高考化学一轮复习 第4章 非金属及其化合物 第11讲 碳及无机非金属材料学案-人教版高三全册化学学案

第11讲碳及无机非金属材料目标要求1.结合真实情景中的应用实例或通过实验探究，了解碳、硅及其重要化合物的主要性质，认识其在生产中的应用和对生态环境的影响。2.结合实例认识碳、硅及其化合物性质的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化，认识物质及其转化在自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。1．碳单质存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为同素异形体。2．氧化物(CO、CO2)的比较COCO2物理性质无色无味气体密度比空气小难溶于水无色无味气体密度比空气大可溶于水(溶解度小)毒性有毒(易结合血红蛋白)无毒(温室效应)化学性质还原性可燃性还原氧化铁无(灭火)氧化性①与炽热炭反应②Mg在CO2中燃烧与水反应无CO2＋H2OH2CO3与碱反应(石灰水)无Ca(OH)2＋CO2=CaCO3↓＋H2O(检验CO2)相互转化CO2eq\o(,\s\up7(C，Δ),\s\do5(①O2；②CuO))CO用途燃料冶炼金属灭火制汽水植物肥料化工原料等3.碳酸(H2CO3)弱酸、不稳定。碳酸(H2CO3)只能在水中存在。H2CO3在水中与CO2共存，因此常把CO2＋H2O当碳酸用。4．碳酸的正盐和酸式盐的比较正盐(COeq\o\al(2－,3))酸式盐(HCOeq\o\al(－,3))溶解性只有钾、钠、铵盐可溶一般都可溶热稳定性正盐>酸式盐>碳酸溶液pH同浓度的：正盐>酸式盐相互转化COeq\o\al(2－,3)eq\o(,\s\up7(①CO2＋H2O；②H＋),\s\do5(OH－))HCOeq\o\al(－,3)问题思考碳的重要化合物转化关系如下，思考每步转化的试剂及条件，并用化学方程式表示标有序号的各步变化。①________________________________________________________________________②________________________________________________________________________③________________________________________________________________________④________________________________________________________________________⑤________________________________________________________________________⑥________________________________________________________________________答案①2C＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2CO(氧气不足)(或C＋CO2eq\o(=,\s\up7(高温))2CO、2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))2CO↑＋Si)②2CO＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2CO2(或CO＋CuOeq\o(=,\s\up7(△))Cu＋CO2)③CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO④CO2＋2Mgeq\o(=,\s\up7(点燃))2MgO＋C⑤CaCO3＋CO2＋H2O=Ca(HCO3)2⑥Ca(HCO3)2eq\o(=,\s\up7(△))CaCO3＋CO2↑＋H2O[或Ca(HCO3)2＋Ca(OH)2=2CaCO3↓＋2H2O](1)金刚石和石墨由相同的元素组成，因此它们具有相同的性质()(2)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应()(3)向空气中排放二氧化碳会形成酸雨()(4)向CaCl2溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失()(5)氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体()答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√解析(4)由于盐酸的酸性比碳酸的强，CO2与CaCl2溶液不反应。1．(2019·济宁一模)平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作了－20℃能发热4h的智能服饰；用铝合金管材和碳纤维制作了高2.35m、重量仅为10kg的熊猫木偶，向世界展现了新时代的中国形象。下列说法中，不正确的是()A．石墨烯是能导热的金属材料B．铝合金是密度较小的金属材料C．碳纤维是耐低温的无机非金属材料D．新型材料种类多、用途广答案A2．溶洞和钟乳石是大自然的杰作。溶洞和钟乳石的形成与自然界中碳及其化合物间的转化有着密切联系。下列有关自然界中碳及其化合物间的转化的说法，不正确的是()A．溶洞是通过CaCO3与H2O、CO2作用生成可溶性的Ca(HCO3)2形成的B．游客的参观不会对其造成影响C．溶洞和钟乳石的形成过程中没有涉及氧化还原反应D．钟乳石是在一定条件下可溶性的Ca(HCO3)2转化成CaCO3的结果答案B3．科技的进步为二氧化碳资源化利用提供了广阔的前景。下列说法错误的是()A．CO2是自然界碳循环中的重要物质B．CO2加氢转化为乙烯，CO2被还原C．CO2电催化时，在阳极转化为燃料D．CO2与环氧丙烷可合成可降解塑料答案C解析含碳燃料燃烧以及动植物呼吸都会产生二氧化碳，植物光合作用消耗二氧化碳，所以CO2是自然界碳循环中的重要物质，故A正确；CO2加氢转化为乙烯，C的化合价降低，CO2得电子，被还原，故B正确；CO2中C为＋4价，只能发生得电子的还原反应，CO2在阴极得电子转化为燃料，阳极为失电子的氧化反应，故C错误；CO2与环氧丙烷发生加聚反应，可合成可降解塑料，故D正确。4．碳和碳的氧化物是生活中的常见物质，回答下列问题：(1)下列有关说法正确的是________(填字母)。a．利用二氧化碳制造全降解塑料，可以减缓二氧化碳对环境的影响b．金刚石、石墨、C60的化学性质相似，物理性质却有很大差异c．木炭、一氧化碳在一定条件下都能还原氧化铜d．大气中二氧化碳的消耗途径主要是绿色植物的光合作用(2)吸烟对人体有害，燃着的香烟产生的烟气含有一种能与血液中的血红蛋白结合的有毒气体，它是________(填化学式)。(3)影视舞台上经常看到云雾缭绕，使人如入仙境的景象，产生这一景象可用的物质是________(填物质俗称)。