届一轮复习人教版 碳硅及无机非金属材料 学案.docx

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届一轮复习人教版碳硅及无机非金属材料学案

第14讲　碳、硅及无机非金属材料

考纲要求

1.掌握C、Si元素单质及其重要化合物的主要性质及应用。

2．了解C、Si元素单质及其重要化合物对环境质量的影响。

3．以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用。

考点一　应用广泛的非金属单质——碳、硅

1．碳、硅元素在自然界中的存在形态

（1）碳：

既有游离态又有化合态。

（2）硅：

只有化合态。

硅在地壳中的含量排第二位。

2．碳、硅单质的结构、物理性质与用途的比较

碳

硅

结构

金刚石：

空间网状结构石墨：

层状结构

晶体硅：

与金刚石类似的空间网状结构

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

金刚石用于制造切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯

晶体硅用作半导体材料，制造硅芯片和硅太阳能电池

3.碳、硅单质的化学性质

4．硅的工业制法

（1）粗硅的制备原理：

SiO2＋2C

Si＋2CO

（2）粗硅提纯原理

①Si（粗）＋2Cl2

SiCl4

②SiCl4＋2H2

Si＋4HCl

1．（RJ必修1·P81,9改编）单晶硅是制作电子集成电路的基础材料，对硅的纯度要求很高。

用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为①SiO2＋2C

Si＋2CO↑

②Si＋2Cl2

SiCl4　③SiCl4＋2H2

Si＋4HCl。

下列对上述三个反应的叙述不正确的是（　　）

A．①③为置换反应

B．②为化合反应

C．①②③均为氧化还原反应

D．三个反应的反应物中硅元素均被还原

答案：

　D

2．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）金刚石和石墨物理性质有较大差别的原因是碳原子的排列不同（　　）

