高考一轮复习第九课第1节：碳、硅单质学案

这是一份高考一轮复习第九课第1节：碳、硅单质学案，共11页。
知识介绍
●硅单质
1．种类与结构
单质硅有______和______两类。晶体硅结构如图所示，为具有 形网状结构的晶体，与 结构相似。
2．晶体硅的性质
(1)物理性质
(2)化学性质
在常温下化学性质不活泼，但能与_________、_________发生反应。
3．用途
(1)____________，如硅芯片等。
(2)____________，如光电池等。
【答案】一、1．硅、氧和金属元素
2．不溶 稳定
3．Na2O·SiO2 K2O·Al2O3·6SiO2
4．水玻璃 硅胶 木材防火剂
5．石灰石、黏土 纯碱、石灰石、石英 黏土 黏土 石灰石
6．(1)金刚石 很大
(2)导磁性
(3)高温 低温
(4)吸附剂 催化剂
二、1．晶体 无定形 正四面体 金刚石
2．(1)灰黑色固体 金属光泽 高 大 脆 半导体
(2)氢氟酸 强碱
3．(1)制作半导体材料
(2)制作新型能源
◈硅单质性质的特殊性
硅原子最外层有4个电子，得失电子都较难，化学性质不活泼。常温下，除与F2、HF和强碱溶液反应外，硅不与其他物质(如强酸和强氧化剂)反应。加热时，硅能与O2、Cl2、C发生化合反应。
(1)一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅和金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质。
(2)一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。
(3)Si的还原性大于C，但单质C在高温下能从SiO2中还原出Si：SiO2+2CSi+2CO↑。
(4)非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与碱溶液反应只作还原剂，且反应能放出氢气：Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。
(5)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能与氢氟酸反应：Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。
⊙硅的工业制法
（1）四氯化硅还原法
①工艺流程
石英砂粗硅SiCl4高纯硅
②反应原理
Si(粗)+2Cl2SiCl4
SiCl4+2H2Si(纯)+4HCl
（2）三氯甲硅烷还原法制备高纯度硅(常用方法)
①工艺流程
②反应原理
SiO2+2CSi+2CO↑，
Si+3HClSiHCl3+H2，
SiHCl3+H2Si+3HCl。
❊碳的单质
1．物质的结构决定性质
同一种元素可以组成不同的单质，以单质形式存在的碳有金刚石、石墨和等，由于它们的碳原子排列方式不同，即结构不同，它们的性质也存在较大的差异。由此也可以知道：物质的结构决定其性质。这三种常见单质的空间排列如图所示。
金刚石的结构 石墨的结构 的结构
2．金刚石、石墨和C60的比较
3．无定形碳
无定形碳：由石墨的微小晶体和少量杂质构成，没有固定形状。常见的无定形碳：木炭、活性炭、焦炭、炭黑。
4．碳的单质相关概念辨析
（1）由同种元素组成的不同单质，如金刚石和石墨、红磷和白磷等，其物理性质不同，但化学性质基本相同。
（2）同种元素组成的不同单质间可以相互转化，如石墨在一定条件下能转化为金刚石，这一转化过程中产生了新物质，属于化学变化，而不是物理变化。
（3）木炭和活性炭的吸附性是物理性质，所以木炭、活性炭对其他物质的脱色过程是物理变化。
（4）“碳”和“炭”的区别：“碳”是元素名称，是核电荷数为6的一类原子的总称，并不具体指某种物质。如碳元素、碳单质、二氧化碳等使用“碳”。“炭”只在木炭、活性炭、炭黑、焦炭等无定形碳的物质名称中使用。
✦碳的化学性质
1．常温下，碳单质的化学性质稳定
在常温下，碳的化学性质不活泼。碳受日光照射或与空气、水等接触都不容易起变化。
实际生活中利用这一性质有以下应用：
