碳硅及其化合物讲义

碳族元素Ⅰ.课标规定通过实验理解硅及其化合物的重要性质，认识其在信息技术、材料科学等领域的应用。Ⅱ.考纲规定1.理解单质硅及其重要硅的化合物的重要性质及应用3.能综合应用硅及硅的化合物知识Ⅲ.教材精讲1.本考点知识构造2.碳族元素①碳族元素的特性：碳族元素原子最外层电子数为4，既不容易失去电子，又不容易得到电子，易形成共价键，难形成离子键。碳族元素形成的单质在同周期中硬度最大，熔沸点最高(如金刚石、晶体硅)。②碳族元素的化合价：碳族元素的重要化合价有+2，+4，其中铅+2价稳定，其它元素+4价稳定。③碳族元素的递变规律：从上到下电子层数增多，原子半径增大，原子核对最外层电子的吸引能力削弱，失电子的能力增强，从上到下由非金属递变为金属的变化非常典型。其中碳是非金属，锡、铅是金属，硅、锗是半导体材料。④碳族元素在自然界里的存在：自然界里碳有游离态和化合态两种；硅在地壳里无游离态，重要以含氧化合物的形式存在。⑤几个同素异形体：碳：金刚石、石墨、C60、C70等；硅：晶体硅，无定形硅。3.碳在常温下碳很稳定，只在高温下能发生反映，普通体现为还原性。①燃烧反映②与某些氧化物的反映：C＋CO22CO；C＋2CuOCO2↑＋2Cu；C＋H2OCO＋H2O（CO、H2的混合气体叫水煤气）；2C+SiO2Si+2CO↑③与氧化性酸反映：C＋2H2SO4（浓）CO2↑＋2SO2↑＋2H2O；C＋4HNO3（浓）CO2↑＋4NO2↑＋2H2O不溶于水，有毒(CO和血红蛋白结合，使血红蛋白无法和O2结合，而使细胞缺氧引发中毒)，但由于CO无色无味因此含有更大的危险性。①可燃性②还原性：CO+CuOCO2＋Cu，CO+H2O(g)CO2+H2O直线型（O＝C＝O）非极性分子，无色能溶于水，密度不不大于空气，可倾倒，易液化。固态CO2俗称干冰，能升华，惯用于人工降雨。实验室制法：CaCO3＋2HCl＝CaCl2＋CO2↑＋H2O。①酸性氧化物一—酸酐Ca(OH)2＋CO2＝CaCO3↓＋H2O(用于检查CO2)②氧化性：CO2＋C2CO；2Mg＋CO22MgO＋C6.碳酸盐①溶解性：Ca(HCO3)2>CaCO3；Na2CO3>NaHCO3。②热稳定性：Na2CO3>CaCO3；碱金属正盐>碱金属酸式盐:Na2CO3>NaHCO3。③互相转化：碳酸正盐碳酸酸式盐(除杂用)7.硅①硅在地壳中只有化合态，没有游离态。其含量在地壳中居第二，仅次于氧，是构成矿物和岩石的重要成分。②晶体硅是灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体，是半导体，含有较高的硬度和熔点。③硅的化学性质不活泼，常温下，只能与氟气、氢氟酸及强碱溶液反映:Si+2F2＝SiF4、Si+4HF＝SiF4+2H2↑、Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑；在加热条件下，能与氧气、氯气等少数非金属单质化合：Si＋O2SiO2。④制备：在电炉里用碳还原二氧化硅先制得粗硅：SiO2＋2CSi＋2CO↑，将制得的粗硅，再与C12反映后，蒸馏出SiCl4，然后用H2还原SiCl4可得到纯硅。有关的反映为：Si十2C12SiCl4、SiCl4+2H2Si+4HCl。⑤硅在高新技术中的应用：高纯硅可作半导体材料，晶体硅还可做光电转换材料及制作DNA芯片为代表的生物工程芯片。①SiO2为原子晶体，是一种坚硬难熔的固体，硬度、熔点都很高。而CO2普通状况下是气体，固体熔点很低。其差别在于晶体类型不同。CO2是分子晶体，故熔点很低。②二氧化硅的化学性质很稳定，不能跟酸(氢氟酸除外)发生反映。由于它是一种酸性氧化物，因此能跟碱性氧化物或强碱反映。SiO2+CaOCaSiO3、SiO2+2NaOH＝Na2SiO3+H2O(碱溶液不能在使用磨口玻璃塞的试剂瓶中)③二氧化硅是一种特殊的酸性氧化物。a．酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但二氧化硅却不能直接跟水化合，它的对应水化物(硅酸)只能用对应的可溶性硅酸盐跟盐酸作用制得：首先让SiO2和NaOH（或Na2CO3）在熔化条件下反映生成对应的硅酸钠：SiO2＋2NaOHNa2SiO3＋H2O，SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2，然后用酸与硅酸钠作用制得硅酸：Na2SiO3+2HCl===H2SiO3+2NaCl。