第10讲碳、硅及其重要化合物（讲义）-2023年高考化学一轮复习四点卓越讲义（原卷版）

第10第10讲碳、硅及其重要化合物考纲要求：考纲要求：1．了解碳、硅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．了解碳、硅单质及其重要化合物对环境的影响。考点一碳、硅及其氧化物的性质与用途1．碳、硅元素在自然界中的存在形态(1)碳：既有游离态又有化合态。(2)硅：因有亲氧性，所以自然界中只有化合态。硅在地壳中的含量占第二位。2．碳、硅单质的物理性质和用途碳硅结构金刚石：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3．碳和硅的化学性质——还原性(1)碳单质的化学性质。①与O2反应。A．O2不足：2C＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2CO。B．O2足量：C＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))CO2。②与其他物质反应。A．与CuO反应：2CuO＋Ceq\o(=,\s\up7(△))2Cu＋CO2↑。(冶炼金属)B．与CO2反应：CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO。C．与水蒸气反应：C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))CO＋H2。(制取水煤气)D．与浓硫酸反应：C＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O。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)硅单质的化学性质。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。①与O2反应：Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2。②与Cl2反应：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4。③与氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑。④与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。4．硅的工业制法及提纯eq\x(石英砂)eq\o(→,\s\up7(①焦炭),\s\do5(高温))eq\x(粗硅)eq\o(→,\s\up7(②氯气),\s\do5(加热))eq\x(SiCl4)eq\o(→,\s\up7(③氢气),\s\do5(高温))eq\x(高纯硅)涉及的化学方程式：①SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑。②Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4。③SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋4HCl。①用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。②粗硅中含碳等杂质，与Cl2反应生成的SiCl4中也含CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。5．CO2和SiO2深度对比物质SiO2CO2构成1个Si周围有4个O,1个O周围有2个Si，呈空间网状结构，无SiO2分子CO2分子物理性质硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水熔、沸点低，常温下为气体，能溶于水化学性质与水反应不反应CO2＋H2O==H2CO3与酸反应只与氢氟酸反应SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O不反应与碱反应SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O(盛碱液的试剂瓶用橡皮塞)CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O或CO2＋NaOH=NaHCO3与盐反应如与Na2CO3、CaCO3反应：SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑、SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑如与Ca(ClO2)、Na2CO3反应：Ca(ClO)2＋CO2＋H2O=CaCO3↓＋2HClOCO2＋Na2CO3＋H2O=2NaHCO3与碱性氧化物反应如与CaO反应：SiO2＋CaOeq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3如与Na2O反应：CO2＋Na2O=Na2CO3与碳反应SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO用途制光学仪器、石英玻璃、常用来制造通讯材料光导纤维、制饰品合成肥料，干冰用作制冷剂，人工降雨基础通关练基础通关练1．