2022高考化学一轮复习讲义-第4章第8讲碳及无机非金属材料

常见非金属及其化合物第8讲碳及无机非金属材料考点一碳及其重要化合物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．碳的氧化物(CO和CO2)(1)一氧化碳的性质及应用①物理性质：无色无味的气体，难溶于水，能使人中毒的原因是与人体内血红蛋白相结合，因缺氧而中毒。②化学性质及应用(写出有关化学方程式)a．可燃性：2CO＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2CO2，可作燃料。b．还原性：CO还原Fe2O3的反应为3CO＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2，可用于冶炼金属。(2)CO2在自然界中的循环①CO2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：a．溶于江水、海水中：CO2＋H2OH2CO3；b．光合作用将CO2转化为O2；c．岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2=Ca(HCO3)2。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．碳酸的酸式盐和正盐的比较(1)在水中的溶解性①含K＋、Na＋、NHeq\o\al(＋,4)的正盐易溶于水，其余一般不溶于水；酸式盐均能溶于水。②一般来说，在相同温度下，难溶性正盐溶解度小于其酸式盐溶解度，如溶解度：Ca(HCO3)2>CaCO3；可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度，如溶解度：Na2CO3>NaHCO3。(2)热稳定性一般来说，热稳定性顺序为正盐>酸式盐>碳酸，如稳定性：Na2CO3>NaHCO3>H2CO3。可溶性正盐>难溶性正盐，如CaCO3高温分解，而K2CO3不易分解。(3)水溶液酸碱性物质的量浓度相同时，正盐溶液的pH大于其酸式盐溶液，如pH：Na2CO3溶液>NaHCO3溶液。(1)12C、13C、14C是碳的三种同素异形体()(2)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()(3)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应()(4)向空气中排放二氧化碳会形成酸雨()(5)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()(6)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)×(6)√解析(1)12C、13C、14C互称同位素，碳元素的三种常见的同素异形体为金刚石、石墨和C60。(5)由于盐酸的酸性比碳酸的强，CO2与CaCl2溶液不反应。确定混合气体(CO、CO2)中含有CO气体的实验设计方法。按要求回答下列问题：(1)写出下列装置的作用：A：除去混合气体中的CO2气体。B：检验混合气体中的CO2是否除尽。E：除去尾气中的CO2气体。F：除去尾气中的CO气体、防止污染环境。(2)写出C中的化学方程式：CO＋CuOeq\o(=,\s\up7(△))Cu＋CO2。(3)确定混合气体中含有CO气体的实验现象：B中无明显现象，C中的物质由黑色变成红色，D中的澄清石灰水变浑浊。题组一碳及其化合物对环境的影响1．对人类生存、发展有着重要的意义。下列说法错误的是()A．碳是构成有机物的主要元素B．光合作用是将太阳能转化为化学能的过程C．化石燃料的大量燃烧是产生温室效应的原因之一D．石油的年产量是一个国家石油化工发展水平的标志答案D2．化学与社会、科学、技术、环境密切相关。下列说法不正确的是()A．T­碳是一种新型三维碳结构晶体，与C60互为同素异形体B．推广利用CO2合成聚碳酸酯可降解塑料符合低碳经济理念C．将金属钛、铝混合后在空气中熔化可制得强度较大的钛铝合金材料D．为汽车安装尾气催化转化装置，可将尾气中的部分CO和NO转化为无毒气体答案C解析B项，利用CO2合成聚碳酸酯类可降解塑料，实现“碳”的循环利用，减少二氧化碳的排放，故B正确；C项，在空气中加热熔化，金属易与氧气发生反应，所以不能直接在空气中制备钛铝合金，故C错误。3．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________(填物质名称)。(4)为减少二氧化碳对环境影响，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\up9(300℃、200kPa),\s\do3(催化剂))CH3OH＋H2O题组二CO2通入碱溶液中反应产物的定量分析4．将足量CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量(n)和通入CO2体积(V)的关系正确的是()答案D解析CO2与KOH和Ca(OH)2都会反应，但存在着竞争，如果先与KOH反应，则反应后生成的K2CO3立即会与Ca(OH)2反应生成CaCO3，因此，可以看成CO2先与Ca(OH)2反应，所以通CO2后立即有CaCO3生成。第二步还要判断CO2是先跟KOH反应还是先与生成的CaCO3反应，同样可以采用假设法判断，即如果先与CaCO3反应，则生成的Ca(HCO3)2又会与KOH反应，因此是先与KOH反应，此过程生成沉淀的物质的量不变，当KOH反应完全，再与CaCO3反应，直至沉淀完全溶解，故选D。5．标准状况下，将3．36LCO2气体通入200mL1．00mol·L－1NaOH溶液中，充分反应后溶液中c(COeq\o\al(2－,3))与c(HCOeq\o\al(－,3))的比值为(不考虑COeq\o\al(2－,3)、HCOeq\o\al(－,3)的水解)()A．1∶1B．1∶2C．2∶1D．1∶3答案B解析n(CO2)＝eq\f(3.36L,22.4L·mol－1)＝0．150mol，n(NaOH)＝0．200L×1．00mol·L－1＝0．200moleq\f(nNaOH,nCO2)＝eq\f(0.2mol,0.15mol)＝eq\f(4,3)，即1＜eq\f(nNaOH,nCO2)＜2，反应产物为Na2CO3、NaHCO3，设其物质的量分别为xmol、ymol，则eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(2x＋y＝0.2mol,x＋y＝0.15mol))，解得eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(x＝0.05,y＝0.10))，所以eq\f(nCO\o\al(2－,3),nHCO\o\al(－,3))＝eq\f(1,2)。考点二硅及其重要化合物、无机非金属材料一、硅单质1．存在硅单质主要有晶体和无定形两大类。2．物理性质带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。3．化学性质(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：与氟：Si＋2F2=SiF4；与氢氟酸：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；与碱：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。(2)在加热或者点燃的条件下可以与氢气、氧气、氯气等反应，与氧气反应的化学方程式为Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2。二、二氧化硅1．存在自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石。2．物理性质熔点高，硬度大，难溶于水。3．结构SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。4．化学性质SiO2为酸性氧化物，是硅酸的酸酐。