(4)为减少二氧化碳对环境的影响，可将二氧化碳与氢气在300℃、200kPa和催化剂的条件下，反应生成一种清洁燃料甲醇(CH3OH)和水，其反应的化学方程式为________________________________________________________________________________________。答案(1)abcd(2)CO(3)干冰(4)CO2＋3H2eq\o(=,\s\up7(300℃、200kPa),\s\do5(催化剂))CH3OH＋H2O1．硅及其化合物硅元素在自然界中主要以二氧化硅和硅酸盐等化合态的形式存在于地壳中。(1)单质硅①晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。②硅与强碱溶液生成氢气(特征反应)：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。③粗硅的工业制法：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑，当碳过量时，继续反应生成SiC：3C＋SiO2(少量)eq\o(=,\s\up7(高温))SiC＋2CO↑(SiC的结构和性能与金刚石相似，属于原子晶体)。(2)SiO2的性质①晶体类型：原子晶体。②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O。③高温下，Na2CO3与SiO2反应制玻璃：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑。④与氢氟酸反应(特殊)SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。(3)硅酸①硅酸是难溶于水的弱酸。②硅酸的制法：Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3。(SiO2不溶于水，不能直接与水反应制备硅酸)(4)硅酸盐的组成硅酸盐种类繁多，结构复杂，组成各异，常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成，例如：硅酸钠(Na2SiO3)：Na2O·SiO2、长石(KAlSi3O8)：K2O·Al2O3·6SiO2，硅酸钠的水溶液俗称水玻璃。2．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窑陶瓷窑②玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑。(2)新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。问题思考(1)工业上可用以下流程制取高纯硅，完成各步反应的化学方程式：反应①：________________________________________________________________________；反应②：________________________________________________________________________；反应③：________________________________________________________________________。答案SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋4HCl(2)能否依据反应Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑说明H2SiO3的酸性比H2CO3强？答案不能。强酸＋弱酸盐=强酸盐＋弱酸，该规律仅适用于常温下水溶液中进行的反应，而该反应是在高温且熔融态下进行的，只能从化学平衡移动角度去解释反应发生的原因——CO2为气体，能及时分离出反应体系，使化学反应向右进行。(1)硅在自然界中只以化合态的形式存在()(2)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料()(3)Si和SiO2都可用于制造光导纤维()(4)非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4()(5)硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应()(6)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸()(7)玻璃是一种晶体，有较高的熔点()(8)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱()答案(1)√(2)×(3)×(4)√(5)×(6)×(7)×(8)×解析(3)Si可用于制造半导体，SiO2用于制造光导纤维。(6)SiO2可溶于氢氟酸：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。(7)玻璃是非晶体，没有固定的熔点。(8)水玻璃是Na2SiO3的水溶液，泡花碱属于盐。题组一硅无机非金属材料的性质及应用1．(2019·康定教学质量检查)“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是()A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐答案C解析陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、石灰石和石英是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石，B项错误；硅酸盐制品性质稳定、熔点高，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。2．(2020·开封期末)下列关于硅的说法不正确的是()A．硅是非金属元素，它的单质是灰黑色有金属光泽的固体B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料C．用二氧化硅制取单质硅的反应中硅元素被氧化D．加热到一定温度时，硅能与氢气、氧气等非金属单质发生反应答案C3．(2018·河南一模)下列关于二氧化硅的说法正确的是()A．二氧化硅是酸性氧化物，因此能与水反应生成硅酸B．二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆C．二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应D．用二氧化硅制取单质硅时，当生成2.24L气体(标准状况)时，得到2.8g硅答案C解析二氧化硅是酸性氧化物，但是二氧化硅不溶于水，与水不反应，故A错误；二氧化硅制成的光导纤维，由于其良好的光学特性而被用于制造光缆，故B错误；碳酸的酸性强于硅酸，二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但在高温时，二氧化硅能够与碳酸钠固体反应生成硅酸钠和二氧化碳，故C正确；由方程式SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑，可知当生成2.24L(标准状况)即0.1mol气体时，得到0.05mol即1.4g硅，故D错误。