我国提出争取在2030年前实现碳达峰，2060年实现碳中和。下列有关说法中正确的是A．使用光导纤维进行太阳能发电，获得绿色电力B．利用新型材料和技术将二氧化碳“填埋”有利于实现碳中和C．利用催化技术将二氧化碳氧化制成甲醇等清洁能源D．向燃煤中添加碳酸钙，减少污染气体排放，有利于碳中和2．下列有关物质的性质与用途具有对应关系的是A．晶体硅具有半导体特性，用于制耐温差硅橡胶 B．焦炭具有高熔点，用作工业炼铁原料C．石英晶体具有高熔点，用作生产坩埚 D．CO具有还原性，用作工业炼铝3．制造芯片用到高纯硅，用SiHCl3(沸点：31.85℃，SiHCl3遇水会剧烈反应，易自燃)与过量H2在1100~1200℃反应制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法不正确的是A．整个实验的关键是控温、检查装置气密性和排尽装置中的空气B．装置II、III中依次盛装的是浓H2SO4、温度高于32℃的温水C．实验时，先打开装有稀硫酸仪器的活塞，收集尾气验纯，再预热装置IV石英管D．尾气处理可直接通入NaOH溶液中4．改革开放40年，我国取得了很多世界瞩目的科技成果，下列说法不正确的是A．用到钛合金，22号钛元素属于过渡元素B．用到石墨烯，是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料C．用到的氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料D．传输信息用的光纤材料是硅A．A B．B C．C D．D5．下列有关物质的用途与化学原理具有对应关系的是选项用途化学原理A用氢氟酸雕刻玻璃氢氟酸显弱酸性B用FeCl3溶液蚀刻印刷电路板FeCl3溶液显酸性C用SiO2制造坩埚SiO2熔点高D用HNO3制备硝酸铵HNO3具有强氧化性A．A B．B C．C D．D6．“轻轨电车”是重庆一道美丽的风景线。当电车启动时，电车电刷跟导线的接触点由于摩擦会产生高温，因此接触点上的材料应该具有耐高温、能导电且化学性质稳定的特点。该接触点上材料的选用较为合适的是A．金刚石 B．铝 C．石墨 D．钠7．海洋碳循环是全球碳循环的重要组成部分，是影响全球气候变化的关键控制环节。下图为海洋中碳循环的简单原理图。下列说法错误的是A．海洋碳循环过程中能将太阳能转化为化学能B．钙化释放CO2的离子方程式：2HCO+Ca2+=CaCO3↓+CO2↑+H2OC．影响海洋碳循环的因素主要有海水的酸碱性、水温、藻类生物的分布等D．光合作用，每生成0.1mol(CH2O)x转移电子数为4NA(NA表示阿伏伽德罗常数)(1)玻璃中含有二氧化硅，因此氢氟酸可用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不能用玻璃瓶而用塑料瓶。(2)NaOH溶液可以用玻璃瓶盛放，但不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶。(3)用石英砂和焦炭制备粗硅的反应必须要隔绝空气在电炉中进行，得到的氧化产物是CO而不是CO2。(4)硅与碱溶液反应时，硅为还原剂，H2O为氧化剂。Si＋2NaOH＋4H2O=Na2SiO3＋2H2↑＋3H2O。(5)SiO2虽然即能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物。(6)酸性氧化物一般和水反应生成相应的酸，SiO2虽然是H2SiO3的酸酐，但它不与水反应，不能直接与水作用制备H2SiO3。(7)不能依据反应2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑来说明C的还原性比Si强，也不能依据反应SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑来说明SiO2水化物的酸性比H2CO3强。(8)SiO2是空间网状立体结构，不存在单个分子，这与CO2、SO2、SO3等酸性氧化物的单分子结构不同。(9)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非金属单质大多为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。③Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑。④非金属单质与碱反应一般无氢气放出，但硅与强碱溶液作用却放出氢气：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)eq\o(=,\s\up7(高温))H2＋CO。