(1)SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O。(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SiO2＋CaCO3eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑。(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SiO2＋CaOeq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3。(4)常温下与氢氟酸反应的化学方程式为SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。三、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。(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()答案(1)√(2)×(3)×(4)√(5)×(6)×(7)×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。硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。(1)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作________。Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得，高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是________。A．普通玻璃坩埚B．石英玻璃坩埚C．氧化铝坩埚D．铁坩埚(2)工业上常利用反应2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中所含元素化合价升高的物质是________(填化学式，下同)，氧化剂是________。答案(1)防火剂D(2)CSiO2题组一硅和二氧化硅的性质1．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A项，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，错误；B项，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，错误；C项，碳酸的酸性强于硅酸，二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，高温时，能够与碳酸钠固体反应生成硅酸钠和二氧化碳，正确；D项，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，错误。2．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、氧气等非金属发生反应答案C解析A项，晶体硅的结构与金刚石类似，它是灰黑色有金属光泽的非金属固体，正确；B项，硅在元素周期表中处于金属和非金属的过渡位置，所以晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，正确；C项，硅元素由＋4价变为0价，被还原，错误；D项，加热条件下，硅能与一些非金属、氧化物等反应，如硅能与氢气、氧气等非金属发生反应，正确。题组二无机非金属材料的性能及应用3．“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。4．下列关于某博物院使用材料相关说法正确的是()A．展柜使用的钢化玻璃，其主要成分只有SiO2B．墙体使用的砖瓦、水泥是硅酸盐制品C．陈列的元青花瓷的原料有高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，也可以表示为Al2O3·SiO2·H2OD．展示的青铜器上有一层绿色物质可能是碱式碳酸铜，此绿色物质不溶于盐酸答案B解析钢化玻璃与普通玻璃的主要成分相同(只是制造的工艺不同)，主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，A项错误；砖瓦和水泥都是硅酸盐制品，B项正确；高岭土[Al2Si2O5(OH)4]应该表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，C项错误；铜绿是碱式碳酸铜，该物质可以与盐酸反应生成氯化铜而溶解，D项错误。5．宋代五大名窑分别为：钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“入窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是()A．窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料C．高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物D．陶瓷属于硅酸盐材料，耐酸碱腐蚀，但是不能用来盛装氢氟酸答案C解析不同的金属氧化物颜色可能不同，在高温下，釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化称为窑变，故A正确；新型无机非金属材料主要有先进陶瓷、非晶体材料、人工晶体、无机涂层，无机纤维等，氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料，故B正确；瓷器的原料主要是黏土烧结而成，瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅，是混合物，故C错误；HF能与二氧化硅反应，陶瓷的成分是硅酸盐和二氧化硅，所以陶瓷不能用来盛装氢氟酸，故D正确。题组三高纯硅的提取6．高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。可以按下列方法制备：SiO2eq\o(→,\s\up9(①C),\s\do3(高温))Si(粗)eq\o(→,\s\up9(②HCl),\s\do3(300℃))SiHCl3eq\o(→,\s\up9(③过量H2),\s\do3(1000～1100℃))Si(纯)下列说法不正确的是()A．步骤①的化学方程式为：SiO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋CO2↑B．步骤①中每生成1molSi，转移4mol电子C．高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料D．SiHCl3(沸点33．0℃)中含有少量的SiCl4(沸点67．6℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3答案A解析二氧化硅高温下与C反应生成CO气体，即步骤①的化学方程式为：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑，故A错误；步骤①中Si的化合价降低4，转移电子数为4mol，故B正确；高纯硅是半导体，是制造集成电路、太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料，故C正确；沸点相差30℃以上的两种液体可以采用蒸馏的方法分离，故D正确。7．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\up9(焦炭),\s\do3(高温))eq\x(粗硅)eq\o(→,\s\up9(HCl),\s\do3(573K以上))eq\x(SiHCl3粗)eq\o(→,\s\up7(精馏))eq\x(SiHCl3纯)eq\o(→,\s\up9(H2),\s\do3(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步实验获得固体产物时，产生爆鸣声和火花的原因是_____________