第9讲　碳、硅及其重要化合物

这是一份第9讲　碳、硅及其重要化合物，共60页。PPT课件主要包含了考点一，考点二，必备知识·梳理夯实，血红蛋白，NaHCO3，CaSiO3，Na2CO3，光导纤维，制冷剂，特别提醒等内容，欢迎下载使用。

第9讲　碳、硅及其重要化合物
1．碳、硅元素在自然界中的存在形态(1)碳：既有游离态又有化合态。(2)硅：因有________性，所以自然界中只有________态。硅在地壳中的含量居第______位。
考点一　碳、硅及其氧化物
2．碳、硅单质的物理性质和用途(用短线连接)
3．碳和硅的化学性质——还原性(1)碳单质的化学性质①与O2反应A．O2不足：_________________。B．O2足量：__________________。
②与其他物质反应A．与CuO反应：___________________________。(冶炼金属)B．与CO2反应：___________________。C．与水蒸气反应：_______________________。(制取水煤气)D．与浓硫酸反应：__________________________________________。
(2)硅单质的化学性质①与O2反应：________________②与Cl2反应：___________________③与氢氟酸反应：______________________________④与NaOH溶液反应：______________________________________。
Si＋4HF═══SiF4↑＋2H2↑　
Si＋2NaOH＋H2O═══Na2SiO3＋2H2↑　
5．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，能使人中毒的原因是与人体内____________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)A．可燃性：___________________，可作燃料。B．还原性：CO还原Fe2O3的反应为___________________________，可用于冶炼金属。
[微点拨]　CO是不成盐氧化物，当引起人体中毒时，酸碱不能解毒。CO2是酸性氧化物，能形成温室效应，但不是大气污染物。
(2)CO2和SiO2深度对比
只与氢氟酸反应SiO2＋4HF═══SiF4↑＋2H2O　
Na2SiO3＋H2O　
Na2CO3＋H2O　
Na2SiO3＋CO2↑　
CaSiO3＋CO2↑　
CaCO3↓＋2HClO　
(1)玻璃中含有二氧化硅，因此氢氟酸可用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不能用玻璃瓶而用塑料瓶。(2)NaOH溶液可以用玻璃瓶盛放，但不能用带磨口玻璃塞的玻璃瓶。(3)用石英砂和焦炭制备粗硅的反应必须要隔绝空气在电炉中进行，得到的氧化产物是CO而不是CO2。
(5)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料。(　　)(6)晶体硅熔点高、硬度大，所以可用于制作半导体材料。(　　)(7)二氧化硅不与强酸反应，可用石英器皿盛放氢氟酸。(　　)(8)SiO2可与氢氟酸反应，所以氢氟酸不能保存在玻璃瓶中。(　　)(9)向一定浓度的Na2SiO3溶液中通入适量CO2出现白色沉淀，证明H2SiO3的酸性比H2CO3的酸性强。(　　)[提示]　硅酸钠溶液中通入二氧化碳产生的白色沉淀为硅酸，根据强酸制弱酸，说明碳酸的酸性比硅酸强。
[提示]　SiO2熔点高、硬度大，SiO2可用于制光导纤维均正确，但无因果关系。
(16)因为HF与SiO2反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记。(　　)[提示]　SiO2只与酸中的HF反应。(17)氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体。(　　)[提示]　氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出碳酸氢钠晶体。
2．深度思考：(1)从元素周期表的位置看，碳和硅均为ⅣA族元素，自然界中有碳的多种单质存在，自然界中有硅的单质吗？为什么？[提示]　没有。因为硅有很强的亲氧性，在地壳形成时硅与氧易结合，难分离，因此硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐形式存在。
(2)从元素周期表的位置看，硅的还原性比碳强，但碳能与SiO2反应制取Si，试从化学平衡的角度认识该反应发生的原因。(3)实验室中要熔化烧碱固体，现有三种坩埚：石英坩埚、陶瓷坩埚及铁坩埚。你认为选哪一种？[提示]　选择铁坩埚。铁不与烧碱反应，而石英坩埚、陶瓷坩埚中都含有SiO2，能与NaOH反应使得坩埚受损。
(4)SiO2既能与NaOH溶液反应，也能与氢氟酸反应，能认为SiO2属于两性氧化物吗？[提示]　SiO2不属于两性氧化物。两性氧化物指既能与酸反应，又能与碱反应并且均生成盐和水的氧化物。SiO2能与氢氟酸反应，但并不生成盐和水，这只是SiO2的一个特性，SiO2属于典型的酸性氧化物。[提示]　不能。该反应是在高温下进行，产物中CO2为气体，生成后脱离反应体系，使反应能向右进行到底。
