1、专题二元素及其化合物第12讲碳、硅及其化合物目 标 导 航复习目标1.了解 C、Si 单质及其重要化合物的主要性质及应用。2.了解 Si、SiO2 的结构特点，了解 Si 的制备方法。3.了解硅酸盐工业，了解无机非金属材料和新型无机非金属材料。知识体系知识体系课前思考问题 1：为什么不能用带有玻璃塞的玻璃瓶装碱液？答案 因玻璃中含有 SiO2，能与碱性溶液中 OH发生反应而生成硅酸盐，故盛放碱性溶液的玻璃试剂瓶不能用玻璃塞。其反应的离子方程式为 SiO22OH=SiO23 H2O。但由于反应极慢，因而盛放碱液仍可用玻璃瓶，只是瓶塞应用橡皮塞成软木塞。课前思考问题 2：粗硅提纯的常见方法有哪些？
2、答案 课前8min 栏目导航考点透视质量验收课前8min 1.判断下列说法的正误(正确的打“”，错误的打“”)。(1)Si 和 SiO2都用于制造光导纤维()(2)(2017天津卷)硅太阳能电池工作时，光能转化成电能()(3)(2017天津卷)气态氢化物的稳定性：H2ONH3SiH4()(4)(2018天津卷)汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土()(5)(2018海南卷)SiO2具有导电性，可用于制作光导纤维和光电池()(6)(2018江苏卷)SiO2熔点高、硬度大，可用于制光导纤维()(7)(2018海南卷)12 g 金刚石中含有化学键的数目为 4NA()(8)二氧化硅不与
3、强酸反应，可用石英器皿盛放氢氟酸()(9)HF 能与 SiO2反应，所以氢氟酸能在玻璃器皿上刻蚀标记()(10)硬度比较：晶体硅金刚石()(11)(2017北京卷)将 SO2通入 Na2SiO3溶液中有胶状沉淀产生，说明酸性：H2SO3H2SiO3()(12)SiO2既能和氢氧化钠溶液反应又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物()(13)可用磨口玻璃瓶保存 NaOH 溶液()解析(1)SiO2用于制造光导纤维，Si 用于制造半导体材料。(5)SiO2不导电，制作光电池的原料是 Si。(6)SiO2传导光的能力强，可用于制光导纤维。(7)1 mol 金刚石含有 2 mol CC 键，故 12 g 金
4、刚石中含有化学键的数目为 2NA。(8)二氧化硅不与强酸反应，但 HF 能与 SiO2 发生反应 SiO24HF=SiF42H2O，所以石英器皿不能存放氢氟酸。(10)晶体硅与金刚石都为原子晶体，原子半径碳小于硅，键长：CCSiSi，键长越短，键能越大，则硬度越大。(12)二氧化硅是酸性氧化物，二氧化硅能和氢氟酸反应是二氧化硅的特性。(13)玻璃中含有二氧化硅，能与氢氧化钠反应生成硅酸钠，使瓶塞与瓶口粘连在一起。2.(2018武汉模拟)碳循环(如下图)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
5、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D解析 乙烯的年产量是石油化工发展水平的标志，D 错误。3.(2018郑州模拟)高纯度晶体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”。它的制备方法如下图所示，下列说法正确的是()SiO2C高温 Si(粗)HCl300 SiHCl3过量H21 0001 100 Si(纯)A.步骤的化学方程式：SiO2C=高温 SiCO2B.灼烧熔融的 Na2CO3固体，可用石英坩埚C.二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应D.SiHCl3(沸点 33.0)中含有少量 SiCl4(沸点 67.6
6、)，可通过蒸馏(或分馏)提纯 SiHCl3D解析 二氧化硅与 C 高温下反应生成 CO，即步骤的化学方程式为 SiO22C=高温 Si2CO，故 A 错误；Na2CO3 和二氧化硅在高温下反应生成硅酸钠和二氧化碳，B 错误；硅能与氢氟酸反应生成 SiF4和氢气，C 错误；D 正确。4.(2018山西晋城一模)A、B、C、D、E 五种物质中均含有同一种短周期主族元素 R，它们能发生如下图所示的转化关系，已知 A、B、D、E 四种物质均难溶于水，单质 R 能与 NaOH 溶液反应生成盐和氢气。下列说法正确的是()A.反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为 11B.化合物 A 既能溶于 NaOH 又能
