2021高三化学人教版一轮教师用书：第4章第1节碳、硅及其化合物


第一节　碳、硅及其化合物
考纲定位
要点网络
1.掌握碳、硅单质及其重要化合物的主要性质及应用。
2.了解碳、硅单质及其重要化合物对环境的影响。
3.了解常见的无机非金属材料。
4.了解碳、硅单质及其重要化合物的制备方法。


碳、硅及其氧化物

1．碳、硅单质的存在形式、结构、物理性质和用途

碳
硅
存在
形式
游离态和化合态
化合态
单质
的
结构
金刚石：立体网状结构；
石墨：层状结构；
C60：足球形分子
晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构
物理
性质
金刚石：熔点很高、硬度很大；
石墨：硬度较小、电的良导体
晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、熔点高、硬度大、有脆性
用途
金刚石用于制造切割刀具，石墨用于制造电极、铅笔芯。C60可作催化剂或催化剂载体
晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池
注：硅为亲氧元素，在自然界中无游离态。
2．碳、硅的化学性质(写出有关化学方程式)
(1)碳的化学性质


(2)硅的化学性质

①与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
②与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
③与O2反应：Si＋O2SiO2。
[补短板]硅的工业制备与提纯
(1)流程：石英砂Si(粗)SiCl4Si(纯)。
(2)原理：①Si(粗)制备：SiO2＋2CSi＋2CO↑。
②Si(粗)提纯：Si(粗)＋2Cl2SiCl4；
SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl。
3．碳、硅的氧化物
(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。中毒的原因是与人体内血红蛋白相结合，使人因缺氧而中毒。
②化学性质及应用(写出有关化学方程式)
a．可燃性：2CO＋O22CO2，可作燃料。
b．还原性：CO还原Fe2O3的反应为3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2，可用于冶炼金属。
(2)CO2与SiO2性质的比较
①共性
均属于酸性氧化物，均能与碱、金属氧化物反应，写出二者与NaOH溶液(足量)反应的离子方程式：CO2＋2OH－===CO＋H2O、SiO2＋2OH－===SiO＋H2O；二者与CaO反应的化学方程式：CO2＋CaO===CaCO3、SiO2＋CaOCaSiO3。
②差异性
a．SiO2与氢氟酸反应的化学方程式：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
b．SiO2与Na2CO3、CaCO3的反应——工业制玻璃
SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；
SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑。
c．CO2与H2O反应的化学方程式：CO2＋H2OH2CO3。
d．SiO2为高硬度、高熔沸点的固体，不溶于水，而CO2为低熔沸点的气体，可溶于水。
(3)SiO2与CO2的用途(熟记)
①CO2：制饮料、碳酸盐，作灭火剂，干冰用作制冷剂，也可用于人工降雨。
②SiO2：光导纤维、制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。
(4)CO2的实验室制法
用大理石与稀盐酸或稀硝酸发生反应的离子方程式：
CaCO3＋2H＋===Ca2＋＋CO2↑＋H2O。
注意：①用大理石制CO2时，不能用稀硫酸，因为生成的CaSO4微溶，覆盖大理石表面阻止反应进行。
②可以用启普发生器作发生装置制CO2。
③除去CO2中的HCl可以用饱和NaHCO3溶液。
[补短板]
(1)一般情况，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸发生反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。但SiO2不是两性氧化物。
(2)一般情况，较强酸＋较弱酸盐―→较弱酸＋较强酸盐。虽然酸性：H2CO3>H2SiO3，却能发生反应：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑。其原理为难挥发性物质制备易挥发性物质。
(3)一般情况，非常活泼金属(Na、K等)才能够置换出水中的氢，但却能发生反应：C＋H2O(g)CO＋H2。
(4)一般情况，非金属氧化物与水反应生成相应的酸，如CO2＋H2OH2CO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。
(5)Si的还原性强于C，但C能还原SiO2生成Si，且氧化产物为CO：2C＋SiO2Si＋2CO↑，其原因是产物CO为气体，它的放出降低了生成物浓度，促使反应向正反应方向进行。

用化学方程式回答下列问题：
(1)保存烧碱溶液不能用磨口玻璃塞的理由__________________________
______________________________________________________________。
(2)氢氟酸可用于在玻璃器皿上雕刻花纹的理由______________________
______________________________________________________________。
(3)水煤气的制备反应方程式______________________________________
______________________________________________________________。
(4)SiO2制备H2SiO3的反应方程式____________________________________
___________________________________________________________________。
(5)将2 mol CO2通入含3 mol NaOH的溶液中，反应的化学方程式为__________________________________________________________________
__________________________________________________________________。
[答案]　(1)2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O
(2)4HF＋SiO2===SiF4↑＋2H2O
(3)C＋H2O(g)CO＋H2
(4)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O、
Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl
(5)2CO2＋3NaOH===Na2CO3＋NaHCO3＋H2O

