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2021高考化学一轮复习 第四章 非金属元素及其重要化合物 第13讲 碳、硅及其重要化合物学案

2021高考化学一轮复习 第四章 非金属元素及其重要化合物 第13讲 碳、硅及其重要化合物学案

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第四章　非金属元素及其重要化合物
[考试要求]　1.了解常见非金属元素C、Si、Cl、S、N的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.了解常见非金属元素单质及其重要化合物对环境的影响。

第13讲　碳、硅及其重要化合物

一、碳、硅单质
1．单质的结构、存在形态、物理性质和用途

2．碳和硅的化学性质

3．硅的工业制法及提纯

反应①：SiO2＋CSi＋2CO↑。
反应②：Si＋2Cl2SiCl4。
反应③：SiCl4＋2H2Si＋4HCl。
二、碳、硅的氧化物
1．一氧化碳
(1)物理性质
无色气体，有毒，难溶于水。
(2)化学性质
①燃烧：
2CO＋O22CO2，淡蓝色火焰(空气中燃烧)。
②还原Fe2O3：
Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2(冶炼金属)。
2．二氧化碳和二氧化硅的比较
物质
二氧化硅
二氧化碳
结构
空间网状结构，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，可溶于水

三、硅酸、硅酸盐、无机非金属材料
1．硅酸(H2SiO3)

2．硅酸盐
(1)硅酸盐
是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的重要成分。
(2)硅酸盐组成的表示方法
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，长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。
(3)硅酸钠
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
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．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

②主要用途：陶瓷、玻璃、水泥是重要建筑材料，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。

1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”，并指明错因。
(1)硅在自然界中以游离态和化合态的形式存在。(×)
错因：硅在自然界中只以化合态的形式存在。
(2)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料。(×)
错因：晶体硅不是因为其熔点高、硬度大而作半导体材料，是因为其导电性介于导体和绝缘体之间。
(3)Si和SiO2都可用于制造光导纤维。(×)
错因：Si不能用于制造光导纤维。
(4)向CaCl2溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失。(×)
错因：CaCl2与CO2不反应，通入CO2无明显现象。
(5)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱，不溶于任何酸。(×)
错因：SiO2可溶于氢氟酸。
(6)向空气中排放二氧化碳会形成酸雨。(×)
错因：酸雨的pH<5.6，而饱和H2CO3的pH＝5.6。故CO2不会形成酸雨。
(7)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱。(×)
错因：水玻璃是Na2SiO3的水溶液，硅酸钠俗称泡花碱，属于盐。
2．教材改编题
(据人教必修一P81T10)下列关于碳、硅及其化合物的叙述正确的是(　　)
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
解析　自然界中有游离态的碳存在，如金刚石；通常状况下，CO2为气态，SiO2为固态；用于制半导体材料的是高纯度的晶体硅。

考点　碳、硅单质及其氧化物

[解析]　Si与O2反应生成SiO2，SiO2不与H2O反应，“氧化物酸或碱”不能实现，A项错误；b→c，c→a均不能通过一步反应实现，B项错误；二氧化碳和二氧化硅都属于酸性氧化物，都能与NaOH溶液反应生成盐和水，C项正确；硅酸盐可以用盐的形式或二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成，Al2Si2O5(OH)4可表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，D项错误。
[答案]　C

熟记硅及其化合物的特殊性质
物质
一般规律
硅及其化合物的特性
Si
硅还原性强于碳
2C＋SiO2 Si＋2CO↑
非金属单质与强碱溶液反应一般不产生H2
硅可与强碱溶液反应产生H2
非金属单质一般不与非氧化性酸反应
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
非金属单质一般为绝缘体
硅为半导体
SiO2
酸性氧化物一般与水反应生成相应酸
SiO2不溶于水，也不与水反应
酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应
SiO2＋4HF=== SiF4↑＋2H2O
“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一般规律，H2CO3酸性大于H2SiO3，故可发生反应Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓
以下反应不能说明酸性的强弱：
Na2CO3＋SiO2
Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋SiO2
CaSiO3＋CO2↑
H2SiO3
无机酸一般易溶于水
硅酸难溶于水

1．二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酸酐的原理
e．反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应
A．ace B．bde
C．cde D．ab
答案　B
解析　通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是③，这属于SiO2的特性，因此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变为－4和＋2，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判断也正确。
2．(2020·杭州质检)用4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
通入足量CO2，溶液变浑浊
饱和Na2CO3
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
Ca(OH)2溶液
答案　B
解析　A项，CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3↓，由于NaHCO3的溶解度比Na2CO3小，且生成的NaHCO3的质量多而析出；B项，CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓，H2SiO3与CO2不反应，浑浊不会消失；C项，CO2＋Ca(ClO)2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO，所以溶液变浑浊，加入的品红被HClO氧化褪色；D项，首先发生反应CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，继续通CO2至过量，产生可溶于水的Ca(HCO3)2，再加入足量的NaOH，则发生反应：2NaOH＋Ca(HCO3)2===CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O，溶液又变浑浊。考点　硅酸盐　无机非金属材料

[解析]　A项，硅酸钠本身是一种黏合剂，易造成磨口玻璃塞与瓶口黏结；B项，两反应条件不同，反应①是在溶液中进行，强酸可以制弱酸，而高温条件下，CO2是气体，逸出反应体系，能促使反应发生；C项，石英玻璃的主要成分为SiO2，SiO2是氧化物不是盐；D正确。
[答案]　D

1．硅及其化合物的用途
(1)Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，是一种黏合剂，是制备硅胶和木材防火剂的原料，与玻璃的成分不相同；Na2SiO3又称为泡花碱，但它却是盐。
(2)不要混淆二氧化硅和硅的用途
用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。
(3)熟悉几种常见饰品的主要成分
水晶、石英、玛瑙的主要成分是SiO2；珍珠的主要成分是CaCO3；钻石是金刚石，主要成分是C；红宝石的主要成分是Al2O3。
2．硅酸盐改写成氧化物形式的方法
(1)氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构，且不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。
(2)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。
(3)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。
(4)当计量数配置出现分数时应化为整数。如长石：KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。

3．(2020·康定教学质量检查)“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是(　　)
A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品
B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英
C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高
D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
答案　C
解析　陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A错误；纯碱、石灰石和石英是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B错误；硅酸盐制品性质稳定、熔点高，C正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D错误。
4．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
答案　D
解析　假设和田玉中铁元素的化合价为＋x，根据化合物中各元素的化合价代数和为零，可得：(＋2)×2＋(＋2)×3＋(＋x)×2＋(＋4)×8＋(－2)×22＋(－1)×2＝0，即x＝2，所以其化学式改写为氧化物的形式为2CaO·3MgO·2FeO·8SiO2·H2O；硅酸盐一般耐酸碱的腐蚀，但不是所有的酸碱都不能腐蚀它，如氢氟酸可以和其中的硅元素反应生成SiF4气体，浓硝酸可以将其中所含的Fe2＋氧化成Fe3＋。