1、第一讲 碳、硅及无机非金属材料第四章 非金属及其重要化合物1了解碳、硅元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。2了解碳、硅元素单质及其重要化合物对环境的影响。3以上各部分知识的综合应用。第四章 非金属及其重要化合物 碳、硅单质及其重要化合物的性质知识梳理一、碳、硅的单质1存在：自然界中碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素因有亲氧性，所以仅有_态。碳单质主要有金刚石、石墨、C60 等同素异形体，硅单质主要有_和_两大类。化合晶体硅无定形硅2结构、物理性质与用途的比较碳硅 结构金刚石：_结构；石墨：层状结构晶体硅：与金刚石类似的_结构物理性质金刚石熔点高、硬度大；石墨熔点高、质
2、_，有滑腻感晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点_ 用途金刚石用作切割刀具；_用作电极、铅笔芯晶体硅用作_材料、硅芯片和硅太阳能电池 空间网状空间网状软高石墨半导体3.化学性质 碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。碳与O2反应O2(足量)：CO2=点燃 CO2O2(不足)：2CO2=点燃 2CO与氧化物反应CuO：_(冶炼金属)SiO2：_(制取粗硅)H2O：CH2O(g)=高温 COH2(制取水煤气)与强氧化性酸反应浓H2SO4：_浓HNO3：C4HNO3(浓)=CO24NO22H2O2CuOC=2CuCO2SiO22C=高温 Si2COC2H2SO4(浓)=CO22SO22H2
3、O硅与非金属单质反应O2：SiO2=SiO2F2：Si2F2=SiF4Cl2：Si2Cl2=SiCl4与氢氟酸反应：Si4HF=SiF42H2与氢氧化钠溶液反应：Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2二、碳、硅的氧化物1一氧化碳(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其与人体中_相结合，因缺氧而中毒。(2)化学性质可燃性：2COO2=点燃 2CO2。还原性：CO 还原 Fe2O3的反应为 Fe2O33CO=高温 2Fe3CO2。2二氧化碳与二氧化硅(1)物理性质熔、沸点：CO2的熔、沸点比 SiO2的熔、沸点_。溶解性：CO2可溶于水，SiO2不溶于水。血红蛋白低(2)
4、化学性质物质二氧化碳二氧化硅 与水反应CO2H2OH2CO3不反应与酸反应不反应氢氟酸用于刻蚀玻璃：SiO24HF=SiF42H2O 与碱反应(如NaOH)CO22NaOH=Na2CO3H2O 或 CO2NaOH=NaHCO3SiO22NaOH=Na2SiO3H2O(盛碱液的试剂瓶不能用_塞)玻璃物质二氧化碳二氧化硅 与盐反应(如 Na2CO3)CO2Na2CO3H2O=2NaHCO3SiO2Na2CO3=高温Na2SiO3CO2 与碱性氧化物反应与 Na2O 反应：CO2Na2O=Na2CO3与 CaO 反应：SiO2CaO=高温 CaSiO3 与碳反应CCO2=高温 2CO2CSiO2=高
5、温 Si2CO(3)主要用途CO2：化工原料、灭火剂。干冰用作制冷剂，人工降雨。SiO2：制光学仪器、石英玻璃。水晶可制作饰品，常用来制造通讯材料_。光导纤维自我检测1判断正误(正确的打“”，错误的打“”)。(1)12C、13C、14C 是碳的三种同素异形体。()(2)硅在自然界中只以化合态的形式存在。()(3)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料。()(4)Si 和 SiO2 都可用于制造光导纤维。()(5)非金属性：CSi，则热稳定性：CH4SiH4。()(6)SiO2 是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)2将碳、硅的单
6、质和其物理性质或用途用短线连接起来。答案：(1)(2)(3)(4)(5)(1)硅单质的特殊性 Si 的还原性大于 C，但 C 却能在高温下还原出 Si，且氧化产物为 CO：2CSiO2=高温 Si2CO，其原因是产物 CO 为气体，离开反应体系，促使反应向正反应方向进行；非金属单质一般不跟非氧化性酸反应，但 Si 能与 HF 反应：Si4HF=SiF42H2；非金属单质跟碱溶液作用一般无 H2 产生，但 Si 能跟碱液作用放出 H2，如 Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2。(2)含硅化合物的特殊性 酸性氧化物一般和水反应生成相应的酸，SiO2 虽然是 H2SiO3的酸酐，但它不与水反应