7、溶于氢氟酸C.反应的离子方程式：2R2OH2H2O=2RO2 3H2D.化合物 C 的溶液与反应产生的气体能够发生化学反应B解析 单质 R 能与 NaOH 溶液反应生成盐和氢气，常见的是 Al 或 Si，结合图中转化关系可知，R 是 Si，A 是 SiO2、B 为 CaSiO3、D 为 Si、C 为 Na2SiO3、E 为H2SiO3。反应的化学方程式为 SiO22C=高温 Si2CO，由方程式可知，氧化剂与还原剂的物质的量之比为 12，故 A 错误；SiO2既能与 NaOH 溶液反应，又能和氢氟酸反应，故 B 正确；反应的离子方程式为 Si2OHH2O=SiO23 2H2，故 C 错误；反应
8、产生的气体是 CO，Na2SiO3溶液与 CO 不反应，故 D 错误。考点透视考点 1 碳、硅单质的性质与比较基 础 梳 理1.单质的存在形态、物理性质及用途碳硅存在形态_态、_态_态游离化合化合碳硅结构金刚石 石墨 C60金刚石：_空间网状结构石墨：平面_层状结构C60分子：_形对称结构硅硅：_空间网状结构正四面体正六边形球正四面体碳硅物理性质金刚石：熔点_、硬度_；石墨：硬度_，是电的良导体灰黑色固体，有金属光泽，熔点_、硬度_，有脆性用途_用作切割刀具，_用作电极、铅笔芯硅用于制造_材料和合金材料由石英砂制取并获得高纯硅的主要反应的化学方程式如下：SiO22C=高温 _Si(粗)2Cl2
9、=高温 SiCl4SiCl42H2=高温 Si(纯)4HCl高大小高大金刚石石墨半导体Si(粗)2CO2.化学性质碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。举 题 悟 法类型 1 硅的性质 下列对物质用途的描述错误的是()A.高温下用焦炭还原 SiO2得到粗硅和一氧化碳B.在高温下，粗硅提纯涉及的反应都是硅元素的氧化反应C.硅是一种良好的半导体材料D.硅的熔点高、硬度大B解析 粗硅提纯涉及的反应是硅元素先被氧化、后被还原，B 项错误。下列关于硅的说法不正确的是()A.硅是非金属元素，晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体B.常温下硅可以与氢氟酸反应生成两种气体C.硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反
10、应D.加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应C解析 晶体硅虽然外形像金属(有金属光泽)，但实际上属于非金属，A 正确；硅与氢氟酸反应生成四氟化硅和氢气，B 正确；硅的化学性质不活泼(尤其是在常温下)，但常温下仍能与氟气、氢氟酸和 NaOH 溶液等发生反应，加热至一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属发生反应，C 错误，D 正确。类型 2 能力提升硅的提纯 从石英砂制取高纯硅的主要化学反应如图：SiO22C=高温 Si(粗)2COSi(粗)2Cl2=高温 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
11、原性均强于硅C.任一反应中，每消耗或生成 28 g 硅，均转移 4 mol 电子D.高温下，在炉子里将石英砂、焦炭、氯气、氢气按比例混合就能得到高纯硅D解析 已知的三个反应是在三个不同反应器中进行的，D 错误。工业上用硅石为原料，制备高纯多晶硅的流程如下：有关性质如下表：物质熔点/沸点/其他SiHCl3126.533.0易与水强烈反应，空气中易自燃SiCl47057.6易水解HCl114.284.7(1)制备粗硅的化学反应方程式为_；硅的一种重要用途是_。(2)第步经冷凝得到的 SiHCl3中含有少量 SiCl4和 HCl，提纯 SiHCl3采用的方法是_；尾气中含有少量 SiCl4和 HCl