（1）需要长期保存的档案材料一般用碳素墨水书写。
（2）木质电线杆埋入地下部分用火烧焦。
2．碳能与氧气反应——可燃性
在点燃的条件下，碳可以在氧气（或空气）里燃烧，放出热量。
（1）氧气充足时，完全燃烧：C+O2CO2
（2）氧气不充足时，不完全燃烧：2C+O22CO
无论碳燃烧是否充分，都会放出热量，因此碳是生活生产中常用的燃料。
3．碳能与某些金属氧化物反应——还原性
单质碳在高温下可以和某些氧化物反应，夺取这些氧化物中的氧，表现出还原性。
（1）木炭还原氧化铜
①实验操作
a．把刚烘干的木炭粉末和氧化铜粉末混合均匀，小心地铺放进试管；
b．将试管固定在铁架台上。试管口装有通入澄清石灰水的导管；
c．集中加热；
d．过几分钟后，先撤出导气管，待试管冷却后再把试管里的粉末倒在纸上。观察现象并分析。
②实验现象
澄清的石灰水变浑浊；黑色固体逐渐变成红色。
③实验原理
C+2CuO2Cu+CO2↑
在碳还原氧化铜的反应中，C在反应中得到氧，发生氧化反应，具有还原性。CuO在反应中失去氧，发生还原反应，具有氧化性。
④实验操作目的及注意事项
a．反应开始的标志：澄清的石灰水变浑浊。
b．试管口应略向下倾斜：防止冷凝水倒流使试管炸裂。
c．在酒精灯上加网罩的目的：使火焰集中并提高温度。
d．配制混合物时木炭粉应稍过量的目的：防止已经还原的铜被氧气重新氧化。
e．实验完毕后先熄灭酒精灯的后果：石灰水倒吸入热的试管中使试管炸裂。
（2）工业上，用焦炭和铁的氧化物反应冶炼铁：2Fe2O3+3C4Fe+3CO2↑
（3）高温下，木炭还能与二氧化碳反应：C+CO22CO↑
◑氧化反应与还原反应
1．氧化反应、还原反应
物质与氧发生的反应叫做氧化反应。含氧化合物中的氧被夺去的反应叫做还原反应。简记为“得氧被氧化，失氧被还原”。
2．氧化性、还原性
在反应中物质供给氧的性质叫做氧化性，物质夺取氧的性质叫做还原性。
在2CuO+C2Cu+CO2↑反应里，氧化铜失去氧而变成了铜单质，氧化铜发生还原反应。木炭是使氧化铜还原为铜的物质，它具有还原性，是还原剂。木炭跟氧化铜里的氧起反应生成了二氧化碳，又发生了氧化反应。氧化铜在反应中提供氧，具有氧化性，是氧化剂。
氧化反应与还原反应是从得氧失氧的角度研究化学反应的，不属于基本反应类型。氧化剂是指能够供给氧的物质，还原剂是指能够得到氧的物质，氧化剂、还原剂指的都是反应物。氧化反应和还原反应是针对化学反应中的某一反应物而言的，如C与CuO的反应中，C发生了氧化反应，CuO发生了还原反应。
●碳燃烧时生成物的判断
氧气量充足时，碳充分燃烧：C+O2CO2
3 ：8 ： 11
氧气量不充足时，碳不充分燃烧：2C+O22CO
3 ：4 ： 7
依据反应的化学方程式可知，碳燃烧后生成何种气体由碳和氧气的质量决定。碳和氧气按一定质量比混合，反应后生成气体的情况可按如图所示数轴记忆（数轴下面的数字是碳和氧气的质量比）。
当m g碳与n g氧气反应时：
（1）时，生成物只有CO2，且O2有剩余。
（2）时，碳和氧气恰好完全反应，生成CO2。
（3）时，碳和氧气均无剩余，生成物既有CO2也有CO。
（4）时，碳和氧气恰好完全反应，生成CO。
（5）时，生成物只有CO，且C有剩余。
二、探究讨论
1.关于金刚石、石墨和C60的说法正确的是
A．都是黑色固体 B．都具有导电性
C．都是由原子直接构成的 D．燃烧都生成二氧化碳
【解析】A、金刚石不是黑色固体，错误；B、金刚石不导电，错误；C、金刚石、石墨是由碳原子构成，但是C60是由分子构成，错误；D、金刚石、石墨和C60都含有碳元素，燃烧后都生成二氧化碳，正确。故选D。
【答案】D
2. 已知：2CuO+C2Cu+CO2↑。如图表示一定质量的CuO和C固体混合物在受热过程中各物质质量随时间的变化趋势。下列说法中，不正确的是
A．t1时，开始发生反应
B．t1和t2时，固体中铜元素质量保持不变
C．c是固体混合物的质量
D．d是二氧化碳的质量
【解析】A、由图像可知，t1时各物质的质量开始发生变化，说明了反应开始发生，正确；B、根据质量守恒定律可知，反应前后固体中铜元素的质量不变，正确；C、根据在方程式中的质量比可知，生成铜的质量要比二氧化碳的质量多，所以c为生成铜的质量，d应为生成二氧化碳的质量，错误；D、由上述分析可知，d应为生成的二氧化碳的质量，正确。故选C。
