高考化学一轮复习碳硅及其化合物辅导讲义.docx
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高考化学一轮复习碳硅及其化合物辅导讲义
授课主题
碳、硅及其化合物
教学目的
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。
重、难点
二氧化硅性质
教学内容
1、课程导入
2、本节知识点讲解
考点一 碳、硅单质及氧化物
1.C、Si单质的存在形态、物理性质及用途
(1)自然界中的碳元素既有游离态,又有化合态,而硅元素因有亲氧性,所以仅有化合态。
碳单质主要有金刚石、石墨、C60等同素异形体,硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。
(2)单质的结构、物理性质与用途比较
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
金刚石用作切割刀具,石墨用作电极、铅笔芯
晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池
2.碳、硅单质的化学性质——还原性
碳、硅的最外层都是4个电子,位于元素周期表的第ⅣA族,不容易失也不容易得电子,通常化学性质稳定,但在一定条件下也能与许多物质发生化学反应,一般表现为还原性(如图)。
(1)碳的还原性
碳有重要的用途,除了在氧气中燃烧利用其热能外,还能用于金属冶炼(如铜)、制取粗硅、生产水煤气等,完成上图转化关系中①~④的化学方程式。
①CO2+C2CO;
②SiO2+2CSi+2CO↑;
③C+H2O(g)CO+H2;
④2CuO+C2Cu+CO2↑。
碳的还原性还表现为可将强氧化性的浓硫酸、浓硝酸分别还原为SO2和NO2,本身被氧化为CO2。
(2)硅的化学性质不活泼,在常温下只能与氟气(F2)、氢氟酸(HF)、强碱反应,不能与氢气、氧气、氯气、硫酸、硝酸反应,加热时能与氧气、氯气反应。
完成上图转化关系中⑥~⑧的化学方程式。
⑥Si+2Cl2SiCl4;
⑦Si+2F2===SiF4;
⑧Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
3.二氧化硅和二氧化碳的比较
物质
二氧化硅
二氧化碳
结构
立体网状结构,不存在单个分子
存在单个CO2分子
主要物理性质
硬度大,熔、沸点高,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+H2OH2CO3
与酸反应
只与氢氟酸反应:
SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
不反应
与碱(NaOH)
反应
SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)
CO2少量:
CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O;
CO2过量:
CO2+NaOH===NaHCO3
与盐反应
如与Na2CO3反应:
SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑
如与Na2SiO3反应:
Na2SiO3+H2O+CO2(不足)===H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2H2O+2CO2(足量)===H2SiO3↓+2NaHCO3
与碱性氧化物反应
如与CaO反应:
SiO2+CaOCaSiO3
如与Na2O反应:
Na2O+CO2===Na2CO3
用途
光导纤维、光学仪器、电子部件
制饮料、制碳酸盐
例题解析
1.正误判断,正确的打“√”,错误的打“×”
(1)12C、13C、14C是碳的三种同素异形体()
(2)硅在自然界中只以化合态的形式存在()
(3)晶体硅熔点高硬度大,故可用于制作半导体材料()
(4)Si和SiO2都可用于制造光导纤维()
(5)非金属性:
C>Si,则热稳定性:
CH4>SiH4()
(6)SiO2是酸性氧化物,可溶于强碱(NaOH),不溶于任何酸()
2.写出除去下列气体中混有的杂质(括号内为杂质)可采取的方法:
(1)CO(CO2):
____________________________________________________________。
(2)CO2(CO):
____________________________________________________________。
(3)CO2(HCl):
___________________________________________________________。
4.写出除去下列固体粉末中混有杂质(括号内为杂质)可采取的方法,写出有关反应的方程式。
(1)CaCO3(SiO2)___________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)SiO2(CaCO3)___________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)SiO2(NH4Cl)___________________________________________________________
________________________________________________________________________。
巩固练习
题组一 碳及氧化物的性质及应用
1.近年来科学家制造出大量的新物质,对下列三种物质的相关说法错误的是( )
石墨烯:
从石墨中分离出来,是最薄、最坚硬的纳米材料
石墨炔:
平面网状结构的全碳分子,具有优良的化学稳定性
