碳硅及其化合物---講義

1、.碳族元素.課標要求通過實驗了解硅及其化合物的主要性質，認識其在信息技術、材料科學等領域的應用。.考綱要求1.了解單質硅及其重要硅的化合物的主要性質及應用3.能綜合應用硅及硅的化合物知識.教材精講1.本考點知識結構2.碳族元素碳族元素的特征：碳族元素原子最外層電子數(shù)為4，既不容易失去電子，又不容易得到電子，易形成共價鍵，難形成離子鍵。碳族元素形成的單質在同周期中硬度最大，熔沸點最高(如金剛石、晶體硅)。碳族元素的化合價：碳族元素的主要化合價有+2，+4，其中鉛+2價穩(wěn)定，其余元素+4價穩(wěn)定。碳族元素的遞變規(guī)律：從上到下電子層數(shù)增多，原子半徑增大，原子核對最外層電子的吸引能力減弱，失電子的能力增

2、強，從上到下由非金屬遞變?yōu)榻饘俚淖兓浅５湫?。其中碳是非金屬，錫、鉛是金屬，硅、鍺是半導體材料。碳族元素在自然界里的存在：自然界里碳有游離態(tài)和化合態(tài)兩種；硅在地殼里無游離態(tài)，主要以含氧化合物的形式存在。幾種同素異形體：碳：金剛石、石墨、C60、C70等；硅：晶體硅，無定形硅。3.碳在常溫下碳很穩(wěn)定，只在高溫下能發(fā)生反應，通常表現(xiàn)為還原性。燃燒反應與某些氧化物的反應：CCO22CO；C2CuOCO22Cu；CH2OCOH2O（CO、H2的混合氣體叫水煤氣）；2C+SiO2Si+2CO與氧化性酸反應：C2H2SO4（濃）CO22SO22H2O；C4HNO3（濃）CO24NO22H2O4.CO不溶于

3、水，有毒(CO和血紅蛋白結合，使血紅蛋白無法和O2結合，而使細胞缺氧引起中毒)，但由于CO無色無味因此具有更大的危險性?？扇夹赃€原性：CO+CuOCO2Cu，CO+H2O(g)CO2+H2O5.CO2直線型（OCO）非極性分子，無色能溶于水，密度大于空氣，可傾倒，易液化。固態(tài)CO2俗稱干冰，能升華，常用于人工降雨。實驗室制法：CaCO32HClCaCl2CO2H2O。酸性氧化物一酸酐Ca(OH)2CO2CaCO3H2O(用于檢驗CO2)氧化性：CO2C2CO；2MgCO22MgOC6.碳酸鹽溶解性：Ca(HCO3)2CaCO3；Na2CO3NaHCO3。熱穩(wěn)定性：Na2CO3CaCO3；堿金屬

4、正鹽堿金屬酸式鹽: Na2CO3NaHCO3。相互轉化：碳酸正鹽碳酸酸式鹽(除雜用) 7.硅硅在地殼中只有化合態(tài)，沒有游離態(tài)。其含量在地殼中居第二，僅次于氧，是構成礦物和巖石的主要成分。晶體硅是灰黑色，有金屬光澤，硬而脆的固體，是半導體，具有較高的硬度和熔點。硅的化學性質不活潑，常溫下，只能與氟氣、氫氟酸及強堿溶液反應:Si+2F2SiF4、Si+4HFSiF4+2H2、Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2；在加熱條件下，能與氧氣、氯氣等少數(shù)非金屬單質化合：SiO2SiO2。制備：在電爐里用碳還原二氧化硅先制得粗硅：SiO22CSi2CO，將制得的粗硅，再與C12反應后，蒸餾出SiC

5、l4，然后用H2還原SiCl4可得到純硅。有關的反應為：Si十2C12SiCl4、 SiCl4+2H2Si+4HCl。硅在高新技術中的應用：高純硅可作半導體材料，晶體硅還可做光電轉換材料及制作DNA芯片為代表的生物工程芯片。 8.SiO2SiO2為原子晶體，是一種堅硬難熔的固體，硬度、熔點都很高。而CO2通常狀況下是氣體，固體熔點很低。其差別在于晶體類型不同。CO2是分子晶體，故熔點很低。二氧化硅的化學性質很穩(wěn)定，不能跟酸(氫氟酸除外)發(fā)生反應。由于它是一種酸性氧化物，所以能跟堿性氧化物或強堿反應。SiO2+CaOCaSiO3、SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O(堿溶液不能在使用磨口玻

