专题41 碳硅及其无机非金属材料 讲高考化学一轮复习讲练测解析版.docx
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专题41碳硅及其无机非金属材料讲高考化学一轮复习讲练测解析版
专题4.1 碳、硅及其无机非金属材料
1.了解C、Si元素单质及其重要化合物的制备方法,掌握其主要性质及其应用。
2.了解C、Si元素单质及其重要化合物对环境的影响。
知识点一碳及其重要化合物
1.碳单质
(1)结构、存在形态、物理性质和用途
存在形态
游离态和化合态
结构
金刚石:
空间网状结构;
石墨:
层状结构
同素异形体
金刚石、石墨、C60、C70
物理性质
金刚石:
熔点高、硬度大;
石墨:
硬度小、电的良导体、有滑腻感
用途
金刚石用作切割刀具,石墨用作电极、铅笔芯、高温润滑剂
(2)主要化学性质——还原性
可燃性
2C+O2(不足)
2CO、C+O2(足量)
CO2
与氧化
物反应
CuO:
2CuO+C
2Cu+CO2↑(冶炼金属)
SiO2:
SiO2+2C
Si+2CO↑(制取粗硅)
H2O:
C+H2O(g)
CO+H2(制取水煤气)
与强氧化
性酸反应
浓H2SO4:
C+2H2SO4(浓)
CO2↑+2SO2↑+2H2O
浓HNO3:
C+4HNO3(浓)
CO2↑+4NO2↑+2H2O
2.一氧化碳(CO)
(1)物理性质
无色气体,有毒,难溶于水。
(2)化学性质——还原性
①燃烧:
2CO+O2
2CO2,淡蓝色火焰;
②还原CuO:
CuO+CO
Cu+CO2(冶炼金属)。
3.二氧化碳(CO2)
(1)物理性质:
CO2是一种无色、无味的气体,能溶于水,固态CO2俗称干冰。
(2)化学性质:
与H2O、Na2O、Ca(OH)2(足量、澄清)、Mg反应的方程式分别为CO2+H2OH2CO3、Na2O+CO2===Na2CO3、CO2+Ca(OH)2===CaCO3↓+H2O2Mg+CO2
2MgO+C。
(3)CO2在自然界中的循环
①CO2的主要来源:
大量含碳燃料的燃烧。
②自然界消耗CO2的主要反应:
a.溶于江水、海水中:
CO2+H2O
H2CO3;
b.光合作用将CO2转化为O2;
c.岩石的风化:
CaCO3+H2O+CO2===Ca(HCO3)2。
(4)CO、CO2气体的除杂方法
CO中混有CO2
通过盛有NaOH溶液的洗气瓶,然后干燥气体
CO2中混有CO
通过盛有灼热CuO的硬质试管
CO2中混有少量SO2或HCl
通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶,然后干燥气体
①澄清石灰水只用于检验CO2,不能用于除去混合气体中的CO2,应用NaOH溶液除去;
②CO2、SO2通入CaCl2或BaCl2溶液均无沉淀产生
4.碳酸(H2CO3)
弱酸、不稳定。
碳酸(H2CO3)只能在水中存在。
H2CO3在水中与CO2共存,因此常把CO2+H2O当碳酸用。
5.碳酸的酸式盐和正盐的比较
(1)在水中的溶解性
①含K+、Na+、NH
的正盐易溶于水,其余一般不溶于水;酸式盐均能溶于水。
②一般来说,在相同温度下,难溶性正盐溶解度小于其酸式盐溶解度,如溶解度:
Ca(HCO3)2>CaCO3;可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度,如溶解度:
Na2CO3>NaHCO3。
(2)热稳定性
一般来说,热稳定性顺序为正盐>酸式盐>碳酸,如稳定性:
Na2CO3>NaHCO3>H2CO3。
可溶性正盐>难溶性正盐,如CaCO3高温分解,而K2CO3不易分解。
(3)水溶液酸碱性
物质的量浓度相同时,正盐溶液的pH大于其酸式盐溶液,如pH:
Na2CO3溶液>NaHCO3溶液。
(4)与酸的反应
①CaCO3与盐酸反应的离子方程式:
CaCO3+2H+===H2O+CO2↑+Ca2+。
②Ca(HCO3)2与盐酸反应的离子方程式:
HCO
+H+===H2O+CO2↑。
(5)与碱的反应
①Na2CO3与Ca(OH)2反应的离子方程式:
CO
+Ca2+===CaCO3↓。
②NaHCO3与足量Ca(OH)2反应的离子方程式:
HCO
+Ca2++OH-===CaCO3↓+H2O。
Ca(OH)2与足量NaHCO3反应的离子方程式:
Ca2++2OH-+2HCO
===CaCO3↓+CO
+2H2O。
【典例1】(湖南雅礼中学2019届模拟)用四种溶液进行实验,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,溶液变浑浊
饱和Na2CO3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
澄清石灰水
【答案】B