纳米碳管:
具有优良的场发射性能,制作阴极显像管、储氢材料
A.石墨烯具有良好的导电性
B.上述三种物质与金刚石互为同素异形体
C.石墨炔孔径略大于H2分子的直径,可作H2的提纯薄膜
D.上述三种物质与浓硫酸都能发生反应,但反应产物不同
2.下列关于碳和碳的化合物的说法不正确的是( )
A.过多CO2排放会导致“温室效应”,应提倡“低碳生活”
B.一氧化碳易与血液中的血红蛋白结合
C.金刚石和石墨都是碳单质,但原子排列方式不同,物理性质差别很大
D.石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应
题组二 硅和二氧化硅的特性
3.硅及其化合物的应用范围很广。
下列说法正确的是( )
A.硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B.粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应
C.反应Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑中,Si为还原剂,NaOH和H2O为氧化剂
D.硅能与氢氟酸反应,则硅可以与盐酸反应
4.由下列实验事实得出的结论正确的是( )
A.由SiO2不能与水反应生成H2SiO3,可知SiO2不是H2SiO3的酸酐
B.由SiO2+2CSi+2CO↑,可知碳的非金属性大于硅
C.CO2通入Na2SiO3溶液产生白色沉淀,可知酸性H2CO3>H2SiO3
D.SiO2可与NaOH溶液反应,也可与氢氟酸反应,可知SiO2为两性氧化物
5.二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+2CSi+2CO↑
③SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
④Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑
⑤SiO2+3CSiC+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表现了酸性氧化物的通性
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.aceB.bdeC.cdeD.ab
熟记硅及其化合物的特殊性质
(1)硅单质的特殊性
①Si的还原性大于C,但C却能在高温下还原出Si:
SiO2+2CSi+2CO↑;
②非金属单质一般不跟非氧化性酸反应,但Si能与HF反应:
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑;
③非金属单质大多为非导体,但Si为半导体。
(2)含硅化合物的特殊性
①SiO2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反应,但SiO2能跟HF反应:
SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O;
③无机酸一般易溶于水,但H2SiO3难溶于水;
④因H2CO3的酸性大于H2SiO3,所以在Na2SiO3溶液中通入少量CO2能发生下列反应:
Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,但在高温下SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑也能发生。
题组三 硅的制取方法
6.从石英砂制取高纯硅的主要化学反应如下:
①SiO2+2CSi(粗)+2CO↑
②Si(粗)+2Cl2SiCl4
③SiCl4+2H2Si(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
在设计制备纯硅的实验题中,常遇到的知识点有:
(1)高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅:
SiO2+2CSi(粗)+2CO↑
(2)粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3:
Si+3HClSiHCl3+H2
(3)粗硅与干燥Cl2反应制得SiCl4:
Si(粗)+2Cl2SiCl4
(4)SiHCl3与过量H2在高温下反应制得纯硅:
SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl
(5)SiCl4与过量H2在高温下反应制得纯硅:
SiCl4+2H2Si(纯)+4HCl
(6)SiO2+2Mg2MgO+Si
(7)SiHCl3、SiCl4能与水发生反应:
SiHCl3+3H2O===H2SiO3↓+3HCl+H2↑ SiCl4+3H2O===H2SiO3↓+4HCl
(8)SiH4在空气中易自燃:
SiH4+2O2===SiO2+2H2O
本节知识点讲解
考点二 硅酸盐及无机非金属材料
1.硅酸和硅酸钠
(1)硅酸
硅酸不溶于水,其酸性比碳酸弱,硅酸不能(填“能”或“不能”)使紫色石蕊溶液变红色。
①硅酸不稳定,受热易分解:
H2SiO3SiO2+H2O。
②硅酸能与碱溶液反应,如与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3+2NaOH===Na2SiO3+2H2O。
③硅酸在水中易聚合形成胶体。
硅胶吸附水分能力强,常用作干燥剂。
(2)硅酸钠(Na2SiO3)
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它能与酸性比硅酸强的酸反应,分别写出以下化学方程式:
与盐酸反应:
Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓。
与CO2水溶液反应:
Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3。
③用途:
黏合剂(矿物胶),耐火阻燃材料。
2.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+SiO2Na2SiO3+CO2↑;CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。
(2)新型无机非金属材料,如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。
深度思考
1.正误判断,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)传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料( )
(4)光导纤维、碳纳米管、氮化硅结构陶瓷等都是新型无机非金属材料( )
(5)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( )
(6)普通玻璃、石英玻璃、水泥、玛瑙都属于硅酸盐产品( )
题组一 无机非金属材料的组成性质及应用
1.下列关于硅材料的说法不正确的是( )
要练说,得练听。
听是说的前提,听得准确,才有条件正确模仿,才能不断地掌握高一级水平的语言。
我在教学中,注意听说结合,训练幼儿听的能力,课堂上,我特别重视教师的语言,我对幼儿说话,注意声音清楚,高低起伏,抑扬有致,富有吸引力,这样能引起幼儿的注意。
当我发现有的幼儿不专心听别人发言时,就随时表扬那些静听的幼儿,或是让他重复别人说过的内容,抓住教育时机,要求他们专心听,用心记。
平时我还通过各种趣味活动,培养幼儿边听边记,边听边想,边听边说的能力,如听词对词,听词句说意思,听句子辩正误,听故事讲述故事,听谜语猜谜底,听智力故事,动脑筋,出主意,听儿歌上句,接儿歌下句等,这样幼儿学得生动活泼,轻松愉快,既训练了听的能力,强化了记忆,又发展了思维,为说打下了基础。
A.钢化玻璃与普通玻璃的主要成分基本相同
B.制普通玻璃的原料是石灰石、纯碱和石英砂
C.陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料
D.水玻璃是纯净物,可用于生产黏合剂和防火剂
2.硅是构成无机非金属材料的一种主要元素,下列有关硅的化合物的叙述错误的是( )
A.氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料,其化学式为Si3N4
B.碳化硅(SiC)的硬度大,熔点高,可用于制作高温结构陶瓷和轴承
C.光导纤维是一种新型无机非金属材料,其主要成分为SiO2
D.二氧化硅为立体网状结构,其晶体中硅原子和硅氧单键个数之比为1∶2
3.化学家Seidel指出Si与NaOH溶液的反应,首先是Si与OH-反应,生成SiO,然后SiO迅速水解生成H4SiO4。
下列有关说法正确的是( )
A.原硅酸钠(Na4SiO4)能迅速水解,且水解后呈碱性,故Na4SiO4为弱电解质
B.石英玻璃、普通玻璃、陶瓷及水泥均属于硅酸盐产品
C.2HCl+Na2SiO3===H2SiO3↓+2NaCl说明Cl的非金属性强于Si
D.半导体工业所说的“从沙滩到用户”是指将二氧化硅制成晶体硅
题组二 复杂硅酸盐的成分及性质
4.和田玉在我国至少有7000年的历史,也称为软玉,是我国玉文化的主体。
和田玉是一种具有链状结构的含水钙镁硅酸盐,某种和田玉的化学成分为Ca2Mg3Fe2(Si4O11)2(OH)2,下列有关叙述正确的是( )
A.其化学式改写为氧化物的形式为2CaO·3MgO·Fe2O3·8SiO2·H2O
B.它能够抵抗任何酸碱的腐蚀
C.其中铁元素的化合价为+3
D.其中铁元素的化合价为+2
5.(2019·新疆伊犁质检)寿山石主要成分为叶蜡石,叶蜡石组成为Al2O3·4SiO2·H2O,下列观点不正确的是( )
A.寿山石雕刻作品要避免与酸、碱接触
B.寿山石颜色丰富多彩是因为含有不同形态的金属氧化物
C.潮湿的空气可能导致寿山石作品表面溶解变质
D.久置于干燥空气中可能会导致寿山石作品脱水变质
6.硅与铝同周期。
SiO2是硅酸盐玻璃(Na2CaSi6O14)的主要成分,Na2CaSi6O14也可写成Na2O·CaO·6SiO2。
盛放NaOH溶液的试剂瓶若用玻璃瓶塞容易形成黏性的硅酸盐而无法打开,发生反应的化学方程式为__________________________________________________
________________________________________________________________________。
长石是铝硅酸盐,不同类长石其氧原子的物质的量分数相同。
由钠长石的化学式NaAlSi3O8可推知钙长石的化学式为__________________________________________________。
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,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。
三、当堂检测
1.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
2.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
3.综合利用CO2、CO对构建低碳社会有重要意义。
(1)Li2O、Na2O、MgO均能吸收CO2。
如果寻找吸收CO2的其他物质,下列建议合理的是________(填字母)。