b．酸性氧化物普通不跟酸作用，但二氧化硅却能跟氢氟酸起反映：SiO2+4HF＝SiF4+2H2O(氢氟酸不能盛放在玻璃容器中)。④光导纤维：从高纯度的SiO2或石英玻璃熔融体中，拉出的直径约100μm的细丝，称为石英玻璃纤维，这种纤维称为光导纤维。光纤通信是一种新技术，它将光信号在光导纤维中进行全反射传输，取代了电信号在铜线中的传输，达成两地通信的目的。光纤通信优点：信息传输量大，每根光缆可同时通过10亿路电话；原料来源广；质量轻，每千米27克；不怕腐蚀，铺设方便；抗电磁干扰，保密性好。⑤石英、水晶及其压电效应石英的重要成分是SiO2,可用来制造石英玻璃。石英晶体中有时含有其它元素的化合物,它们以溶解状态存在于石英中,呈多个颜色。。纯净的SiO2晶体叫做水晶,它是六方柱状的透明晶体,是较贵重的宝石。水晶或石英在受压时能产生一定的电场,这种现象被称为“压电效应”。后来这种“压电效应”被应用在电子工业及钟表工业和超声技术上。。9．硅酸和硅胶①硅酸：硅酸有多个形式，如H4SiO4、H2SiO3、H2Si2O5等。普通用通式xSiO2·yH2O表达，由于“H2SiO3”分子式最简朴，习惯采用H2SiO3②硅酸酸性比碳酸还弱，由下列反映可证明：Na2SiO3+CO2+H2O＝H2SiO3↓+Na2CO3③硅胶：刚制得的硅酸是单个小分子，能溶于水，在寄存过程中，它会逐步失水聚合，形成多个多硅酸，接着就形成不溶于水，但又暂不从水中沉淀出来的“硅溶胶”。如果向硅溶胶中加入电解质，则它会失水转为“硅凝胶”。把硅凝胶烘干可得到“硅胶”。烘干的硅胶是一种多孔性物质，含有良好的吸水性。并且吸水后还能烘干重复使用，因此在实验室中常把硅胶作为作为干燥剂。10.硅及其化合物的“反常”①Si的还原性不不大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑②非金属单质跟碱液作用普通无H2放出，但Si却放出H2：Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑③非金属单质普通不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si+4HF＝SiF4+2H2↑④非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。⑤SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备H2SiO3。⑥酸性氧化物普通不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2+4HF＝SiF4+2H2O⑦无机酸普通易溶于水，但H2SiO3难溶于水。⑧因H2CO3的酸性不不大于H2SiO3，因此在Na2SiO3溶液中通人CO2能发生下列反映：Na2SiO3+CO2+H2O＝H2SiO3↓+Na2CO3，但在高温下SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑也能发生。⑨Na2SiO3的水溶液称水玻璃，但它与玻璃的成分大不相似，硅酸钠水溶液(即水玻璃)称泡花碱，但它却是盐的溶液，并不是碱溶液。11.硅酸盐①硅酸盐是构成地壳岩石的重要成分，其构造复杂，构成可用氧化物的形式表达。例如：硅酸钠Na2SiO3(Na2O·SiO2)；镁橄榄石Mg2SiO4(2MgO·SiO2)；高岭石Al2(Si2O5)(OH)4(A12O3·2SiO2·2H2O)②云母、滑石、石棉、高岭石等，它们都属于天然的硅酸盐。③人造硅酸盐：重要有玻璃、水泥、多个陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。④硅酸盐制品性质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途。最简朴硅酸盐是硅酸钠，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，可作粘合剂，防腐剂。12.