命题点1　碳、硅及其氧化物的性质及应用
1．(2019·南昌月考)下列关于硅元素及其化合物的有关说法正确的是(　　)
A．由沙子制备光伏材料的反应之一为SiO2＋CSi＋CO2↑
B．高温下SiO2能与Na2CO3固体反应生成Na2SiO3和CO2，说明硅酸酸性强于碳酸
C．因为玻璃中含有SiO2，所以不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛装碱性溶液
D．Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→SiO均能一步转化
C　[A项，反应产物不是CO2而是CO；B项，碳酸比硅酸酸性强；D项，SiO2不能一步转化为H2SiO3。]
2．下列说法中正确的是(　　)
A．单质氧化物酸或碱盐，碳、硅单质均可以按上述关系进行转化
B．若a、b、c分别为Si、SiO2、H2SiO3，则可以通过一步反应实现如图所示的转化关系
C．二氧化碳和二氧化硅都可溶解在NaOH溶液中
D．向Na2SiO3溶液、NaAlO2溶液、Ca(OH)2溶液中分别通入过量CO2，溶液均有白色沉淀
C　[A项，SiO2与H2O不反应；B项，SiO2不能直接转化为H2SiO3，H2SiO3也不能转化为Si；D项，Ca(OH)2溶液中通入过量CO2，无沉淀生成。]
3．(2019·湖南六校联考)多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅芯片的主要原料。已知第三代工业制取多晶硅流程如图所示：

下列说法错误的是(　　)
A．Y、Z分别为H2、Cl2
B．制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成碳化硅，在该副反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1
C．SiHCl3极易水解，其完全水解的产物为H2SiO3、H2、HCl，据此推测SiHCl3中硅元素的化合价为＋4
D．Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应
B　[B项中的反应为3C＋SiO2SiC＋2CO↑，氧化剂与还原剂均为C，二者之比为1∶2。]
命题点2　CO2与NaOH溶液反应产物的判断
4．在标准状况下，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
B　[n(CO2)＝0.15 mol，n(NaOH)＝0.2 mol，n(CO2)∶ n(NaOH)＝3∶4，其反应方程式：3CO2＋4OH－===CO＋2HCO＋H2O，故c(CO)∶c(HCO)＝1∶2。]
5．在标准状况下，将4.48 L CO2通入100 mL 3 mol·L－1的NaOH溶液中，溶液中的溶质为________，其物质的量之比为________。
[解析]　n(CO2)＝0.2 mol，n(NaOH)＝0.3 mol，n(CO2)∶ n(NaOH)＝2∶3，可发生反应
2CO2＋3NaOH===Na2CO3＋NaHCO3＋H2O。
[答案]　Na2CO3、NaHCO3　1∶1



数轴法判断CO2与强碱(OH－)反应的产物
当n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下：

命题点3　CO、CO2的有关性质探究
6．(2019·信阳模拟)为检验二氧化碳气体中是否混有一氧化碳，某课外兴趣小组的同学设计了如图所示的实验装置：

根据装置回答问题：
(1)A装置的作用是_____________________________________________。
(2)C中发生反应的方程式为______________________________________
________________________________________________________________。
(3)B装置的作用是______________________________________________
________________________________________________________________。
(4)若实验时观察到______________________________________________
________________________________________________________________，
则证明原气体中一定含有一氧化碳。
(5)该装置从安全角度考虑应如何改进？
______________________________________________________________。
[答案]　(1)吸收CO2，防止干扰CO检验
(2)CO＋CuOCu＋CO2
(3)检验CO2是否除尽
(4)B中无明显现象，装置C中黑色粉末变成光亮的红色，D中澄清石灰水变浑浊
(5)在装置C、D之间加一防倒吸装置，装置D加CO处理装置


检验CO2中CO是否存在的思维模板

各装置的作用是：
A——除去混合气体中的CO2
B——检验混合气体中CO2是否除尽
C——CO还原CuO：CO＋CuOCu＋CO2
D——安全瓶，防倒吸
E——验证CO的氧化产物CO2
F——除去尾气中的CO，防止污染环境
确定混合气体中含有CO的实验现象是：
C中的物质由黑色变成光亮的红色，B中无明显现象，E中的澄清石灰水变浑浊。
硅酸、硅酸盐和无机非金属材料

1．硅酸的性质、制备与应用(写出有关的化学方程式)