6、璃塞的試劑瓶中)二氧化硅是一種特殊的酸性氧化物。a酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但二氧化硅卻不能直接跟水化合，它的對應水化物(硅酸)只能用相應的可溶性硅酸鹽跟鹽酸作用制得：首先讓SiO2和NaOH（或Na2CO3）在熔化條件下反應生成相應的硅酸鈉：SiO22NaOHNa2SiO3H2O，SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2，然后用酸與硅酸鈉作用制得硅酸：Na2SiO3+2HCl =H2SiO3+2NaCl。b酸性氧化物一般不跟酸作用，但二氧化硅卻能跟氫氟酸起反應：SiO2+4HFSiF4+2H2O(氫氟酸不能盛放在玻璃容器中)。光導纖維：從高純度的SiO2或石英玻璃熔融體中，拉出的直

7、徑約100m的細絲，稱為石英玻璃纖維，這種纖維稱為光導纖維。光纖通信是一種新技術，它將光信號在光導纖維中進行全反射傳播，取代了電信號在銅線中的傳播，達到兩地通信的目的。光纖通信優(yōu)點：信息傳輸量大，每根光纜可同時通過10億路電話；原料來源廣；質量輕，每千米27克；不怕腐蝕，鋪設方便；抗電磁干擾，保密性好。石英、水晶及其壓電效應石英的主要成分是SiO2,可用來制造石英玻璃。石英晶體中有時含有其他元素的化合物,它們以溶解狀態(tài)存在于石英中,呈各種顏色。純凈的SiO2晶體叫做水晶,它是六方柱狀的透明晶體,是較貴重的寶石。水晶或石英在受壓時能產生一定的電場,這種現(xiàn)象被稱為“壓電效應”。后來這種“壓電效應”

8、被應用在電子工業(yè)及鐘表工業(yè)和超聲技術上。9硅酸和硅膠硅酸：硅酸有多種形式，如H4SiO4、H2SiO3、H2Si2O5等。一般用通式xSiO2yH2O表示，由于“H2SiO3”分子式最簡單，習慣采用H2SiO3作為硅酸的代表。硅酸酸性比碳酸還弱，由下列反應可證明：Na2SiO3+CO2+H2OH2SiO3+Na2CO3硅膠：剛制得的硅酸是單個小分子，能溶于水，在存放過程中，它會逐漸失水聚合，形成各種多硅酸，接著就形成不溶于水，但又暫不從水中沉淀出來的“硅溶膠”。如果向硅溶膠中加入電解質，則它會失水轉為“硅凝膠”。把硅凝膠烘干可得到“硅膠”。烘干的硅膠是一種多孔性物質，具有良好的吸水性。而且吸水

9、后還能烘干重復使用，所以在實驗室中常把硅膠作為作為干燥劑。10.硅及其化合物的“反?！盨i的還原性大于C，但C卻能在高溫下還原出Si：SiO22CSi2CO非金屬單質跟堿液作用一般無H2放出，但Si卻放出H2：Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2非金屬單質一般不跟非氧化性酸作用，但Si能與HF作用：Si+4HFSiF4+2H2非金屬單質大多為非導體，但Si為半導體。SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接將它與水作用制備H2SiO3。酸性氧化物一般不與酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2+4HFSiF4+2H2O無機酸一般易溶于水，但H2SiO3難溶于水。因H2CO3

10、的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通人CO2能發(fā)生下列反應：Na2SiO3+CO2+H2OH2SiO3+Na2CO3，但在高溫下SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2也能發(fā)生。Na2SiO3的水溶液稱水玻璃，但它與玻璃的成分大不相同，硅酸鈉水溶液(即水玻璃)稱泡花堿，但它卻是鹽的溶液，并不是堿溶液。 11.硅酸鹽硅酸鹽是構成地殼巖石的主要成分，其結構復雜，組成可用氧化物的形式表示。例如：硅酸鈉Na2SiO3(Na2OSiO2)；鎂橄欖石Mg2SiO4(2MgOSiO2)；高嶺石Al2(Si2O5)(OH)4(A12O32SiO22H2O)云母、滑石、石棉、高嶺石等，它們都

