第15讲 碳、硅及无机非金属材料（课件）-2024年高考化学一轮复习（新教材新高考）

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1、全面、系统复习回顾基本知识。了解知识规律的来龙去脉，透彻理解概念的内涵外延，让学生经历教材由薄变厚的过程。要正确理解基础，不是会做几个简单题就叫基础扎实。对于一轮复习，基础就是像盖房子一样，需要着力做好两件大事：一是夯实地基，二是打好框架。2、扎实训练学科基本技能、理解感悟学科基本方法。一轮复习，要以教材为本，全面细致的回顾课本知识，让学生树立“教材是最好的复习资料”的观点，先引导学生对教材中所涉及的每个知识点进行重新梳理，对教材中的概念、定理、定律进一步强化理解。3、培养学生积极的学习态度、良好的复习习惯和运用科学思维方法、分析解决问题的能力。落实解题的三重境界：一是“解”，解决问题。二是“思”，总结解题经验和方法。三是“归”，回归到高考能力要求上去。解题上强化学生落实三个字：慢（审题），快（书写），全（要点全面，答题步骤规范）。     4、有计划、有步骤、有措施地指导学生补齐短板。高三复习要突出重点，切忌主次不分，无的放矢。要在“精讲”上下足功夫。抓住学情，讲难点、重点、易混点、薄弱点；讲思路、技巧、规范；讲到关键处，讲到点子上，讲到学生心里去。
第15讲 碳、硅及无机非金属材料
知识梳理 题型归纳
考点要求考题统计考情分析物质的组成、性质、分类2023**卷**题，**分2022**卷**题，**分2021**卷**题，**分……传统文化中的性质与变化2023**卷**题，**分2022**卷**题，**分2021**卷**题，**分
2.常见碳单质的结构和物理性质
常见的碳单质有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯、碳纳米管等，它们互为同素异形体。
a．与O2的反应(用化学方程式表示)：
b．与氧化物反应(用化学方程式表示)：
①金刚石结构坚硬，作玻璃刻刀、机器钻头、装饰品等；②石墨的细鳞片状结构质软、导电性、滑腻性、耐高温 铅笔芯、电极、润滑剂、坩埚；③木炭和活性炭的疏松多孔的结构吸附性吸附食品色素、除臭、防毒面具、冰箱除味剂等；④作燃料，用于家庭取暖、做饭等；⑤作还原剂：冶炼金属，如冶炼金属铜、铁等。
知识点2　碳的氧化物CO和CO2
1.碳的氧化物的物理性质
2.碳的氧化物的化学性质
②CO2是典型的酸性氧化物，也具有氧化性。
【特别提醒】溶液中通入CO2气体产生沉淀的问题：向BaCl2或CaCl2溶液中通入CO2气体，由于盐酸的酸性比碳酸的强，不会产生BaCO3或CaCO3沉淀。
3.CO、CO2气体的除杂方法
【易错提醒】①澄清石灰水只用于检验CO2，不能用于除去混合气体中的CO2，应用NaOH溶液除去；
②CO2、SO2通入CaCl2或BaCl2溶液均无沉淀产生。
知识点3　碳酸和碳酸盐
二元弱酸、不稳定，常用CO2＋H2O代替H2CO3，但酸性比苯酚、次氯酸强。
2.碳酸的正盐和酸式盐的比较
知识点4　碳元素在自然界中的循环
1.CO2的主要来源：大量含碳燃料的燃烧。
2.自然界消耗CO2的主要反应：
b．光合作用将CO2转化为O2；
c．岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2=Ca(HCO3)2。
知识点5 CO2与碱、盐溶液的反应规律
(2)反应后溶质成分的判断
碳酸是一种弱酸，其酸性比盐酸、醋酸要弱，因此，盐酸、醋酸能与碳酸盐反应；其酸性又比硅酸、次氯酸、苯酚、偏铝酸等强，因此，将CO2气体通入Na2SiO3、NaClO、C6H5ONa 、NaAlO2等盐溶液中，均能发生反应而生成相应的弱酸和碳酸(氢)盐，这就是“强酸制弱酸”原理的应用。如：
(1)CO2与盐溶液的常见反应
①CO2＋Na2CO3＋H2O=2NaHCO3
②CO2＋Na2SiO3＋2H2O=H4SiO4↓＋Na2CO3或CO2＋Na2SiO3＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3
当CO2过量时，发生反应如下：2CO2＋Na2SiO3＋2H2O=H2SiO3↓＋2NaHCO3
③CO2＋Ca(ClO)2＋H2O=CaCO3↓＋2HClO
当CO2过量时，发生反应如下：2CO2＋Ca(ClO)2＋2H2O=Ca(HCO3)2＋2HClO
④CO2＋C6H5ONa＋H2O―→C6H5OH＋NaHCO3
⑤CO2＋NaAlO2＋2H2O=Al(OH)3↓＋NaHCO3(CO2过量时)
CO2＋2NaAlO2＋3H2O=2Al(OH)3↓＋Na2CO3(CO2少量时)