12、，可通过_溶液除去。SiO22C=高温 Si2CO半导体材料蒸馏NaOH(碱)(3)实验室用 SiHCl3与过量 H2反应制备纯硅的装置如图(热源及夹持装置略去)：需要加热的装置有_(填字母)；如无装置 B 则 C 中发生副反应的化学方程式是_。制备实验操作成功的关键是检查实验装置的气密性、控制好反应温度以及实验开始时先_。CDSiHCl33H2O=H2SiO3H23HCl通一段时间H2，将装置中的空气排尽解析(2)第步经冷凝得到的 SiHCl3中含有少量 SiCl4和 HCl，利用三者的沸点差异，采用蒸馏方法分离提纯；SiCl4和 HCl 能和 NaOH 溶液反应，所以用 NaOH处理尾气。
13、(3)C 装置加热使 SiHCl3汽化；D 装置加热使 SiHCl3和氢气发生置换反应生成 Si。SiHCl3易与水剧烈反应，如果没有 B 装置，生成的氢气中含有水蒸气，发生的反应为 SiHCl33H2O=H2SiO3H23HCl。SiHCl3在空气中易自燃，所以需要排尽装置中的空气。碳、硅的特殊性(1)一般情况下，非金属元素单质的熔、沸点低，硬度小，但硅、金刚石的晶体类型是原子晶体，所以它们的熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界天然存在的硬度最大的物质。(2)一般情况下，非金属元素单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。(3)一般情况下，较强氧化剂较强还原剂=较弱氧化剂较弱还原剂，而
14、碳却还原出比它更强的还原剂：SiO22C=高温 Si2CO、2FeOC=高温 2FeCO2。(4)硅 为 非 金 属 单 质，却 可 以 和 强 碱 反 应，得 到 氢 气：Si 2NaOH H2O=Na2SiO32H2。(5)非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，而 Si 却能与 HF 发生反应：Si4HF=SiF42H2。(6)一般情况下，只有非常活泼的金属(Na、K 等)才能够置换出水中的氢，但碳单质却能与水蒸气反应：C(s)H2O(g)=高温 CO(g)H2(g)。考点 2 碳、硅的主要化合物的比较基 础 梳 理1.SiO2与 CO2化学式SiO2CO2晶体类型_晶体_晶体用途SiO2是制
15、造光导纤维的主要原料干冰可用于人工降雨原子分子化学式SiO2CO2与水反应不反应CO2H2OH2CO3与 C 反应SiO22C=高温 Si2COCCO2=高温 2CO与 HF 反应SiO24HF=_不反应化学性质与碱反应SiO22NaOH=Na2SiO3H2O盛碱性溶液的试剂瓶要用_，碱性溶液只能装在_滴定管中CO2少量：CO22NaOH=_CO2过量：CO2NaOH=_SiF42H2O橡皮塞碱式Na2CO3H2ONaHCO3化学式SiO2CO2与盐反应SiO2Na2CO3=高温Na2SiO3CO2(Na2SiO3的水溶液俗称为_)Ca(ClO)2CO2H2O=CaCO32HClOCO2Na2
16、CO3H2O=_化学性质与碱性氧化物反应SiO2CaO=高温 CaSiO3CO2Na2O=Na2CO3水玻璃2NaHCO32.一氧化碳(CO)(1)物理性质：无色气体，有毒，难溶于水。(2)化学性质还原性燃烧：2COO2=点燃 2CO2，淡蓝色火焰。还原 CuO：CuOCO=CuCO2(冶炼金属、检验 CO 等)。(3)实验装置设计：除去混合气体(CO、CO2)中 CO2气体，进行 CO 还原氧化铜实验。3.硅酸与碳酸物质硅酸碳酸化学式H2SiO3H2CO3颜色与状态白色、粉末状无色，只存在于水溶液中水溶性不溶于水只存在于水溶液中酸酐SiO2CO2制法Na2SiO32HCl=H2SiO32Na
17、ClCO2H2OH2CO3挥发性不挥发挥发物质硅酸碳酸酸性硅酸_碳酸稳定性硅酸_碳酸相互转化Na2CO3SiO2=高温 Na2SiO3CO2CO2H2ONa2SiO3=Na2CO3H2SiO3 H2SiO3=SiO2H2O4.无机非金属材料硅酸盐材料水泥普通玻璃陶瓷主要成分硅酸三钙(3CaOSiO2)、硅酸二钙(2CaOSiO2)、铝酸三钙(3CaOAl2O3)硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅硅酸盐反应原理SiO2Na2CO3=高温 Na2SiO3CO2SiO2CaCO3=高温 CaSiO3CO2硅酸盐材料水泥普通玻璃陶瓷原料_主要设备水泥回转窑玻璃窑陶瓷窑特性水硬性：水泥加水变硬玻璃态：无固定熔点黏