11、屬于天然的硅酸鹽。人造硅酸鹽：主要有玻璃、水泥、各種陶瓷、磚瓦、耐火磚、水玻璃以及某些分子篩等。硅酸鹽制品性質穩(wěn)定，熔點較高，難溶于水，有很廣泛的用途。最簡單硅酸鹽是硅酸鈉，其水溶液俗稱水玻璃，是一種礦物膠，可作粘合劑，防腐劑。12.水泥、玻璃、陶瓷普通水泥的主要成分是硅酸三鈣（3CaOSiO2）、硅酸二鈣（2CaOSiO2）和鋁酸三鈣（3CaOAl2O3），水泥具有水硬性，水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。制玻璃的主要原料是純堿、石灰石和石英，主要反應是：SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2、SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2，玻璃是無固定熔點的混合物。加入氧化鈷后的玻璃呈藍色

12、，加入氧化亞銅后的玻璃呈紅色，普通玻璃一般呈淡綠色，這是因為原料中混有二價鐵的緣故。制造陶瓷的主要原料是黏土，黏土的主要成分：Al2O32SiO22H2O。13.無機非金屬材料無機非金屬材料包含除傳統(tǒng)陶瓷外的各種性能優(yōu)異的精細陶瓷：耐高溫的二氧化鋯（ZrO2）陶瓷、高熔點的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷；透明的氧化鋁、砷化鎵（GaAs）、硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）、氟化鎂（MgF2）、氟化鈣（CaF2）等氧化物或非氧化物陶瓷；生物陶瓷；超細微粉體粒子制造的納米陶瓷等。.典型例題例1、（06全國理綜)在呼吸面具和潛水艇中可用過氧化鈉作為供氧劑。請選用適當?shù)幕瘜W試劑和實驗用品

13、，用圖中的實驗裝置進行實驗，證明過氧化鈉可作供氧劑。A是制取C02的裝置。寫出A中發(fā)生反應的化學方程式：_。儀器加入試劑加入該試劑的目的B飽和NaHC03溶液CD填寫表中空格： 寫出過氧化鈉與二氧化碳反應的化學方程式：_。 試管F中收集滿氣體后，下一步實驗操作是：_?！窘馕觥棵}意圖就是驗證過氧化鈉與水或二氧化碳的反應及對供氧劑信息的理解認識。實驗儀器中的A是二氧化碳發(fā)生裝置，B、D是除雜裝置，C是反應裝置，E是收集裝置。本實驗可能存在的雜質氣體有：制取二氧化碳的是HCl和水，但由于過氧化鈉與二氧化碳和水都能反應產生氧氣，故水不必除去。答案： CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2

14、B 飽和NaHCO3 除CO2中的HCl C Na2O2粉末 反應物D NaOH溶液 除去未反應的CO2 2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2 把E中的導管移出水面，關閉分液漏斗活塞，用姆指堵住試管口，取出試管，立即把帶火星的木條伸入試管口內，木條復燃，證明試管中收集的氣體是氧氣?！军c評】本題涉及CO2實驗室制法，實驗室用碳酸鈣和鹽酸反應指取CO2所得氣體中，由于鹽酸具有揮發(fā)性，所制備氣體中含有氯化氫氣體和水蒸汽，氯化氫氣體也會與過氧化鈉反應，因此需要用飽和碳酸鈉溶液進行洗氣，以除去HCl氣體，水蒸汽和CO2氣體都會與過氧化鈉反應生成氧氣，所以不必除去水蒸汽，緊接著，讓含有少量水蒸汽的

15、CO2氣體通過過氧化鈉（過氧化鈉是粉末狀物質，為了防止被氣體吃入導氣管，最好是用石棉絨包住過氧化鈉）進行反應，然后用氫氧化鈉除去位反應的CO2，最后用排水法收集氧氣，進行檢驗。不難看出題目涉及知識點都來自課本中的主干知識，要求學生一定要重視課本。例2、我國科學家合成出世界上最細的碳納米管，直徑僅有0.5nm，它的直徑與C36分子直徑相當，十分接近0.4nm理論極限值，這項成果獲取2002年度國家自然科學二等獎。已知C36是由正五邊形和正六邊形構成的足球狀分子，在多面體中，棱邊數(shù)=頂點數(shù)+面數(shù)2。根據以上信息，下列有關推斷不正確的是（ ）A碳納米管與金剛石互為同素異形體 B碳納米管屬于高分子化合

