2021届高考化学一轮复习碳、硅及其化合物学案 15页

第一节　碳、硅及其化合物 考纲定位 要点网络 1.掌握碳、硅单质及其重要化合物的主要性质 及应用。 2.了解碳、硅单质及其重要化合物对环境的影 响。 3.了解常见的无机非金属材料。 4.了解碳、硅单质及其重要化合物的制备方法。 碳、硅及其氧化物 1．碳、硅单质的存在形式、结构、物理性质和用途 碳 硅 存在 形式 游离态和化合态 化合态 单质 的 结构 金刚石：立体网状结构； 石墨：层状结构； C60：足球形分子 晶体硅：与金刚石类似的空 间网状结构 物理 性质 金刚石：熔点很高、硬度很大； 石墨：硬度较小、电的良导体 晶体硅为灰黑色固体，有金 属光泽、熔点高、硬度大、 有脆性 用途 金刚石用于制造切割刀具，石墨用 于制造电极、铅笔芯。C60 可作催 化剂或催化剂载体 晶体硅用作半导体材料、硅 芯片和硅太阳能电池 注：硅为亲氧元素，在自然界中无游离态。 2．碳、硅的化学性质(写出有关化学方程式) (1)碳的化学性质 (2)硅的化学性质 ①与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。 ②与 NaOH 溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 ③与 O2 反应：Si＋O2 ===== △ SiO2。 [补短板]硅的工业制备与提纯 (1)流程：石英砂 ― ― →①焦炭 高温 Si(粗) ― ― →②Cl2 加热 SiCl4 ― ― →③H2 高温 Si(纯)。 (2)原理：①Si(粗)制备：SiO2＋2C ===== 高温 Si＋2CO↑。 ②Si(粗)提纯：Si(粗)＋2Cl2 ===== △ SiCl4； SiCl4＋2H2 ===== 高温 Si(纯)＋4HCl。 3．碳、硅的氧化物 (1)一氧化碳的性质及应用 ①物理性质：无色无味的气体，难溶于水，能使人中毒。中毒的原因是与人 体内血红蛋白相结合，使人因缺氧而中毒。 ②化学性质及应用(写出有关化学方程式) a．可燃性：2CO＋O2 ===== 点燃 2CO2，可作燃料。 b．还原性：CO 还原 Fe2O3 的反应为 3CO＋Fe2O3 ===== 高温 2Fe＋3CO2，可用于 冶炼金属。 (2)CO2 与 SiO2 性质的比较 ①共性 均属于酸性氧化物，均能与碱、金属氧化物反应，写出二者与 NaOH 溶液(足 量)反应的离子方程式：CO2＋2OH－===CO2－3 ＋H2O、SiO2＋2OH－===SiO2－3 ＋H2O； 二者与 CaO 反应的化学方程式：CO2＋CaO===CaCO3、SiO2＋CaO ===== 高温 CaSiO3。 ②差异性 a．SiO2 与氢氟酸反应的化学方程式：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。 b．SiO2 与 Na2CO3、CaCO3 的反应——工业制玻璃 SiO2＋Na2CO3 ===== 高温 Na2SiO3＋CO2↑； SiO2＋CaCO3 ===== 高温 CaSiO3＋CO2↑。 c．CO2 与 H2O 反应的化学方程式：CO2＋H2O H2CO3。 d．SiO2 为高硬度、高熔沸点的固体，不溶于水，而 CO2 为低熔沸点的气体， 可溶于水。 (3)SiO2 与 CO2 的用途(熟记) ①CO2：制饮料、碳酸盐，作灭火剂，干冰用作制冷剂，也可用于人工降雨。 ②SiO2：光导纤维、制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。 (4)CO2 的实验室制法 用大理石与稀盐酸或稀硝酸发生反应的离子方程式： CaCO3＋2H＋===Ca2＋＋CO2↑＋H2O。 注意：①用大理石制 CO2 时，不能用稀硫酸，因为生成的 CaSO4 微溶，覆盖 大理石表面阻止反应进行。 ②可以用启普发生器作发生装置制 CO2。 ③除去 CO2 中的 HCl 可以用饱和 NaHCO3 溶液。 [补短板] (1)一般情况，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，SiO2 是酸性氧化物，却能与氢氟 酸发生反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。但 SiO2 不是两性氧化物。 (2)一般情况，较强酸＋较弱酸盐―→较弱酸＋较强酸盐。虽然酸性： H2CO3>H2SiO3，却能发生反应：Na2CO3＋SiO2 ===== 高温 Na2SiO3＋CO2↑。其原理 为难挥发性物质制备易挥发性物质。 (3)一般情况，非常活泼金属(Na、K 等)才能够置换出水中的氢，但却能发生 反应：C＋H2O(g) ===== 高温 CO＋H2。 (4)一般情况，非金属氧化物与水反应生成相应的酸，如 CO2＋H2O H2CO3， 但 SiO2 不溶于水，不与水反应。 (5)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 ===== 高温 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。 [知识应用] 用化学方程式回答下列问题： (1)保存烧碱溶液不能用磨口玻璃塞的理由__________________________ ______________________________________________________________。 (2)氢氟酸可用于在玻璃器皿上雕刻花纹的理由______________________ ______________________________________________________________。 (3)水煤气的制备反应方程式______________________________________ ______________________________________________________________。 (4)SiO2 制备 H2SiO3 的反应方程式____________________________________ ___________________________________________________________________。 (5) 将 2 mol CO2 通 入 含 3 mol NaOH 的 溶 液 中 ， 反 应 的 化 学 方 程 式 为 __________________________________________________________________ __________________________________________________________________。 [答案]　(1)2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O (2)4HF＋SiO2===SiF4↑＋2H2O (3)C＋H2O(g) ===== 高温 CO＋H2 (4)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O、 Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl (5)2CO2＋3NaOH===Na2CO3＋NaHCO3＋H2O 命题点 1　碳、硅及其氧化物的性质及应用 1．(2019·南昌月考)下列关于硅元素及其化合物的有关说法正确的是(　　) A．由沙子制备光伏材料的反应之一为 SiO2＋C ===== 高温 Si＋CO2↑ B．高温下 SiO2 能与 Na2CO3 固体反应生成 Na2SiO3 和 CO2，说明硅酸酸性强 于碳酸 C．因为玻璃中含有 SiO2，所以不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛装碱性溶液 D．Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→SiO 2－3 均能一步转化 C　[A 项，反应产物不是 CO2 而是 CO；B 项，碳酸比硅酸酸性强；D 项， SiO2 不能一步转化为 H2SiO3。] 2．下列说法中正确的是(　　) A．单质 ― ― →O2 氧化物 ― ― →H2O 酸或碱 ― ― ― ― ―→NaOH或HCl 盐，碳、硅单质 均可以按上述关系进行转化 B．若 a、b、c 分别为 Si、SiO2、H2SiO3，则可以通过一步反应实现如图所示 的转化关系 C．二氧化碳和二氧化硅都可溶解在 NaOH 溶液中 D．向 Na2SiO3 溶液、NaAlO2 溶液、Ca(OH)2 溶液中分别通入过量 CO2，溶 液均有白色沉淀 C　[A 项，SiO2 与 H2O 不反应；B 项，SiO2 不能直接转化为 H2SiO3，H2SiO3 也不能转化为 Si；D 项，Ca(OH)2 溶液中通入过量 CO2，无沉淀生成。] 3．(2019·湖南六校联考)多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳 能电池及高纯硅芯片的主要原料。已知第三代工业制取多晶硅流程如图所示： 下列说法错误的是(　　) A．Y、Z 分别为 H2、Cl2 B．制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成碳化硅，在该副反应中， 氧化剂与还原剂的物质的量之比为 1∶1 C．SiHCl3 极易水解，其完全水解的产物为 H2SiO3、H2、HCl，据此推测 SiHCl3 中硅元素的化合价为＋4 D．Y 与 SiHCl3 制备多晶硅的反应属于置换反应 B　[B 项中的反应为 3C＋SiO2 ===== △ SiC＋2CO↑，氧化剂与还原剂均为 C， 二者之比为 1∶2。] 命题点 2　CO2 与 NaOH 溶液反应产物的判断 4．在标准状况下，将 3.36 L CO2 气体通入 200 mL 1.00 mol·L－1 NaOH 溶液中，充分反应后溶液中 c(CO2－3 )与 c(HCO－3 )的比值为(不考虑 CO2－3 、HCO －3 的水解)(　　) A．1∶1 　　　　　　　 B．1∶2 C．2∶1 D．1∶3 B　[n(CO2)＝0.15 mol，n(NaOH)＝0.2 mol，n(CO2)∶ n(NaOH)＝3∶4，其反 应方程式：3CO2＋4OH－===CO2－3 ＋2HCO－3 ＋H2O，故 c(CO2－3 )∶c(HCO－3 )＝ 1∶2。] 5．在标准状况下，将 4.48 L CO2 通入 100 mL 3 mol·L－1 的 NaOH 溶液中， 溶液中的溶质为________，其物质的量之比为________。 [解析]　n(CO2)＝0.2 mol，n(NaOH)＝0.3 mol，n(CO2)∶n(NaOH)＝2∶3，可 发生反应 2CO2＋3NaOH===Na2CO3＋NaHCO3＋H2O。 [答案]　Na2CO3、NaHCO3　1∶1 数轴法判断 CO2 与强碱(OH－)反应的产物 当 n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下： 命题点 3　CO、CO2 的有关性质探究 6．