第10讲 无机非金属材料的主角-碳和硅

第10讲无机非金属材料的主角——碳和硅课标版化学

题组一碳、硅元素的存在及单质的性质和用途1.存在形态及常见单质自然界中碳元素既有游离态,又有化合态,而硅元素因有亲氧性,所以仅有教材研读①

化合

态。碳单质主要有金刚石、石墨等同素异形体,硅单质主要有

②

晶体硅

和③

无定形硅

两大类。

碳硅结构金刚石:④

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⑤

软

,有滑腻感晶体硅为灰黑色固体,有金属光泽、硬度大、熔点⑥

高

用途金刚石用作切割刀具,⑦

石墨

用作电极、铅笔芯晶体硅用作⑧

半导体

材料、硅芯片和硅太阳能电池2.单质的结构、物理性质与用途比较3.主要化学性质C—

Si—

题组二二氧化硅、硅酸、硅酸盐1.二氧化硅SiO2

H2SiO3

3.硅酸盐(1)Na2SiO3Na2SiO3的水溶液俗称

水玻璃

。a.贮存:盛Na2SiO3溶液的试剂瓶不能用玻璃塞。2.硅酸b.变质:Na2SiO3水溶液在空气中易变质,反应的离子方程式为

Si

+CO2+H2O

H2SiO3(胶体)+C

。(2)硅酸盐的氧化物表示法a.书写顺序:

低价

金属氧化物写在前,

高价

金属氧化物写在后;活泼金属氧化物写在前,不活泼金属氧化物写在后。b.书写原则:分子中各原子数目比不变,各元素化合价

不变

且代数和为零;若系数配置出现分数时应化为正整数。如长石(KAlSi3O8)可表示为K

2O·Al2O3·6SiO2。题组三无机非金属材料1.材料的分类材料

水泥玻璃陶瓷主要原料①

黏土、石灰石、石膏

②石灰石、石英砂、纯碱

黏土主要设备③

水泥回转窑

玻璃窑陶瓷窑2.传统无机非金属材料变化复杂的物理、化学变化过程主要反应:Na2CO3+SiO2

Na2SiO3+CO2↑④CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑

复杂的物理、化学变化过程组成硅酸三钙(3CaO·SiO2)硅酸二钙(2CaO·SiO2)铝酸三钙(3CaO·Al2O3)硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅硅酸盐用途重要的建筑材料制化学实验用的玻璃仪器、窗玻璃等在工农业、科技、生活、实验室中使用广泛3.新型无机非金属材料,如⑤

高温结构陶瓷

、⑥

光导纤维

等。主要特性:能承受高温、高强度;具有电学、光学特性;具有生物功能。1.判断下列说法是否正确。(1)碳单质的化学性质主要表现为还原性,能被氧化剂氧化为+2价或+4价的

化合物。

(

)(2)硅的性质很稳定,在常温下不与任何物质反应。

(

)(3)C60、金刚石、石墨互为同位素。

(

)

答案

(1)√

(2)✕

(3)✕

题组一碳、硅元素的存在及单质的性质和用途2.将2.8g硅粉与2.3g钠同时放入足量水中,采用恰当的方法收集反应过程

中产生的气体(全部收集),这些气体在标准状况下的体积为

(

)A.1.12LB.4.48LC.5.6LD.3.36L

答案

D本题重点考查钠与水、硅与碱溶液反应的有关计算。2Na+2H2O

2NaOH+H2↑2×23g2mol22.4L2.3g0.1mol1.12LSi+2NaOH+H2O

Na2SiO3+2H2↑28g2mol2×22.4L1.4g0.1mol2.24L反应后硅有剩余,V(H2)=1.12L+2.24L=3.36L。3.将碳、硅单质的物理性质和用途用短线连接起来。①金刚石

a.质软、能导电。可制电极②石墨

b.作吸附剂、脱色剂③C60

c.熔点高、硬度大。制饰品和切削工具④活性炭

d.熔点高。半导体材料和制光电池的材料⑤晶体硅

e.具有特殊结构。可能成为新型催化剂或催化剂载体

答案①—c,②—a,③—e,④—b,⑤—d。

解析略。4.判断下列说法是否正确。(1)SiO2不与水反应生成硅酸,因此SiO2不是酸性氧化物。

(

)(2)SiO2不与任何酸反应。

(

)(3)2C+SiO2

Si+2CO↑,说明C的还原性比Si强。(

)(4)根据反应:SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑,可知SiO2水化物的酸性比H2CO3强。