A.可在碱性氧化物中寻找
B.可在ⅠA、ⅡA族元素形成的氧化物中寻找
C.可在具有强氧化性的物质中寻找
(2)Li4SiO4可用于吸收、释放CO2,原理是在500℃,CO2与Li4SiO4接触后生成Li2CO3;平衡后加热至700℃,反应逆向进行,放出CO2,Li4SiO4再生,写出CO2与Li4SiO4反应的化学方程式:
______________________________________________________________
________________________________________________________________________;
该反应为________(填“吸”或“放”)热反应,原因是_________________________
________________________________________________________________________。
(3)CO和铁粉在一定条件下可以合成五羰基合铁[Fe(CO)5],该物质可用作无铅汽油的防爆剂,是一种浅黄色液体,熔点-20.5℃,沸点103℃,易溶于苯等有机溶剂,不溶于水,密度1.46~1.52g·cm-3,有毒,光照时生成Fe2(CO)9,60℃发生自燃,五羰基合铁的制备原理如下:
Fe(s)+5CO(g)Fe(CO)5(g)
①下列说法正确的是________(填字母)。
A.利用上述反应原理可制备高纯铁
与当今“教师”一称最接近的“老师”概念,最早也要追溯至宋元时期。
金代元好问《示侄孙伯安》诗云:
“伯安入小学,颖悟非凡貌,属句有夙性,说字惊老师。
”于是看,宋元时期小学教师被称为“老师”有案可稽。
清代称主考官也为“老师”,而一般学堂里的先生则称为“教师”或“教习”。
可见,“教师”一说是比较晚的事了。
如今体会,“教师”的含义比之“老师”一说,具有资历和学识程度上较低一些的差别。
辛亥革命后,教师与其他官员一样依法令任命,故又称“教师”为“教员”。
B.制备Fe(CO)5应在隔绝空气的条件下进行
C.反应Fe(s)+5CO(g)Fe(CO)5(g)的平衡常数表达式为
D.Fe(CO)5应密封、阴凉、避光并加少量蒸馏水液封贮存
②五羰基合铁能与氢氧化钠溶液反应生成Na2Fe(CO)4和另两种常见无机物,该反应的化学方程式为___________________________________________________________________。
(4)如图所示,利用缺铁氧化物(如Fe0.9O)可实现CO2的综合利用、构建低碳环保社会
①过程Ⅰ反应中二氧化碳做________(填“氧化”或“还原”)剂,每生成3mol的Fe3O4可转化CO2的体积为__________________________(标准状况)。
②请说明该转化的优点_____________________________________________________。
唐宋或更早之前,针对“经学”“律学”“算学”和“书学”各科目,其相应传授者称为“博士”,这与当今“博士”含义已经相去甚远。
而对那些特别讲授“武事”或讲解“经籍”者,又称“讲师”。
“教授”和“助教”均原为学官称谓。
前者始于宋,乃“宗学”“律学”“医学”“武学”等科目的讲授者;而后者则于西晋武帝时代即已设立了,主要协助国子、博士培养生徒。
“助教”在古代不仅要作入流的学问,其教书育人的职责也十分明晰。
唐代国子学、太学等所设之“助教”一席,也是当朝打眼的学官。
至明清两代,只设国子监(国子学)一科的“助教”,其身价不谓显赫,也称得上朝廷要员。
至此,无论是“博士”“讲师”,还是“教授”“助教”,其今日教师应具有的基本概念都具有了。
4.晶体硅是一种重要的非金属材料,制备纯硅的主要步骤如下:
单靠“死”记还不行,还得“活”用,姑且称之为“先死后活”吧。
让学生把一周看到或听到的新鲜事记下来,摒弃那些假话套话空话,写出自己的真情实感,篇幅可长可短,并要求运用积累的成语、名言警句等,定期检查点评,选择优秀篇目在班里朗读或展出。
这样,即巩固了所学的材料,又锻炼了学生的写作能力,同时还培养了学生的观察能力、思维能力等等,达到“一石多鸟”的效果。
Ⅰ.高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅;
Ⅱ.粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3:
Si+3HClSiHCl3+H2;
Ⅲ.SiHCl3与过量H2在1100℃反应制得纯硅,已知SiHCl3能与H2O强烈反应,在空气中易自燃。
请回答下列问题:
(1)第Ⅰ步制备粗硅的化学反应方程式为_______________________________________
________________________________________________________________________。
(2)粗硅与HCl反应完全后,经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6℃)和HCl(沸点84.7℃),提纯SiHCl3采用的方法为__________。
(3)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图(热源及夹持装置略去):
①装置B中的试剂是________,装置C中的烧瓶需要加热,其目的是_____________
________________________________________________________________________。
②反应一段时间后,装置D中观察到的现象
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