【解析】A项,由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3,Na2CO3+CO2+H2O===2NaHCO3,因而会析出NaHCO3晶体,正确;B项,CO2+Na2SiO3+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓,CO2+Na2CO3+H2O===2NaHCO3,H2SiO3与CO2不反应,浑浊不会消失,错误;C项,CO2+Ca(ClO)2+H2O===CaCO3↓+2HClO,溶液变浑浊后加入品红溶液,被HClO氧化褪色,正确;D项,首先CO2+Ca(OH)2===CaCO3↓+H2O,继续通CO2,生成可溶于水的Ca(HCO3)2,再加入足量的NaOH,则:
2NaOH+Ca(HCO3)2===CaCO3↓+Na2CO3+2H2O,溶液又变浑浊,正确。
【方法技巧】CO2与盐溶液反应产物及现象的判断
一般从强酸制弱酸的角度去分析。
由于碳酸比硅酸、次氯酸、苯酚、Al(OH)3(偏铝酸)的酸性强,能用CO2制取上述弱酸,常涉及的变化如下:
CO2+Na2SiO3+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓
(或CO2+Na2SiO3+2H2O===H4SiO4↓+Na2CO3)
CO2+Ca(ClO)2+H2O===CaCO3↓+2HClO
CO2+
+NaHCO3
CO2(过量)+NaAlO2+2H2O===Al(OH)3↓+NaHCO3
CO2(少量)+2NaAlO2+3H2O===2Al(OH)3↓+Na2CO3
【变式】(河北石家庄二中2019届模拟)将足量的CO2不断通入KOH、Ba(OH)2、KAlO2的混合溶液中,生成沉淀的物质的量与所通入CO2的体积关系如图所示。
下列关于整个反应过程中的叙述不正确的是( )
A.Oa段反应的化学方程式是Ba(OH)2+CO2===BaCO3↓+H2O
B.ab段与cd段所发生的反应相同
C.de段沉淀减少是由于BaCO3固体的消失
D.bc段反应的离子方程式是2AlO
+3H2O+CO2===2Al(OH)3↓+CO
【答案】B
【解析】CO2优先与Ba(OH)2反应(图像中Oa段),然后与KOH反应(图像中ab段),接着与KAlO2反应(图像中bc段),再与K2CO3反应(图像中cd段),最后与BaCO3反应(图像中de段)。
知识点二硅 无机非金属材料
一、硅单质
1.存在
硅单质主要有晶体和无定形两大类。
2.物理性质
带有金属光泽的灰黑色固体,熔点高,硬度大,有脆性。
3.化学性质
常温下与F2、HF、NaOH反应;加热时能与H2化合生成不稳定的氢化物SiH4,加热时还能与Cl2、O2化合分别生成SiCl4、SiO2。
涉及的化学方程式如下:
①与非金属单质反应
②与氢氟酸反应:
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
③与NaOH溶液反应:
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
(4)制备方法
①制取粗硅:
工业上,用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅:
SiO2+2C
Si+2CO↑。
②粗硅提纯:
Si+2Cl2
SiCl4,SiCl4+2H2
Si+4HCl。
【特别提醒】①用焦炭还原SiO2,产物是CO而不是CO2。
②粗硅中含碳等杂质,与Cl2反应生成的SiCl4中含有CCl4等杂质,经过分馏提纯SiCl4后,再用H2还原,得到高纯度硅。
(5)主要用途
①良好的半导体材料;②太阳能电池;③计算机芯片。
二、二氧化硅
1.存在
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,主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。
天然SiO2有晶体和无定形两种,统称硅石。
2.结构
SiO2晶体有多种晶型,其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示),硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。
每个硅原子与4个氧原子相连,而每个氧原子与2个硅原子相连,故SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。
3.二氧化硅的性质及用途
物理性质
硬度大,熔、沸点高,常温下为固体,不溶于水
化学性质
与水反应
不反应
与酸反应
只与氢氟酸反应:
SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
与碱反应
如与NaOH反应:
SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)
与盐反应
如与Na2CO3反应:
SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑
与碱性氧
化物反应
如与CaO反应:
CaO+SiO2
CaSiO3
用途
光导纤维、光学仪器、电子部件
【特别提醒】
①SiO2是H2SiO3的酸酐,但SiO2不与水反应,不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。
②氢氟酸能与SiO2反应,故氢氟酸不能盛放在玻璃瓶中,而应存放在塑料瓶中。
三、硅酸、硅酸盐
1.硅酸
(1)物理性质
硅酸的溶解度小,新制备的硅酸为透明、胶冻状,干燥硅胶多孔,吸水性和吸附性强。
(2)化学性质
①弱酸性:
酸性比碳酸弱,与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O。
②不稳定性:
受热易分解,反应的化学方程式为
H2SiO3
SiO2+H2O。
(3)制备:
通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得,如Na2SiO3溶液与盐酸反应:
Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3(胶体)。
(4)用途:
硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。
2.硅酸盐
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与酸性较硅酸强的酸反应:
a.与盐酸反应的化学方程式:
Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓。
b.与CO2水溶液反应的化学方程式:
Na2SiO3+H2O+CO2===Na2CO3+H2SiO3↓。
③用途:
黏合剂(矿物胶),耐火阻燃材料。
(3)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。
如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2,石棉(CaMg3Si4O12)可表示为CaO·3MgO·4SiO2。
推背图①Na2SiO3的水溶液是一种黏合剂,是制备硅胶和木材防火剂等的原料;Na2SiO3易与空气中的CO2、H2O反应,要密封保存。
②可溶性碳酸盐、硅酸盐的水溶液呈碱性,保存该溶液的试剂瓶不能用玻璃塞,应用橡胶塞。
四、无机非金属材料
1.传统无机非金属材料,如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。
(1)常见硅酸盐材料比较
水泥
玻璃
陶瓷
生产原料
石灰石、黏土
纯碱、石灰石、石英
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑
(2)玻璃生产中的两个重要反应:
Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑;CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑。
2.新型无机非金属材料
材料类别
主要特性
示例
用途
高温结构
陶瓷
能承受高温,
强度高
氮化硅陶瓷
汽轮机叶片、轴承、永久性模具等
半导体陶瓷
具有电学特性
二氧化锡陶瓷
集成电路中的半导体
光学材料
具有光学特性
光导纤维
光缆通讯、医疗、照明等
生物陶瓷
具有生物功能
氧化铝陶瓷
人造骨骼、人造关节、接骨螺钉
【典例2】从石英砂制取高纯硅的主要化学反应如下:
①SiO2+2C
Si(粗)+2CO↑
②Si(粗)+2Cl2
SiCl4
③SiCl4+2H2
Si(纯)+4HCl
关于上述反应的叙述不正确的是( )
A.①③是置换反应,②是化合反应
B.高温下,焦炭与氢气的还原性均强于硅
C.任一反应中,每消耗或生成28g硅,均转移4mol电子
D.高温下在炉子里将石英砂、焦炭、氯气、氢气按比例混合就能得到高纯硅
【答案】D
【解析】在氧化还原反应中,还原剂的还原性比还原产物的强,B正确;根据元素化合价的变化,每消耗或生成28g(1mol)硅,均转移4mol电子,C正确;题中的三个反应是在三个不同反应器中发生,D错误。
【变式2】(山西康杰中学2019届模拟)水玻璃(Na2SiO3溶液)广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域,是一种重要的工业原料。
