高中化学碳硅知识.docx
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高中化学碳硅知识
碳、硅及其化合物
教学目标:
1.了解碳元素、硅元素的单质的主要性质及应用。
2.了解碳元素、硅元素的重要化合物的主要性质及应用。
3.了解碳元素、硅元素的单质及其重要化合物对环境质量的影响。
教学重难点:
了解碳元素、硅元素的重要化合物的主要性质及应用
教学过程:
考点一 碳、硅及其重要化合物的性质
1.碳、硅元素的存在形态
(1)碳元素在自然界中既有游离态又有化合态。
碳的同素异形体有金刚石、石墨、无定形碳、C60等。
(2)硅元素在地壳中的含量占第二位,仅次于氧元素,全部以化合态存在,是一种亲氧元素,单质硅有晶体和无定形两种。
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
(1)碳
(2)硅
①与F2反应:
Si+2F2===SiF4。
②与氢氟酸反应:
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
③与NaOH溶液反应:
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
④与O2反应:
Si+O2
SiO2。
⑤与Cl2反应:
Si+2Cl2
SiCl4。
硅的工业制法
碳、硅单质的特殊性
1.一般情况下,非金属元素的单质熔、沸点低,硬度小,但晶体硅、金刚石熔、沸点高,硬度大,其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。
2.一般情况下,非金属单质为绝缘体,但硅为半导体,石墨为电的良导体。
3.Si的还原性大于C,但C在高温下能还原出Si:
SiO2+2C
Si+2CO↑。
4.非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂,且无氢气放出,但硅与强碱溶液反应只作还原剂,且放出氢气:
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
5.非金属单质一般不与非氧化性酸反应,但硅能与HF反应:
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
6.一般情况下,金属(Na、K)能置换出水中的氢,但C在高温下也能置换出H2O中的氢:
C+H2O(g)
H2+CO。
物质
二氧化硅
二氧化碳
结构
空间立体网状结构,不存在单个分子
存在单个分子
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
①与水
反应
不反应
CO2+H2OH2CO3
②与酸
反应
只与氢氟酸反应:
SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
不反应
③与碱
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
④与盐
反应
如与Na2CO3反应:
SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑
如与Na2SiO3反应:
Na2SiO3+H2O+CO2(不足)===H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2H2O+2CO2(足量)===H2SiO3↓+2NaHCO3
⑤与碱
性氧化
物反应
如与CaO反应:
SiO2+CaO
CaSiO3
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
碳、硅单质的特殊性
1.一般情况下,非金属元素的单质熔、沸点低,硬度小,但晶体硅、金刚石熔、沸点高,硬度大,其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。
2.一般情况下,非金属单质为绝缘体,但硅为半导体,石墨为电的良导体。
3.Si的还原性大于C,但C在高温下能还原出Si:
SiO2+2C
Si+2CO↑。
4.非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂,且无氢气放出,但硅与强碱溶液反应只作还原剂,且放出氢气:
Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
5.非金属单质一般不与非氧化性酸反应,但硅能与HF反应:
Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
6.一般情况下,金属(Na、K)能置换出水中的氢,但C在高温下也能置换出H2O中的氢:
C+H2O(g)
H2+CO。
1.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”
(1)用活性炭去除冰箱中的异味,没有发生化学反应( )
(2)大量燃烧化石燃料是造成雾霾的一种重要原因( )
(3)硅胶可作袋装食品的干燥剂( )
(4)金刚石、白磷都属于单质( )
(5)由于晶体硅熔点高硬度大,则可用于制作半导体材料( )
(6)甲
乙
丙,若甲为焦炭,则丁可能是O2( )
(7)SiO2可与HF反应,因而氢氟酸不能保存在玻璃瓶中( )
(8)高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅( )
(9)单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料( )
(10)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料( )
(11)SiO2有导电性,所以SiO2可用于制备光导纤维( )
(12)(12)硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中( )
答案
(1)√
(2)√ (3)√ (4)√ (5)× (6)√ (7)√ (8)√ (9)√ (10)× (11)× (12)×