①“强酸制弱酸”是一个重要的化学反应规律，但不可认为弱酸就不能“制取”强酸。在某些条件下，当弱酸的酸根阴离子被沉淀或被氧化后，H＋就被“释放”出来，从而生成了强酸。如将H2S通入CuSO4溶液中或向氢硫酸中滴加氯水，均由氢硫酸这种弱酸生成了强酸：H2S＋CuSO4=CuS↓＋H2SO4(S2－与Cu2＋结合成难溶的CuS)，H2S＋Cl2===S↓＋2HCl(S2－被氧化)。
②CO2与C6H5ONa溶液反应的产物与CO2的用量无关，都生成NaHCO3，因为酸性H2CO3>C6H5OH>HCO3-。
③CO2与NaClO溶液反应的产物与CO2的量无关，也只能生成NaHCO3，不能生成Na2CO3，因为酸性H2CO3>HClO>HCO3-。但CO2与Ca(ClO)2溶液反应的产物与CO2的量有关，CO2的量不足时，CO2+Ca(ClO)2＋H2O=CaCO3↓＋2HClO；CO2过量时，2CO2+Ca(ClO)2＋2H2O=Ca(HCO3)2＋2HClO；
④CO2、SO2通入CaCl2或BaCl2溶液均不反应，无沉淀产生。但SO2通入Ca(NO3)2或Ba(NO3)2溶液发生氧化还原反应，均有沉淀产生。
考向1 考查碳及及其化合物性质和应用
考向2 CO2与碱反应图像分析
考向3 考查碳元素在自然界中的循环的应用
【变式训练1】（2023秋·江苏盐城·高三校联考期末）我国提出争取在2030年前实现碳达峰，2060年实现碳中和。下列说法正确的是A．“碳达峰”和“碳中和”中的“碳”都是指碳元素B．光催化CO2和H2O合成甲醇是实现碳中和的有效手段C．在燃煤中加入生石灰是实现碳中和的重要途径D．利用火力发电产生的电能电解水制氢有利于实现碳中和
【变式训练2】（2023春·上海浦东新·高三上海市实验学校校考阶段练习）CO2是自然界碳循环中的重要物质。下列过程会引起大气中CO2含量上升的是A．光合作用 B．自然降雨C．化石燃料的燃烧D．碳酸盐的沉积
1.硅的存在、结构与物理性质
(1)存在：单质硅有晶体硅和无定形硅两大类，自然界中无游离态硅——单质硅，硅以化合态存在，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在地壳中，含量仅次于氧，位列第二。
(2)单质硅结构：硅元素原子序数为14，基态原子的简化电子排布式为[Ne]3s23p2，核外电子的空间运动状态有8种，不成对电子数有2个；单晶硅为共价晶体，晶体中每个Si原子以sp3杂化，分别与4个相邻的Si 原子形成4个σ键，Si原子的配位数为4，晶体中最小的环是6元环，1个环中平均含有0.5 Si原子，含Si—Si键数为1。
(3)物理性质：灰黑色固体，有金属光泽，熔、沸点高，硬度大，有脆性，是常见的半导体材料和合金材料。金刚石、晶体硅、碳化硅中熔点从高到低的顺序是金刚石、碳化硅、晶体硅。
①与氢氟酸反应的化学方程式：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑；
②与NaOH溶液反应的化学方程式：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑；
③与F2反应的化学方程式:Si＋2F2=SiF4
【特别提醒】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中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。
4.单质硅的用途：半导体材料、太阳能电池、计算机芯片和耐酸设备等。
3.物理性质：熔点高，硬度大，不溶于水
1.存在：硅石、石英、水晶、玛瑙、沙子等
2.二氧化硅的结构特点
①与碱反应:SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O；
①水晶可用于电子工业的部件、光学仪器、工艺品
与氢氟酸反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O
②SiO2是制光导纤维的重要原料
③较纯的石英用于制造石英玻璃
④石英砂用于制玻璃的原料及建筑材料
【特别提醒】（1）由于玻璃的成分中含有SiO2，故实验室盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞。（2）未进行磨砂处理的玻璃，在常温下是不易被强碱腐蚀的。
（3）因为氢氟酸腐蚀玻璃，与玻璃中的SiO2反应，所以氢氟酸不能用玻璃瓶保存，而应保存在塑料瓶或铅皿中。
（4）SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不与水反应，不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。