如图是用稻壳灰(SiO2:
65%~70%、C:
30%~35%)制取水玻璃的工艺流程:
下列说法正确的是( )
A.原材料稻壳灰价格低廉,且副产品活性炭有较高的经济价值
B.操作A与操作B完全相同
C.该流程中硅元素的化合价发生改变
D.反应器中发生的复分解反应为SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O
【答案】A
【解析】A项,稻壳灰来源广泛、价格低廉,活性炭具有吸附性,有较高的经济价值,正确;B项,操作A为过滤,操作B为蒸发浓缩,是两种不同的操作,错误;C项,SiO2中硅元素的化合价是+4价,Na2SiO3中硅元素的化合价是+4价,所以该流程中硅元素的化合价没有发生改变,错误;D项,由复分解反应的概念可知,SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O不属于复分解反应,错误。
考点一碳及及其化合物性质
【典例1】(2018·江苏,1)CO2是自然界碳循环中的重要物质。
下列过程会引起大气中CO2含量上升的是( )
A.光合作用B.自然降雨
C.化石燃料的燃烧D.碳酸盐的沉积
【答案】C
【解析】光合作用过程中植物吸收CO2使CO2含量下降,A项不符合题意;自然降雨的过程会消耗CO2,使CO2含量下降,B项不符合题意;化石燃料燃烧时会产生CO2,使CO2含量上升,C项符合题意;碳酸盐沉积指由于形成海洋或湖泊底部的粒状、泥状碳酸盐矿物及其集合体,通过生物作用或从过饱和碳酸盐的水体中直接沉淀,水体中生物活动消耗CO2,使CO2含量下降,D项不符合题意。
【变式1】(2017·北京高考)我国在CO2催化加氢制取汽油方面取得突破性进展,CO2转化过程示意图如下:
下列说法不正确的是( )
A.反应①的产物中含有水
B.反应②中只有碳碳键形成
C.汽油主要是C5~C11的烃类混合物
D.图中a的名称是2甲基丁烷
【答案】B
【解析】反应①是CO2与H2反应生成了CO,根据元素守恒可推断有H2O生成,A项正确;反应②是CO与H2反应生成(CH2)n,(CH2)n中还含有碳氢键,B项错误;由示意图可知,汽油的主要成分是C5~C11的烃类混合物,C项正确;根据a的球棍模型,可得其结构简式为CH3CH(CH3)CH2CH3,系统名称为2甲基丁烷,D项正确。
考点二硅和二氧化硅
【典例2】下列说法错误的是()
A.(2019新课标Ⅲ)高纯硅可用于制作光感电池
B.(2019江苏)SiO2熔点高硬度大,可用于制光导纤维
C.(2019浙江)天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅
D.(2018天津)汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器,其主要原料为黏士
【答案】B
【解析】硅是半导体,高纯硅可用于制作光感电池,A正确;SiO2传导光的能力非常强,用于制光导纤维,SiO2用于制光导纤维与SiO2熔点高硬度大没有对应关系,B错误;石英、水晶、硅石、沙子的主要成分均为二氧化硅,C正确;陶瓷的制造原料为黏土,D正确。
【变式2】(长春市实验中学2019届模拟)二氧化硅广泛存在于自然界中,在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。
a~e是对①~⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行的判断,其中正确的是( )
①SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O
②SiO2+2C
Si+2CO↑
③SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
④Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑
⑤SiO2+3C
SiC+2CO↑
a.反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗,用于刻蚀玻璃
b.反应②中SiO2表现出氧化性
c.反应③中SiO2表现出酸性氧化物的通性
d.反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理
e.反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应
A.ace B.bde
C.cdeD.ab
【答案】B
