大单元二　第五章　第25讲　碳、硅　无机非金属材料-2025年高中化学大一轮复习讲义人教版

第25讲碳、硅无机非金属材料[复习目标]1.了解碳、硅及其化合物的组成和成键特点。2.了解碳、硅两种元素单质及其重要化合物的性质及应用，能用化学方程式表示其主要化学性质。3.了解无机非金属材料的组成、分类及其应用价值。考点一碳族元素碳1．碳族元素(1)碳、硅、锗、锡、铅均属于第ⅣA族元素，又称碳族元素，其价层电子排布式为________。(2)碳单质的存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为____________。2．金刚石、石墨、C60的物理性质金刚石石墨C60晶体类型共价晶体混合型晶体分子晶体物理性质熔点高，硬度大，不导电熔点高，硬度____，____导电熔点低，不导电主要用途钻石制作，切割工具，钻探机的钻头等做电极、润滑剂、铅笔芯广泛应用于超导、医学领域3.CO2在自然界中的循环(1)CO2的主要来源：大量含碳燃料的燃烧。(2)自然界消耗CO2的主要反应：①溶于江水、海水中：CO2＋H2OH2CO3；②光合作用将CO2转化为O2；③岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2=____________。1．金刚石、石墨、C60都是由碳元素组成的单质()2．水墨画可长久保存不变色是因为在常温下碳的化学性质不活泼()3．二氧化碳能使紫色石蕊溶液变红，说明二氧化碳具有酸性()4．低碳环保中的“碳”是指二氧化碳()5．石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应()6．向空气中排放二氧化碳会形成酸雨()7．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()8．向氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体()1．中国力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，关于碳及其化合物，下列说法不正确的是()A．金刚石和石墨是碳元素的两种不同单质，二者互称为同素异形体B．在100kPa时，1mol石墨转变为金刚石要吸收1.895kJ的热量，故金刚石比石墨稳定C．考古时常用于测定文物年代的是碳元素的一种核素eq\o\al(14,6)C，该核素的中子数为8D．引起温室效应的气体之一CO2中含极性共价键2．中国努力争取2060年前实现碳中和。利用NaOH溶液喷淋捕捉空气中的CO2，反应过程如图所示。下列说法错误的是()A．捕捉室中NaOH溶液喷成雾状有利于吸收CO2B．环节a中物质分离的基本操作是蒸发结晶C．反应过程中CaO和NaOH是可循环的物质D．可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液捕捉CO2考点二硅及其重要化合物1．硅的存在自然界中硅元素仅有________，在地壳中含量仅次于____，主要以________和________的形式存在。2．硅单质(1)常温下不活泼，一般不与其他物质反应，但可以与氟、氢氟酸、碱反应。反应的化学方程式分别为与F2：________________________________________________________________________；与HF：________________________________________________________________________；与NaOH：______________________________________________________________。(2)在加热的条件下可以与氧气、氯气等反应。(3)粗硅的制取：__________________________________________________________。(4)硅单质的用途①良好的半导体材料；②硅太阳能电池；③计算机芯片。3．二氧化硅(1)物理性质：硬度____，熔、沸点____，常温下为固体，不溶于水。(2)化学性质SiO2为酸性氧化物，是硅酸的酸酐。①SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为___________________________________________________________________________________________。②在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钙反应的化学方程式为__________________________________________________________________________________________________。③在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为______________________________________________。④常温下与氢氟酸反应的化学方程式为_____________________________________________________________________________________________________________________，可用于刻蚀玻璃。(3)用途：____________、光学仪器、电子部件。4．硅酸(H2SiO3)5．硅酸盐(1)硅酸盐是由硅、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)硅酸钠：硅酸钠溶液俗称水玻璃，溶液呈碱性，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。(3)硅酸盐写成氧化物形式的顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物间以“·”隔开。如，石棉(CaMg3Si4O12)用氧化物的形式表示为____________________。1．晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料()2．非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4()3．SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸()4．硅酸钠的水溶液俗称“水玻璃”，是一种建筑行业常用的黏合剂()5．SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃()6．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶()7．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()8．工业上制取粗硅的反应是SiO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋CO2↑()9．因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸酸性比碳酸强()一、硅及其重要化合物转化关系落实1．将Si、SiO2、SiF4、H2SiO3、Na2SiO3填在下面空白处。2．写出图中序号对应的化学方程式。①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________；③________________________________________________________________________；④________________________________________________________________________；⑤________________________________________________________________________；⑥________________________________________________________________________；⑦________________________________________________________________________；⑧________________________________________________________________________；⑨________________________________________________________________________。