高考化学 考点18 碳、硅及其化合物 学案（含解析）

考点18碳、硅及其化合物一、碳族元素原子结构：相同点——最外层有4个电子；不同点——电子层数、原子半径。1．相似点：（1）主要化合价：+2、+4、−4。 （2）气态氢化物通式：RH4。（3）氧化物的常见形式：RO、RO2。 （4）最高价氧化物的水化物的通式：H2RO3或H4RO4。2．递变规律：（1）原子半径逐渐增大。 （2）单质的密度逐渐增大。（3）单质的熔沸点逐渐降低。 （4）元素非金属性逐渐减弱。（5）元素金属性逐渐增强。 （6）气态氢化物的稳定性逐渐减弱。（7）最高价氧化物的水化物的酸性逐渐减弱，碱性逐渐增强。（8）C、Si、Ge、Sn的+4价化合物稳定，而Pb的+2价化合物稳定。二、碳、硅单质的性质、用途及制法1．碳、硅在自然界中的存在碳、硅均为第ⅣA族元素，非金属性较强的是碳。碳在自然界中以游离态和化合态存在；硅元素在自然界中只以化合态存在，因其有亲氧性。2．碳、硅单质的化学性质及用途（2）硅eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(与非金属单质反应\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(O2：Si＋O2\o(=,\s\up12(△))SiO2,F2：Si＋2F2\o(=,\s\up12(△))SiF4,Cl2：Si＋2Cl2\o(=,\s\up12(高温))SiCl4)),与强碱反应：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑,与氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑))3．硅的工业制法（1）四氯化硅还原法①工艺流程石英砂粗硅SiCl4高纯硅②反应原理Si(粗)+2Cl2SiCl4SiCl4+2H2Si(纯)+4HCl（2）三氯甲硅烷还原法制备高纯度硅(常用方法)①工艺流程②反应原理SiO2+2CSi+2CO↑，Si+3HClSiHCl3+H2，SiHCl3+H2Si+3HCl。三、碳、硅的氧化物1．一氧化碳（1）物理性质：无色无味的有毒气体，难溶于水。（2）化学性质：①可燃性：2CO+O22CO2②还原性：CO还原Fe2O3的反应为：3CO+Fe2O32Fe+3CO22．二氧化碳和二氧化硅的比较物质二氧化硅二氧化碳结构四面体结构，不存在单个分子直线形结构，存在单个CO2分子晶体类型原子晶体分子晶体化学式SiO2分子式：CO2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，微溶于水化学性质①与水反应不反应CO2+H2OH2CO3②与酸反应只与HF反应：SiO2+4HFSiF4↑+2H2O不反应③与碱（NaOH）反应SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)CO2+2NaOHNa2CO3+H2O或CO2+NaOHNaHCO3④与盐的反应如与Na2CO3反应：SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑如与Ca(ClO)2反应：Ca(ClO)2+CO2+H2OCaCO3↓+2HClO⑤与碱性氧化物反应如与CaO反应：SiO2+CaOCaSiO3如与Na2O反应：CO2+Na2ONa2CO3用途光导纤维、光学仪器、电子部件灭火、人工降雨、制饮料、制碳酸盐注意：玻璃中含有SiO2，SiO2能够与碱液缓慢反应，带玻璃塞的玻璃试剂瓶一般都是磨砂口的，接触非常严密，接触碱液时间长了会生成具有黏合性很强的Na2SiO3水溶液，从而使瓶塞与瓶颈黏在一起，不易分开。四、碳、硅元素的酸及其盐（一）碳酸及其盐1．碳酸是一种二元弱酸，酸性：CH3COOH>H2CO3>。2．热分解：碳酸>酸式盐>正盐（盐中金属阳离子相同时）。3．盐在水中的溶解性：钾、钠、铵盐和酸式盐均可溶于水，钾、钠、铵盐和酸式盐的溶解度小于其正盐；Mg2+、Ca2+、Ba2+等高价阳离子的酸式盐溶解度大于其正盐的溶解度（正盐均难溶于水）。4．在可溶性碳酸盐溶液中慢慢滴加H+，并不断振荡，反应是分步进行的，先生成，再生成CO2；因此利用两者滴加顺序不同，出现现象不同，可将它们互相鉴别出来。但难溶于水的碳酸盐与H+的反应，因其反应只是发生在固体表面，故不能分步进行。（二）硅酸和硅酸盐1．硅酸（1）物理性质：硅酸难溶于水。（2）化学性质①弱酸性：其酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊试液变红。