1.物理性质：硅酸是一种白色胶状物质，不溶于水，能形成胶体。新制备的硅酸为透明、胶冻状，硅酸经干燥脱水形成硅酸干凝胶——“硅胶”。
a.弱酸性：硅酸的酸性很弱，比碳酸的酸性还弱，在与碱反应时只能与强碱反应。如：H2SiO3+2NaOH=Na2SiO3+2H2O。
由于SiO2不溶于水，所以硅酸是通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得的。
Na2SiO3+2HCl=H2SiO3↓+2NaCl，Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3（证明酸性：H2CO3＞H2SiO3）。
4.用途：硅胶可作催化剂的载体和袋装食品、瓶装药品的干燥剂。
2.硅酸盐的氧化物表示方法——常用氧化物的形式表示：
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。
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。如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。
【特别提醒】（1）氧化物之间以“· ”隔开；
（2）计量数配置出现分数应化为整数。硅酸盐改写为氧化物形式时，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。当系数配置出现分数时一般应化为整数。如上例中KAlSi3O8，将(1/2)K2O·(1/2)Al2O3·3SiO2，要写成K2O·Al2O3·6SiO2。
①物理性质：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。
3.硅酸钠(Na2SiO3)——又称泡花碱
②化学性质——与酸性较硅酸强的酸反应：
a．与盐酸反应的化学方程式：Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3↓。
b．与CO2水溶液反应的化学方程式：Na2SiO3＋H2O＋CO2=Na2CO3＋H2SiO3↓。
③用途：黏合剂(矿物胶)、防腐剂和耐火阻燃材料。
【特别提醒】①Na2SiO3的水溶液是一种黏合剂，是制备硅胶和木材防火剂等的原料；Na2SiO3易与空气中的CO2、H2O反应，要密封保存。
②可溶性碳酸盐、硅酸盐的水溶液呈碱性，保存该溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，应用橡胶塞。
知识点5 碳、硅及其化合物性质“反常”小结
1.一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、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。
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，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。
5.非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟氢氟酸反应：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑。
6.一般情况下，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，二氧化硅是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O(SiF4不属于盐，故SiO2不是两性氧化物)。
7.一般情况下，无机酸能溶于水，但硅酸却难溶于水。
10.一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不与水反应。
考向1 考查硅、二氧化硅的性质及其应用
【变式训练】（2022·全国·高三专题练习）硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅及其化合物的叙述错误的是A．氮化硅陶瓷是一种高温结构陶瓷，其化学式为Si3N4B．高纯硅可以制成计算机、通信设备等的芯片C．硅可以用来生产新型无机非金属材料——光导纤维D．二氧化硅为立体网状结构，每个硅原子结合4个氧原子
考向2 考查硅的制备
考向3 考查硅酸、硅酸盐的性质及其应用