(

)(5)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料。

(

)(6)光导纤维的主要成分是Si。

(

)

答案

(1)✕

(2)✕

(3)✕

(4)✕

(5)✕

(6)✕题组二二氧化硅、硅酸、硅酸盐5.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.石英玻璃和餐桌上的瓷盘都是硅酸盐制品D.盐酸可以与硅反应,故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅

答案

A粗硅制备单晶硅涉及两个反应:Si+2Cl2

SiCl4,SiCl4+2H2

Si+4HCl,两个反应都是氧化还原反应,B错;石英玻璃的主要成分是二氧化硅,不属于硅酸盐制品,C错;硅与盐酸不反应,D错。6.在一定条件下,不能与SiO2反应的是

(

)①焦炭②SO2③CaO④氢氟酸⑤高氯酸⑥KOH溶液⑦Na2CO3

⑧N2A.③⑤⑦B.⑤⑦⑧C.②⑤⑧D.⑧

答案

CSiO2+2C

Si+2CO↑、SiO2+CaO

CaSiO3、SiO2+4HF

SiF4↑+2H2O、SiO2+2KOH

K2SiO3+H2O、SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑。7.判断下列说法是否正确。(1)水晶、玻璃、陶瓷、水泥都属于硅酸盐。

(

)(2)水晶可制太阳能电池。

(

)(3)陶瓷、水泥、金刚砂及所有的玻璃都是硅酸盐产品。(

)(4)合成纤维和光导纤维都是有机高分子材料。

(

)(5)氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料。

(

)

答案

(1)✕

(2)✕

(3)✕

(4)✕

(5)√题组三无机非金属材料8.“飞天”舱外航天服是我国自行研制的,使用了多种新材料。下列对材

料的说法错误的是

(

)A.新材料的开发和应用,是社会发展和人类进步的一种标志B.水泥、玻璃、陶瓷属于新型无机非金属材料C.传统的无机非金属材料虽有不少优点,但质脆、经不起热冲击D.新型结构陶瓷具有能承受高温、抗氧化、耐磨损、密度小等特点,可应

用于宇航事业

答案

B水泥、玻璃、陶瓷属于传统无机非金属材料。9.下列叙述正确的是

(

)①久置于空气中的氢氧化钠溶液,加盐酸时有气体产生②浓硫酸可用于干燥氢气、碘化氢等气体,但不能干燥氨气、二氧化氮气

体③SiO2和CO2都是酸性氧化物,都能与强碱溶液反应,但不能与任何酸反应④玻璃、水泥、水晶项链都是硅酸盐制品⑤蔗糖炭化的演示实验中,浓硫酸既体现了其强氧化性又体现了其脱水性⑥氢氧化铁胶体与氯化铁溶液分别蒸干灼烧得到相同的物质A.①④⑤B.①⑤⑥C.②③④D.④⑤⑥形成碳酸钠,加盐酸时有气体产生;②浓硫酸具有强氧化性,所以不能干燥