查缺补漏练查缺补漏练1．关于下列反应的叙述正确的是A．由SiO2+2CSi+2CO↑可推知硅的非金属性比碳强B．由CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑可推知H2SiO3的酸性比H2CO3强C．由Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3↓可推知碳的非金属性比硅强D．H2CO3比H2SiO3受热易分解可推知H2SiO3的酸性比H2CO3强2．硅是无机非金属材料的主角之一、下列关于硅及其化合物性质的说法，不正确的是A．硅与碳元素均属第IVA B．硅酸钠可溶于水C．SiO2与氢氟酸能反应 D．硅原子易失去或得到电子3．干冰和SiO2均属于ⅣA族元素的最高价氧化物，它们的熔沸点差别很大的原因是A．二氧化硅的相对分子质量大于二氧化碳的相对分子质量B．硅的原子半径大于碳的原子半径C．干冰为分子晶体，二氧化硅为原子晶体D．干冰易升华，二氧化硅不易升华4．碳、硅及其化合物常用做性能优异的无机非金属材料。比如氮化硅，其熔点高、硬度大，电绝缘性好，化学性质稳定。有关碳、硅及其化合物的说法正确的是①硅在自然界中主要以单质形式存在，硅是应用最广泛的半导体材料②硅是构成一些岩石和矿物的基本元素③石墨烯是一种新型的纳米化合物④氮化硅的化学式为Si3N4，其可制作坩埚，制作切削刀具⑤光导纤维的通信容量大，导电性强⑥水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂A．①③⑤ B．①③⑥ C．②④⑤ D．②④⑥5．下列关于硅及其化合物的说法正确的是A．硅在自然界中主要以单质形式存在B．太阳能电池板、光导纤维、玻璃的主要成分均为硅酸盐C．二氧化硅溶于氢氟酸，不属于酸性氧化物的通性D．利用碳高温下置换硅的反应，可以比较碳、硅的非金属性强弱6．二氧化硅又称硅石，是制备硅及其化合物的重要原料．下列说法正确的是A．SiO2既能与HF反应，又能与NaOH反应，属于两性氧化物B．在高温条件下SiO2能与过量的碳反应生成SiC,体现了二氧化硅的氧化性C．高温下SiO2能与Na2CO3反应放出CO2，不能说明H2SiO3的酸性强于H2CO3D．二氧化硅溶于水显酸性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＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si(粗)＋2CO↑(2)粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2(3)粗硅与干燥Cl2反应制得SiCl4：Si(粗)＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(高温))SiCl4(4)SiHCl3与过量H2在高温下反应制得纯硅：SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si(纯)＋3HCl(5)SiCl4与过量H2在高温下反应制得纯硅：SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si(纯)＋4HCl(6)SiO2＋2Mgeq\o(=,\s\up7(高温))2MgO＋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能力提升练能力提升练1．制造芯片用到高纯硅，用SiHCl3(沸点：31.85℃，SiHCl3遇水会剧烈反应，易自燃)与过量H2在1100~1200℃反应制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法不正确的是A．整个实验的关键是控温、检查装置气密性和排尽装置中的空气B．装置II、III中依次盛装的是浓H2SO4、温度高于32℃的温水C．实验时，先打开装有稀硫酸仪器的活塞，收集尾气验纯，再预热装置IV石英管D．尾气处理可直接通入NaOH溶液中2．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制品的主要原料。(1)已知多晶硅第三代工业制取流程如图所示。发生的主要反应电弧炉SiO2+2CSi+CO↑流化床反应器Si+3HClSiHCl3+H2①物质Z的名称是_______。②用石英砂和焦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_______③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表，提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和_______。