题组1 碳、硅单质的性质
1.下列关于碳和硅的叙述中,正确的是( )。
A.其氧化物都能与NaOH溶液反应B.其单质在加热时都能跟O2反应
C.其氧化物都能溶于水生成相应的酸D.碳和硅两种元素共有两种单质
2.下列物质间的转化不能通过一步反应完成的是( )。
A.SiO2―→Si B.CO2―→C
C.SiO2―→H2SiO3 D.Si―→Na2SiO3
题组2 碳、硅氧化物的性质
3.下列说法正确的是( )。
A.反应:
SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑,说明H2SiO3的酸性大于H2CO3的酸性
B.可在试管内完成焦炭和石英砂(SiO2)制取硅的反应
C.二氧化硅是生产光导纤维、玻璃的基本原料
D.CO2、CH4、N2是温室气体
4.向含有molNaOH和molBa(OH)2的溶液中持续稳定地通入CO2气体,当通入气体为L(0℃,×105Pa)时立即停止,则这一过程中,溶液中离子的物质的量与通入CO2气体的体积关系图像正确的是(气体的溶解和离子的水解忽略不计)( )。
BCCC
考点二 硅酸盐及无机非金属材料
1.硅酸
硅酸难溶于水,其酸性比碳酸弱,硅酸不能(填“能”或“不能”)使紫色石蕊试液变红色。
(1)硅酸不稳定,受热易分解,其化学方程式为:
H2SiO3
SiO2+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,硅胶有很强的吸水能力,常用作干燥剂。
2.硅酸盐
(1)概念:
由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称,是构成地壳岩石的主要成分。
(2)表示方法:
硅酸盐矿物的成分复杂,常用氧化物的形式表示它们的组成,如硅酸钠(Na2SiO3)写成Na2O·SiO2,钾云母(KH2Al3Si3O12)写成K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O。
(3)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它能与较强的酸反应,如与盐酸反应的化学方程式为:
Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓;与CO2水溶液反应的化学方程式为:
Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3。
③用途:
黏合剂(矿物胶),耐火阻燃材料。
3.无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料
①三种硅酸盐工业生产的比较:
水泥
玻璃
陶瓷
生产原料
石灰石、黏土
纯碱、石灰石和石英
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑
主要成分
3CaO·SiO2
2CaO·SiO2
3CaO·Al2O3
Na2SiO3
CaSiO3
SiO2
硅酸盐
生产条件
高温
②主要用途:
陶瓷、玻璃、水泥是主要建筑材料,也广泛应用于生活中。
(2)新型无机非金属材料
①高温结构陶瓷:
如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学侵蚀性和电绝缘性等。
②生物陶瓷:
对机体无排异反应,不会引起代谢作用异常。
③压电陶瓷:
具有压电效应。
2.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”。
(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H2CO3的酸性比H2SiO3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)水泥、玻璃、青花瓷、水晶、玛瑙都属于硅酸盐工业产品( )
(8)2MgO·SiO2中的酸根阴离子为SiO
( )
答案
(1)×
(2)× (3)√ (4)√ (5)√ (6)√ (7)× (8)×
[示向题组]
1.(2014·济南联考)下列有关硅及硅酸盐材料的说法正确的是( )。
A.硅酸钠属于盐,不属于碱,所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中
B.反应①Na2SiO3+H2O+CO2===Na2CO3+H2SiO3↓,反应②Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑,两反应是相互矛盾的,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
2.(2014·郑州一模)材料与化学密切相关,表中对应关系错误的是( )。
材料
主要化学成分
A
刚玉、金刚石
三氧化二铝
B
大理石、石灰石
碳酸钙
C
普通水泥、普通玻璃
硅酸盐
D
沙子、石英
二氧化硅
3.下列物质性质与用途对应关系正确的是( )。
性质
用途
A
硅酸钠化学性质稳定
用作木材防火剂
B
硅胶具有吸附水分的能力
硅用作半导体材料
C
二氧化硅硬度大、熔点高
用氢氟酸在玻璃上刻花纹
D
焦炭具有可燃性
焦炭还原二氧化硅冶炼粗硅
4.(2013·海南卷,20-Ⅱ)硅在地壳中的含量较高。
硅及其化合物的开发由来已久,在现代生活中有广泛应用。
回答下列问题:
(1)1810年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、木炭和铁时,得到一种“金属”。
这种“金属”可能是________。
(2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。
其中,生产普通玻璃的主要原料有________。
(3)高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。
工业上提纯硅有多种路线,其中一种工艺流程示意图及主要反应如下:
发生的主要反应
电弧炉
SiO2+2C
Si+2CO↑
流化床反应器
Si+3HC