微考点1　碳、硅单质的性质及应用(2022·广东广州高三检测)下列说法正确的是(　　)A．常温下，单质硅的性质稳定，与强酸、强碱都很难发生反应B．高纯硅可用于制造太阳能电池，高纯二氧化硅可用于制造光导纤维C．SiC和C60两种化合物均属于新型无机非金属材料D．工业上用二氧化硅在高温下与焦炭反应制得高纯硅
[解析]　常温下，单质硅能与NaOH溶液发生反应，A项错误；B项正确；C60是碳元素形成的一种单质，不是化合物，C项错误；二氧化硅和焦炭在高温下反应制得的硅中会含有少量C、SiC等杂质，应为粗硅，D项错误。
〔对点集训1〕　(1)(2022·福建漳州模拟)C、Si、S都是自然界中含量丰富的非金属元素，下列有关说法中正确的是(　　)A．三种元素在自然界中既有游离态又有化合态B．元素的＋4价氧化物都属于酸性氧化物，都能与碱反应而不能与任何酸反应C．最低价的气态氢化物都具有还原性，易与O2发生反应D．其最高价氧化物对应的水化物的酸性强弱：H2SO4>H2SiO3>H2CO3
[解析]　A项，硅元素在自然界中无游离态，错误；B项，SiO2能与氢氟酸反应，错误；C项，C、Si、S三种元素最低价气态氢化物分别为CH4、SiH4、H2S，都具有还原性，易与O2发生反应，正确；D项，酸性强弱顺序为H2SO4>H2CO3>H2SiO3，错误。
④硅的性质不活泼，常温时不与水、氧气和酸反应⑤反应Si＋2NaOH＋H2O═══Na2SiO3＋2H2↑中，Si为还原剂，NaOH和H2O为氧化剂⑥金刚石和石墨在氧气中完全燃烧均只生成二氧化碳气体[答案] ②③⑥
和铝与氢氧化钠反应类似，Si＋2NaOH＋H2O═══Na2SiO3＋2H2↑反应的本质是Si先和H2O反应生成原硅酸：Si＋4H2O═══H4SiO4＋2H2↑，生成的H4SiO4再和氢氧化钠反应，反应中H2O为氧化剂，故⑤错误。金刚石和石墨是碳元素的同素异形体，在氧气中完全燃烧均是碳与氧气结合生成二氧化碳气体，故⑥正确。
微考点2　碳、硅氧化物的性质及应用(1)(2021·全国乙，7,6分)我国提出争取在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，这对于改善环境、实现绿色发展至关重要。“碳中和”是指CO2的排放总量和减少总量相当。下列措施中能促进碳中和最直接有效的是(　　)A．将重质油裂解为轻质油作为燃料B．大规模开采可燃冰作为新能源C．通过清洁煤技术减少煤燃烧污染D．研发催化剂将CO2还原为甲醇
[解析]　根据“碳中和”的定义，A项，将重质油裂解为轻质油作为燃料，不会减少CO2的排放量，错误；B项，大规模开采可燃冰作为能源，不会减少CO2的排放量，错误；C项，通过清洁煤技术减少煤燃烧污染，但CO2的排放量没有减少，错误；D项，研发催化剂将CO2还原为甲醇，能有效促进碳中和，正确。
(2)(2022·湖北黄冈模拟)二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。
a～e是对①～⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行的判断，其中正确的是(　　)a．反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃b．反应②中SiO2表现出氧化性c．反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性d．反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性酸酐的原理e．反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应A．aceB．bdeC．cdeD．ab
[解析]　通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是③，因此a、c判断错误；反应②是一个置换反应，其中二氧化硅被还原，表现出氧化性，b判断正确；反应④是一个复分解反应，用难挥发的二氧化硅制取易挥发的二氧化碳，d判断正确；反应⑤中碳的化合价由0变为－4和＋2，硅的化合价和氧的化合价都没有改变，因此二氧化硅没有参加氧化还原反应，e判断也正确。
(2)(2022·山东聊城模拟)某实验小组设计了如图装置对焦炭还原二氧化硅的气体产物的成分进行探究。已知：PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为CO＋PdCl2＋H2O═══CO2＋2HCl＋Pd(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。
①实验时要通入足够长时间的N2，其原因是__________________ ________________________________________________________。②装置B的作用是______________________。③装置C、D中所盛试剂分别为______________、_____________，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为_____________________________________。④该装置的缺点是____________________________。
