第17讲　碳、硅及无机非金属材料

主备人：杨宁    审核人：王欣一   审批人：       使用时间：2021年8月

【复习目标】1.了解无机非金属材料的性质和用途。2.了解硅及其重要化合物的制备方法。3.了解碳的同素异形体的结构特点与性质，了解CO、CO2的性质及对环境的影响。

考点一硅、无机非金属材料

【知识梳理】

1．硅单质

2．二氧化硅

3．硅酸

4．硅酸盐

(1)硅酸盐是由硅、氧与其他化学元素结合而成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。

(2)硅酸钠

①白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称        。有黏性，水溶液显        。

②与酸性比硅酸强的酸反应

a．与盐酸反应的化学方程式：                                     。

b．与CO2水溶液反应的化学方程式：                                     。

③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。

(3)硅酸盐组成的表示方法：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。

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，不同氧化物间以“·”隔开。

②各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。

如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为        ，长石(KAlSi3O8)可表示为        。

5．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

②玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2             ；CaCO3＋SiO2             。

(2)新型无机非金属材料

判断：(1)工业上用焦炭和石英制取粗硅的反应方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑(   )

(2)Si和SiO2都可用于制造光导纤维(    )

(3)非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4(    )

(4)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸(    )

(1)工业上可用以下流程制取高纯硅，完成各步反应的化学方程式：

反应①：                                                                      ；

反应②：                                                                      ；

反应③：                                                                      。

(2)能否依据反应Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑说明H2SiO3的酸性比H2CO3强？

【递进题组】

题组一　硅　无机非金属材料的性质及应用

1．“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

2．(2020·河南期末)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2.24 L气体(标准状况)时，得到1.4 g硅

3．下列说法不正确的是(　　)

A．SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃

B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶

C．氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，化学式为Si3N4

D．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

题组二　工业上制取高纯硅

4．科学家最新研制的利用氯化氢和氢气生产高纯硅的工艺流程如图所示：

容器①中进行的反应为①Si(粗)＋3HCl(g)SiHCl3(l)＋H2(g)；容器②中进行的反应为②SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl。下列说法不正确的是(　　)

A．该工艺流程的优点是部分反应物可循环使用

B．①和②互为可逆反应

C．该流程中需要隔绝空气

D．粗硅制备不能通过SiO2SiCl4Si实现

5．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)＋3HClSiHCl3＋H2；

②经过纯化的SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃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36.5 ℃)，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                                           。

考点二　碳及其氧化物

1．碳单质

(1)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。

①

②

③

(2)主要化学性质——还原性

2.CO、CO2的性质对比

判断：(1)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(   )

(2)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应(   )

(3)向空气中排放二氧化碳会形成酸雨(   )

(4)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(   )

(5)氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体(   )

写出除去下列气体中混有的杂质(括号内为杂质)可采取的方法。

(1)CO(CO2)：                                                                   ；

(2)CO2(CO)：                                                                   ；

(3)CO2(O2)：                                                                   ；

(4)CO2(SO2)：                                                                  ；

(5)CO2(HCl)：                                                                  。

【递进题组】

1．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

2．(2020·成都调研)科技的进步为二氧化碳资源化利用提供了广阔的前景。下列说法错误的是(　　)

A．CO2是自然界碳循环中的重要物质

B．CO2加氢转化为乙烯，CO2被还原

C．CO2电催化时，在阳极转化为燃料

D．CO2与环氧丙烷可合成可降解塑料

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     (填物质俗称)。

(4)为减少二氧化碳对环境的影响，可将二氧化碳与氢气在300 ℃、200 kPa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               。

第17讲   碳、硅及无机非金属材料  课时训练

1．(2020·浙江7月选考，24)Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一，其相关性质的说法不正确的是(　　)

A．可发生反应：Ca3SiO5＋4NH4ClCaSiO3＋2CaCl2＋4NH3↑＋2H2O

B．具有吸水性，需要密封保存                 C．能与SO2反应生成新盐

D．与足量盐酸作用，所得固体产物主要为SiO2

2．(2019·全国卷Ⅰ，7)陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是(　　)

A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁

B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧制而成

C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐

D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点

3．化学与生活密切相关。下列叙述错误的是(　　)

A．高纯硅可用于制作光感电池(2019·全国卷Ⅲ，7A)

B．活性炭具有除异味和杀菌作用(2019·全国卷Ⅲ，7C)

C．无水CoCl2呈蓝色，吸水会变为粉红色，可用于判断变色硅胶是否吸水(2019·天津，3D)

D．天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅(2019·浙江4月选考，8C)

4．下列说法正确的是(　　)

A．汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土(2018·天津，1C)

B．SiO2具有导电性，可用于制作光导纤维和光电池(2018·海南，5B)