SiHCl3+H2
还原炉
SiHCl3+H2
Si+3HCl
①用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅,该反应的化学方程式为____________________;碳化硅又称________,其晶体结构与________相似。
②在流化床反应的产物中,SiHCl3大约占85%,还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等,有关物质的沸点数据如下表,提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和________________________________________________________________________。
物质
Si
SiCl4
SiHCl3
SiH2Cl2
SiH3Cl
HCl
SiH4
沸点/℃
2355
-
-
-
③SiHCl3极易水解,其完全水解的产物为____________。
(4)氯碱工业可为上述工艺生产提供部分原料,这些原料是____________。
5.(2014·济南四校期中联考)单晶硅是信息产业中重要的基础材料。
通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质),粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度450~500℃),四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。
以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。
相关信息如下:
a.四氯化硅遇水极易水解;
b.硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物;
c.有关物质的物理常数见下表:
物质
SiCl4
BCl3
AlCl3
FeCl3
PCl5
沸点/℃
-
315
-
熔点/℃
-
-
-
-
-
升华温度/℃
-
-
180
300
162
请回答下列问题:
(1)写出装置A中发生反应的离子方程式:
_________________________________________________________。
(2)装置A中g管的作用是______________;装置C中的试剂是____________;装置E中的h瓶需要冷却的理由是
________________________________________________________________________。
(3)装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏(类似多次蒸馏)得到高纯度四氯化硅,精馏后的残留物中,除铁元素外可能还含有的杂质元素是________(填写元素符号)。
AAD4答案
(1)含有硅、碳的铁合金(或硅铁)
(2)石英砂、纯碱和石灰石
(3)①SiO2+3C
SiC+2CO↑ 金刚砂 金刚石(或单晶硅) ②精馏(或蒸馏) ③H4SiO4(或H2SiO3)、H2、HCl (4)H2、HCl
5答案
(1)MnO2+4H++2Cl-
Mn2++Cl2↑+2H2O
(2)平衡气压 浓H2SO4 SiCl4沸点较低,用冷却液冷却可得到液态SiCl4 (3)Al、B、P
课后练习
1.了解碳元素、硅元素的单质的主要性质及应用。
2.了解碳元素、硅元素的重要化合物的主要性质及应用。
3.了解碳元素、硅元素的单质及其重要化合物对环境质量的影响。
课后练习
1.近几年我国载人飞船多次升空,显示出我国航天技术已进入世界一流,飞船应用了许多尖端的合成材料。
据报道我国科学家近年来研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料,其主要成分是由碳化硅陶瓷和碳纤维复合而成的。
下列相关叙述不正确的是( )。
A.它耐高温抗氧化B.它比钢铁轻,强度大,但质地较脆
C.它没有固定熔点D.它是一种新型无机非金属材料
2.关于硅及其化合物的叙述中,错误的是( )。
A.硅是良好的半导体材料
B.二氧化硅能与石灰石反应:
SiO2+CaCO3
CaSiO3+CO2↑
C.可以用焦炭还原二氧化硅生产硅:
SiO2+2C
Si+2CO↑
D.水泥的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2
3.下列离子方程式书写正确的是( )。
A.往澄清石灰水中通入过量的二氧化碳:
Ca2++2OH-+CO2===CaCO3↓+H2O
B.往碳酸钠溶液中加入二氧化硅:
CO
+SiO2===SiO
+CO2↑
C.二氧化硅与烧碱溶液反应:
SiO2+2OH-===SiO
+H2↑
D.硅酸与烧碱溶液中和:
H2SiO3+2OH-===SiO
+2H2O
4.常温下,下列不发生反应的一组物质是( )。
①硅与NaOH溶液 ②硅与盐酸 ③硅与氢氟酸 ④二氧化硅与碳酸钠 ⑤二氧化硅与NaOH溶液 ⑥二氧化硅与浓硝酸
A.①②④ B.③④⑥C.②⑤⑥ D.②④⑥
5.下列Ⅰ、Ⅱ因果描述正确且二者有必然联系的是( )。
Ⅰ(原因)
Ⅱ(结果)
A
木炭呈黑色
木炭常用作能源
B
一氧化碳具有还原性
工业上用一氧化碳冶炼金属
C
碳酸钠属于碱类
用热的纯碱溶液清洗油污器具
D
二氧化碳是酸性氧化物
二氧化碳能与水反应
6.(2014·陕西质检)下列关于SiO2和CO2的叙述中不正确的是( )。
A.都是共价化合物B.都是酸性氧化物,都能与强碱溶液反应
C.都能溶于水且与水反应生成相应的酸D.SiO2可用于制光导纤维,干冰可用于人工降雨
7.下列离子方程式不正确的是( )。
A.石英与烧碱反应:
SiO2+2OH-===SiO
+H2OB.硅与烧碱反应:
Si+2OH-===SiO
+H2↑
C.硅酸钠溶液中通入少量CO2:
SiO
+CO2+H2O===CO
+H2SiO3↓D.往水玻璃中加入盐酸:
2H++SiO
===H2SiO3↓