18、土、石灰石纯碱、石灰石、石英 黏土5.硅酸盐的书写硅酸盐的种类多，结构复杂，其组成的表示方法有两种：(1)盐化学式法，如硅酸钠 Na2SiO3、硅酸钙 CaSiO3等。此法一般用于组成较简单的硅酸盐。(2)氧化物法氧化物的顺序：活泼金属氧化物较活泼金属氧化物二氧化硅水。氧化物前系数配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。硅酸盐用氧化物的形式表示时，遵循各元素化合价不变的原则。如：高岭土 Al2O32SiO22H2O、石棉 CaO3MgO4SiO2。举 题 悟 法类型 1 碳的化合物之间的转化(2018合肥瑶海模拟)碳和碳的化合物间的部分转化关系如下图所示，则下列说法正
19、确的是()A.由碳酸转化成 X 一定要在加热条件下进行B.由碳转化为 X 发生的一定是化合反应C.物质 X 一定是二氧化碳D.若使一氧化碳转化成 X，只能通过一氧化碳在空气(或氧气)中燃烧获得C解析 由转化关系图可知，X 是二氧化碳，碳酸在常温下就容易分解生成二氧化碳，故 A 错误，C 正确；在高温的条件下，碳能与氧化铜反应生成铜和二氧化碳，该反应属于置换反应，故 B 错误；一氧化碳转化为二氧化碳的方法有：燃烧法、一氧化碳还原氧化铁或还原氧化铜等，故 D 错误。(2017宁夏石嘴山平罗模拟)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
20、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.CaCO3和 Ca(HCO3)2都难溶于水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B解析 岩石的主要成分是碳酸钙，碳酸钙难溶于水，碳酸钙与二氧化碳、水反应生成可溶性的碳酸氢钙，岩石被逐渐溶解形成溶洞，故 A 正确；Ca(HCO3)2 可溶于水，故 B 错误；溶洞的形成是碳酸钙与二氧化碳、水反应，钟乳石的形成是碳酸氢钙分解生成碳酸钙，两种过程中都没有化合价的变化，故 C、D 正确。
21、类型 2 二氧化碳与二氧化硅的比较(2017广东汕头模拟)下列关于 SiO2和 CO2的说法正确的是()A.CO2、SiO2对应的含氧酸分别是 H2CO3、H2SiO3B.常温下，盐酸、氢氟酸均能与 SiO2反应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A解析 盐酸与二氧化硅不反应，故 B 错误；二氧化硅是酸性氧化物，故 C 错误；二氧化硅是原子晶体，所以二氧化硅是由硅原子和氧原子构成的，故 D 错误。(2018湖北荆州模拟)下列叙述不正确的是()硅酸凝胶经干燥脱水得到“硅胶(SiO2nH2O)”常用作干燥剂硅、碳原子最外层都有 4 个电子，故 S
22、iO2的物理性质与 CO2类似SiO2既能和氢氧化钠溶液反应也能和氢氟酸反应，是两性氧化物将 CO2通入 Na2SiO3溶液中有胶状沉淀生成，说明碳酸的酸性比硅酸强A.B.C.D.A解析 二氧化硅为原子晶体，二氧化碳为分子晶体，故 SiO2 的物理性质与CO2 不同，故错误；SiO2 和氢氟酸反应生成四氟化硅和水，四氟化硅不属于盐，SiO2是酸性氧化物，故错误。类型 3 硅及其化合物的转化关系 SiO2 是一种化工原料，可以制备一系列物质(见下图)。下列不正确的是()A.图中所涉及反应都不属于氧化还原反应B.纯净的二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要基础材料C.用盐酸可除去石英砂(主要成分为 S
23、iO2)中少量的碳酸钙D.盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶不能用玻璃塞A解析 二氧化硅与碳反应、硅和氯气反应、四氯化硅和氢气反应都属于氧化还原反应，A 错误；光导纤维的主要成分是二氧化硅，做半导体芯片的是单晶硅，纯净的二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要基础材料，B 正确；SiO2 不与盐酸反应，盐酸与碳酸钙反应生成氯化钙，可溶于水而除去，C 正确；二氧化硅能与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠和水，使瓶塞和瓶口粘连在一起，所以盛放氢氧化钠溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，D 正确。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。下图是用稻壳灰(SiO2：65%70%、C：30%