4．下列说法不正确的是()A．SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶C．氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，化学式为Si3N4D．石英是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能答案D解析氢氟酸与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，故HF可用于刻蚀玻璃，故A正确；盐酸的酸性强于硅酸，所以向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸可制备硅酸凝胶，故B正确；根据N的非金属性强于Si及化合物中正负化合价的代数和为0的原则，得氮化硅的化学式为Si3N4，故C正确；晶体硅是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能，而不是二氧化硅，故D错误。题组二工业上制取高纯硅5．硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：eq\x(石英砂)eq\o(→,\s\up7(焦炭),\s\do5(高温))eq\x(粗硅)eq\o(→,\s\up7(HCl),\s\do5(573K以上))eq\x(SiHCl3粗)eq\o(→,\s\up7(精馏))eq\x(SiHCl3纯)eq\o(→,\s\up7(H2),\s\do5(1357K))eq\x(高纯硅)①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式：_____________________________________________________________________________________________________。②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出并配平该反应的化学方程式：__________________________________________；H2还原SiHCl3过程中若混有O2，可能引起的后果是________________________________________________________________________。(2)化学研究性学习小组在探究硅的制取方法时，从资料中查阅到下列信息：Ⅰ.Mg在高温条件下可与SiO2反应；Ⅱ.金属硅化物与稀H2SO4反应生成硫酸盐和SiH4；Ⅲ.SiH4在空气中自燃。他们根据信息进行实验，当用足量稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物时，发现有爆鸣声和火花；然后过滤、洗涤、干燥；最后称量、计算，测得其产率只有预期值的63%左右。①第Ⅰ步实验发生反应的化学方程式是________________________________________________________________________________________________________________。②用稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物时，产生爆鸣声和火花的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案(1)①SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1357K))Si＋3HCl②SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl高温条件下，H2遇O2发生爆炸(2)①2Mg＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))2MgO＋Si、2Mg＋Sieq\o(=,\s\up7(高温))Mg2Si②硅化镁与稀硫酸反应生成的SiH4可自燃，即发生反应Mg2Si＋2H2SO4=2MgSO4＋SiH4↑，SiH4＋2O2=SiO2＋2H2O解析(2)类似于镁和二氧化碳的反应，可生成单质硅和氧化镁；在高温条件下，硅还能继续与活泼金属镁化合，产生爆鸣声和火花，说明生成气体，应为SiH4。1．(2019·全国卷Ⅰ，7)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、抗氧化等优点答案A解析“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关，而氧化铁显红棕色，A项错误；秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成，B项正确；陶瓷以黏土为原料，经高温烧制而成，属于人造材料，主要成分是硅酸盐，C项正确；陶瓷主要成分是硅酸盐，硅酸盐中硅元素化合价处于最高价，化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点，D项正确。2．化学与生活密切相关。下列叙述错误的是()A．高纯硅可用于制作光感电池(2019·全国卷Ⅲ，7A)B．活性炭具有除异味和杀菌作用(2019·全国卷Ⅲ，7C)C．无水CoCl2呈蓝色，吸水会变为粉红色，可用于判断变色硅胶是否吸水(2019·天津，3D)D．天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅(2019·浙江4月选考，8C)答案B3．下列说法正确的是()A．汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土(2018·天津，1C)B．SiO2具有导电性，可用于制作光导纤维和光电池(2018·海南，5B)C．12g金刚石中含有化学键的数目为4NA(2018·海南，9A)D．SiO2熔点高硬度大，可用于制光导纤维(2018·江苏，3B)答案A解析工业上以黏土为原料烧制瓷器，A项正确；二氧化硅对光具有良好的全反射作用，故用于制作光导纤维，而Si为半导体材料，可作光电材料，B项错误；在金刚石中，1个C原子参与形成4个C—C键，则平均每个C原子形成4×eq\f(1,2)＝2个C—C键，n(金刚石)＝eq\f(12g,12g·mol－1)＝1mol，所以12g金刚石中含有2NA个化学键，C项错误；SiO2作光导纤维是由于SiO2具有光学性质，与熔点和硬度无关，D项错误。4．下列有关硅及其化合物的叙述错误的是()A．SO2通入Na2SiO3溶液产生胶状沉淀，证明酸性H2SO3>H2SiO3(2017·北京，10D)B．可用磨