与NaOH溶液反应的化学方程式为：H2SiO3+2NaOHNa2SiO3+2H2O②不稳定性：受热易分解，化学方程式为H2SiO3SiO2+H2O（3）制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl（4）用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。2．硅酸与碳酸的比较物质硅酸碳酸化学式H2SiO3H2CO3酸酐SiO2CO2制法Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaClCO2+H2OH2CO3颜色与状态白色、粉末状无色液态，只存在于水溶液中水溶性不溶于水只存在于水溶液中酸性比较弱强3．硅酸盐（1）概念：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。（2）表示方法：硅酸盐矿物的成分复杂，多用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示它们的组成，如硅酸Na2SiO3可表示为Na2O·SiO2，长石KAlSi3O8可表示为：K2O·Al2O3·6SiO2。4．硅酸钠（1）物理性质：白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性。（2）化学性质：①水解显碱性。②与酸性较硅酸强的酸反应，化学方程式分别为：与盐酸反应：Na2SiO3+2HClH2SiO3↓+2NaCl与CO2的水溶液反应：Na2SiO3+CO2+H2ONa2CO3+H2SiO3↓（3）用途：黏合剂（矿物胶），防腐剂，耐火阻燃材料。五、无机非金属材料1．物质的分类2．传统无机非金属材料玻璃水泥陶瓷主要原料纯碱、石灰石、石英石灰石、黏土黏土设备玻璃熔炉水泥回转窑陶瓷窑生产过程中的主要变化SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑，CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑复杂的物理、化学变化复杂的物理、化学变化主要成分Na2SiO3，CaSiO3，SiO23CaO·SiO2、2CaO·SiO2、CaO·Al2O33．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、较强的抗化学浸蚀性和电绝缘性等。（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。考向一碳、硅的性质和用途典例1芯片制造的主要过程如图所示，下列说法错误的是A．沙子的主要成分是B．粗硅的制取：C．氟化氢可用于蚀刻硅基D．在硅基上电镀铜时，硅基做阴极【答案】B【解析】A．沙子是基本的建筑材料，其主要成分是SiO2，A正确；B．SiO2和C高温条件下反应生成Si制取粗硅，同时生成CO，而不是CO2，B错误；C．HF可与Si发生反应生成SiF4，因此氟化氢可用于蚀刻硅基，C正确；D．在硅基上电镀铜时，Cu作阳极失去电子生成Cu2+，Cu2+在阴极得到电子生成铜，所以硅基做阴极，D正确；答案选B。考向二CO2、SiO2的性质典例2下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是A．CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐B．SiO2既能与KOH反应，又能与浓盐酸反应，而CO2不能C．CO2是酸性氧化物，SiO2是两性氧化物D．CO2和SiO2都是由相应的分子构成的【解析】CO2、SiO2都不能与浓盐酸反应，SiO2不是两性氧化物，且不是由分子构成的。【答案】A二氧化硅的特殊性（1）非金属氧化物一般由分子构成，而SiO2是由Si和O按个数比1∶2直接构成。Si、SiC、Si3N4、BN等也是直接由原子构成。（2）SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3。（3）酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。（4）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。（5）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；红、蓝宝石的主要成分是Al2O3。