【答案】C
3. (贵州省六盘水盘县四中2017−2018学年下学期期末考试)下列关于硅的说法不正确的是
A．硅是非金属元素，它的单质是灰黑色有金属光泽的固体
B．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
C．加热到一定温度时，硅能与氢气、氧气等非金属反应
D．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应
【答案】D
【解析】A. 硅是非金属元素，硅单质是灰黑色有金属光泽的固体，A正确；B. 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，B正确；C. 加热到一定温度时，硅能与氢气、氧气等非金属反应，C正确；D. 硅的化学性质不活泼，常温下能与氢氧化钠溶液以及氢氟酸等反应，D错误。答案选D。
好题精做
1．关于金刚石、石墨、C60的叙述，正确的是
A．都属于碳单质
B．都由碳原子构成
C．都具有导电性
D．完全燃烧产物不同
2．下列关于金刚石和石墨的叙述中，正确的是
A．都无色透明 B．都属于碳单质
C．都没有可燃性 D．都具有导电性
3．石墨烯是单层的石墨，它是已知世界上最薄、最坚硬的新型材料，有良好的导电性，具有很好的应用前景。下列有关石墨烯的说法正确的是
A．与C60是同一物质
B．属于新型的化合物
C．硬度小于金刚石
D．在氧气中燃烧可能生成CO2、CO或二者的混合物
4．在高温条件下，碳能使二氧化碳转变成一氧化碳：C+CO22CO，下列说法不正确的是
A．反应中碳发生了还原反应
B．产物是空气污染物之一
C．该反应为吸热反应
D．该反应中原子数目在反应前后不变
5．下列碳单质的各种用途中，利用其化学性质的是
A．用焦炭冶炼金属 B．用金刚石做钻头
C．用石墨做铅笔芯 D．用活性炭做冰箱除味剂
6．硅被誉为无机非金属材料的主角，下列物品用到硅单质的是
A．陶瓷餐具B．石英钟表C．计算机芯片D．光导纤维
7．硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列说法正确的是
A．光导纤维的主要成分是硅B．水晶项链的主要成分是硅酸盐
C．晶体硅能用来制造太阳能电池D．二氧化硅是一种半导体材料
8．(东北三省三校2018届高三第一次模拟)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
9．下列有关硅及其化合物的说法不正确的是
A．晶体硅具有金属光泽，可以导电，属于金属材料
B．常温下，硅的化学性质稳定，自然界中的硅主要以氧化物及硅酸盐的形式存在
C．SiO2是一种酸性氧化物，能够与强碱反应生成相应的盐
D．除去SiO2中混有的CaCO3可加入适量的稀盐酸，然后再过滤
10．(云南省玉溪市一中2017−2018学年高一下学期期末考试)在生产和生活中应用的化学知识正确的是
A．玻璃、水泥、水晶项链都是硅酸盐制品
B．晶体硅是在通信工程中制作光导纤维的主要原料
C．赏心悦目的雕花玻璃通常是用氢氟酸对玻璃进行刻蚀而制成的
D．工业上，利用二氧化硅热分解法冶炼硅
11．下列叙述正确的是
A．Na2SiO3是硅酸盐，但不能溶于水
B．电影银幕用水玻璃浸泡，主要是为了防腐
C．建筑工业常用水玻璃作黏合剂
D．用水玻璃浸泡铁道的木制枕木，主要是为了防火
参考答案
1．【答案】A
【解析】A、金刚石、石墨和C60都是由碳元素组成的纯净物，都属于单质，正确；B、金刚石、石墨由碳原子直接构成，C60是一种由分子（每个分子由60个碳原子构成）构成的单质，错误；C、金刚石没有导电性，错误；D、因为它们都是由碳元素组成的，在氧气中充分燃烧时都生成二氧化碳，错误。故选A。
2．【答案】B
3．【答案】D
【解析】A、石墨烯是由碳原子构成的，是单层的石墨与C60的碳原子排列方式不同，不是同一物质，错误；B、石墨烯是由碳原子构成的，也就是由一种元素组成的纯净物，属于单质，错误；C、石墨烯是单层的石墨，它是已知世界上最薄、最坚硬的新型材料硬度大于金刚石，错误；D、石墨烯由碳元素一种元素组成，所以完全燃烧时，碳与氧结合生成二氧化碳，不完全燃烧生成一氧化碳，正确。故选D。