具有强还原性的气体,如碘化氢;③SiO2能与氢氟酸反应;④水晶的主要成分

是SiO2,不是硅酸盐;⑤蔗糖炭化的演示实验中,浓硫酸既体现了其强氧化性

又体现了其脱水性;⑥氢氧化铁胶体与氯化铁溶液分别蒸干灼烧都得到Fe2

O3。

答案

B①久置于空气中的氢氧化钠溶液能够吸收空气中的二氧化碳重难一硅及其化合物的性质

典例1

(2014山东莱州一中月考)下列说法正确的是

(

)A.二氧化硅是酸性氧化物,它可以跟碱反应,但不能与任何酸反应B.根据反应SiO2+CaCO3

CaSiO3+CO2↑,可推知硅酸的酸性比碳酸的酸性强C.碳酸比硅酸的酸性强,且硅酸不溶于水D.CO2与SiO2均可溶于水生成对应的酸

考查内容SiO2的性质。重难突破

解题关键解答本题的关键是注意SiO2的特性。

解析SiO2可与氢氟酸反应:SiO2+4HF

SiF4↑+2H2O,A项错误;由于反应条件是高温,生成的CO2脱离反应体系,使反应进行,与碳酸、硅酸的酸

性强弱无关,B项错误;SiO2不溶于水,与水不反应,D项错误。

答案

C1-1

(2014北京海淀模拟)下列叙述正确的是

(

)A.高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维B.硅酸钠的水溶液俗名为水玻璃,可用于制备硅胶和木材防火剂C.制造玻璃是复杂的物理变化,玻璃的组成不同,性能不同D.SiO2属于酸性氧化物,可用SiO2与H2O在高温下反应制H2SiO3

答案

B

解析高纯度的硅单质主要用于制造半导体芯片,制作光导纤维的是SiO2,A项错误;制造玻璃包含复杂的物理变化和化学变化,C项错误;SiO2与H2O

不反应,D项错误。1-2

(2014江西赣州于都一模)下列是中学化学中常见物质间的反应转化

关系图,其中部分产物已略去。已知:A、D是单质,且C、E、G中均含有A

单质中的元素,B、F、H中均含有D单质中的元素;常温下,除C、E外其他

物质均为固体。试回答下列问题:(1)写出下列物质的化学式:A

,H

;E→A

;(3)B的用途(至少说出一种):

。

答案

(1)CH2SiO3(2)2Na2O2+2CO2

2Na2CO3+O2Si+2NaOH+H2O

Na2SiO3+2H2↑2Mg+CO2

C+2MgO(3)制造光导纤维

解析单质A与B高温下反应生成单质D与气态化合物C,C可与氧气反应生成E,推测E一定为非金属氧化物,而E又能与Mg反应生成单质A,推测E为

CO2,则A为单质碳。CO2与Na2O2反应生成Na2CO3,因为单质D能与NaOH反

应,而固态单质能与NaOH反应的在中学阶段只有Al与Si,Al不能由碳单质(2)写出下列反应的化学方程式:E→G

,D→F

,与化合物反应制得,所以推断D为Si,则B为SiO2,F为Na2SiO3。而Na2SiO3能

与E(CO2)、H2O反应生成Na2CO3与H2SiO3,H2SiO3受热分解生成B(SiO2)。一般规律硅及其化合物的特性硅的还原性大于碳C可以还原SiO22C+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可以和氢氟酸反应Si+4HF

SiF4↑+2H2↑一般非金属单质为绝缘体硅为半导体,常用作电子部件酸性氧化物一般与水反应生成相应的酸SiO2不溶于水,不与水反应

硅及其化合物的特性酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应SiO2可以和氢氟酸反应SiO2+4HF

SiF4↑+2H2O“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一个规律,H2CO3酸性强于H2SiO3高温时SiO2可以和碳酸盐反应生成CO2Na2CO3+SiO2

Na2SiO3+CO2↑CaCO3+SiO2

CaSiO3+CO2↑无机酸一般易溶于水硅酸和原硅酸均难溶于水大多数硅酸盐难溶于水常见的可溶性硅酸盐为Na2SiO3,水溶液俗称水玻璃、泡花碱化学性质碳硅与单质反应C+O2

CO22C+O2

2COC+2S(气)

CS2Si+O2

SiO2Si+2F2

SiF4Si+2Cl2

SiCl4与氧化物反应C+2CuO

CO2↑+2Cu3C+Fe2O3

3CO↑+2Fe2C+SiO2

2CO↑+Si3C+SiO2

2CO↑+SiC——与氧化性酸反应C+4HNO3(浓)

CO2↑+4NO2↑+2H2OC+2H2SO4(浓)

CO2↑+2SO2↑+2H2O不与HNO3、H2SO4等反应,但有:Si+4HF

SiF4↑+2H2↑与水或碱溶液反应C+H2O(气)