（2）Si和SiO2都可用于制造光导纤维（　　）

（3）碳燃烧可生成CO或CO2，但硅与氧气反应只能生成SiO2（　　）

（4）非金属性：

C>Si，则稳定性CH4>SiH4（　　）

（5）晶体硅熔点高硬度大，故可用于制作半导体材料（　　）

（6）12C、13C、14C是碳的三种同素异形体（　　）

答案：

（1）√　

（2）×　（3）√　（4）√　（5）×　（6）×

3．将碳、硅的单质和其物理性质或用途用短线连接起来。

答案：

（1）—③　

（2）—①　（3）—⑤　（4）—②　（5）—④

考向一　硅单质的性质及应用

1．下列物质能与单质硅起化学反应的是（　　）

①浓硝酸　②水　③浓硫酸　④氢氟酸　⑤氢氧化钠溶液

A．①②　　　　　　B．②④

C．④⑤D．③④

解析：

　Si与水、浓H2SO4、浓HNO3均不发生反应，但Si能与氢氟酸、NaOH溶液反应放出H2。

答案：

　C

2．硅被誉为无机非金属材料的主角。

有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”。

下列有关说法中正确的是（　　）

A．硅的含量居第二位，在地球上有丰富的单质硅资源，如石英、水晶、玛瑙的主要成分都是单质硅

B．硅相对于氢气便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是有开发价值的燃料

C．存放NaOH溶液的试剂瓶应用细口玻璃瓶并配磨口玻璃塞

D．硅是一种良好的半导体材料，所以是制造光导纤维的基本原料

解析：

　硅在自然界中全部以化合物的形式存在，石英、水晶、玛瑙的主要成分都是二氧化硅，A不正确；C不正确，应该用橡皮塞；D不正确，制造光导纤维的是二氧化硅，答案选B。

答案：

　B

速记卡片

熟记硅单质的特性

（1）Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：

SiO2＋2C

Si＋2CO↑。

（2）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↑。

（3）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↑。

（4）非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。

考向二　硅的工业制法

3．制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。

三氯甲硅烷（SiHCl3）还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：

（1）写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（2）整个制备过程必须严格控制无水无氧。

SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出该反应的化学方程式

________________________________________________________________________；

H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：

（1）H2还原SiHCl3得到Si和HCl。

（2）SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，依据原子守恒，判断另一物质是H2。

因H2还原SiHCl3的反应条件是高温（1357K），若混入O2，则H2与O2混合加热可能发生爆炸，同时，O2也可能氧化SiHCl3。

答案：

（1）SiHCl3＋H2

Si＋3HCl

（2）SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl↑＋H2↑

氧气与氢气混合，可能引起爆炸；氧气可能会氧化SiHCl3

速记卡片

提纯粗硅的两种方法

方法一　Si＋2Cl2

SiCl4，

SiCl4＋2H2

Si＋4HCl。

方法二　Si＋3HCl

SiHCl3＋H2，

SiHCl3＋H2

Si＋3HCl

考点二　碳和硅的化合物

1．CO的性质

（1）物理性质：

无色无味的气体，难溶于水。

能使人中毒的原因是与人体中血红蛋白相结合，因缺氧而中毒。

（2）化学性质

①可燃性：

2CO＋O2

2CO2。

②还原性：

CO还原Fe2O3的反应为Fe2O3＋3CO

2Fe＋3CO2。

2．CO2与SiO2的结构、物理性质比较

（1）结构：

二氧化碳是由分子构成的；二氧化硅是由原子构成的空间网状结构，不存在单个分子。

（2）熔沸点：

CO2的熔沸点比SiO2的熔沸点低。

（3）溶解性：

CO2可溶于水；SiO2不溶于水。

3．二氧化碳和二氧化硅的比较

物质

二氧化硅

二氧化碳

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

与碱反应

SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（盛碱液的试剂瓶不能用玻璃塞）

CO2少量：

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O

CO2过量：

CO2＋NaOH===NaHCO3

与盐反应

如与Na2CO3反应：

SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑

如与Na2SiO3反应：

Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3或Na2SiO3＋2H2O＋2CO2（足量）===H2SiO3↓＋2NaHCO3

与碱性氧化物反应

如与CaO反应：

SiO2＋CaO

CaSiO3

如与Na2O反应：

CO2＋Na2O===Na2CO3

用途

光导纤维、光学仪器、电子部件

制饮料、制碳酸盐

Si的还原性强于C，但C能还原SiO2生成Si，且氧化产物为CO：

2C＋SiO2

Si＋2CO↑，其原因是产物CO为气体，它的放出降低了生成物浓度，促使反应向正反应方向进行。

且该反应必须在隔绝空气的条件下进行。

4．硅酸

（1）物理性质：

不溶于水。

（2）化学性质

H2SiO3—

（3）用途：

硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。

1．（RJ必修1·P81,10改编）下列关于碳、硅的叙述正确的是（　　）

A．碳、硅都是ⅣA族元素，它们在自然界中都以化合态形式存在

B．二氧化碳、二氧化硅的物理性质相似

C．二氧化碳、二氧化硅都是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应生成相应的盐

D．高纯度的二氧化硅用于制造半导体材料

答案：

　C

2．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）将足量CO2通入含K＋、SiO

、Cl－、NO

的溶液中，离子将不能大量共存（　　）

（2）常温下，SiO2既能与KOH溶液反应又能与稀盐酸反应（　　）

（3）SiO2分子是由一个硅原子和两个氧原子构成（　　）

（4）Si→SiO2→H2SiO3均能一步转化（　　）

（5）不能用瓷坩埚来加热烧碱或纯碱使其熔化（　　）

（6）SiO2有导电性，所以SiO2可用于制备光导纤维（　　）

答案：

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）√　（6）×

3．有人认为SiO2既能与酸反应又能与碱反应，所以认为它是一种两性氧化物，你同意这种看法吗？

答案：

　该看法是错误的。

SiO2和碱溶液反应体现了SiO2为酸性氧化物的性质，但SiO2与氢氟酸反应时并没有生成盐，另外其他酸难与SiO2反应，故SiO2不具备两性氧化物的性质，不属于两性氧化物。

4．（LK必修1·P144,2改编）在工业中利用镁制取硅2Mg＋SiO2

2MgO＋Si，同时有副反应发生：

2Mg＋Si

Mg2Si，Mg2Si遇盐酸迅速反应生成SiH4（硅烷），SiH4在常温下是一种不稳定、易分解、可自燃的气体。

如图是进行Mg与SiO2反应的实验装置：

（1）由于氧气的存在对该实验有较大影响，实验中应通入气体X作为保护气，试管中的固体药品可选用________（填序号）。

a．石灰石B．锌粒　　　c．纯碱

（2）实验开始时，必须先通入X气体一段时间，再加热反应物，其理由是

________________________________________________________________________；

当反应开始后，移走酒精灯，反应能继续进行，其原因是

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）反应结束后，待冷却至常温时，往反应后的混合物中加入稀盐酸，可观察到闪亮的火星。

