高D．沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽解析：選AC。陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽制品，A項正確；純堿、石灰石和石英砂是制普通玻璃的主要原料，而制水泥的主要原料是黏土和石灰石，B項錯誤；硅酸鹽制品的性質(zhì)穩(wěn)定、熔點較高，C項正確；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸鹽，D項錯誤。2．宋代五大名窯分別為鈞窯、汝窯、官窯、定窯、哥窯。其中鈞窯以“入窯一色，出窯萬彩”的神奇窯變著稱。下列關(guān)于陶瓷的說法不正確的是(提示：SiO2能與氫氟酸反應(yīng))()A．窯變是高溫下釉料中的金屬化合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致的顏色變化B．氧化鋁陶瓷屬于新型無機非金屬材料C．高品質(zhì)的瓷器晶瑩剔透，屬于純凈物D．陶瓷屬于硅酸鹽材料，耐酸堿腐蝕，但是不能用來盛裝氫氟酸解析：選C。不同的金屬化合物顏色可能不同，在高溫下，釉料中的金屬化合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致的顏色變化稱為窯變，故A正確；新型無機非金屬材料主要有新型陶瓷、硅和二氧化硅、碳納米材料等，氧化鋁陶瓷屬于新型陶瓷，故B正確；瓷器是以黏土為主要原料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的，瓷器中含有多種硅酸鹽和二氧化硅，是混合物，故C錯誤；HF能與二氧化硅反應(yīng)，陶瓷的主要成分是硅酸鹽和二氧化硅，所以陶瓷不能用來盛裝氫氟酸，故D正確。二、高純硅的制備3．高純度晶體硅是典型的無機非金屬材料，又稱“半導(dǎo)體”材料。它的發(fā)現(xiàn)和使用曾引起計算機的一場“革命”。可以按下列方法制備：SiO2eq\o(→,\s\up11(①C),\s\do4(高溫))Si(粗)eq\o(→,\s\up11(②HCl),\s\do4(300℃))SiHCl3eq\o(→,\s\up11(③過量H2),\s\do4(1100℃))Si(純)下列說法不正確的是()A．步驟①的化學(xué)方程式為SiO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋CO2↑B．步驟①中每生成1molSi，轉(zhuǎn)移4mol電子C．高純硅是制造太陽能電池的常用材料，二氧化硅是制造光導(dǎo)纖維的基本原料D．SiHCl3(沸點33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸點67.6℃)，通過蒸餾可提純SiHCl3解析：選A。A項，二氧化硅在高溫下與C反應(yīng)生成CO氣體，即步驟①的化學(xué)方程式為SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑，故A錯誤；B項，步驟①中Si的化合價降低4價，故每生成1molSi，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為4mol，故B正確；C項，高純硅是半導(dǎo)體，是制造集成電路、太陽能電池的常用材料，二氧化硅是制造光導(dǎo)纖維的基本原料，故C正確；D項，沸點相差30℃以上的兩種互溶液體可以采用蒸餾的方法分離，故D正確。4．硅單質(zhì)及其化合物應(yīng)用范圍很廣。請回答下列問題：（1）制備硅半導(dǎo)體材料必須先得到高純硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)還原法是當(dāng)前制