【解析】通常用氢氟酸来刻蚀玻璃,与之对应的是反应③,反应①中SiO2表现出酸性氧化物的通性,a、c判断错误;反应②是一个置换反应,其中二氧化硅被还原,表现出氧化性,b判断正确;反应④是一个复分解反应,用难挥发的二氧化硅制取易挥发的二氧化碳,d判断正确;反应⑤中碳的化合价由0价变为-4和+2价,硅的化合价和氧的化合价都没有改变,因此二氧化硅没有参加氧化还原反应,e判断正确。
考点三硅酸盐及其应用
【典例3】[2019新课标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
【解析】氧化铁为棕红色固体,瓷器的青色不可能来自氧化铁,故A错误;秦兵马俑是陶制品,陶制品是由粘土或含有粘土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的,故B正确;陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物,陶瓷的主要成分是硅酸盐,与水泥、玻璃等同属硅酸盐产品,故C正确;陶瓷的主要成分是硅酸盐,硅酸盐的化学性质不活泼,具有不与酸或碱反应、抗氧化的特点,故D正确。
【变式3】[2017·高考全国卷Ⅱ]水泥是重要的建筑材料。
水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2,并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。
实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示:
回答下列问题:
(1)在分解水泥样品过程中,以盐酸为溶剂,氯化铵为助溶剂,还需加入几滴硝酸。
加入硝酸的目的是_______________________________________________,还可使用____________代替硝酸。
(2)沉淀A的主要成分是____________,其不溶于强酸但可与一种弱酸反应,该反应的化学方程式为___________________________________________________________________________。
(3)加氨水过程中加热的目的是__________________________。
沉淀B的主要成分为____________、______________(写化学式)。
【解析】
(1)水泥熟料中的CaO和铁、铝、镁等金属的氧化物均能溶于盐酸,加入硝酸能将水泥样品中可能含有的Fe2+氧化为Fe3+,为了不引入新杂质,还可用H2O2代替硝酸。
(2)根据图示流程可知,不溶于盐酸和硝酸的沉淀A为SiO2(或H2SiO3),SiO2(或H2SiO3)能溶于弱酸氢氟酸,生成SiF4和H2O。
(3)加入氨水调节溶液的pH=4~5的过程中加热,能防止胶体生成,易沉淀分离,结合流程图可知,沉淀B的主要成分是Al(OH)3和Fe(OH)3。
【答案】
(1)将样品中可能存在的Fe2+氧化为Fe3+ H2O2
(2)SiO2(或H2SiO3) SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O(或H2SiO3+4HF===SiF4↑+3H2O)
(3)防止胶体生成,易沉淀分离 Al(OH)3 Fe(OH)3
考点四无机非金属材料
【典例4】[2019北京]下列我国科研成果所涉及材料中,主要成分为同主族元素形成的无机非金属材料的是
A.4.03米大口径碳化硅反射镜
B.2022年冬奥会聚氨酯速滑服
C.能屏蔽电磁波的碳包覆银纳米线
D.“玉兔二号”钛合金筛网轮
【答案】A
【解析】碳化硅(SiC)是由碳元素和硅元素组成的无机非金属材料,且碳元素与硅元素均位于元素周期表第IVA族,故A符合题意;聚氨酯为有机高分子化合物,不属于无机非金属材料,故B不符合题意;碳包覆银纳米材料属于复合材料,不属于无机非金属材料,且银不是主族元素,故C不符合题意;钛合金为含有金属钛元素的合金,其属于金属材料,不属于无机非金属材料,故D不符合题意;综上所述,本题应选A。
【变式4】(2019·北京市海淀区一模)平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了-20℃能发热4h的智能服饰;用铝合金管材和碳纤维制作了高2.35m、重量仅为10kg的熊猫木偶,向世界展现了新时代的中国形象。
下列说法中,不正确的是( )
A.石墨烯是能导热的金属材料
B.铝合金是密度较小的金属材料
C.碳纤维是耐低温的无机非金属材料
D.新型材料种类多、用途广
【答案】A
【解析】石墨烯是无机非金属材料,A错误;铝合金是密度较小的金属材料,B正确;石墨烯可制作-20℃能发热4h的服饰,能耐低温,C正确;新型材料种类多、用途广,D正确。
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