注意：硅胶的形成过程及应用
①硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶，经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶，称为硅胶；
②硅胶可用作实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂，也可用作催化剂的载体。
2．硅酸盐
由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
(1)硅酸盐的组成表示方法
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，如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(K2Al2Si6O16)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。
注意：①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；
②硅酸盐大多难溶于水。
(2)硅酸钠(Na2SiO3)——俗称泡花碱
①白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。
②与较强的酸反应生成硅酸：如Na2SiO3溶液与稀硫酸反应：Na2SiO3＋H2SO4===H2SiO3↓＋Na2SO4；与SO2水溶液反应：Na2SiO3＋SO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2SO3。
③用途：黏合剂、耐火阻燃材料。
3．无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料

水泥
玻璃
陶瓷
生产原料
黏土、石灰石
纯碱、石灰、石英砂
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑
生产条件
高温
主要成分
3CaO·SiO2，
2CaO·SiO2，3CaO·Al2O3
Na2SiO3，
CaSiO3，SiO2
硅酸盐
注意：玻璃没有固定的熔点，是混合物，在某一温度范围内逐渐软化，可吹成各种形状的制品。不是晶体，称为玻璃态物质。
(2)新型无机非金属材料
①高温结构陶瓷：如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学侵蚀性和电绝缘性等。
②生物陶瓷：对机体无排异反应，不会引起代谢作用异常。
③压电陶瓷：具有压电效应。
④光导纤维：主要成分为SiO2，导光、制作光缆。

(1)硅酸的酸酐为SiO2，故SiO2与H2O反应可制硅酸。(　　)
(2)同浓度的Na2SiO3与Na2CO3溶液的pH，前者大。(　　)
(3)Mg2＋、H＋、SiO、SO在水溶液中能大量共存。(　　)
(4)传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐。
(　　)
(5)KAlSi3O8可写成K2O·Al2O3·3SiO2。(　　)
(6)硅酸在干燥的空气中形成硅胶，可以作食品的干燥剂。(　　)
(7)水泥、玻璃、陶瓷的生产原料均有石灰石。(　　)
[答案]　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√　(7)×

命题点1　硅酸及其盐和无机非金属材料
1．下列说法正确的是 (　　)
A．向含K＋、Na＋、Br－、SiO的溶液中通入CO2后仍能大量共存
B．合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料
C．NaHCO3溶液中含有Na2SiO3杂质，可通入少量CO2后过滤
D．SiO2中含Al2O3杂质，可加入足量稀盐酸溶液，然后过滤除去
D　[A项，SiO会生成H2SiO3沉淀而减少，错误；B项，合成纤维为有机材料，错误；C项，通少量CO2，生成Na2CO3，引入新杂质，错误；D项，Al2O3溶于盐酸而SiO2不溶于盐酸，正确。]
2．青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是(　　)
A．青石棉是一种硅酸盐产品
B．青石棉中含有一定量的石英晶体
C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O
D．1 mol青石棉能使1 mol HNO3被还原
B　[硅酸盐指的是硅、氧与其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)结合而成的化合物的总称，故青石棉是一种硅酸盐产品；虽然青石棉可用氧化物形式来表示，但不代表含有一定量的石英晶体；1 mol Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O跟足量硝酸反应时，失去3 mol电子，而还原产物只有NO，故能使1 mol HNO3被还原。]
3．世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：“中国至少在距今3 000年以前，就已经使用玻璃了。”下列有关玻璃的说法不正确的是
(　　)
A．制普通玻璃的原料主要是石灰石和黏土
B．玻璃在加热熔化时没有固定的熔点
C．普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅
D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起
A　[普通玻璃的原料为石灰石、纯碱和石英砂，A错误。]

硅酸盐氧化物形式的表示模板
(1)氧化物的一般书写顺序：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一般应化为整数。如正长石：KAlSi3O8，将K2O·Al2O3·3SiO2，写成K2O·Al2O3·6SiO2，但原子个数比不变。
命题点2　硅及其常见化合物的转化
4．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如图所示)。下列说法错误的是 (　　)

A．高炉炼铁时，加入石灰石将铁矿石中的脉石(主要成分为SiO2)转化为炉渣
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SiO2)中少量的碳酸钙
D．图中所含反应都不属于氧化还原反应
D　[Si的制备和提纯过程涉及氧化还原反应，D错误。]
5．已知A是灰黑色的、有金属光泽的固体单质。根据如图所示的物质之间的转化关系，回答下列有关问题。

