高考化学第二单元 元素及其化合物 第12讲 碳、硅及其化合物

第12讲碳、硅及其化合物考纲定位选项示例1.掌握硅、二氧化硅、硅酸和硅酸盐的主要性质及其应用。2.了解硅、二氧化硅在高科技领域的用途。3.了解环境保护，消除碳氧化合物污染的综合应用。1.硅胶作袋装食品的干燥剂。(2016年四川卷T21B)2.HF与SiO2反应氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记。(2016年新课标卷T7D)3.石英砂可用于生产单晶硅。(2016年海南卷T4C)考纲导视基础反馈判断正误，正确的画“”，错误的画“”。(1)将气体通入澄清石灰水，溶液变浑浊，证明原气体 是CO2()。(2)在 CO2 中，Mg 燃烧生成 MgO 和 C。在该反应中，Mg的还原性强于 C 的还原性()。(3)除去 CO 中的 CO2 可使混合气体通过 NaOH 溶液，然后再干燥()。(4)晶体硅熔点高、硬度大，可用于制作半导体材料()。)。(5)Si 和 SiO2 都用于制造光导纤维(6)石英只能用于生产光导纤维()。(7)高温下用焦炭还原 SiO2 制取粗硅()。(8) 二氧化硅不与强酸反应，可用石英器皿盛放氢氟酸()。答案：(1)(2)(3)(4)(5) (6)(7)(8)元素碳硅原子结构示意图在元素周期表中的位置第二周期_族第三周期_族考点一碳、硅及其氧化物的性质【知识梳理】1.碳、硅元素的原子结构与存在。AA元素碳硅单质的结构金刚石：_结构石墨：层状结构晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构元素在自然界中的存在形式既有游离态又有化合态只有_态(续表)空间网状化合2.碳、硅单质的性质。(1)碳、硅的物理性质和用途(用短线连接起来)：答案：c，a，e，b，d(2)碳、硅的化学性质：碳单质的化学性质。a.与 O2 的反应：O2 不足：_；O2 充足：_。2CO22COCO2CO2b.与其他物质的反应：与 CuO 反应：_(可用于金属的冶炼)；2CuOC2CuCO2与 CO2 反应：_；与水蒸气反应：_(制水煤气)；CO2C2COCH2O(g)COH2与浓硫酸反应：_。C2H2SO4(浓)CO22SO22H2O硅的化学性质。Si4HF=SiF42H2a.与氢氟酸反应：_；b.与 NaOH 溶液反应：_c.与 O2 反应：_。Si2NaOHH2O=Na2SiO3SiO2SiO2_；2H23.二氧化硅与二氧化碳的比较。(1)物理性质。高熔、沸点：SiO2 的熔、沸点比 CO2 的熔、沸点_。溶解性：CO2 可溶于水，SiO2 不溶于水。物质二氧化硅二氧化碳与水反应不反应_与酸反应只与氢氟酸反应：_不反应(2)化学性质。CO2H2OH2CO3SiO24HF=SiF42H2O物质二氧化硅二氧化碳与碱(NaOH)溶液反应_(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)CO2 少量：_CO2 足量：_与盐反应如与 Na2CO3 反应：_如与 Ca(ClO)2 反应：_(续表)SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2SiO22NaOH=Na2SiO3H2OCO22NaOHCO2NaOH=Na2CO3H2O=NaHCO3Ca(ClO)2CO2H2O=CaCO32HClO物质二氧化硅二氧化碳与碱性氧化物反应如与 CaO 反应：_如与 Na2O 反应：_(续表)(3)主要用途。CO2：制饮料、碳酸盐，干冰用作制冷剂。SiO2：作光导纤维，制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。SiO2CaOCaSiO3CO2Na2O= Na2CO3【考点集训】例1用四种溶液进行实验，下表中“操作及现象”与“溶选项操作及现象溶液A通入CO2，溶液变浑浊饱和Na2CO3溶液B通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失Na2SiO3溶液C通入CO2，溶液变浑浊，再加入品红溶液，红色褪去Ca(ClO)2溶液D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，又变浑浊澄清石灰水思路指导：对于表格型实验现象与解析判断的选择题，需要逐个进行辨认，切勿凭感觉做出推断。记忆物质转化、相应实验现象及原因解析，尤其是典型物质的典型特性，例如NaHCO3的饱和结晶析出、硅酸的不溶于水、Na2O2的淡黄色等。D 项正确。