(2019·信阳模拟)为检验二氧化碳气体中是否混有一氧化碳，某课外兴趣小 组的同学设计了如图所示的实验装置： 根据装置回答问题： (1)A 装置的作用是_____________________________________________。 (2)C 中发生反应的方程式为______________________________________ ________________________________________________________________。 (3)B 装置的作用是______________________________________________ ________________________________________________________________。 (4)若实验时观察到______________________________________________ ________________________________________________________________， 则证明原气体中一定含有一氧化碳。 (5)该装置从安全角度考虑应如何改进？ ______________________________________________________________。 [答案]　(1)吸收 CO2，防止干扰 CO 检验 (2)CO＋CuO ===== △ Cu＋CO2 (3)检验 CO2 是否除尽 (4)B 中无明显现象，装置 C 中黑色粉末变成光亮的红色，D 中澄清石灰水变 浑浊 (5)在装置 C、D 之间加一防倒吸装置，装置 D 加 CO 处理装置 检验 CO2 中 CO 是否存在的思维模板 各装置的作用是： A——除去混合气体中的 CO2 B——检验混合气体中 CO2 是否除尽 C——CO 还原 CuO：CO＋CuO ===== △ Cu＋CO2 D——安全瓶，防倒吸 E——验证 CO 的氧化产物 CO2 F——除去尾气中的 CO，防止污染环境 确定混合气体中含有 CO 的实验现象是： C 中的物质由黑色变成光亮的红色，B 中无明显现象，E 中的澄清石灰水变 浑浊。 硅酸、硅酸盐和无机非金属材料 1．硅酸的性质、制备与应用(写出有关的化学方程式) 注意：硅胶的形成过程及应用 ①硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶，经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶， 称为硅胶； ②硅胶可用作实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂，也可用作催化剂的 载体。 2．硅酸盐 由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。 (1)硅酸盐的组成表示方法 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(K2Al2Si6O16)可表示为 K2O·Al2O3·6SiO2。 注意：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硅酸盐大多难溶于水。 (2)硅酸钠(Na2SiO3)——俗称泡花碱 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与较强的酸反应生成硅酸：如 Na2SiO3 溶液与稀硫酸反应：Na2SiO3＋ H2SO4===H2SiO3↓ ＋ Na2SO4 ； 与 SO2 水 溶 液 反 应 ： Na2SiO3 ＋ SO2 ＋ H2O===H2SiO3↓＋Na2SO3。 ③用途：黏合剂、耐火阻燃材料。 3．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、石英砂 黏土 主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑 生产条件 高温 主要成分 3CaO·SiO2， 2CaO·SiO2，3CaO·Al2O3 Na2SiO3， CaSiO3，SiO2 硅酸盐 注意：玻璃没有固定的熔点，是混合物，在某一温度范围内逐渐软化，可吹 成各种形状的制品。不是晶体，称为玻璃态物质。 (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。 ④光导纤维：主要成分为 SiO2，导光、制作光缆。 [基础判断] (1)硅酸的酸酐为 SiO2，故 SiO2 与 H2O 反应可制硅酸。(　　) (2)同浓度的 Na2SiO3 与 Na2CO3 溶液的 pH，前者大。(　　) (3)Mg2＋、H＋、SiO2－3 、SO 2－4 在水溶液中能大量共存。(　　) (4)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。 (　　) (5)KAlSi3O8 可写成 K2O·Al2O3·3SiO2。(　　) (6)硅酸在干燥的空气中形成硅胶，可以作食品的干燥剂。(　　) (7)水泥、玻璃、陶瓷的生产原料均有石灰石。(　　) [答案]　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√　(7)× 命题点 1　硅酸及其盐和无机非金属材料 1．下列说法正确的是 (　　) A．向含 K＋、Na＋、Br－、SiO 2－3 的溶液中通入 CO2 后仍能大量共存 B．合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料 C．