水泥、玻璃、陶瓷①普通水泥的重要成分是硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3），水泥含有水硬性，水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。②制玻璃的重要原料是纯碱、石灰石和石英，重要反映是：SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑、SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑，玻璃是无固定熔点的混合物。加入氧化钴后的玻璃呈蓝色，加入氧化亚铜后的玻璃呈红色，普通玻璃普通呈淡绿色，这是由于原料中混有二价铁的缘故。③制造陶瓷的重要原料是黏土，黏土的重要成分：Al2O3·2SiO2·2H2O。13.无机非金属材料无机非金属材料包含除传统陶瓷外的多个性能优秀的精细陶瓷：耐高温的二氧化锆（ZrO2）陶瓷、高熔点的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷；透明的氧化铝、砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化镁（MgF2）、氟化钙（CaF2）等氧化物或非氧化物陶瓷；生物陶瓷；超细微粉体粒子制造的纳米陶瓷等。Ⅳ.典型例题例1、（06全国理综)在呼吸面具和潜水艇中可用过氧化钠作为供氧剂。请选用适宜的化学试剂和实验用品，用图中的实验装置进行实验，证明过氧化钠可作供氧剂。=1\*GB2⑴A是制取C02的装置。写出A中发生反映的化学方程式：________________。仪器加入试剂加入该试剂的目的B饱和NaHC03溶液CD=2\*GB2⑵填写表中空格：=3\*GB2⑶写出过氧化钠与二氧化碳反映的化学方程式：______________________。=4\*GB2⑷试管F中收集满气体后，下一步实验操作是：______________________。【解析】命题意图就是验证过氧化钠与水或二氧化碳的反映及对供氧剂信息的理解认识。实验仪器中的A是二氧化碳发生装置，B、D是除杂装置，C是反映装置，E是收集装置。本实验可能存在的杂质气体有：制取二氧化碳的是HCl和水，但由于过氧化钠与二氧化碳和水都能反映产生氧气，故水不必除去。答案：=1\*GB2⑴CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑=2\*GB2⑵B饱和NaHCO3除CO2中的HClCNa2O2粉末反映物DNaOH溶液除去未反映的CO2=3\*GB2⑶2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2=4\*GB2⑷把E中的导管移出水面，关闭分液漏斗活塞，用姆指堵住试管口，取出试管，立刻把带火星的木条伸入试管口内，木条复燃，证明试管中收集的气体是氧气。【点评】本题涉及CO2实验室制法，实验室用碳酸钙和盐酸反映指取CO2所得气体中，由于盐酸含有挥发性，所制备气体中含有氯化氢气体和水蒸汽，氯化氢气体也会与过氧化钠反映，因此需要用饱和碳酸钠溶液进行洗气，以除去HCl气体，水蒸汽和CO2气体都会与过氧化钠反映生成氧气，因此不必除去水蒸汽，紧接着，让含有少量水蒸汽的CO2气体通过过氧化钠（过氧化钠是粉末状物质，为了避免被气体吃入导气管，最佳是用石棉绒包住过氧化钠）进行反映，然后用氢氧化钠除去位反映的CO2，最后用排水法收集氧气，进行检查。不难看出题目涉及知识点都来自课本中的主干知识，规定学生一定要重视课本。例2、我国科学家合成出世界上最细的碳纳米管，直径仅有，它的直径与C36分子直径相称，十分靠近理论极限值，这项成果获取国家自然科学二等奖。已知C36是由正五边形和正六边形构成的足球状分子，在多面体中，棱边数=顶点数+面数－2。根据以上信息，下列有关推断不对的的是 （） A．碳纳米管与金刚石互为同素异形体B．碳纳米管属于高分子化合物 C．每个C36分子中有18个双键D．C36分子中有12个正五边形，8个正六边形构成【解析】由题意不难看出，碳纳米管与金刚石都是由碳元素构成的不同的单质，因此A对的；碳纳米管是单质，而不是化合物，B显然是错误的。