产生此现象的原因用化学方程式表示为

①________________________________________________________________________，

②________________________________________________________________________。

答案：

（1）b

（2）防止在加热条件下H2和O2混合发生爆炸　SiO2和Mg的反应是放热反应

（3）①Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑

②SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O

考向一　SiO2的性质及用途

1．下列说法正确的是（　　）

A．在粗硅的制取中发生2C＋SiO2

2CO↑＋Si，硅被还原，所以碳的还原性强于硅的还原性

B．盛放NaOH溶液时，使用带玻璃塞的磨口瓶

C．用SiO2制取硅酸，应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应，然后再通入CO2

D．由Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑可知，硅酸的酸性强于碳酸

解析：

　选项A、D的反应在高温下均生成了气体，使平衡正移，致使反应能顺利进行，但不能说明C、Si的还原性强弱，也不能说明H2SiO3与H2CO3酸性的强弱，故错误；NaOH能与玻璃成分中的SiO2反应生成Na2SiO3而使瓶塞粘在一起。

由SiO2制取H2SiO3的过程为：

SiO2

Na2SiO3

H2SiO3。

答案：

　C

2．指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在A～E选项中选择正确答案填入括号内。

（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（　　）

（2）SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑（　　）

（3）SiO2＋2C

Si＋2CO↑（　　）

（4）SiO2＋3C

SiC＋2CO↑（　　）

（5）SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O（　　）

A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀

B．氧化性

C．酸性氧化物的通性

D．将挥发性的酸酐从其盐中置换出来

E．未参加氧化还原反应

答案：

（1）C　

（2）D　（3）B　（4）E　（5）A

速记卡片

SiO2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。

考向二　CO2与盐或碱溶液反应的规律

3．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

4．标准状况下，将3.36LCO2气体通入200mL1.00mol·L－1NaOH溶液中，充分反应后溶液中c（CO

）与c（HCO

）的比值为（不考虑CO

、HCO

的水解）（　　）

A．1∶1　　　　　　　　B．1∶2

C．2∶1D．1∶3

解析：

　n（CO2）＝

＝0.15mol，n（NaOH）＝0.2L×1.00mol·L－1＝0.2mol

由于1<

<2，故二者完全反应生成含Na2CO3和NaHCO3的混合溶液

设n（Na2CO3）＝x，n（NaHCO3）＝y

则有

解得x＝0.05mol，y＝0.1mol

答案：

　B

速记卡片

CO2与NaOH溶液反应产物的判断

（1）将CO2通入一定量的NaOH溶液中至过量的反应原理：

①转化示意图：

NaOH

Na2CO3

NaHCO3

②有关化学方程式：

Ⅰ.2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O

Ⅱ.Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3

（2）反应后溶质成分的判断：

[拓展]

将足量CO2通入KOH和Ca（OH）2的混合稀溶液中，在给定的坐标系中，画出生成沉淀的物质的量（n）和通入CO2体积（V）的关系。

答案：

考点三　硅酸盐及无机非金属材料

1．硅酸盐

（1）由硅、氧和金属元素组成化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。

（2）硅酸钠

Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓

硅酸钠水溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。

（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，

钾长石（KAlSi3O8）可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。

2．无机非金属材料

（1）传统无机非金属材料

水泥

玻璃

陶瓷

生产原料

黏土、石灰石

纯碱、石灰石、石英

黏土

主要设备

水泥回转窑

玻璃熔炉

陶瓷窑

生产条件

高温

（2）玻璃的生产

①反应原理：

SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑

SiO2＋CaCO3

CaSiO3＋CO2↑

②主要成分：

SiO2、CaSiO3、Na2SiO3。

（3）特殊功能的含硅物质

①碳化硅具有金刚石结构，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

如高温陶瓷、压电陶瓷、生物陶瓷、光导纤维等。

（1）氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构，切不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。

