2020版高考一轮复习化学通用版学案：第四章第1课时　点点突破——碳、硅及其重要化合物

第1课时　点点突破——碳、硅及其重要化合物

知识点一　碳及其重要化合物

1．碳单质

(1)存在：碳单质的存在形式有金刚石、石墨、木炭、足球烯，它们互为同素异形体。

(2)结构：金刚石：正四面体空间网状结构；石墨：平面正六边形层状结构。

(3)物理性质：金刚石熔点高、硬度大；石墨熔点高、质，有滑腻感，是电的良导体。

(4)主要化学性质——还原性

2．一氧化碳(CO)

(1)物理性质

无色气体，有毒，难溶于水。

(2)化学性质——还原性

①燃烧：2CO＋O22CO2，淡蓝色火焰；

②还原CuO：CuO＋COCu＋CO2(冶炼金属)。

3．二氧化碳(CO2)

(1)物理性质：CO2是一种无色、无味的气体，能溶于水，固态CO2俗称干冰。

(2)化学性质：与H2O、Na2O、Ca(OH)2(足量、澄清)、Mg反应的方程式分别为CO2＋H2OH2CO3、Na2O＋CO2===Na2CO3、CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O   2Mg＋CO22MgO＋C。

(3)CO2在自然界中的循环

①CO2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：

a．溶于江水、海水中：CO2＋H2OH2CO3；

b．光合作用将CO2转化为O2；

c．岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2===Ca(HCO3)2。

(4)CO、CO2气体的除杂方法

4．碳酸(H2CO3)

弱酸性、不稳定性。碳酸(H2CO3)只能在水中存在。H2CO3在水中与CO2共存，因此常把CO2＋H2O当碳酸用。

5．碳酸的酸式盐和正盐的比较

(1)在水中的溶解性

①含K＋、Na＋、NH的正盐易溶于水，其余一般不溶于水；酸式盐均能溶于水。

②一般来说，在相同温度下，难溶性正盐溶解度小于其酸式盐溶解度，如溶解度Ca(HCO3)2>CaCO3；可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度，如溶解度Na2CO3>NaHCO3。

(2)水溶液酸碱性强弱

物质的量浓度相同时，正盐溶液的pH大于其酸式盐溶液，如pH：Na2CO3溶液>NaHCO3溶液。

(3)热稳定性

一般来说，热稳定性顺序为正盐>酸式盐>碳酸，如稳定性Na2CO3>NaHCO3>H2CO3。可溶性正盐>难溶性正盐，如CaCO3高温分解，而K2CO3不易分解。

(4)与酸的反应

①CaCO3与盐酸反应的离子方程式：

CaCO3＋2H＋===H2O＋CO2↑＋Ca2＋。

②Ca(HCO3)2与盐酸反应的离子方程式：

HCO＋H＋===H2O＋CO2↑。

(5)与碱的反应

①Na2CO3与Ca(OH)2反应的离子方程式：

CO＋Ca2＋===CaCO3↓。

②NaHCO3与足量Ca(OH)2反应的离子方程式：

HCO＋Ca2＋＋OH－===CaCO3↓＋H2O。

Ca(OH)2与足量NaHCO3反应的离子方程式：

Ca2＋＋2OH－＋2HCO===CaCO3↓＋CO＋2H2O。

[对点训练]

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)(2018·全国卷Ⅱ)碳酸钡可用于胃肠X射线造影检查(×)

(2)(2018·天津高考)溶解度：Na2CO3<NaHCO3(×)

(3)(2018·江苏高考)饱和Na2CO3溶液与CaSO4固体反应的离子方程式：CO＋CaSO4

CaCO3＋SO(√)

(4)(2016·全国卷Ⅱ)燃料燃烧产物CO2是温室气体之一(√)

(5)(2016·四川高考)将某溶液与稀盐酸反应产生的气体通入澄清石灰水，石灰水变浑浊，说明该溶液中一定含有CO(×)

(6)向Na2SiO3溶液中通入CO2，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失(×)

(7)向Ca(ClO)2溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失(√)

(8)向CaCl2溶液中通入CO2，无明显现象，若先通入NH3再通入CO2，溶液会变浑浊(√)

(9)向饱和Na2CO3溶液中通入过量的CO2气体，有晶体析出(√)

(10)向NaAlO2溶液中通入CO2气体，一开始有白色沉淀生成，CO2过量，沉淀溶解(×)

2．(2018·江苏高考)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

解析：选C　化石燃料燃烧产生大量CO2，会引起大气中CO2含量上升。

3．(2017·北京高考)我国在CO2催化加氢制取汽油方面取得突破性进展，CO2转化过程示意图如下：

下列说法不正确的是(　　)