NaHCO3 溶液中含有 Na2SiO3 杂质，可通入少量 CO2 后过滤 D．SiO2 中含 Al2O3 杂质，可加入足量稀盐酸溶液，然后过滤除去 D　[A 项，SiO 2－3 会生成 H2SiO3 沉淀而减少，错误；B 项，合成纤维为有机 材料，错误；C 项，通少量 CO2，生成 Na2CO3，引入新杂质，错误；D 项，Al2O3 溶于盐酸而 SiO2 不溶于盐酸，正确。] 2．青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的 46 种化学品之一， 其化学式为 Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸处理时，还原产物只有 NO，下 列说法不正确的是(　　) A．青石棉是一种硅酸盐产品 B．青石棉中含有一定量的石英晶体 C．青石棉的化学组成可表示为 Na2O·3FeO·Fe 2O3·8SiO2·H2O D．1 mol 青石棉能使 1 mol HNO3 被还原 B　[硅酸盐指的是硅、氧与其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等) 结合而成的化合物的总称，故青石棉是一种硅酸盐产品；虽然青石棉可用氧化物 形 式 来 表 示 ， 但 不 代 表 含 有 一 定 量 的 石 英 晶 体 ； 1 mol Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O 跟足量硝酸反应时，失去 3 mol 电子，而还原 产物只有 NO，故能使 1 mol HNO3 被还原。] 3．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：“中国至少 在距今 3 000 年以前，就已经使用玻璃了。”下列有关玻璃的说法不正确的是 (　　) A．制普通玻璃的原料主要是石灰石和黏土 B．玻璃在加热熔化时没有固定的熔点 C．普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅 D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅反应 生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起 A　[普通玻璃的原料为石灰石、纯碱和石英砂，A 错误。] 硅酸盐氧化物形式的表示模板 (1)氧化物的一般书写顺序：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一般应化为整数。如正长石：KAlSi3O8，将 1 2 K2O·1 2Al2O3·3SiO2，写成 K2O·Al2O3·6SiO2，但原子个数比不变。 命题点 2　硅及其常见化合物的转化 4．SiO2 是一种化工原料，可以制备一系列物质(如图所示)。下列说法错误的 是 (　　) A．高炉炼铁时，加入石灰石将铁矿石中的脉石(主要成分为 SiO2)转化为炉 渣 B．纯净的二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要基础材料 C．用盐酸可除去石英砂(主要成分为 SiO2)中少量的碳酸钙 D．图中所含反应都不属于氧化还原反应 D　[Si 的制备和提纯过程涉及氧化还原反应，D 错误。] 5．已知 A 是灰黑色的、有金属光泽的固体单质。根据如图所示的物质之间 的转化关系，回答下列有关问题。 (1)写出 B、C 两物质的名称：B________、C________。 (2)写出 D→B 的化学方程式为______________________________________ ___________________________________________________________________。 (3)写出 B→C 的离子方程式为_______________________________________ ___________________________________________________________________。 (4)D 不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为 ___________________________________________________________________。 [解析]　由题意知：A 为 Si，B 为 Na2SiO3，C 为 H2SiO3，D 为 SiO2。 [答案]　(1)硅酸钠　硅酸　(2)SiO 2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　(3)SiO2－3 ＋ H2O＋CO2===CO2－3 ＋H2SiO3↓ (4)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 硅及其化合物之间的常见转化关系 [一题串知，落实考法] (2015·全国卷Ⅰ，改编)草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中，其 K1＝5.4×10 －2，K2＝5.4×10－5。草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。草酸晶体 (H2C2O4·2H2O)无色，熔点为 101 ℃，易溶于水，受热脱水、升华，170 ℃以上 分解。 