新课标高考化学一轮总复习第4章第一节碳硅及其化合物讲义

- 5 - 新课标高考化学一轮总复习第4章第一节碳硅及其化合物讲义

[高考备考指南]

考纲定位 1.了解碳、硅元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。

2.了解碳、硅元素单质及其重要化合物对环境的影响。

3.以上各部分知识的综合应用。

核心素养 1.变化观念——分析碳、硅及其化合物的化学反应，预测在一定条件下碳、硅及其化合物可能发生的化学变化。

2.实验探究——发现或提出对碳、硅及其化合物有探究价值的化学问题，能依据探究目的设计并优化实验方案，完成实验操作，能对观察记录的实验信息进行加工并获得结论。

3.社会责任——关注与碳、硅有关的热点问题(如光导纤维、硅电池、半导体材料)，具有可持续发展的意识；赞赏碳、硅及其化合物对社会发展的重大贡献。

碳、硅的单质

(对应复习讲义第37页)

1．碳、硅单质的存在形式、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：与金刚石类似的立体网状结构

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 晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池

2.碳、硅单质的化学性质——一般表现还原性

- 5 - 碳 与O2反应C＋O2=====完全燃烧CO22C＋O2=====不完全燃烧2CO与氧化物反应C＋2CuO=====△2Cu＋CO2↑2C＋SiO2=====高温2CO↑＋SiC＋CO2=====高温2COC＋H2O（g）=====高温CO＋H2与强氧化性酸反应浓硫酸：C＋2H2SO4(浓)=====△

2SO2↑＋CO2↑＋2H2O浓硝酸：C＋4HNO3(浓)=====△

4NO2↑＋CO2↑＋2H2O

硅――→ 与O2

反应Si＋O2=====△ SiO2――→ 与F2

反应Si＋2F2=====△SiF4――→ 与HF

反应Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑――→ 与NaOH溶液

反应 Si＋2NaOH＋H2O

===Na2SiO3＋2H2↑

(类似Al性质)

3．SiO2制粗硅、提纯硅的一般过程

SiO2――→CSi(粗)――→Cl2SiCl4――→H2Si

判断正误

(1)硅的性质不活泼，故自然界中存在游离态的硅元素。( )

(2)金刚石、石墨、C60为碳的三种同素异形体。( )

(3)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料。( )

(4)Si和SiO2都可用于制造光导纤维。( )

(5)非金属性：C>Si，则热稳定性：CH4>SiH4。( )

(6)Si为非金属，与酸不能反应。( )

[提示] (1)× (2)√ (3)× (4)× (5)√ (6)×

1．有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列有关硅的说法中，不正确的是( )

A．高纯度的硅广泛用于制作计算机芯片

B．硅可由二氧化硅还原制得

C．低温时，硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸反应

D．自然界中硅元素的储量丰富，并存在大量的单质硅

D [硅是一种亲氧元素，主要以氧化物及硅酸盐的形式存在。]

2．(教材改编题)单晶硅是制作电子集成电路的基础材料，对硅的纯度要求很高。用化学方法可制得高纯度硅，其化学方程式为

①SiO2＋2C=====高温Si＋2CO↑

②Si＋2Cl2=====△SiCl4

③SiCl4＋2H2=====高温Si＋4HCl。

下列对上述三个反应的叙述不正确的是( )

A．①③为置换反应

- 5 - B．②为化合反应

C．①②③均为氧化还原反应

D．三个反应的反应物中硅元素均被还原

D

[反应①③为置换反应，反应②为化合反应，三个反应均有元素化合价变化，均属于氧化还原反应，其中反应①和③中硅元素被还原，反应②中硅元素被氧化。]

Si单质特性理解误区

(1)Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2C=====高温Si＋2CO↑。

(2)非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si与碱液作用却放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

(3)非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。

(4)非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。 碳、硅的氧化物

(对应复习讲义第38页)

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，能使人中毒的原因是：与人体内血红蛋白相结合，因缺氧而中毒。

(2)化学性质及应用(写出有关化学方程式)

①可燃性：2CO＋O2=====点燃2CO2，可作燃料。

②还原性：CO还原Fe2O3的反应为3CO＋Fe2O3=====高温2Fe＋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－===CO2－3＋H2O、SiO2＋2OH－===SiO2－3＋H2O；二者与CaO反应的化学方程式：CO2＋CaO=====△CaCO3、SiO2＋CaO=====高温CaSiO3。