7、，不能直接与水作用制备 H2SiO3；酸性氧化物一般不与酸反应，但 SiO2 能跟 HF 反应：SiO24HF=SiF42H2O；无机酸一般易溶于水，但 H2SiO3 难溶于水；因 H2CO3 的酸性大于 H2SiO3，所以在 Na2SiO3 溶液中通入少量 CO2 能发生下列反应：Na2SiO3CO2H2O=H2SiO3Na2CO3，但在高温下 SiO2Na2CO3=高温 Na2SiO3CO2也能发生。(2018 湖北重点中学联考)往含有 0.2molNaOH 和0.1molBa(OH)2 的混合溶液中持续稳定地通入 CO2 气体，当通入气体为 8.96L(标准状况)时立即停止。则这一过程中
8、，溶液中离子的物质的量与通入 CO2 气体的体积关系图像正确的是(气体的溶解和离子的水解忽略不计)()解析 本题涉及的化学反应有Ba(OH)2CO2=BaCO3H2O、2NaOHCO2=Na2CO3H2O、BaCO3CO2H2O=Ba(HCO3)2、Na2CO3CO2H2O=2NaHCO3。当未通入 CO2 气体时，溶液中的离子为 0.2molNa、0.1molBa2、0.4molOH，共 0.7mol；当通入 2.24LCO2 气体时，发生反应，此时溶液中离子为 0.2molNa、0.2molOH，共 0.4mol；当通入4.48LCO2 时，发生反应，此时溶液中离子为 0.2molNa、0
9、.1molCO23，共 0.3mol；当通入 6.72LCO2 时，发生反应，此时溶液中离子为 0.2molNa、0.2molHCO3，共 0.4mol；当通入8.96LCO2 时，发生反应，此时溶液中离子为 0.2molNa、0.1molBa2、0.4molHCO3，共 0.7mol，故 C 正确。答案 C标准状况下，将 3.36LCO2 气体通入 200mL1.00molL1NaOH溶液中，充分反应后溶液中 c(CO23)与 c(HCO3)的比值为(不考虑 CO23、HCO3 的水解)()A11 B12C21D13解析：选 B。n(CO2)3.36L22.4Lmol10.15mol，n(N
10、aOH)0.2L1.00molL10.20mol，由于 1n(NaOH)n(CO2)2，故二者完全反应生成含 Na2CO3 和NaHCO3 的混合溶液。设 n(Na2CO3)x，n(NaHCO3)y 则有xy0.15mol(根据碳元素守恒)2xy0.20mol(根据钠元素守恒)解得 x0.05mol，y0.10mol。根据同一溶液中浓度之比等于物质的量之比，知 c(CO23)c(HCO3)0.050.1012。CO2 与碱反应产物的定量判断CO2 通入 NaOH、Ca(OH)2 等强碱溶液的反应产物与 CO2 气体的通入量有关，当通入少量 CO2 时生成碳酸盐，当通入过量CO2 时生成碳酸氢盐
11、；当 CO2 的通入量介于两者之间时，既有正盐又有酸式盐生成，因此推断时一定要注意 CO2 与碱之间量的关系。以 CO2 与 NaOH 溶液反应为例，将 CO2 通入 NaOH溶液中，可能发生的反应为 CO22NaOH=Na2CO3H2O；CO2NaOH=NaHCO3。当 n(OH)n(CO2)的值不同时产物如下：题组一 碳及其化合物的性质及应用 1近年来科学家制造出大量的新物质，对下列三种物质的相关说法错误的是()石墨烯：从石墨中分离出来，是最薄、最坚硬的纳米材料石墨炔：平面网状结构的全碳分子，具有优良的化学稳定性纳米碳管：具有优良的场发射性能，制作阴极显像管、储氢材料A石墨烯具有良好的导电
12、性B上述三种物质与金刚石互为同素异形体C石墨炔孔径略大于 H2 分子的直径，可作 H2 的提纯薄膜D上述三种物质与浓硫酸都能发生反应，但反应产物不同解析：选 D。A 项，石墨烯是一种新发现的材料，它的物理性质是拉力好、导电性和导热性好、硬度大、熔点高等；B 项，同种元素的不同单质互称同素异形体；C 项，碳原子半径大于氢原子，则石墨炔孔径大于 H2 分子的直径，可以容纳 H2 分子；D 项，碳与浓硫酸反应产物均为二氧化碳、二氧化硫和水。2用四种溶液进行实验，下表中“溶液”与“操作及现象”对应关系错误的是()选项溶液操作及现象A饱和 Na2CO3溶液通入 CO2，溶液变浑浊BNa2SiO3溶液通入
