高考化学一轮复习专题十六碳、硅及其化合物无机非金属材料考点一碳、硅单质的性质教学案
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专题十六 碳、硅及其化合物 无机非金属材料 考纲展示 命题探究
考点一 碳、硅单质的性质 1 碳、硅元素的原子结构与存在
2 碳、硅单质的性质 物质 碳 硅
物理性质
颜色、状态 无色(金刚石)或黑色(石墨)固体 有金属光泽的灰黑色固体 熔点(℃) 3550(金刚石)、3652～3697(石墨) 1410 沸点(℃) 4827 2355
密度(g/cm3) 3.51(金刚石)、 2．25(石墨) 2.32～2.34 溶解性 难溶于一般溶剂 难溶于一般溶剂 硬度 硬度很大 硬度较大 续表 物质 碳 硅
化学性质
与非金属 单质反应 C＋O2=====点燃CO2
2C＋O2=====点燃2CO Si＋O2=====△SiO2
Si＋2F2===SiF4
与氧化 物反应
C＋2CuO=====高温CO2↑＋2Cu
3C＋Fe2O3=====高温3CO↑ ＋2Fe
2C＋SiO2=====电炉2CO↑＋Si
与FeO反应： Si＋2FeO=====高温SiO2＋2Fe
与酸反应 与浓硫酸、浓硝酸反应： C＋2H2SO4(浓)=====△CO2↑＋2SO2↑＋2H2O C＋4HNO3(浓)=====△CO2↑＋4NO2↑＋2H2O 只与氢氟酸反应： Si＋4HF=== SiF4↑＋2H2↑
与水或 碱反应 ①与碱不反应 ②C＋H2O(g)=====高温CO＋H2 与NaOH溶液反应： Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
学霸巧学卡 硅的还原性比碳的强，但碳能置换出SiO2中的硅。这是因为碳元素和硅元素位于元素周期表中第ⅣA族，碳的原子半径比硅的小，失电子能力比硅的弱，所以硅的还原性比碳
的强。但反应2C＋SiO2=====高温电炉Si＋2CO↑是在高温条件下进行的，且生成物CO为气体，从反应体系中逸出，有利于反应向右进行。 3 硅的工业制法 (1)制取粗硅 工业上，用焦炭在电炉中还原二氧化硅得到含有少量杂质的粗硅。
SiO2＋2C=====高温Si＋2CO↑。 (2)粗硅提纯
①Si＋2Cl2=====高温SiCl4， SiCl4＋2H2=====高温Si＋4HCl。 ②Si＋3HCl=====250～300 ℃Cu粉或Ag粉SiHCl3＋H2，
SiHCl3＋H2=====1100～1200 ℃Si＋3HCl。 ③晶体硅用途：作半导体材料，制芯片，制太阳能电池。 学霸巧学卡 (1)用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。 (2)粗硅中含碳等杂质，与Cl2反应生成的SiCl4中也含CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。
1.思维辨析 (1)晶体硅熔点高、硬度大，所以可用于制作半导体材料。( ) (2)甲、乙、丙、丁四种物质中，甲、乙、丙均含有相同的某种元素，它们之间具有如
下转化关系：甲――→丁乙丁甲丙。若甲为焦炭，则丁可能是O2。( ) (3)高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅。( ) (4)常温下硅既不能与强酸反应也不能与强碱反应。( ) (5)加热到一定温度，硅能与氧气、氯气等非金属反应。 ( ) (6)晶体硅可用作光导纤维材料。 ( ) 答案 (1)× (2)√ (3)√ (4)× (5)√ (6)× 2．下列关于碳、硅的叙述正确的是( ) A．碳、硅都是ⅣA族元素，它们在自然界中都以化合态形式存在 B．二氧化碳、二氧化硅的物理性质相似 C．二氧化碳、二氧化硅都是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应生成相应的盐 D．高纯度的二氧化硅用于制造半导体材料 答案 C 解析 碳元素的存在既有游离态也有化合态，A项错误；用于制造半导体材料的物质应是晶体硅，故选C。
[考法综述] 结合生活和生产实际，考查硅的用途和制单质硅的原理，同学们需记得硅的主要物理性质、化学性质及硅的工业制法。 命题法1 硅的主要性质和用途 典例1 某短周期非金属元素的原子核外最外层电子数是次外层电子数的一半，该元素( ) A．在自然界中只以化合态的形式存在 B．单质常用作半导体材料和光导纤维 C．最高价氧化物不与酸反应 D．气态氢化物比甲烷稳定 [解析] 由已知信息可知该非金属元素为硅。硅强烈亲氧，在自然界硅元素是以氧化物或复杂硅酸盐形式存在，不存在单质硅，A正确；硅单质能用作半导体材料而不能用作光导纤维，制造光导纤维是用二氧化硅，B错误；SiO2能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，C错误；非金属性：C>Si，故SiH4的稳定性弱于甲烷，D错误。 [答案] A 【解题法】 硅的特性归纳总结 一般规律 硅及其化合物特性
硅还原性大于碳 2C＋SiO2=====高温Si＋2CO↑
非金属与强碱溶液反应一般不产生H2 硅可与强碱溶液反应产生H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑ 非金属一般不与非氧化性酸反应 Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑ 一般非金属单质为绝缘体 硅为半导体，常用于电子部件 命题法2 硅的工业制备 典例2 硅在地壳中的含量较高。硅及其化合物的开发由来已久，在现代生活中有广泛应用。回答下列问题： (1)1810年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、木炭和铁时，得到一种“金属”。这种“金属”可能是__________。 (2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。其中，生产普通玻璃的主要原料有________________。 (3)高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有多种路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下：