要用N2将装置中的空气排尽，避免空气中的O2、CO2、水蒸气对实验产生干扰　
没有尾气吸收装置将CO吸收　
[以图析题·培养关键能力]　
考点二　硅酸、硅酸盐和无机非金属材料
2．硅酸盐(1)定义：硅酸盐是由________________元素组成的化合物的总称，是构成地壳________的重要成分。(2)硅酸盐组成的表示方法：硅酸盐矿物的成分复杂，通常用SiO2和金属氧化物的组合形式表示它们的组成，如硅酸钠(Na2SiO3)写成______________，钾云母(KH2Al3Si3O12)写成____________________________，长石(KAlSi3O6)可表示为_____________________。
K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O　
K2O·Al2O3·6SiO2　
(3)硅酸钠(Na2SiO3)①白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称__________，有黏性，水溶液显______性。②与较强的酸反应，如与盐酸反应的化学方程式为______________________________________；与CO2水溶液反应的化学方程式为______________________________________________。③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。
Na2SiO3＋2HCl═══2NaCl＋H2SiO3↓　
Na2SiO3＋CO2＋H2O═══Na2CO3＋H2SiO3↓　
(2)新型无机非金属材料
4.特殊功能的含硅材料(1)SiC(俗称__________)具有类似于金刚石的结构，硬度大，可用作砂纸、砂轮的磨料。(2)含硅4%硅钢具有很高的导磁性，可用作__________的铁芯。(3)硅橡胶具有耐高温、耐低温的性质。
(1)硅酸盐大多难溶于水，常见的可溶性硅酸盐是硅酸钠，Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，与玻璃成分不同，水玻璃又称泡花碱，但它却是盐溶液，而不是碱溶液。(2)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。(3)玻璃中含有二氧化硅，因此氢氟酸可用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。(4)NaOH溶液可以用玻璃瓶盛放，但不能用玻璃塞而应使用橡胶塞。
1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。(1)汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土。(　　)[提示]　陶瓷的主要原料是黏土。(2)硅胶多孔，吸水能力强，常用作袋装食品的干燥剂和抗氧化剂。(　　)(3)普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料。(　　)
(9)硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中。(　　)(10)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。(　　)(11)Na2CaSi6O14可以写成Na2O·CaO·6SiO2。(　　)(12)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。(　　)(13)水泥、玻璃、青花瓷、水晶、玛瑙都属于硅酸盐产品。(　　)
(14)用SiO2制取硅酸，将SiO2溶解在水中一段时间后可得到硅酸。(　　)(15)硅胶是硅酸钠的水溶液失去水后形成的凝胶。(　　)(16)光导纤维、碳纳米管、氮化硅结构陶瓷等都是新型无机非金属材料。(　　)(17)瓷坩埚可用于加热熔化烧碱或纯碱。(　　)[提示]　加热时瓷坩埚中的SiO2与烧碱或纯碱反应。(18)硅酸钠又名泡花碱，其水溶液称为水玻璃，是一种碱溶液。(　　)[提示]　水玻璃呈碱性，但不是碱溶液。
2．填写下列材料主要化学成分的化学式。(1)刚玉：_________。(2)大理石、石灰石：_________。(3)普通玻璃：_________________________。(4)石英、水晶：________。
CaSiO3、Na2SiO3、SiO2　
3．深度思考：(1)如何由SiO2制备H2SiO3？用化学方程式表示。_________________________________。______________________________________。
SiO2＋2NaOH═══Na2SiO3＋H2O　
Na2SiO3＋2HCl═══H2SiO3↓＋2NaCl　
(2)利用下图中的装置和试剂验证非金属性：Cl>C>Si，能否达到实验目的，为什么？
[提示]　不能。挥发出来的HCl气体进入硅酸钠溶液后，也能与硅酸钠反应生成白色沉淀，与CO2和硅酸钠反应的现象相同，且HCl不是氯元素的最高价含氧酸，无法达到实验目的。
(3)实验室中如何保存Na2SiO3溶液？如果敞口放置一段时间，溶液中会出现什么现象？[提示]　应密封保存；若敞口放置，Na2SiO3溶液会与空气中的CO2和H2O反应生成H2SiO3，从而使溶液变浑浊。