13、 CO2，溶液变浑浊，继续通 CO2 至过量，浑浊消失CCa(ClO)2溶液通入 CO2，溶液变浑浊，再加入品红溶液，红色褪去D澄清石灰水通入 CO2，溶液变浑浊，继续通 CO2 至过量，浑浊消失，再加入足量 NaOH 溶液，又变浑浊解析：选 B。A 项，由于 Na2CO3 的溶解度大于 NaHCO3 的溶解度，发生反应：Na2CO3CO2H2O=2NaHCO3，因而会析出 NaHCO3 晶体；B 项，发生反应：CO2Na2SiO3H2O=Na2CO3H2SiO3，CO2Na2CO3H2O=2NaHCO3，H2SiO3 与 CO2 不反应，浑浊不会消失；C 项，发生反应：CO2Ca(ClO)2
14、H2O=CaCO32HClO，溶液变浑浊，再加入品红溶液，其被 HClO 氧化而褪色；D 项，首先发生反应：CO2Ca(OH)2=CaCO3H2O，继续通入 CO2至过量，生成可溶于水的 Ca(HCO3)2，再加入足量的 NaOH，则 2NaOHCa(HCO3)2=CaCO3Na2CO32H2O，溶液又变浑浊。题组二 硅及其化合物的性质及应用3二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。ae 是对反应中SiO2 所表现的化学性质或作用进行的判断，其中正确的是()SiO22NaOH=Na2SiO3H2OSiO22C=高温 Si2COSiO24HF=SiF42
15、H2ONa2CO3SiO2=高温 Na2SiO3CO2SiO23C=高温 SiC2COa反应中 SiO2 作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃b反应中 SiO2 表现出氧化性c反应中 SiO2 表现了酸性氧化物的通性d反应符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理e反应中 SiO2 未参加氧化还原反应AaceBbdeCcdeDab解析：选 B。通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是，因此 a、c 判断错误；反应是一个置换反应，其中二氧化硅被还原，表现出氧化性，b 判断正确；反应是一个复分解反应，用难挥发的二氧化硅制取易挥发的二氧化碳，d 判断正确；反应中碳的化合价由 0 价变为4 和2 价，
16、硅的化合价和氧的化合价都没有改变，因此二氧化硅没有参加氧化还原反应，e 判断也正确。4从石英砂制取高纯硅的主要化学反应如下：SiO22C=高温 Si(粗)2COSi(粗)2Cl2=SiCl4SiCl42H2=高温 Si(纯)4HCl关于上述反应的叙述不正确的是()A是置换反应，是化合反应B高温下，焦炭与氢气的还原性均强于硅C任一反应中，每消耗或生成 28g 硅，均转移 4mol 电子D高温下在炉中将石英砂、焦炭、氯气、氢气按比例混合就能得到高纯硅解析：选 D。在氧化还原反应中，还原剂的还原性比还原产物的还原性强，B 正确；根据元素化合价的变化，每消耗或生成28g(1mol)硅，均转移 4mol
17、 电子，C 正确；题中的三个反应应在三个不同反应器中发生，D 错误。(1)SiO2 既能与酸(氢氟酸)反应又能与碱溶液反应，但 SiO2 不是两性氧化物，它属于酸性氧化物。(2)验证碳和硅非金属性强弱应是比较其最高价氧化物对应水化物的酸性强弱。(3)当有多种组分与一种物质反应时，判断反应顺序的方法：先假设与其中的一种组分反应，若产物还能与另一种组分反应，则假设错误。例如：将 CO2 通入 KOH、Ba(OH)2 混合溶液中，假设 CO2 先与 KOH 反应，则生成的 K2CO3 会与 Ba(OH)2 继续反应生成BaCO3，故假设错误，所以应该是CO2先与Ba(OH)2反应。硅酸盐及无机非金属
18、材料知识梳理一、硅酸和硅酸钠1硅酸(H2SiO3)硅酸不溶于水，其酸性比碳酸弱，_使紫色石蕊试液变红色。(1)硅酸不稳定，受热易分解：H2SiO3=SiO2H2O。不能(2)硅酸能与碱溶液反应，如与 NaOH 溶液反应的化学方程式为H2SiO32NaOH=Na2SiO32H2O。(3)硅酸在水中易聚合形成胶体。硅胶吸附水分能力强，常用作干燥剂。2硅酸钠(Na2SiO3)(1)白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称_(或泡花碱)，有黏性，水溶液显碱性。水玻璃(2)它能与酸性较硅酸强的酸反应，Na2SiO3 溶液与下列两种物质反应的化学方程式分别为与盐酸反应：Na2SiO32HCl=2NaClH