物质SiSiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH3ClHClSiH4沸点/℃235557.631.88.2-30.4-84.9-111.9(2)利用晶体硅的粉末与干燥的氮气在1300~1400℃下反应，可制取结构陶瓷材料氮化硅(Si3N4)。现用如图所示装置(部分仪器已省略)制取少量氮化硅。①装置II中所盛试剂为_______。②装置I和装置皿均需要加热，实验中应先_______(填“皿”或“I”)的热源。(3)由晶体硅制成的n型半导体、p型半导体可用于太阳能电池。一种太阳能储能电池的工作原理如图所示，已知锂离子电池的总反应为：Li1-xNiO2+xLiC6LiNiO2+xC6。完成下列问题。①该锂离子电池充电时，n型半导体作为电源_______.(填“正”或“负”)极。②该锂离子电池放电时，b极上的电极反应式为_______。考点二硅酸、硅酸盐和无机非金属材料1.硅酸硅酸不溶于水，其酸性比碳酸弱，硅酸不能使紫色石蕊溶液变红色。2．硅酸盐(1)定义：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)表示方法：硅酸盐矿物的成分复杂，通常用SiO2和金属氧化物的组合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__，长石(KAlSi3O6)可表示为_K2O·Al2O3·6SiO2__。(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=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，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熔炉陶瓷窑主要成分硅酸三钙(3CaO·SiO2)硅酸二钙(2CaO·SiO2)铝酸三钙(3CaO·Al2O3)Na2SiO3CaSiO3SiO2—主要性质水硬性没有固定的熔点—②玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2高温,Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2高温,CaSiO3＋CO2↑。(2)新型无机非金属材料材料类别主要特性示例用途高温结构陶瓷能承受高温，强度高氮化硅陶瓷汽轮机叶片、轴承、永久性模具等半导体陶瓷具有电学特性二氧化锡陶瓷集成电路中的半导体光学材料具有光学特性光导纤维光缆通信、医疗、照明等生物陶瓷具有生物功能氧化铝陶瓷人造骨骼、人造关节、接骨螺钉4．特殊功能的含硅材料(1)SiC(俗称_金刚砂__)具有类似于金刚石的结构，硬度大，可用作砂纸、砂轮的磨料。(2)含硅4%硅钢具有很高的导磁性，可用作_变压器__的铁芯。(3)硅橡胶具有耐高温、耐低温的性质。基础通关练基础通关练1．无机非金属材料在生产生活中应用广泛。下列说法错误的是A．玻璃纤维用于高强度复合材料，其主要成分为玻璃B．陶瓷是一种常见硅酸盐材料，可以用陶瓷坩埚熔融纯碱C．碳纳米材料是一类新型无机非金属材料，其中石墨烯具有导电性D．碳化硅俗称金刚砂，可用作砂纸、砂轮的磨料2．陶瓷版“冰墩墩”和“雪容融”均产自中国陶瓷之乡，下列说法错误的是A．陶瓷、玻璃和水泥均属于无机非金属材料B．陶瓷版“冰墩墩”上黑色涂料的主要成分为Fe2O3C．高温结构陶瓷具有耐高温、耐氧化、耐磨蚀等优良性能D．陶瓷是以黏土及天然矿物岩为原料，经加工烧制而成3．下列离子方程式正确的是A．硅酸钠与盐酸反应：Na2SiO3+2H+=H2SiO3↓+2Na++H2OB．向NaAlO2溶液中加入NaHCO3：AlO+HCO+H2O=Al(OH)3↓+CO2↑C．NaClO溶液与过量NaHSO3溶液反应：ClO-+HSO=Cl-+SO+H+D．以铜为电极电解氯化铵溶液：Cu+2NHCu2++2NH3↑+H2↑4．下列物质的性质与用途有对应关系的是A．碳酸钠能与酸反应，可用于洗涤油污B．硅酸钠易溶于水，可用作木材防火剂C．植物油能发生水解，可用于制人造脂肪D．维生素C具有还原性，可用于NaNO2中毒的急救药5．石膏、水泥和石灰是传统的无机胶凝材料中的三大支柱。如图是石膏的部分层状结构，中间的虚线代表层与层的分界线。下列说法错误的是(已知：：H2O、：Ca2+、：硫氧四面体)A．无水CaSO4可以用作干燥剂B．每个H2O连接在1个Ca2+和相邻两层各1个SO的O上C．加热石膏，可以破坏层与层之间的氢键，只发生物理变化D．工业制备水泥以黏土、石灰石为主要原料，辅料石膏可以调节水泥的硬化速度6．钾长石(KAlSi3O8)是一种钾的铝硅酸盐，可用于制备Al2O3、K2CO3等物质，制备流程如图所示：下列有关说法正确的是A．上述流程中可以重复利用的物质只有Na2CO3B．钾长石用氧化物的形式可表示为K2O·Al2O3·3SiO2C．煅烧过程中Si、K和Al元素转化为CaSiO3、KAlO2和NaAlO2D．沉淀过程中的离子方程式为CO2+2AlO2-+3H2O=CO32-+2Al(OH)3↓7．下列说法不正确的是A．“天宫二号”空间实验室的硅电池板将光能直接转换为电能B．工业生产玻璃、水泥、陶瓷都需要石灰