考向三CO2与盐或碱溶液反应的规律1、CO2与NaOH溶液反应产物的定量判断方法与碱的反应反应原理CO2+2NaOH(足量)Na2CO3+H2OCO2+NaOH(少量)NaHCO3反应后溶质成分的判断，x=n(NaOH)∶n(CO2)x≤1∶1NaHCO31∶1<x<2∶1Na2CO3、NaHCO3x=2∶1Na2CO3x>2∶1NaOH、Na2CO3也可用数轴表示：①CO2+Na2CO3+H2O2NaHCO3↓②CO2(少量)+2NaAlO2+3H2O2Al(OH)3↓+Na2CO3CO2(足量)+NaAlO2+2H2OAl(OH)3↓+NaHCO3③CO2(少量)+Ca(ClO)2+H2OCaCO3↓+2HClO④CO2(少量)+Na2SiO3+H2OH2SiO3↓+Na2CO3典例3浓度相同的NaOH溶液各100mL倒入A、B、C三个烧杯中，分别向三份溶液中通入不等量的CO2，充分反应后，再向三份所得溶液中逐滴加入0.2mol·L－1的盐酸，产生CO2的体积与所加盐酸体积之间的关系如图所示。下列判断不正确的是A．原NaOH溶液的浓度为0.2mol·L－1B．B烧杯中通入的CO2体积为448mL(标准状况)C．通入CO2后，A烧杯中的溶质为Na2CO3和NaHCO3D．通入CO2后，C烧杯中溶质成分的物质的量之比为n(NaOH)∶n(Na2CO3)＝2∶1【解析】CO2通入NaOH溶液，可能发生反应2NaOH＋CO2=Na2CO3＋H2O或NaOH＋CO2=NaHCO3，由图示可知，滴加盐酸时均不直接产生CO2气体，且最终完全反应消耗的盐酸均为100mL生成NaCl，由原子守恒得n(Na＋)＝n(Cl－)，即n(NaOH)＝n(HCl)，故c(NaOH)＝＝＝0.2mol·L－1，A正确；B烧杯中从开始加入盐酸到开始产生气体与从开始产生气体到气体完全放出需盐酸相同，即通入CO2后生成的溶液为Na2CO3溶液，据2NaOH～CO2可知n(CO2)＝＝0.01mol，标准状况下V(CO2)＝224mL，B错误；A烧杯中未产生气体消耗的盐酸小于气体完全生成消耗的盐酸，故溶质为Na2CO3和NaHCO3，C正确；C烧杯中通入CO2未产生气体消耗的盐酸大于气体完全放出消耗的盐酸，故溶液溶质为Na2CO3和NaOH，n(Na2CO3)＝n(NaHCO3)＝(100－75)×10－3×0.2mol＝5×10－3mol，故n(NaOH)＝(50－0)×10－3×0.2mol＝1×10－2mol，即n(NaOH)∶n(Na2CO3)＝2∶1，D正确。【答案】B考向四无机非金属材料及硅酸盐的表示方法典例4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材料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·Fe2O3·8SiO2·H2OD．1mol青石棉能使稀硝酸中的1molHNO3被还原【解析】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；青石棉是一种纯净物，不可能含有一定量的石英晶体；1molNa2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O跟硝酸反应时，失去3mol电子，故能使稀硝酸中的1molHNO3被还原。【答案】B1．硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。在无机非金属材料中，硅一直扮演着主角。下面几种物质中含有硅单质的是A．水晶镜片 B．玛瑙手镯 C．硅太阳能电池 D．石英光导纤维【答案】C【解析】A．水晶的主要成分是二氧化硅，故A不符合题意；B．玛瑙的主要成分是二氧化硅，故B不符合题意；C．太阳能电池板的主要成分是硅单质，硅太阳能电池工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电子转换反应，故C符合题意；D．石英光导纤维的主要成分是二氧化硅，故D不符合题意；答案选C。2．化学与生活、生产关系密切。下列说法正确的是（）A．明矾可作净水剂，也可用于自来水的杀菌消毒B．氢氧化铝、碳酸钠常用作胃酸中和剂C．SiC和C60两种化合物均属于新型无机非金属材料D．“火烧硝石有紫青烟”的描述说明硝石中含有钾元素【答案】D【解析】A．明矾不具有杀菌消毒的作用，但可净水只起到除去悬浮物的作用，故A错误；B．碳酸钠碱性较强，不用于治疗胃酸过多，通常用氢氧化铝和碳酸氢钠，故B错误；C．C60属于单质，不是化合物，不属于新型无机非金属材料，故C错误；D．“紫青烟”为钾元素的焰色反应现象，故D正确；答案选D。3．由二氧化硅制高纯硅的流程如图，下列判断中错误的是()A．①②③均属于氧化还原反应 B．氢气和氯化氢均可循环利用C．二氧化硅是一种坚硬难熔的固体 D．三氯甲硅烷(SiHCl3)摩尔质量为135.5g【答案】D【解析】A．