CO+H2Si+2NaOH+H2O

Na2SiO3+2H2↑比较项目

二氧化碳(CO2)二氧化硅(SiO2)存在

空气,燃料的燃烧产物存在于岩石中,沙子、石英、水晶、硅藻土都含SiO2物理性质

常温时是无色无味、比空气重的气体,微溶于水坚硬难熔的固体,不溶于水2.二氧化碳与二氧化硅的比较

①与水CO2+H2O

H2CO3不反应

②与酸不反应只与氢氟酸反应

③与NaOH溶液CO2(少量)+2NaOH

Na2CO3+H2OSiO2+2NaOH

Na2SiO3+H2O

④与碱性氧化物CO2+CaO

Ca-CO3SiO2+CaO

Ca-SiO3

⑤与过氧化物2CO2+2Na2O2

2Na2CO3+O2不反应组成和结构

1个C原子和2个O原子构成1个CO2分子。晶体由CO2分子组成不存在“SiO2”分子,1个Si原子与4个O原子结合,每个O原子与2个Si原子结合。晶体由Si、O原子构成与环境相关问题

温室效应粉尘污染,硅肺病用途

制(碳酸型)饮料;制碱;干冰作制冷剂,用于人工降雨光导纤维、化学仪器、光学仪器、饰品、电子部件重难二CO2与碱、盐的反应

典例2如下图所示,将足量CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中,生成

沉淀的物质的量(n)和通入CO2气体的体积(V)的关系正确的是

(

)

考查内容CO2与碱反应的有关图像。

解题关键解答本题的关键是判断各物质与CO2反应的先后顺序。

解析从化学原理分析,反应可分为三个阶段:第一阶段是CO2+Ca2++2OH-

CaCO3↓+H2O;第二阶段是CO2+OH-

HC

;第三阶段是碳酸钙的溶解过程,发生的反应是CaCO3+H2O+CO2

Ca2++2HC

,可以看出使Ca2+完全变为CaCO3沉淀所需CO2的量与使全部的CaCO3溶解所需CO2的量相等。因此只有选项D符合。

答案

D2-1

(2014宁夏银川贺兰一中期末)下列物质的反应过程符合图示过程的是

(

)A.向CaCl2溶液中通入过量CO2B.向水玻璃溶液中通入过量CO2C.向澄清石灰水中通入过量CO2D.向水玻璃溶液中加入过量盐酸

答案

C

解析A项不反应;B、D项中沉淀不溶解;C项先生成CaCO3,然后CaCO3与CO2、H2O反应生成Ca(HCO3)2,符合题意。2-2将一定体积的CO2通入到一定浓度的NaOH溶液中,为了测定所得溶

液的成分,向该溶液中逐滴加入1mol·L-1盐酸。所加入盐酸的体积与产生

CO2气体体积(标准状况)的关系如下图所示:(1)写出OA段所发生反应的离子方程式:

。(2)当加入35mL盐酸时,所产生的CO2的体积(标准状况)是

mL。(3)CO2与NaOH溶液反应所得溶液中所含的溶质有

,其物质的量之比为

。

答案

(1)H++OH-

H2O、C

+H+

HC

(2)224(3)NaOH、Na2CO31∶4

解析由图像可知,此溶液中的溶质是NaOH、Na2CO3。(1)OA段:H+先与OH-反应生成H2O,再与C

反应生成HC

。相关反应的离子方程式为H++OH-

H2O、H++C

HC

。(2)AB段:发生反应H++HC

CO2↑+H2O,当加入35mL盐酸时,产生的n(CO2)=n(H+)=(35-25)×10-3L×1mol·L-1=0.01mol,则V(CO2)=224mL。(3)H++C

HC

,HC

+H+

H2O+CO2↑,则n(C

)=nAB(H+)=(45-25)×10-3L×1mol·L-1=0.02mol,n(OH-)=[25-(45-25)]×10-3L×1mol·L-1=0.005mol,所以n(NaOH)∶n(Na2CO3)=n(OH-)∶n(C

)=0.005mol∶0.02mol=1∶4。

1.CO2与碱溶液的反应(1)反应原理NaOH

Na2CO3

NaHCO3(2)反应后溶质成分的判断x=

溶质成分x≤1∶1Na