A．反应①的产物中含有水

B．反应②中只有碳碳键形成

C．汽油主要是C5～C11的烃类混合物

D．图中a的名称是2­甲基丁烷

解析：选B　反应①是CO2与H2反应生成了CO，根据元素守恒可推断有H2O生成，A项正确；反应②是CO与H2反应生成(CH2)n，(CH2)n中还含有碳氢键，B项错误；由示意图可知，汽油的主要成分是C5～C11的烃类混合物，C项正确；根据a的球棍模型，可得其结构简式为CH3CH(CH3)CH2CH3，系统名称为2­甲基丁烷，D项正确。

知识点二　硅及其化合物、无机非金属材料

1．硅(Si)

(1)硅的存在

硅在自然界中以化合态存在，在地壳中的含量仅次于氧。

(2)物理性质

灰黑色，硬度大，熔、沸点高，具有金属光泽。

(3)化学性质

常温下与F2、HF、NaOH反应；加热时能与H2化合生成不稳定的氢化物SiH4，加热时还能与Cl2、O2化合分别生成SiCl4、SiO2。涉及的化学方程式如下：

①与非金属单质反应

②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。

③与NaOH溶液反应：

Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

(4)制备方法

①制取粗硅：工业上，用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅：SiO2＋2CSi＋2CO↑。

②粗硅提纯：Si＋2Cl2SiCl4，SiCl4＋2H2Si＋4HCl。

[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。

(5)主要用途

①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。

2．二氧化硅(SiO2)

(1)二氧化硅的组成

二氧化硅存在于沙子、石英、水晶、玛瑙(含杂质的石英)等中。SiO2是由Si和O按原子个数比1∶2直接构成。Si、SiC、Si3N4、BN等也是直接由原子构成的。

(2)二氧化硅的性质及用途

[提醒]　①SiO2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。

②氢氟酸能与SiO2反应，故氢氟酸不能盛放在玻璃瓶中，而应存放在塑料瓶中。

3．硅酸和硅酸盐

(1)硅酸(H2SiO3)

(2)硅酸盐(如Na2SiO3)

①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。

②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)，耐火阻燃材料。

(3)硅酸盐组成的表示

通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成。如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，石棉(CaMg3Si4O12)可表示为CaO·3MgO·4SiO2。

[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。

4．无机非金属材料

(1)传统无机非金属材料

①常见硅酸盐材料比较

②玻璃生产中的两个重要反应：

Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；

CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。

(2)新型无机非金属材料

[对点训练]

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。

(1)(2018·天津高考)汉代烧制出“明如镜、声如磬”的瓷器，其主要原料为黏土(√)

(2)(2018·江苏高考)因为SiO2熔点高、硬度大，所以可用于制光导纤维(×)

(3)(2017·江苏高考)下列转化能一步实现：

CaCO3CaOCaSiO3(√)

(4)(2016·全国卷Ⅲ)因为HF与SiO2反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记(√)

(5)(2016·江苏高考)下列转化在给定条件下能够实现：

SiO2SiCl4Si(×)

(6)(2016·海南高考)石英砂可用于生产单晶硅(√)

(7)(2016·上海高考)用氢氧化钠溶液不能分离氧化铁中混有的二氧化硅(×)

(8)(2016·四川高考)硅胶作袋装食品的干燥剂的过程中没有发生化学变化(√)

(9)(2015·山东高考)向Na2SiO3溶液中通入过量SO2的离子方程式：SiO＋SO2＋H2O===H2SiO3↓＋SO(×)

(10)(2015·重庆高考)烧结黏土制陶瓷，不涉及化学反应(×)

2．从石英砂制取高纯硅的主要化学反应如下：

①SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑

②Si(粗)＋2Cl2SiCl4

③SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl

关于上述反应的叙述不正确的是(　　)

A．①③是置换反应，②是化合反应

B．高温下，焦炭与氢气的还原性均强于硅

C．任一反应中，每消耗或生成28 g硅，均转移4 mol电子

D．高温下在炉子里将石英砂、焦炭、氯气、氢气按比例混合就能得到高纯硅

解析：选D　在氧化还原反应中，还原剂的还原性比还原产物的强，B正确；根据元素化合价的变化，每消耗或生成28 g (1 mol)硅，均转移4 mol电子，C正确；题中的三个反应是在三个不同反应器中发生，D错误。

3．水玻璃(Na2SiO3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：选A　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价，Na2SiO3中硅元素的化合价是＋4价，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。