8.将足量CO2气体通入水玻璃(Na2SiO3溶液)中,然后加热蒸干,再在高温下充分灼烧,最后得到的固体物质是( )。
A.Na2SiO3 B.Na2CO3、Na2SiO3
C.Na2CO3、SiO2 D.SiO2
9.用如图装置来分离CO2和CO混合气体并干燥,图中a、c、d为止水夹,b为分液漏斗活塞,通过Y形管和止水夹分别接两个球胆,现装置内空气已排尽,为使实验成功,甲、乙、丙分别盛放的试剂为( )。
甲
乙
丙
A
饱和NaHCO3溶液
12mol·L-1盐酸
mol·L-1H2SO4
B
饱和Na2CO3溶液
2mol·L-1H2SO4
饱和NaOH溶液
C
饱和NaOH溶液
2mol·L-1H2SO4
mol·L-1H2SO4
D
mol·L-1H2SO4
饱和NaOH溶液
mol·L-1H2SO4
10.硅是无机非金属材料的主角,硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。
(1)下列物质不属于硅酸盐的是________。
A.陶瓷 B.玻璃C.水泥 D.生石灰
(2)SiO2是玻璃的主要成分之一,SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为________________________,工艺师常用________(填物质名称)来雕刻玻璃。
(3)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧,说明Na2SiO3可用作________。
Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得,高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是________。
A.普通玻璃坩埚 B.石英玻璃坩埚C.氧化铝坩埚 D.铁坩埚
(4)工业上常利用反应2C+SiO2
Si+2CO↑制备硅单质,该反应中所含元素化合价升高的物质是________(填化学式,下同),氧化剂是________。
11.(2014·南昌模拟)硅及其化合物对人类现代文明具有特殊贡献。
请回答下列有关问题:
(1)硅原子的结构示意图为:
________。
(2)下列物品或设备所用材料属于硅酸盐的是________________________________________________________________________。
①长江三峡水泥大坝 ②光导纤维 ③陶瓷坩埚
④普通玻璃 ⑤硅太阳能电池
A.①②③ B.③④⑤ C.②③④ D.①③④
(3)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,所以碳的还原性大于硅的还原性
B.硅酸钠属于盐,不属于碱,所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中
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
CO2↑+Na2SiO3可知硅酸的酸性大于碳酸
(4)常温下,SiCl4为液态,沸点为℃,在空气中冒白雾。
制备高纯度硅的中间产物SiCl4中溶有液态杂质,若要得到高纯度SiCl4,应采用的方法是____________;用化学方程式及必要的文字解释SiCl4在空气中冒白雾的原因:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
12.(2014·北京海淀模拟)硅及其化合物在自然界广泛存在并被人类应用。
(1)氮化硅膜与二氧化硅膜相比较具有表面化学性能稳定等优点,故氮化硅膜可用于半导体工业。
可以用NH3和SiH4(硅烷)在一定条件下反应,并在600T的加热基板上生成氮化硅膜:
3SiH4+4NH3
Si3N4+12H2
以硅化镁为原料制备硅烷的反应和工业流程如下:
反应原理:
4NH4Cl+Mg2Si
4NH3↑+SiH4↑+2MgCl2 (ΔH<0)
①NH4Cl中的化学键类型有______________________,SiH4的电子式为______________。
②上述生产硅烷的过程中液氨的作用是________________________________________________________________________________。
③氨气是重要的工业原料,写出氨气发生催化氧化反应生成NO的化学方程式___________________________________________,
实验室可利用如右图所示装置完成该反应。
在实验过程中,除观察到锥形瓶中产生红棕色气体外,还可观察到有白烟生成,白烟的主要成分是____。
(2)三硅酸镁(Mg2Si3O8·nH2O)难溶于水,在医药上可做抗酸剂。
它除了可以中和胃液中多余的酸之外,生成的H2SiO3还可覆盖在有溃疡的胃表面,保护其不再受刺激。
三硅酸镁与盐酸反应的化学方程式为________________________________________。
将g三硅酸镁加入到50mLmol·L-1盐酸中,充分反应后,滤去沉淀,用mol·L-1NaOH溶液滴定剩余的盐酸,消耗NaOH溶液30mL,则Mg2Si3O8·nH2O中的n值为________。
(注:
Mg2Si3O8的摩尔质量为260g·mol-1)。
1-9BDDDBCBAC
10答案
(1)D
(2)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O 氢氟酸 (3)防火剂 D (4)C SiO2
11答案
(1)
(2)D (3)C(4)在干燥条件下蒸馏 SiCl4+3H2O===H2SiO3+4HCl,HCl遇水蒸气产生白雾
12答案
(1)①极性键(或共价键)、离子键
②吸收热量,保证反应在常温下进行(答“制冷”或“降温”均可) ③4NH3+5O2
4NO+6H2O NH4NO3(或硝酸铵)
(2)Mg2Si3O8·nH2O+4HCl===3H2SiO3+2MgCl2+(n-1)H2O 6
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