19、2SiO3。与 CO2(少 量)反 应：Na2SiO3 CO2 H2O=H2SiO3 Na2CO3。(3)用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。二、硅酸盐和无机非金属材料1硅酸盐(1)由_组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。(2)硅酸盐组成的表示通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成，如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为_，钾长石(KAlSi3O8)可表示为_。硅、氧和金属元素Na2OSiO2K2OAl2O36SiO22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。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、石英砂黏土主要设
20、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 SiO2=高温_；CaCO3SiO2=高温 _。(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。Na2SiO3CO2 CaSiO3CO2 自我检测1判断正误(正确的打“”，错误的打“”)。(1)(2016高考海南卷)石英砂可用于生产单晶硅。()(2)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱。()(3)玻璃是一种晶体，有较高的熔点。()(4)传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料。()(5)新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的许多缺点。()(6)高温结构陶瓷材料具有耐
21、高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点。()(7)光导纤维、碳纳米管、氮化硅结构陶瓷等都是新型无机非金属材料。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)2下列关于材料的叙述中正确的是()A氮化硅陶瓷耐高温，可用来制造汽车发动机B钢化玻璃属于新型无机非金属材料C水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料都不溶于水，所以所有的硅酸盐都不溶于水D新型陶瓷材料种类很多，其中高温结构陶瓷具有耐高温、耐氧化、不耐腐蚀等特点解析：选 A。钢化玻璃是把普通玻璃高温软化，迅速降温获得的机械强度增大的玻璃，成分还是硅酸盐，属于传统无机非金属材料，所以 B 错误；大多数硅酸盐都难溶于水，但是 Na2SiO3是可
22、溶的，所以 C 错误；高温结构陶瓷具有耐腐蚀的优良特性，所以 D 错误。(1)不要混淆硅和二氧化硅的用途：用作半导体材料的是晶体硅而不是 SiO2，用于制作光导纤维的是 SiO2 而不是晶体硅。(2)不要混淆常见含硅物质的类别 计算机芯片的成分是晶体硅，而不是 SiO2。水晶、石英、玛瑙等主要成分是 SiO2，而不是硅酸盐。光导纤维的主要成分是 SiO2，也不属于硅酸盐材料。传统无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃主要成分是硅酸盐。(3)氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构，切不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。氮化硅可用作高温陶瓷复合材料，在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。由
23、石英砂合成氮化硅粉末的路线如图所示：石英砂焦炭/高温粗硅Cl2/723773KSiCl4(粗)精馏SiCl4(精)NH3Si(NH2)4 高温氮化硅其中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，用化学反应方程式表示其原因：_。(2)图示的变化中，属于氧化还原反应的是_。(3)SiCl4 在潮湿的空气中剧烈水解，产生白雾，军事工业中用于制造烟雾剂。SiCl4 水解的化学反应方程式为_。(4)在反应中，3molSi(NH2)4 在高温下加热可得 1mol 氮化硅粉末和 8molA 气体，则氮化硅的化学式为_。(5)在高温下将