答案：B解析：饱和Na2CO3溶液中通入CO2，能生成NaHCO3结晶析出，A项正确；Na2SiO3溶液通入CO2，得到不溶于水的H2SiO3但不会消失，B项错误；Ca(ClO)2溶液通入CO2，得到CaCO3沉淀和HClO，后者能使品红溶液褪色，C项正确；澄清石灰水持续通入CO2，先后变成CaCO3沉淀和可溶于水的Ca(HCO3)2，例 2下列说法正确的是()。A.在粗硅的制取中发生 2CSiO22COSi，硅被还原，所以碳的还原性强于硅的还原性B.盛放 NaOH 溶液时，使用带玻璃塞的磨口瓶C.用 SiO2 制取硅酸，应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应，然后再通入 CO2Na2SiO3CO2可知，硅酸的酸性D.由 Na2CO3SiO2强于碳酸答案：C解析：选项A、D的反应在高温下均生成了气体，使平衡正移，致使反应能顺利进行，但不能说明C、Si的还原性强弱，也不能说明H2SiO3与H2CO3酸性的强弱，故错误；NaOH能与玻璃成分中的SiO2反应生成Na2SiO3而使瓶塞粘在一起，故B错误；由SiO2制取H2SiO3的过程为：SiO2 Na2SiO3 H2SiO3方法技巧硅及其化合物的特性1.硅单质的特性。(1)Si 的还原性强于C，但C 却在高温下还原出Si：SiO22CSi2CO。(2)非金属单质与碱液反应一般无H2放出，但Si与碱液反应却放出H2：Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2。(3)非金属单质一般不能与非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：Si4HF=SiF42H2。(4)非金属单质大多为绝缘体，但Si为半导体。物质一般规律含硅化合物的特性SiO2酸性氧化物一般与水反应生成相应酸SiO2 不溶于水，不与水反应酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应SiO24HF=SiF42H2OH2SiO3“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一般规律，H2CO3酸性强于H2SiO3：Na2SiO3CO2H2O =Na2CO3H2SiO3以下反应不能说明酸性的强弱：Na2CO3SiO2 Na2SiO3CO2CaCO3SiO2 CaSiO3CO2无机酸一般易溶于水硅酸难溶于水2.含硅化合物的特性。例 3硅是带来人类文明的重要元素之一，在传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。(1)硅在元素周期表中的位置是_。(2)工业上生产粗硅的反应有：SiO2 2CSi(粗)2CO；SiO23CSiC2CO。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为 1 1，则参加反应的 C 和 SiO2 的物质的量之比为_。(3)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅：若反应为 Si(粗)3HClSiHCl3H2 ，则反应的化学方程式为_。整个制备过程中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，写出该反应的化学方程式：_。假设每一轮次制备 1 mol 纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应中 HCl 的利用率为 90%，反应中 H2 的利用率为 93.75%，则在第二轮次的生产中，补充投入 HCl 和 H2 的物质的量之比是_。解析：(1)硅在元素周期表中的位置是第三周期第A 族。(2)根据反应SiO22CSi(粗)2CO，SiO23CSiC2CO，生成1 mol Si需C 2 mol、SiO2 1 mol，生成1 mol SiC 需 C 3 mol、SiO2 1 mol，产品中Si与SiC的物质的量之比为11，则参加反应的C和SiO2的物质的量之比为52。答案：(1)第三周期第A 族(3)SiHCl3H2(2)5 2Si(纯)3HClSiHCl33H2O=H2SiO33HClH25 1考点二 硅酸、硅酸盐、无机非金属材料【知识梳理】1.硅酸。(1)性质。弱还弱硅酸是难溶于水的_酸，其酸性比碳酸_，硅酸不能使紫色石蕊试液变红色。硅酸不稳定，受热易分解：H2SiO3SiO2H2O。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。 硅酸在水中易聚合形成胶体。浓度较小时形成_；浓度较大时形成凝胶。硅酸凝胶干燥脱水变成硅酸干胶(或硅胶)，硅酸干胶吸附水分的能力强，常用作_，也用作催化剂的载体。胶体溶液干燥剂(2)制备。