【变式训练1】（2023·黑龙江大庆·统考一模）北京故宫的屋顶有各种颜色的琉璃瓦，其坚实耐用，经历几百年的风雨洗礼仍能保存完整，下列说法错误的是A．琉璃瓦的主要成分是硅酸盐B．制作琉璃瓦的主要原料是黏土C．琉璃瓦坚实耐用取决于硅酸盐的结构D．黄色和绿色琉璃瓦中分别含有Fe2+、Cu2+
【变式训练2】（2023·全国·高三专题练习）下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是                   ①硅是构成一些岩石和矿物的基本元素 ②水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品 ③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维 ④陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料A．①②B．②③C．①④D．③④
1.含义：传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。
知识点1 传统无机非金属材料
（1）陶瓷：陶瓷以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料，经高温烧结而成的。
（2）玻璃：普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2，它是以纯碱、石灰石和石英砂为主要原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化而制得的，玻璃可用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，还可制造玻璃纤维，用于高强度复合材料等。
（3）水泥：普通硅酸盐水泥的主要原料是黏土和石灰石，二者与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理变化和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，再研成细粉得到普通水泥。混凝土是水泥、沙子和碎石等与水混合得到的。
3.传统无机非金属材料比较
1.高纯度含硅元素的材料，如单晶硅、二氧化硅，具有特殊的光学和电学性能。
知识点2 新型无机非金属材料
（1）含义：新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。
（2）新型陶瓷的种类与用途
(1)含义：碳纳米材料是一类新型的无机非金属材料。
(2)类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。
(3)用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。
例1．（2023·全国·高三专题练习）下列关于无机非金属材料的说法不正确的是A．传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料B．新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差C．高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分不同
考向1 考查传统无机非金属材料的分类和应用
考向2 考查新型无机非金属材料的分类和应用
例2．（2023·辽宁葫芦岛·统考二模）近年来，我国科技迅猛发展，下列科技成果中蕴含的化学知识叙述不正确的是A．建造港珠澳大桥所采用的高强抗震螺纹钢属于合金B．中国天眼FAST用到的SiC是新型无机非金属材料C．华为麒麟芯片的主要成分是单质硅D．飞船返回舱使用氮化硅耐高温结构材料，Si3N4属于分子晶体
【变式训练】（2023·安徽芜湖·统考二模）化学与生活、科技、社会发展息息相关。下列说法正确的是A．“天宫”空间站使用聚乳酸材料餐具，聚乳酸是化合物B．富勒烯与石墨烯用途广泛，它们都属于新型无机非金属材料C．冬奥场馆建筑使用碲化镉发电玻璃，碲和镉均属于主族元素D．中国承建的卡塔尔首座光伏电站中的光伏材料为高纯度二氧化硅
1．（2023·山东·统考高考真题）下列之物具有典型的齐鲁文化特色，据其主要化学成分不能与其他三种归为一类的是A．泰山墨玉B．龙山黑陶C．齐国刀币D．淄博琉璃
2．（2023·浙江·高考真题）下列物质中属于耐高温酸性氧化物的是A．CO2B．SiO2C．MgOD．Na2O
4．（2023·浙江·统考高考真题）材料是人类赖以生存和发展的物质基础，下列材料主要成分属于有机物的是A．石墨烯 B．不锈钢C．石英光导纤维D．聚酯纤维