①②③反应前后元素化合价发生改变，故①②③发生的反应均是氧化还原反应，A正确；B．由二氧化硅制高纯硅的流程图中反应过程中生成氢气和氯化氢，同时氯化氢也作为反应物参与化学反应，故氢气和氯化氢均可循环利用，B正确；C．二氧化硅熔点比较高，硬度比较大，C正确；D．三氯甲硅烷(SiHCl3)摩尔质量为135.5gmol-1，D错误答案选D。4．下列有关说法正确的是①二氧化硅可与NaOH溶液反应，因此可用NaOH溶液雕刻玻璃；②明矾溶于水可水解生成Al(OH)3胶体，因此可以用明矾对自来水进行杀菌消毒；③可用蒸馏法、电渗析法、离子交换法等对海水进行淡化；④从海带中提取碘只需用到蒸馏水、H2O2溶液和四氯化碳三种试剂；⑤地沟油可用来制肥皂、提取甘油或者生产生物柴油；⑥石英玻璃、Na2O·CaO·6SiO2、淀粉、氨水的物质类别依次为纯净物、氧化物、混合物、弱电解质。A．③⑤⑥ B．①④⑤ C．除②外都正确 D．③⑤【答案】D【解析】①，虽然二氧化硅可与NaOH溶液反应，但不用NaOH溶液雕刻玻璃，用氢氟酸雕刻玻璃，①错误；②明矾溶于水电离出Al3+，Al3+水解生成Al（OH）3胶体，Al（OH）3胶体吸附水中的悬浮物，明矾用作净水剂，不能进行杀菌消毒，②错误；③，海水淡化的方法有蒸馏法、电渗析法、离子交换法等，③正确；④，从海带中提取碘的流程为：海带海带灰含I-的水溶液I2/H2OI2的CCl4溶液I2，需要用到蒸馏水、H2O2溶液、稀硫酸、四氯化碳，④错误；⑤，地沟油在碱性条件下发生水解反应生成高级脂肪酸盐和甘油，肥皂的主要成分是高级脂肪酸盐，可制肥皂和甘油，地沟油可用于生产生物柴油，⑤正确；⑥，Na2O·CaO·6SiO2属于硅酸盐，氨水是混合物，氨水既不是电解质也不是非电解质，⑥错误；正确的有③⑤，答案选D。5．《青花瓷》中所描述的“瓶身描述的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案让人赏心悦目，但古瓷中所用颜料成分一直是个谜，近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜为+2价)，下列有关硅酸铜钡的说法不正确的是(

)A．可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2 B．易溶解于强酸和强碱C．性质稳定.不易脱色 D．x=6【答案】B【解析】A.硅酸盐用氧化物形式表示时，书写顺序为：活泼金属氧化物、不活泼金属氧化物、二氧化硅、水，所以硅酸铜钡用氧化物形式表示BaO•CuO•2SiO2，故A正确；B.硅酸铜钡能稳定存在，说明不易溶解于强酸和强碱，故B错误；C.《青花瓷》能长期不褪色，说明硅酸铜钡性质稳定不易脱色，故C正确；D.硅酸铜钡中Ba为+2价、Cu为+2价、Si为+4价、O为-2价，根据化合价代数和等于0，可知x=6，故D正确；选B。6．苏颂《本草图经》有关不灰木（火浣布）有如下描述：“不灰木，出上党，今泽、潞山中皆有之，盖石类也。其色青白如烂木，烧之不燃，以此得名。或云滑石之根也，出滑石[Mg3(Si4O10)(OH)2]处皆有”。“不灰木”成分可能是A．纤维素 B．硅酸盐 C．氧化铁 D．动物毛皮【答案】B【解析】A．不灰木，烧之不燃，而纤维素能燃烧，A不合题意；B．不灰木，盖石类也，云滑石之根也，出滑石[Mg3(Si4O10)(OH)2]处皆有，则与滑石同类，都属于硅酸盐，B符合题意；C．不灰木，其色青白如烂木，而氧化铁呈红色，C不合题意；D．不灰木，盖石类也，而动物毛皮属于蛋白质类，D不合题意；故选B。7．下列制品采用的材料属于合金的是()A．大理石华表B．青铜编钟C．玻璃花瓶D．翡翠如意【答案】B【解析】A．大理石的主要成分为碳酸盐，不属于合金，故A不符合题意；B．古代的编钟属于青铜器，青铜为铜锡合金，故B符合题意；C．玻璃花瓶是硅酸盐产品，故C不符合题意；D．翡翠如意的主要成分为硅酸盐铝钠，不属于合金，故D不符合题意；答案选B。1．[2019浙江4月选考]下列说法不正确的是A．液氯可以储存在钢瓶中B．天然气的主要成分是甲烷的水合物C．天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅D．硫元素在自然界的存在形式有硫单质、硫化物和硫酸盐等【答案】B【解析】A．液氯就是液态的氯气，与钢瓶不反应，可以储存在钢瓶中，A项正确；B．天然气的主要成分是甲烷，可燃冰的主要成分是甲烷的水合物，B项错误；C．石英、水晶、硅石、沙子的主要成分均为二氧化硅，C项正确；D．硫在地壳中主要以硫化物、硫酸盐等形式存在，火山口处有硫单质，D项正确。故答案选B。2．[2018江苏]下列有关物质性质与用途具有对应关系的是