(2)差异性

①SiO2与氢氟酸反应的化学方程式：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

②SiO2与Na2CO3、CaCO3的反应——工业制玻璃

SiO2＋Na2CO3=====高温Na2SiO3＋CO2↑；

SiO2＋CaCO3=====高温CaSiO3＋CO2↑。

③CO2与H2O反应的方程式：CO2＋H2OH2CO3。

④SiO2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．CO2与SiO2的用途

CO2：制饮料、碳酸盐，干冰用作制冷剂，作灭火剂，干冰还用于人工降雨。

SiO2：制作光导纤维、光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。

- 5 - CO2与碱反应产物的定量判断

以CO2与NaOH溶液反应为例，将CO2通入NaOH溶液中，可能发生的反应为

①CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O；

②CO2＋NaOH===NaHCO3。

当n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下：

【例】 标准状况下，将3.36 L CO2气体通入200 mL 1.00 mol·L－1NaOH溶液中，充分反应后溶液中c(CO2－3)与c(HCO－3)的比值为(不考虑CO2－3、HCO－3的水解)( )

A．1∶1 B．1∶2 C．2∶1 D．1∶3

[思路点拨]

n（CO2）＝3.36 L22.4 L·mol－1＝0.15 moln（NaOH）＝0.2 L×1.00 mol·L－1＝0.2 mol―→

n（CO2）n（NaOH）＝34―→n（CO2－3）＋n（HCO－3）＝0.15 mol2n（CO2－3）＋n（HCO－3）＝0.2 mol

―→确定c（CO2－3）c（HCO－3）。

[答案] B

[母题变式] (1)将“3.36 L”改为“4.48 L”，溶液中溶质是________。

(2)将“3.36 L”改为“2.24 L”，溶液中溶质是________。

[答案] (1)NaHCO3 (2)Na2CO3

角度1 CO2、CO的性质及应用

1．下列关于CO2、CO的说法正确的是________(填序号)。

①(2016·全国卷Ⅰ)燃料燃烧产物CO2是一种温室气体，属于大气污染物

②C的氧化物只有CO和CO2两种

③将过量CO2分别通入CaCl2溶液、Na2SiO3溶液、NaHCO3溶液、Ca(OH)2溶液均有白色沉淀生成

④Na、Mg的失火均可用CO2灭火

⑤CO2、CO均为酸性氧化物，能与NaOH反应

⑥向NaAlO2溶液中通入过量CO2，生成Al(OH)3和NaHCO3

[答案] ⑥

2．甲气体可发生如下变化：

甲气体――→通过灼热的炭层乙气体――→通过灼热的炭层丙气体――→通过灼热的CuO乙气体――→通过澄清石灰水丁固体。则甲、乙、丙、丁分别为( )

A．CO2、CO、O2、CaO

B．O2、CO、CO2、CaCO3

C．O2、CO2、CO、CaCO3

- 5 - D．CO、CO2、O2、Ca(OH)2

C [O2――→CCO2――→CCO――→CuOCO2――→Ca（OH）2CaCO3。]

角度2 SiO2的性质及应用

3．(2019·菏泽质检)下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是________(填序号)。

①CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐(酸性氧化物)，均能与NaOH反应

②SiO2为酸性氧化物，不与任何酸反应

③光导纤维的主要成分是SiO2，能导电

④SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O体现了SiO2为酸性氧化物的性质

⑤Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→SiO2－3均能一步转化

⑥SiO2＋3C=====高温SiC＋2CO↑中SiO2作氧化剂

⑦CO2和SiO2常温下都是由相应的分子构成

⑧存放NaOH溶液的试剂瓶应用橡皮塞，不用玻璃塞的理由是玻璃中含有的SiO2与NaOH反应

[答案] ①④⑧

SiO2的特性及原理

(1)一般情况下，碱性氧化物与酸反应，酸性氧化物与碱反应，不与酸反应，但SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，所以不能用玻璃容器盛放氢氟酸，可以用氢氟酸刻蚀玻璃。

(2)一般情况下，酸性氧化物与水反应能生成相应的酸，如CO2＋H2OH2CO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。

(3)一般情况下，因为碳酸的酸性比硅酸强，可发生反应，如Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，即符合“较强酸制较弱酸”的复分解反应规律。而SiO2与Na2CO3、CaCO3在高温条件下可以发生反应：Na2CO3＋SiO2=====高温 Na2SiO3＋CO2↑(原理是：难挥发性物质制备易挥发性物质)。 硅酸、硅酸盐和无机非金属材料

(对应复习讲义第39页)

1．硅酸的性质、制备与应用

2．硅酸盐

(1)概念：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。

(2)表示方法：硅酸盐矿物的成分复杂，常用氧化物的形式表示它们的组成，如硅酸钠