至于C、D答案对的与否需要进行以下的计算分析：设：C36中正五边形和正六边形的个数分别为x、y个根据一种棱边为两个面（正五边形或正六边形）所共用，一种面上的顶点C原子与相邻C原子通过C—C键或C=C键形成三个棱边，考虑一种棱边（C—C键或C=C键）为两个C原子共用，结合题设信息可得以下方程式：x=12y=8x=12y=81/2×(5x+6y)=1/2×（3×36）而双键数应按全部碳原子最多可形成的C—C键数减去边数为：1/2×（4×36）—1/2×（3×36）=18因此C、D答案对的。答案：B【点评】运用不停发现的新材料，而作为高考命题新的生长点，这是近几年化学高考的一种值得关注的动向。万变不离其宗，其实本问题的解决尚有赖于晶体计算中的分摊思想和足球分子构造的直观想象，同时也足以阐明数学工具在化学分子构造分析中的重要作用。例3．据报导我国科学家近年来研制出一种新型“持续纤维增韧”航空材料，其重要成分是由碳化硅（构造类似于金刚石）、陶瓷和碳纤维复合而成。下列有关叙述不对的的是A．它耐高温抗氧化B．它比钢铁轻、硬，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【解析】此航空材料是碳化硅、陶瓷和碳纤维等无机非金属材料复合而成，是混合物，故没有固定熔点。同时它也糅合了碳化硅、陶瓷和碳纤维各自的优良性能，耐高温、抗腐蚀、抗氧化、坚硬、轻巧、有良好的韧性等。碳化硅、陶瓷、碳纤维均属于无机非金属材料。答案：B【点评】对醒目的字句进行字斟酢句的分析、加工、联想是新信息问题解决的核心。Ⅴ.跟踪训练一、选择题（下列各题均只有一种合理答案，请将合理答案的序号填在第Ⅱ卷题首的答案栏内，填在其它地方无效）1、（06上海）下列不符合当今化学研究方向的是A．发现新物质B．合成新材料C．研究化学反映的微观过程D．研究化学反映中原子守恒关系2．人类使用材料的增多和变化，标志着人类文明的进步，下列材料与化学制备无关的是（）A．石器B．青铜器C．铁器D．高分子材料3．下列说法中，对的的是（）A．二氧化硅溶于水显酸性B．二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸高温C．水玻璃露置空气中发生反映：Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3↓，因此碳酸酸性比硅酸酸性强高温D．高温时纯碱和石英发生反映：Na2CO3+SiO2===Na2SiO3+CO2↑，因此硅酸酸性比碳酸酸性强4．我国科学家在“纳米材料国家重点实验室”里成功研制出了3mm长的碳纳米管，长度居世界之首。这种碳纤维强度高、刚度大、密度小、熔点高、化学稳定性好，因而被称为“超级纤维”。下列对此碳纳米管的说法中不对的的是A．它是制造飞机的抱负材料B．它与石墨互为同素异形体C．这种碳纳米管中含有非极性共价键D．碳纤维复合材料为高分子化合物5．金属陶瓷是一种应用于高科技的复合材料，合成办法是将陶瓷（重要成分：Al2O3、ZrO2等耐高温材料）和粘结金属（重要是Cr、Mo、W、Ti等高熔点金属）研磨混匀成型后，高温烧结使金属仍然以单质的形式存在于金属陶瓷之中，据此判断合成工艺必须A.在氧气中合成 B.在HCl氛围中合成 C.在氮气氛围中合成 D.在空气中合成二、选择题（下列各题都有2个答案，请将合理答案的序号填在第Ⅱ卷题首的答案栏内，填在其它地方无效）6．下列所列各物质的用途中，对的的是()A.含氧化亚铜的红色玻璃片：制夏天用的变色眼镜B.硅胶：干燥剂、吸附剂、催化剂载体C.石英：光导纤维 D.硅酸：粘合剂、耐火材料7．硅酸铜钡是当今用最新科学技术才干合成的一种物质。然而现在发现，我国秦朝兵马俑用的一种颜料竟是硅酸铜钡。下列有关硅酸铜钡的学说对的的是（）A．易溶于水B．难溶于水C．既属于硅酸盐，也属于复盐 D．属于无机高分子材料8．科学家在高压下成功地将CO2转化为含有类似SiO2构造的晶体，下列有关CO2的原子晶体的说法对的的是A．CO2的分子晶体转化为原子晶体是化学变化B．CO2的原子晶体和分子晶体事实上是同种物质C．CO2的原子晶体和分子晶体含有相似的物理性质D．在CO2的原子晶体中，每一种C原子周边结合4个O原子9．科学家提出硅是“21世纪的能源”，这重要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中含有重要的作用。下列有关硅的说法中错误的是（）A．硅原子既不易失去电子又不易得到电子，重要形成四价的化合物。B．