4．【答案】A
【解析】A、碳夺取了二氧化碳中的氧，发生了氧化反应，故选项说法错误；B、生成物是一氧化碳，是空气污染物之一，故选项说法正确；C、该反应在高温下进行，为吸热反应，故选项说法正确；D、由质量守恒定律，该反应中原子数目在反应前后不变，故选项说法正确。故选A。
5．【答案】A
【解析】A、用焦炭冶炼金属，是利用了焦炭的还原性，利用了焦炭的化学性质，正确；B、用金刚石做钻头，是利用了金刚石的硬度大，利用了其物理性质，错误；C、用石墨做铅笔芯，石墨质软，在纸上划能留下痕迹，利用了其物理性质，错误；D、用活性炭吸附异味，是利用了活性炭的吸附性，利用了其物理性质，错误。故选A。
6．【答案】C
【解析】计算机芯片用的是硅芯片，只有C项正确。
7．【答案】C
【解析】A．光导纤维的主要成分为二氧化硅，错误，不选A；B．水晶的主要成分为二氧化硅，错误，不选B；C．晶体硅可以制造太阳能电池，正确，选C；D．硅是半导体，而二氧化硅不是，错误，不选D。
8．【答案】D
【解析】A. SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃，A正确；B. 向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶，B正确；C. 氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，化学式为Si3N4，C正确；D. 硅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，不是石英，D错误，答案选D。
9．【答案】A
【解析】A项，晶体硅虽然具有金属光泽，但它属于非金属单质，其导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料；B项，虽然常温下硅的化学性质稳定，但自然界中没有游离态的硅，它主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在；D项，SiO2不溶于稀盐酸，可使用稀盐酸除去其中混有的CaCO3，化学方程式为CaCO3+2HCl===CaCl2+CO2↑+H2O，然后再过滤。
10．【答案】C
【解析】A．水晶的主要成分为二氧化硅是氧化物，不属于硅酸盐，故A错误；B．二氧化硅具有良好的光学特性，是制作光导纤维的主要原料，故B错误；C．常温下氢氟酸能够与玻璃中的二氧化硅反应，所以常用氢氟酸雕刻玻璃，故C正确；D、工业上用SiO2热还原法冶炼硅，而不是热分解法冶炼硅，故D错误；故选C。
11．【答案】C
【解析】Na2SiO3既是硅酸盐，又是钠盐，硅酸盐大多难溶于水，而钠盐均易溶于水；浸泡银幕主要是为了防火，而浸泡枕木主要是为了防腐；水玻璃有黏合作用，常作黏合剂。
色、态
光泽
熔点
硬度
质地
导电性
_____
_____
_____
_____
_____
_____
金刚石
石墨
C60
物理性质
颜色
无色透明
深灰色
─
状态
正八面体形状的固体
细鳞片状固体
形似足球
光泽
加工琢磨有夺目光泽
有金属光泽
─
硬度
天然物质中硬度最大
质软、有滑腻感
─
导电性
不导电
导电性好
有超导性
熔点
很高
很高
─
主要用途
可用来裁玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属，制作钻探机钻头，作装饰品（钻石）
作铅笔芯、润滑剂、电极等
材料科学、超导体等
相互关系
─
颜色、状态
制法
用途
木炭
灰黑色的多孔性固体
木材隔绝空气加强热（木材干馏）
燃料、黑火药、制活性炭、冶炼金属
活性炭
灰黑色多孔颗粒状固体
木炭在高温下用水蒸气处理
净化多种气体和液体、作防毒面具
焦炭
浅灰色多孔性固体
煤隔绝空气加强热（煤干馏）
冶炼金属
炭黑
极细的黑色粉末
含碳物质不完全燃烧
墨、油墨、油漆、鞋油、燃料等，作橡胶制品的填料