二、工业制取高纯硅问题分析3．清华大学等重点高校为解决中国“芯”——半导体芯片，成立了“芯片学院”。某小组拟在实验室制造硅，其流程如图：制造原理：2Mg＋SiO2eq\o(=,\s\up7(点燃))2MgO＋Si；除杂原理：Mg2Si＋4HCl=2MgCl2＋SiH4↑，MgO＋2HCl=MgCl2＋H2O。下列说法正确的是()A．操作1、操作2均为过滤B．SiO2、SiH4均含有共价键，等质量的二者分子数之比为8∶15C．点燃石英砂和镁粉的混合物发生的副反应为2Mg＋Sieq\o(=,\s\up7(△))Mg2SiD．当有2mol电子转移时，能生成14gSi4．晶体硅是一种重要的非金属原料，由粗硅制备纯硅的主要步骤如下：①粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3：Si(粗)＋3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3＋H2；②经过纯化的SiHCl3与过量H2在1000～1100℃下反应制得纯硅。回答相关问题：(1)粗硅与HCl气体反应完全后，经冷凝得到SiHCl3(沸点为33℃)，只含有少量SiCl4(沸点为57.6℃)和HCl(沸点为－84.7℃)，提纯SiHCl3的方法为_______________________________。(2)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置已略去)：①在加热D装置前应先打开A装置中分液漏斗的活塞，目的是_______________________________________________________________________________________________________。②C装置中烧瓶需要加热，采用的方法是___________________________________________。三、硅胶多硅酸盐结构的理解5．硅胶吸附剂的结构示意图如图所示，常用作干燥剂。在其中添加CoCl2可使其指示吸水量的多少来决定硅胶是否失效，原理为CoCl2(蓝色)+6H2O=CoCl2·6H2O(粉红色)，失效的硅胶可加热再生，下列说法错误的是()A．当硅胶变粉红色说明硅胶失效了B．SiO2是酸性氧化物，硅胶可干燥HF和Cl2等酸性气体C．失效的硅胶再生时加热的温度不宜过高D．当硅胶遇到大量的水分子时，与硅羟基形成了过多氢键从而失去吸附力6．形式多样的硅酸盐是无机矿物的重要基石。SiOeq\o\al(4－,4)是一种四面体形的离子(属于硅酸根离子)，其结构可用图a表示，硅原子位于该四面体体心，四个氧原子各占一个顶点。图b和图c则是复合硅酸根离子中的两个实例，均为无支链的单环状，分别由数个硅氧四面体a通过共用氧原子的形式构成。(1)b的化学式为______________。(2)若一个单环状离子中Si原子数为n(n≥3)，则其化学式为____________。(3)绿柱石是铍、铝的此类硅酸复盐，其化学式中含6个硅原子，该复盐的化学式是______________________________________________________________________________。考点三无机非金属材料1．传统无机非金属材料——常见硅酸盐材料硅酸盐材料水泥普通玻璃陶瓷生产原料黏土主要设备水泥回转窑玻璃窑陶瓷窑玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))____________________________________________________________；CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))____________________________________________________________。2．新型无机非金属材料(1)高温结构陶瓷，如SiC、BN、Si3N4、Al2O3等。(2)碳纳米材料①类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。②用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。(3)特殊功能的含硅材料①碳化硅为共价晶体，具有类似金刚石的结构，可用作磨料。②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。1．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐()2．碳化硅俗称金刚砂，它可用于高温结构陶瓷的制作()3．压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化()4．石墨烯的电阻率低，热导率也低()5．冰壶主材料花岗岩属于无机非金属材料(2022·辽宁，1A)()一、传统无机非金属材料1．水玻璃(Na2SiO3溶液)广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。如图是用稻壳灰(SiO2：65%～70%、C：30%～35%)制取水玻璃的工艺流程：下列说法正确的是()A．原材料稻壳灰价格低廉，且副产品活性炭有较高的经济价值B．操作A与操作B完全相同C．该流程中硅元素的化合价发生改变D．反应器中发生的反应为氧化还原反应2．世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋、混凝土、7000多块铝板和1200多块玻璃等建成。(1)铝板易被烧碱腐蚀，玻璃易被氢氟酸腐蚀，原因分别为___________________________、_____________________________________________________________________________(用化学方程式表示)。(2)生产硅酸盐水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是________________。制备普通玻璃的主要反应的化学方程式为_____________________________________________________________________________________________________________________________(任写一个)。(3)石英玻璃化学稳定性强、膨胀系数小，是一种特殊玻璃，石英玻璃的主要成分是________(填化学式)。(4)要将NaOH高温熔化，下列坩埚中可选用的是________(填字母)。A．普通玻璃坩埚 B．石英玻璃坩埚C．氧化铝坩埚 D．铁坩埚二、新型无机非金属材料3．新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课题。其结构模型如图所示：下列有关说法正确的是()A．石墨烯是一种新型化合物B．氧化石墨烯即石墨烯的氧化物C．二者和石墨都是碳的同素异形体D．氧化石墨烯具有一定的亲水性4．氮化硅可用作高温结构陶瓷复合材料，在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。由石英砂合成氮化硅粉末的路线如图所示：其中—NH2中各元素的化合价与NH3相同。请回答下列问题：(1)石英砂不能与碱性物质共同存放，以NaOH为例，用化学方程式表示其原因：_________________________________________________________________________________________________