高纯度的硅被广泛用于制作计算机芯片C．自然界中存在贮量丰富的单质硅D．晶体硅的熔点比构造相似的碳化硅晶体的熔点要高10、“耐高温长寿命抗氧化陶瓷复合材料应用技术”获国家技术发明一等奖。该复合材料的强度比钢还大，在航空航天器中用来替代金属材料，可节省20~30%的燃料。下列有关该材料的叙述中不对的的是（）A．该材料属于传统无机非金属材料B．该材料的化学性质非常稳定C．与金属同样有较好的传热性能D．能够替代金属做耐高温构造材料11．下列表述不对的的是（） A人造刚玉熔点很高，可用作高级耐火材料，重要成分是二氧化硅 B化学家采用玛瑙研钵摩擦固体反映物进行无溶剂合成，玛瑙的重要成分是硅酸盐 C提前建成的三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料 D太阳能电池可采用硅材料制作，其应用有助于环保、节能角氧12．原硅酸的构造为，若去掉氢原子后的剩余部分即SiO44-为原硅酸根，其构型为正四周体（如图），称为“硅氧四周体”。四周体角顶上的氧原子叫“角氧”。有关叙述不对的的是（）角氧A．两分子原硅酸脱去一分子水得到的H6Si2O7分子中有6个Si—O键 B．两个硅氧四周体，彼此共用一种角氧相连后，形成的Si2O76－离子中各个键角不一定为109o28′ C．3个硅氧四周体彼此用2个角氧相连后，形成的Si3O96－离子一定呈链状 D．n个硅氧四周体彼此用四个角氧连接后的晶体是二氧化硅13、下列反映化学方程式表达不对的的是A.黄铁矿煅烧：2FeS2+5O2FeO+4SO2B.石英与石灰石共熔：SiO2+CaOCaSiO3C.氨的催化氧化：4NH3+5O24NO+6H2OD.氯气与石灰乳反映：2Cl2+2Ca(OH)2=CaCl2+Ca（ClO）2+2H2O三、本题有2个小题14．为比较HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某同窗设计了如图所示的装置，想通过一次实验达成实验目的，请你协助完毕实验。AB可供选择的试剂有：稀盐酸、浓盐酸、稀硫酸、浓硫酸、碳酸钠粉末、碳酸钠溶液、碳酸氢钠粉末、碳酸氢钠溶液、硅酸钠粉末、硅酸钠溶液。请根据此实验填空：AB⑴锥形瓶内所装某试剂是__________，分液漏斗中所盛试剂是__________。⑵装置B中所盛的试剂是___________，出现的现象是，B中发生的化学反映方程式为________________________________。⑶实验结束后，有人提出该实验不严密，你的见解如何请说出理由或改善意见。15、（06天津理综）晶体硅是一种重要的非金属材料。制备纯硅的重要环节以下：300℃300②粗硅与干燥HCl气体反映制得SiCl3：Si＋3HClSiCl3＋Ｈ2③SiCl3与过量Ｈ2在1000～1100℃反映制得纯硅已知SiCl3能与Ｈ2Ｏ强烈反映，在空气中易自燃。请回答下列问题：（1）第①步制备粗硅的化学反映方程式为。（2）粗硅与HCl反映完全后，经冷凝得到的SiCl3（沸点33.0℃）中含有少量SiCl4（沸点57.6℃）和HCl（沸点－84.7℃），提纯SiCl3采用的办法为：。（3）用SiCl3与过量Ｈ2反映制备纯硅的装置以下（热源及夹持装置略去）：①装置Ｂ中的试剂是，装置Ｃ中的烧瓶需要加热，其目的是：。②反映一段时间后，装置Ｄ中观察到的现象是，装置Ｄ不能采用普通玻璃管的因素是，装置Ｄ中发生反映的化学方程式为。③为确保制备纯硅实验的成功，操作的核心是检查实验装置的气密性，控制好反映温度以及。④为鉴定产品硅中与否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂（填写字母代号）是ａ碘水 ｂ氯水 ｃＮａＯＨ溶液 ｄＫＳＣＮ溶液 ｅＮａ2ＳＯ3溶液四、本题有2个小题16、材料科学与近几年来与化学有关的科学研究的热点.某新型无机非金属材料K由两种非金属元素构成,它是一种超硬物质,含有耐磨耐腐蚀抗冲击抗氧化的特性,它是以中学化学的常见物质为原料来生产的,如图虚线框外为其生产过程;线框内的其它转化是为探究C的构成而设,GH均为难溶于水的白色固体;图中CMK均含有A元素,C物质遇水强烈水解,能生成一种白色胶状物质F和E的酸雾,其它物质均为中学化学常见的物质.试回答:单质A单质A单质B化合物C化合物MA(NH2)4KEFGGHIF①Δ②过量NH3③隔绝空气