回答下列问题： (1)甲组同学按照如图所示的装置，通过实验检验草酸晶体的分解产物。装置 C 中可观察到的现象是_____________________________________________ _________________________________________________________________， 反应的离子方程式为______________________________________________， 说明分解产物中含有______________。装置 B 的主要作用是_______________ _________________________________________________________________。 [考查 CO2 的检验和主要性质] (2)乙组同学认为草酸晶体分解产物中还有 CO，为进行验证，选用甲组实验 中的装置 A、B 和下图所示的部分装置(可以重复选用)进行实验。 ① 乙 组 同 学 的 实 验 装 置 中 ， 依 次 连 接 的 合 理 顺 序 为 A 、 B 、 ________________。装置 H 反应管中盛有的物质是_______________________。 ②能证明草酸晶体分解产物中有 CO 的现象是________________________ ____________________________________。[考查 CO 的检验与性质] (3)若上图中的装置 C 中的澄清石灰水改为水玻璃，则装置 C 中的现象是 ______________________________________________________________， 反应的离子方程式为____________________________________________， 此现象说明 H2SiO3 比 H2CO3 的酸性________。 [考查硅酸及硅酸盐的性质] (4)氢氟酸不能用玻璃瓶盛装的理由是(写化学方程式)_______________ _______________________________________________________________， 氢氧化钠溶液的试剂瓶不用玻璃塞的理由是(写离子方程式)__ _________ _______________________________________________________________。 [考查 SiO2 的主要性质] [答案]　(1)有气泡逸出、澄清石灰水变浑浊 CO2＋Ca2＋＋2OH－===CaCO3↓＋H2O　CO2　冷凝(水蒸气、草酸等)，防止 草酸进入装置 C 反应生成沉淀，干扰 CO2 的检验 (2)①F、D、G、H、D、I　CuO　②H 中黑色粉末变为红色，其前的 D 中澄 清石灰水无现象，其后的 D 中澄清石灰水变浑浊 (3)C 中溶液产生白色沉淀或变浑浊，且有气泡逸出 CO2＋SiO2－3 ＋H2O===H2SiO3↓＋CO2－3 　弱 (4)4HF＋SiO2===SiF4↑＋2H2O SiO2＋2OH－===SiO2－3 ＋H2O [真题体验，感悟考向] 1．(2019·全国卷Ⅰ，T7)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 A　[氧化铁的颜色为红棕色，不是青色，A 项错误；秦兵马俑是陶制品，由 黏土经高温烧结而成；陶瓷的主要成分是硅酸盐；具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优 点；B、C、D 项正确。] 2．下列说法不正确的是________(填序号)。 (1)(2019·全国卷Ⅲ)高纯硅可用于制作光感电池。 (2)(2019·全国卷Ⅲ)活性炭具有除异味和杀菌作用。 (3)(2016·全国卷Ⅲ)HF 与 SiO2 反应实际应用是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记 (4)(2015·全国卷Ⅱ)硅胶可用作食品干燥剂 (5)(2014·全国卷Ⅰ)如图：①中为浓硝酸，②中为 Na2CO3，③中为 Na2SiO3 溶 液，可证明酸性：硝酸＞碳酸＞硅酸 (6)(2016·全国卷Ⅱ)燃料燃烧产物 CO2 是温室气体之一 [答案]　(2)(5) 3．(1)(2019·全国卷Ⅱ，节选，有改动)在回转炉中重晶石(BaSO4)被过量焦炭 还原为可溶性硫化钡，该过程的化学方程式为_________________________ _________________________________________________________________。 回转炉尾气中含有有毒气体，生产上可通过水蒸气变换反应将其转化为 CO2 和一 种 清 洁 能 源 气 体 ， 该 反 应 化 学 方 程 式 为 ____________________________ _________________________________________________________________。 (2)(2018·全国卷Ⅲ，T28(1))SiHCl3 在常温常压下为易挥发的无色透明液体，遇 潮气时发烟生成(HSiO)2O 等，写出该反应的化学方程式_____________________ ___________________________________________________________________。 [答案]　(1)BaSO4＋4C ===== 高温 BaS＋4CO↑　CO＋H2O(g) ===== 高温 CO2＋H2 (2)2SiHCl3＋3H2O===(HSiO)2O＋6HCl