硅酸可通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，反应的化学方程式为 Na2SiO32HCl=_，Na2SiO3CO2H2O=_。2NaClH2SiO3Na2CO3H2SiO3硅氧金属不溶于水稳定二氧化硅2.硅酸盐。(1)硅酸盐是由_、_和_组成的化合物的总称。硅酸盐是一类结构复杂的物质，一般都_。化学性质很_，通常用_和_的形式表示其组成。金属氧化物硅酸盐产品原料主要设备主要成分水泥石灰石、黏土水泥回转窑2CaOSiO2，3CaOSiO2，3CaOAl2O3玻璃纯碱、石灰石、石英玻璃窑Na2OCaO6SiO2陶瓷黏土陶瓷窑(2)三种常见的硅酸盐产品。3.新型陶瓷。(1)碳化硅：SiO23C(2)氮化硅：3Si2N2SiC2CO。Si3N4；3SiCl42N26H2=Si3N412HCl。【考点集训】例 4(2015 年陕西西安二模)下列有关硅的叙述中，正确的是()。A.工业上通常以 SiO2 为原料，用氧化剂与其反应制备单质硅B.硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位C.硅的化学性质不活泼，在自然界中可以以游离态存在D.硅在电子工业中，是重要的半导体材料解析：工业上用二氧化硅和碳来制取硅单质，该反应中碳作还原剂，A 错误；硅是构成矿物和岩石的主要元素，地壳中含量最高的元素是 O，其次是硅，B 错误；硅的化学性质不活泼，但硅属于亲氧元素，在自然界中以化合态存在，不能以游离态存在，广泛存在于矿物和岩石中，C 错误；硅位于金属和非金属元素之间，导致硅单质具有金属和非金属的性质，是重要的半导体材料，D 正确。答案：D例 5(2017 学年河北衡水景县中学月考)钢化玻璃俗称普通玻璃的化身，是普通玻璃经一定物理方法处理后得到的。钢化玻璃一般不会发生自爆现象，但当钢化玻璃中含有硫化镍结核A.制取钢化玻璃的原料为石灰石、纯碱和石英B.钢化玻璃是一种新型无机非金属材料C.制取钢化玻璃的主要反应都是非氧化还原反应D.在碳素钢中加入镍等合金元素可以制得不锈钢及各种特种钢思路指导：SiO2可与Na2CO3、CaCO3在高温下发生反应：Na2CO3SiO2 Na2SiO3CO2CaCO3SiO2 CaSiO3CO2在高温下发生的这两个反应遵循高沸点物质制低沸点物质的反应原理，与碳酸的酸性强于硅酸并不矛盾，后者反应原理基于溶液中的离子反应。解析：制造玻璃的原料：石灰石、石英以及纯碱，钢化玻璃和普通玻璃的组成是相同的，钢化玻璃是将普通玻璃先切割成要求尺寸，然后加热到接近软化点的 700 度左右，再进行快速均匀的冷却而得到的，故 A 正确；钢化玻璃和普通玻璃的组成是相同的，是一种传统的无机非金属材料，故 B 错误；钢化玻璃其实是一种预应力玻璃，为提高玻璃的强度，通常使用化学或物理的方法，在玻璃表面形成压应力，玻璃承受外力时首先抵消表层应力，从而提高了承载能力，增强玻璃自身抗风压性，寒暑性，冲击性等，主要反应都是非氧化还原反应，故 C正确；不锈钢由于其抗腐蚀性好，在生产和生活中有许多用途，不锈钢是由铁、铬、镍制成的合金钢，在碳素钢中加入镍等合金元素可以制得不锈钢及各种特种钢，故 D 正确。答案：B例 6氮化硅(Si3N4)是高温结构陶瓷，具有优良的性能，人们常常利用它来制造轴承、汽轮机叶片、永久性模具等机械构件。设计合成氮化硅的工艺流程如下：(1)电弧炉中发生的主要反应是_。用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅，该反应的化学方程式为_，碳化硅晶体结构中含_键。(2)在流化床反应的气态产物中，SiCl4 大约占 85%，还有Cl2 等，有关物质的沸点数据如下表：提纯 SiCl4 的主要工艺操作依次是沉降、_，其中温度最好控制在_(填序号)。A.略小于34.1 C.略小于 57.6 B.大于 57.6 D.34.1 物质SiSiCl4Cl2沸点/235557.634.1(3)粉末状 Si3N4 遇水能生成一种有刺激性气味、常用作制冷剂的气体和一种难溶性的酸，该反应的方程式是_。该工艺流程中涉及的主要反应属于氧化还原反应的有_个。思路指导：从液态混合物中分离一般采用蒸馏(液态成分变成气态)，从气态混合物中分离一般采用冷凝(或降温，气态成分变成液态)。解析：(1)工业生产所用焦炭往往过量，生成物为CO 而不是 CO2。(2)冷凝(或降温)后，气态混合物中沸点较高的成分先变成液态而与其他气体分离，所以选择略小于57.6 ；沉降是指流化床反应过程中产生的粗硅粉尘分散在气态混合物中，静置后粉尘与气体混合物分离。(3)NH3 能用作制冷剂；本工业流程中SiO2SiSiCl4Si3N4，观察化合价变化易知共有2 个氧化还原反应。答案：(1)SiO22CSi2CO共价(极性)SiO23C(2)冷凝(或降温)SiC2COC(3)Si3N49H2O=4NH33H2SiO32