(1)写出B、C两物质的名称：B________、C________。
(2)写出D→B的化学方程式为______________________________________
___________________________________________________________________。
(3)写出B→C的离子方程式为_______________________________________
___________________________________________________________________。
(4)D不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为
___________________________________________________________________。
[解析]　由题意知：A为Si，B为Na2SiO3，C为H2SiO3，D为SiO2。
[答案]　(1)硅酸钠　硅酸　(2)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　(3)SiO＋H2O＋CO2===CO＋H2SiO3↓
(4)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

硅及其化合物之间的常见转化关系


[一题串知，落实考法]
(2015·全国卷Ⅰ，改编)草酸(乙二酸)存在于自然界的植物中，其K1＝5.4×10－2，K2＝5.4×10－5。草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。草酸晶体(H2C2O4·2H2O)无色，熔点为101 ℃，易溶于水，受热脱水、升华，170 ℃以上分解。

回答下列问题：
(1)甲组同学按照如图所示的装置，通过实验检验草酸晶体的分解产物。装置C中可观察到的现象是_____________________________________________
_________________________________________________________________，
反应的离子方程式为______________________________________________，
说明分解产物中含有______________。装置B的主要作用是_______________
_________________________________________________________________。
[考查CO2的检验和主要性质]
(2)乙组同学认为草酸晶体分解产物中还有CO，为进行验证，选用甲组实验中的装置A、B和下图所示的部分装置(可以重复选用)进行实验。


①乙组同学的实验装置中，依次连接的合理顺序为A、B、________________。装置H反应管中盛有的物质是_______________________。
②能证明草酸晶体分解产物中有CO的现象是________________________
____________________________________。[考查CO的检验与性质]
(3)若上图中的装置C中的澄清石灰水改为水玻璃，则装置C中的现象是______________________________________________________________，
反应的离子方程式为____________________________________________，
此现象说明H2SiO3比H2CO3的酸性________。
[考查硅酸及硅酸盐的性质]
(4)氢氟酸不能用玻璃瓶盛装的理由是(写化学方程式)_______________ _______________________________________________________________，
氢氧化钠溶液的试剂瓶不用玻璃塞的理由是(写离子方程式)__ _________ _______________________________________________________________。
[考查SiO2的主要性质]
[答案]　(1)有气泡逸出、澄清石灰水变浑浊
CO2＋Ca2＋＋2OH－===CaCO3↓＋H2O　CO2　冷凝(水蒸气、草酸等)，防止草酸进入装置C反应生成沉淀，干扰CO2的检验
(2)①F、D、G、H、D、I　CuO　②H中黑色粉末变为红色，其前的D中澄清石灰水无现象，其后的D中澄清石灰水变浑浊
(3)C中溶液产生白色沉淀或变浑浊，且有气泡逸出
CO2＋SiO＋H2O===H2SiO3↓＋CO　弱
(4)4HF＋SiO2===SiF4↑＋2H2O
SiO2＋2OH－===SiO＋H2O
[真题体验，感悟考向]
1．(2019·全国卷Ⅰ，T7)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，由黏土经高温烧结而成
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
A　[氧化铁的颜色为红棕色，不是青色，A项错误；秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成；陶瓷的主要成分是硅酸盐；具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点；B、C、D项正确。]
2．下列说法不正确的是________(填序号)。
(1)(2019·全国卷Ⅲ)高纯硅可用于制作光感电池。
(2)(2019·全国卷Ⅲ)活性炭具有除异味和杀菌作用。
(3)(2016·全国卷Ⅲ)HF与SiO2反应实际应用是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记
(4)(2015·全国卷Ⅱ)硅胶可用作食品干燥剂
(5)(2014·全国卷Ⅰ)如图：①中为浓硝酸，②中为Na2CO3，③中为Na2SiO3溶液，可证明酸性：硝酸＞碳酸＞硅酸
(6)(2016·全国卷Ⅱ)燃料燃烧产物CO2是温室气体之一

[答案]　(2)(5)
3．(1)(2019·全国卷Ⅱ，节选，有改动)在回转炉中重晶石(BaSO4)被过量焦炭还原为可溶性硫化钡，该过程的化学方程式为_________________________ _________________________________________________________________。
回转炉尾气中含有有毒气体，生产上可通过水蒸气变换反应将其转化为CO2和一种清洁能源气体，该反应化学方程式为____________________________ _________________________________________________________________。
(2)(2018·全国卷Ⅲ，T28(1))SiHCl3在常温常压下为易挥发的无色透明液体，遇潮气时发烟生成(HSiO)2O等，写出该反应的化学方程式_____________________ ___________________________________________________________________。
[答案]　(1)BaSO4＋4CBaS＋4CO↑　CO＋H2O(g)CO2＋H2
(2)2SiHCl3＋3H2O===(HSiO)2O＋6HCl