24、SiCl4 在 B 和 C 两种气体的气氛中，也能反应生成氮化硅，B和C两种气体在一定条件下化合生成 A。写出SiCl4与 B和 C两种气体反应的化学方程式：_。解析(1)石英砂不能与碱性物质共同存放的实质是 SiO2 与碱性物质可以发生反应。(2)反应是石英砂与焦炭发生氧化还原反应，反应是硅单质与 Cl2 反应，也是氧化还原反应。(3)SiCl4 水解可以看作 Si 结合四个 OH生成 H4SiO4，H4SiO4不稳定失水生成 H2SiO3，Cl结合 H生成 HCl。(4)氮化硅的化学式可通过题目信息运用质量守恒求得。(5)结合题给信息，SiCl4 与 N2、H2 反应可得到 Si3N4 和
25、 HCl。答案(1)SiO22NaOH=Na2SiO3H2O(2)(3)SiCl43H2O=4HClH2SiO3(4)Si3N4(5)3SiCl42N26H2=高温 Si3N412HCl(1)与 SiCl4 水解原理类似，试写出 PCl5 水解反应的化学方程式：_。(2)在反应中，3molSi(NH2)4 在高温下加热可得 1mol 氮化硅粉末和 8molA 气体，该反应的化学方程式为_。答案：(1)PCl54H2O=5HClH3PO4(2)3Si(NH2)4=高温 Si3N48NH3题组一 无机非金属材料的组成、性质及应用 1下列关于硅材料的说法不正确的是()A钢化玻璃与普通玻璃的主要成分基
26、本相同B制普通玻璃的原料是石灰石、纯碱和石英砂C陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料D水玻璃是纯净物，可用于生产黏合剂和防火剂解析：选 D。钢化玻璃是普通玻璃经一定物理方法处理后得到的，A 项正确；水玻璃是 Na2SiO3 的水溶液，是混合物，D 项不正确。2硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是()A氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为 Si3N4B碳化硅(SiC)的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承C光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为 SiO2D二氧化硅为立体网状结构，其晶体中硅原子和硅氧单键个数之比为 12解析：选 D。A 项，在
27、氮化硅中 N 元素为3 价，Si 元素为4价，则化学式为 Si3N4，正确；D 项，在 SiO2 晶体中，一个硅原子与周围 4 个氧原子形成 4 个硅氧单键，错误。题组二 硅酸盐3和田玉在我国至少有 7000 年的历史，也称为软玉，是我国玉文化的主体。和田玉是一种具有链状结构的含水钙镁硅酸盐，某种和田玉的化学成分为 Ca2Mg3Fe2(Si4O11)2(OH)2，下列有关叙述正确的是()A其化学式改写为氧化物的形式为 2CaO3MgOFe2O38SiO2H2OB它能够抵抗任何酸碱的腐蚀C其中铁元素的化合价为3D其中铁元素的化合价为2解析：选 D。假设和田玉中铁元素的化合价为x，根据化合物中各元
28、素的化合价代数和为零，可得：(2)2(2)3(x)2(4)8(2)22(1)20，即 x2，所以其化学式改写为氧化物的形式为 2CaO3MgO2FeO8SiO2H2O；硅酸盐一般耐酸碱的腐蚀，但不是所有的酸碱都不能腐蚀它，如氢氟酸可以和其中的硅元素反应生成 SiF4气体，浓硝酸可以将其中所含的Fe2氧化成 Fe3。1.无机非金属材料分类2.硅酸盐改写成氧化物形式的方法(1)氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物较活泼金属氧化物二氧化硅水。(2)氧化物前计量数的配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置计量数，且不同氧化物间以“”隔开。(3)当计量数配置出现分数时应化为整数，如钾长石：,KAlSi3O8不能写成12K2O12Al2O33SiO2，应写成 K2OAl2O36SiO2。课后达标训练本部分内容讲解结束 按ESC键退出全屏播放