C．12 g金刚石中含有化学键的数目为4NA(2018·海南，9A)

D．因为SiO2熔点高硬度大，所以可用于制光导纤维(2018·江苏，3B)

5．(2020·山东莱芜月考)下列关于碳及其氧化物的说法不正确的是(　　)

A．过度排放CO2会导致“温室效应”，应提倡“低碳生活”

B．一氧化碳易与血液中的血红蛋白结合

C．金刚石和石墨都是碳单质，但原子排列方式不同，物理性质也不同

D．CO、CO2、葡萄糖都属于有机物

6．(2020·湖北百所重点学校联考)近年来美国研究人员合成了光伏电池新型硅材料——Si24。下列相关说法正确的是(　　)

A．Si24是一种新型化合物                      B．Si24是硅的一种同素异形体

C．Si24易与稀硫酸反应生成氢气                D．硅太阳能电池供电原理与原电池相同

7．常温下，下列各组物质不发生反应的是(　　)

①硅与NaOH溶液　②硅与盐酸　③硅与氢氟酸　④二氧化硅与碳酸钠　⑤二氧化硅与NaOH溶液　⑥二氧化硅与浓硝酸

A．①②④  B．③④⑥  C．②⑤⑥  D．②④⑥

8．下列有关硅及其化合物的说法中正确的是(　　)

A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中

B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都发生

C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料

D．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

9．(2020·江西师大附中模拟)由下列实验事实得出的结论正确的是(　　)

A．由SiO2不能与水反应生成H2SiO3可知，SiO2不是H2SiO3的酸酐

B．由SiO2＋2CSi＋2CO↑可知，碳的非金属性强于硅

C．CO2通入Na2SiO3溶液产生白色沉淀，可知酸性H2CO3>H2SiO3

D．SiO2可与NaOH溶液反应，也可与氢氟酸反应，可知SiO2为两性氧化物

二、选择题：每小题有一个或两个选项符合题意。

10．向某碳酸钠溶液中逐滴加1 mol·L－1的盐酸，测得溶液中Cl－、HCO的物质的量随加入盐酸体积的关系如图所示，其中n2∶n1＝3∶2，则下列说法中正确的是(　　)

A．Oa段反应的离子方程式与ab段反应的离子方程式相同

B．该碳酸钠溶液中含有1 mol Na2CO3

C．b＝0.6                                D．当V(盐酸)＝b L时生成CO2的物质的量为0.1 mol

三、非选择题

11．某实验小组设计了如图装置对焦炭还原二氧化硅的气体产物的成分进行探究。

已知：PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为CO＋PdCl2＋H2O===CO2＋2HCl＋Pd↓(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。

(1)实验时要通入足够长时间的N2，其原因是                                       

                                                                              。

(2)装置B的作用是                                                             。

(3)装置C、D中所盛试剂分别为        、        ，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为                          。

(4)该装置的缺点是                                                              。

(5)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强：                                          。

【微专题】二氧化碳与盐或碱溶液反应产物的判断

1．CO2与盐溶液反应产物或现象的判断

一般从强酸制弱酸的角度去分析。由于碳酸比硅酸、次氯酸、苯酚、Al(OH)3(偏铝酸)的酸性强，因此可用CO2制取上述物质，常涉及的变化如下：

CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓(或CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H4SiO4↓＋Na2CO3)

CO2＋Ca(ClO)2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO

CO2＋＋H2O―→＋NaHCO3

CO2(过量)＋Na[Al(OH)4]===Al(OH)3↓＋NaHCO3

CO2(少量)＋2Na[Al(OH)4]===2Al(OH)3↓＋Na2CO3＋H2O

2．CO2与碱溶液反应产物的判断

(1)CO2与单一组分反应(如CO2通入NaOH溶液)产物的分析

①反应原理

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O(CO2少量时)

CO2＋NaOH===NaHCO3(CO2过量时)

②反应后溶质成分的判断

③用数轴来表示

(2)CO2与多组分[如CO2通入NaOH、Ca(OH)2的混合溶液]反应的顺序：

①Ca(OH)2＋CO2===CaCO3↓＋H2O

②2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O

③Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3

④CaCO3＋CO2＋H2O===Ca(HCO3)2

1．用四种溶液进行实验，下表中“操作及现象”与“溶液”对应关系错误的是(　　)

2．标准状况下，将3.36 L CO2气体通入200 mL 1.00 mol·L－1 NaOH溶液中，充分反应后溶液中c(CO)与c(HCO)的比值为( 不考虑CO、HCO的水解)(　　)

A．1∶1  B．1∶2  C．2∶1  D．1∶3

3．(2020·吉林模拟)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(　　)