24、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.反应器中发生的氧化还原反应：SiO22NaOH=Na2SiO3H2OA解析 稻壳灰来源广泛价格低廉，活性炭具有吸附性，有较高的经济价值，A正确；操作 A 为过滤，操作 B 为蒸发浓缩，是两种不同的操作，B 错误；二氧化硅中硅元素的化合价是4 价，硅酸钠中硅元素的化合价是4 价，所以该流程中硅元素的化合价没有发生改变，C 错误；SiO22NaOH=Na2SiO3H2O 中没有元素化合价发生变化，不属于氧化还原反应，D 错
25、误。类型 4 无机非金属材料(2018安徽淮南田家庵质检)今年九月，我国宇航员身着自主研发的宇航服步入太空。据报道宇航服头盔的主要成分是无色透明、坚韧如钢的工程塑料聚碳酸酯，该材料属于()A.无机硅酸盐材料B.天然高分子材料C.金属材料D.有机合成材料D解析 聚碳酸酯是有机小分子通过缩聚反应生成的产物，属于有机合成材料。(2018山东聊城三模)“中国名片”中航天、军事、天文等领域的发展受到世界瞩目，它们与化学有着密切联系。下列说法错误的是()A.“中国天眼”的“眼眶”是钢铁结成的圈梁，其属于黑色金属材料B.“歼 20”飞机上大量使用的碳纤维是一种新型有机高分子材料C.“神舟十一号”宇宙飞船返回
26、舱外表面使用的高温结构陶瓷是新型无机非金属材料D.“天宫二号”空间实验室的硅电池板将光能直接转换为电能B解析 A 项，金属分为两类，即有色金属和黑色金属，黑色金属有铁、铬和锰及其合金；B 项，碳纤维的成分是单质碳；C 项，高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料；D 项，利用高纯硅的半导体性能，可以制成光电池，将光能直接转换为电能。质量验收1.工业制粗硅的反应为 2CSiO2=高温 Si2CO。下列说法正确的是()A.SiO2为分子晶体，Si 为原子晶体B.Si 是光导纤维的主要成分C.SiO2是半导体材料D.每生成 1 mol Si 理论上转移的电子数目约为 46.021023D解析 二氧化硅和硅
27、都是原子晶体，A 错误；光导纤维的主要成分是二氧化硅，而硅是半导体材料，B、C 错误；每生成 1 mol Si 理论上转移电子的物质的量为 4 mol，D 正确。2.(2018江西庐山模拟)下列说法正确的是()A.SiO2是酸性氧化物，它不溶于水也不溶于任何酸B.SiO2是制造普通玻璃的主要原料之一，它在常温下不能与 NaOH 溶液反应C.高温下 SiO2与 Na2CO3反应放出 CO2，所以 H2SiO3的酸性比 H2CO3强D.Si 是用于制备太阳能电池芯片材料的重要原料D解析 二氧化硅能和氢氟酸反应：SiO24HF=SiF42H2O，故 A 错误；SiO2在常温下与 NaOH 溶液反应：
28、2NaOHSiO2=Na2SiO3H2O，故 B 错误；比较酸性强弱应在溶液中进行，故 C 错误；单质硅是主要的半导体材料，可用于制备计算机芯片、太阳能电池等，故 D 正确。3.(2018河北邢台模拟)下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是()硅是构成一些岩石和矿物的基本元素水泥、普通玻璃、陶瓷都是硅酸盐产品高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应A.B.C.D.A解析 光导纤维主要原料为二氧化硅；粗硅制备单晶硅涉及的反应均为氧化还原反应。4.(2018山东烟台模拟)下列生活、生产中用到的材料属于新型无机非金属材料的是()A.玻璃钢B.涤纶C.压电陶瓷D.钢化玻璃C解析 玻璃钢是复合材料，故 A 错误；涤纶是人工合成的有机高分子材料，故B 错误；压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化，是新型无机非金属材料，故 C正确；钢化玻璃成分与普通玻璃相同，是传统的无机非金属材料，故 D 错误。Thank you for watching