发生的主要反应 电弧炉 SiO2＋2C=====1600～1800 ℃Si＋2CO↑ 流化床反应器 Si＋3HCl=====250～300 ℃SiHCl3＋H2
还原炉 SiHCl3＋H2=====1100～1200 ℃Si＋3HCl
①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__________；碳化硅又称__________________，其晶体结构与________相似。 ②在流化床反应的产物中，SiHCl3大约占85%，还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等，有关物质的沸点数据如下表，提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和________。 物质 Si SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2 SiH3Cl HCl SiH4 沸点/℃ 2355 57.6 31.8 8.2 －30.4 －84.9 －111.9 ③SiHCl3极易水解，其完全水解的产物为________。 [解析] (3)比较SiHCl3、SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl的沸点，可得常温下SiHCl3、SiCl4
为液体，SiH2Cl2、SiH3Cl为气体，沉降、冷凝得到SiHCl3、SiCl4的混合液体，用蒸馏可分
离二者。SiHCl3中，把硅考虑为＋4价，则氢为－1价，氯是－1价，SiHCl3水解时，－1价氢还原水中＋1价的氢，生成氢气。 [答案] (1)含有硅、碳的铁合金(或硅铁) (2)石英砂、纯碱和石灰石
(3)①SiO2＋3C=====高温SiC＋2CO↑ 金刚砂 金刚石(或单晶硅) ②精馏(或蒸馏) ③H2SiO3(或H4SiO4)、H2、HCl 【解题法】 纯硅制备常用方程式归纳总结 (1)高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅：
SiO2＋2C=====高温Si(粗)＋2CO↑ ：3SiHCl气体反应制得HCl粗硅与干燥(2)
Si＋3HCl=====300 ℃SiHCl3＋H2 ：4SiCl反应制得2Cl粗硅与干燥(3)
Si(粗)＋2Cl2=====高温SiCl4 反应制得纯硅：1100 ℃～1000在2H与过量3(4)SiHCl
SiHCl3＋H2=====高温Si＋3HCl 在高温下反应制得纯硅：2H与过量4(5)SiCl
SiCl4＋2H2=====高温Si＋4HCl ：强烈反应O2H能与4SiCl、3(6)SiHCl SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋3HCl＋H2↑ SiCl4＋3H2O===H2SiO3＋4HCl ：在空气中易自燃4(7)SiH SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O
1．在给定条件下，下列选项中所示的物质间转化均能一步实现的是( ) Si――→H2高温4SiCl――→Cl2高温．粗硅A
Mg――→电解(aq)2MgCl――→盐酸2Mg(OH)．B 3FeCl无水――→蒸发(aq)3FeCl――→盐酸3O2Fe．C Ag――→蔗糖△]OH(aq)2)3[Ag(NH――→NH3·H2O(aq)3AgNO．D 答案 A 项正确；电解A，4HCl＋)纯Si(=====高温22H＋4SiCl，4SiCl=====高温)粗Si(＋22Cl 解析水＋3Fe溶液在蒸发过程中，3FeCl项错误；B，2MgCl，应电解熔融的Mg溶液不能得到2MgClC，3FeCl，水解平衡不断向右移动，故得不到无水挥发HCl，同时生成的3Fe(OH)解生成项错误；蔗糖不能发生银镜反应，D项错误。 ，然后－4SiO反应，生成－OH与Si溶液的反应，首先是NaOH与Si．某化学家指出2) (，下列有关说法正确的是4SiO4H迅速水解生成－4SiO 为弱电解质4SiO4Na能迅速水解，且水解后呈碱性，故)4SiO4(Na．原硅酸钠A B．石英玻璃、普通玻璃、陶瓷及水泥均属于硅酸盐产品 Si非金属性大于的Cl说明2NaCl＋↓3SiO2=H==3SiO2Na＋2HCl．C D．半导体工业所说的“从沙滩到家庭”是指：将二氧化硅制成晶体硅 答案 D 是强碱弱4SiO4Na为强电解质，4SiO4Na在水溶液里完全电离，所以4SiO4Na项，A 解析项，石英玻璃的主要成分是二氧B迅速水解导致溶液呈碱性，错误；－4SiO酸盐，溶液中化硅，所以石英玻璃不属于硅酸盐，普通玻璃、陶瓷、水泥的主要成分都是硅酸盐，这三HCl的，但3SiO2H的酸性大于HCl项，该反应说明C种物质属于传统硅酸盐产品，错误；不是Cl的最高价氧化物的水化物，所以该反应不能说明Cl的非金属性大于Si的，错误；D项，沙子的主要成分是二氧化硅，硅芯片的主要成分是硅，二氧化硅被焦炭还原生成粗硅，粗硅再提纯得到纯硅，所以半导体工业所说的“从沙滩到家庭”是指：将二氧化硅制成晶体硅，正确。