(4)“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品。①人类最早使用的硅酸盐制品是什么？②制造水泥和玻璃的共同原料是什么？[提示]　①陶瓷。陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品。②石灰石。纯碱、石灰石和石英是制玻璃的原料，而制水泥的原料是黏土和石灰石。
微考点1　硅酸、硅酸盐的组成、性质(1)《天工开物》记载：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙粘(黏)土而为之”“凡坯既成，干燥之后，则堆积窖中燃薪举火”“浇水转釉(主要为青色)，与造砖同法”。下列说法中错误的是(　　)A．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐B．“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理、化学变化C．烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦D．黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
[解析]　沙子的主要成分为SiO2，不属于硅酸盐。
(2)(2022·山东滨州高三检测)青石棉(crcidlite)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·H2OD．1 ml青石棉能使1 ml HNO3被还原
[解析]　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；青石棉是一种纯净物，不可能含有一定量的石英晶体；1 ml Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O跟足量硝酸反应时，失去3 ml电子，而还原产物只有NO，故1 ml青石棉能使1 ml HNO3被还原。
〔对点集训1〕　(1)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
[解析]　氧化铁为红棕色，因此瓷器的青色不是来自氧化铁，A项错误；陶瓷是以黏土(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，其化学性质稳定，不与酸、碱和氧气等反应，B、C、D三项正确。
微考点2　硅及其化合物之间的转化(2022·河北衡水高三检测)水玻璃(Na2SiO3的水溶液)广泛应用于耐火材料、洗涤剂生产等领域，是一种重要的工业原料。如图是用稻壳灰(SiO2：65%～70%、C：30%～35%)制取水玻璃的工艺流程：
下列说法正确的是(　　)A．原材料稻壳灰价格低廉，且副产品活性炭有较高的经济价值B．操作A与操作B完全相同C．该流程中硅元素的化合价发生改变D．反应器中发生的复分解反应为SiO2＋2NaOH═══Na2SiO3＋H2O
[解析]　A项，稻壳灰来源广泛，价格低廉，活性炭具有吸附性，有较高的经济价值，正确；B项，操作A为过滤，操作B为蒸发浓缩，是两种不同的操作，错误；C项，SiO2中硅元素的化合价是＋4，Na2SiO3中硅元素的化合价是＋4，所以该流程中硅元素的化合价没有发生改变，错误；D项，由复分解反应的概念可知，SiO2＋2NaOH═══ Na2SiO3＋H2O不属于复分解反应，错误。
按要求回答下列问题：(1)C的化学式为_________；X的化学式为_________。(2)写出下列方程式。反应①的化学方程式：___________________；反应⑦的离子方程式：___________________________________________。
[解析]　本题可从I入手推断，I可用于制造光导纤维，故其为二氧化硅，F为硅酸，H为硅酸钠。E为HCl，C为氯化硅，X为Si3N4。反应①为Si与Cl2反应生成SiCl4，反应⑦为硅酸钠与过量的二氧化碳反应生成硅酸和碳酸氢钠。
[解析]　传统无机非金属材料主要包括水泥、玻璃和陶瓷，后母戊鼎所用材料属于金属材料，不属于无机非金属材料，A项符合题意。
〔对点集训3〕　(1)(2021·河北衡水月考)有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，下列说法正确的是(　　)A．晶体硅具有半导体性质，可用于生产光导纤维B．玻璃中含有的SiO2可与NaOH溶液反应，故常用NaOH溶液雕刻玻璃纹饰C．陶瓷、水泥、石英玻璃都属于硅酸盐材料D．硅酸盐Na2Fe2Si3O9用氧化物的形式可表示为Na2O·2FeO·3SiO2
[解析]　晶体硅具有半导体性质，可用于生产电脑芯片，二氧化硅可用于制造光导纤维，A不正确；玻璃中含有的SiO2可与NaOH溶液反应，但不能用NaOH溶液雕刻玻璃纹饰，B不正确；陶瓷、水泥属于硅酸盐材料，石英玻璃的主要成分是二氧化硅，不属于硅酸盐，C不正确；硅酸盐Na2Fe2Si3O9可用氧化物的形式表示为Na2O·2FeO·3SiO2，D正确。
1．注意以下物质的重要用途Si——半导体材料、太阳能电池板。SiO2——光导纤维。H2SiO3——硅胶可作干燥剂。Na2SiO3(其水溶液俗称水玻璃)——黏合剂、耐火阻燃材料。