（2）NaOH溶液可以用玻璃瓶盛放，但不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶。

1．（LK必修1·P113,1改编）世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：

“至少在距今3000年以前，中国就已经使用玻璃了。

”下列关于普通玻璃的叙述中，正确的是（　　）

A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐材料

B．玻璃在加热熔化时有固定的熔点

C．制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英

D．普通玻璃的成分主要是Na2O、CaO和SiO2

答案：

　C

2．判断正误（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）玻璃是一种晶体，有较高的熔点（　　）

（2）水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱（　　）

（3）向一定浓度的Na2SiO3溶液中通入适量CO2出现白色沉淀，证明H2SiO3的酸性比H2CO3的酸性强（　　）

（4）传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料（　　）

（5）新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的许多缺点（　　）

（6）高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点（　　）

（7）传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）√　（5）√　（6）√

（7）×

3．探究由SiO2制取H2SiO3的最佳方案（用流程图表示）。

答案：

　SiO2

Na2SiO3溶液

H2SiO3。

考向一　硅酸盐

1．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带磨口玻璃塞的试剂瓶中

B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑，两个反应是相互矛盾的，不可能都能发生

C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料

D．祖母绿的主要成分为Be3Al2Si6O18，用氧化物形式表示为3BeO·Al2O3·6SiO2

答案：

　D

2．（2016·湖北大联考）将足量CO2气体通入水玻璃中，然后蒸干，再在高温下充分灼烧，最后所得固体物质是（　　）

A．Na2SiO3　　　　　B．Na2CO3、Na2SiO3

C．Na2CO3、SiO2D．SiO2

解析：

　CO2与水玻璃反应生成Na2CO3（NaHCO3）和H2SiO3，在高温条件下H2SiO3变为SiO2，NaHCO3变为Na2CO3，Na2CO3与SiO2又反应生成Na2SiO3和CO2，所以最后得到的固体物质是Na2SiO3，故A项正确。

答案：

　A

速记卡片

硅酸盐改写成氧化物形式的方法

（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。

（2）氧化物前计量数的配置原则：

除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置计量数，且不同氧化物间以“·”隔开。

（3）当计量数配置出现分数时应化为整数。

如钾长石：

KAlSi3O8不能写成

K2O·

Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。

考向二　无机非金属材料

3．下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是（　　）

①硅是非金属元素，但硅单质能导电　②水泥、玻璃、沙子都是硅酸盐制品　③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维

④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料

A．①②B．②③

C．①④D．③④

解析：

　光导纤维、沙子的主要成分均是SiO2。

答案：

　C

4．氮化硅（Si3N4）是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮气在1300℃时反应获得。

（1）根据性质，推测氮化硅陶瓷的用途是________（填序号）。

A．制汽轮机叶片B．制有色玻璃

C．制永久性模具D．制陶瓷发动机

（2）氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除氢氟酸外，它不与其他无机酸反应。

该陶瓷被氢氟酸腐蚀的化学方程式：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）现用SiCl4和N2（在H2气氛下），加强热发生反应，可获得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

解析：

　由Si3N4的硬度大、熔点高、化学性质稳定，可知Si3N4的用途符合A项、C项、D项。

答案：

（1）ACD　

（2）Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑（或Si3N4＋16HF===3SiF4↑＋4NH4F）

（3）3SiCl4＋2N2＋6H2

Si3N4＋12HCl

速记卡片

无机非金属材料分类

无机非金属材料

[天津高考题]晶体硅（熔点1410℃）是良好的半导体材料。

由粗硅制纯硅的过程如下：

Si（粗）

SiCl4

SiCl4（纯）

Si（纯）

[高考还可以这样考]

（1）工业上用焦炭与石英砂在高温下反应制取粗硅，其反应的化学方程式为

________________________________________________________________________。

上述反应中的氧化剂是________，还原剂是______。

（2）用焦炭和石英砂制取粗硅为什么要隔绝空气进行？

________________________________________________________________________。

（3）粗硅与Cl2加热到460℃时发生反应，写出该反应的化学方程式

________________________________________________________________________。

（4）在1100℃时，SiCl4被H2还原的化学方程式为

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（5）如何通过实验除去SiO2中混有少量的CaC