16、物C每個C36分子中有18個雙鍵 DC36分子中有12個正五邊形，8個正六邊形構成【解析】由題意不難看出，碳納米管與金剛石都是由碳元素組成的不同的單質，所以A正確；碳納米管是單質，而不是化合物，B顯然是錯誤的。至于C、D答案正確與否需要進行如下的計算分析：設：C36中正五邊形和正六邊形的個數(shù)分別為x、y個根據一個棱邊為兩個面（正五邊形或正六邊形）所共用，一個面上的頂點C原子與相鄰C原子通過CC鍵或C=C鍵形成三個棱邊，考慮一個棱邊（CC鍵或C=C鍵）為兩個C原子共用，結合題設信息可得如下方程式：x=12y=8 1/2(5x+6y)=36+x+y-2 1/2(5x+6y)= 1/2（336） 而

17、雙鍵數(shù)應按所有碳原子最多可形成的CC鍵數(shù)減去邊數(shù)為：1/2（436）1/2（336）=18所以C、D答案正確。答案：B【點評】利用不斷發(fā)現(xiàn)的新材料，而作為高考命題新的生長點，這是近幾年化學高考的一個值得關注的動向。萬變不離其宗，其實本問題的解決還有賴于晶體計算中的分攤思想和足球分子結構的直觀想象，同時也足以說明數(shù)學工具在化學分子結構分析中的重要作用。例3據報導我國科學家近年來研制出一種新型“連續(xù)纖維增韌”航空材料，其主要成分是由碳化硅（結構類似于金剛石）、陶瓷和碳纖維復合而成。下列相關敘述不正確的是 A它耐高溫抗氧化 B它比鋼鐵輕、硬，但質地較脆 C它沒有固定熔點 D它是一種新型無機非金屬材料

18、【解析】此航空材料是碳化硅、陶瓷和碳纖維等無機非金屬材料復合而成，是混合物，故沒有固定熔點。同時它也糅合了碳化硅、陶瓷和碳纖維各自的優(yōu)良性能，耐高溫、抗腐蝕、抗氧化、堅硬、輕巧、有良好的韌性等。碳化硅、陶瓷、碳纖維均屬于無機非金屬材料。答案：B【點評】對醒目的字句進行字斟酢句的分析、加工、聯(lián)想是新信息問題解決的關鍵。.跟蹤訓練一、選擇題（下列各題均只有一個合理答案，請將合理答案的序號填在第卷題首的答案欄內，填在其他地方無效）1、（06上海）下列不符合當今化學研究方向的是 A發(fā)現(xiàn)新物質 B合成新材料 C研究化學反應的微觀過程 D研究化學反應中原子守恒關系2人類使用材料的增多和變化，標志著人類文明

19、的進步，下列材料與化學制備無關的是（ ） A石器 B青銅器 C鐵器 D高分子材料3下列說法中，正確的是（ ）A二氧化硅溶于水顯酸性 B二氧化硅是酸性氧化物，它不溶于任何酸高溫C水玻璃露置空氣中發(fā)生反應：Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3，所以碳酸酸性比硅酸酸性強 D高溫時純堿和石英發(fā)生反應：Na2CO3+SiO2= Na2SiO3+CO2，所以硅酸酸性比碳酸酸性強 4我國科學家在“納米材料國家重點實驗室”里成功研制出了3mm長的碳納米管，長度居世界之首。這種碳纖維強度高、剛度大、密度小、熔點高、化學穩(wěn)定性好，因而被稱為“超級纖維”。下列對此碳納米管的說法中不正確的是 A

20、它是制造飛機的理想材料 B它與石墨互為同素異形體C這種碳納米管中含有非極性共價鍵 D碳纖維復合材料為高分子化合物5金屬陶瓷是一種應用于高科技的復合材料，合成方法是將陶瓷（主要成分：Al2O3、ZrO2等耐高溫材料）和粘結金屬（主要是Cr、Mo、W、Ti等高熔點金屬）研磨混勻成型后，高溫燒結使金屬仍然以單質的形式存在于金屬陶瓷之中，據此判斷合成工藝必須A.在氧氣中合成 B.在HCl氣氛中合成 C.在氮氣氣氛中合成D.在空氣中合成二、選擇題（下列各題均有2個答案，請將合理答案的序號填在第卷題首的答案欄內，填在其他地方無效）6下列所列各物質的用途中，正確的是 ( )A.含氧化亞銅的紅色玻璃片：制夏天

21、用的變色眼鏡 B.硅膠：干燥劑、吸附劑、催化劑載體C.石英：光導纖維 D.硅酸：粘合劑、耐火材料7硅酸銅鋇是當今用最新科學技術才能合成的一種物質。然而現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，我國秦朝兵馬俑用的一種顏料竟是硅酸銅鋇。下列關于硅酸銅鋇的學說正確的是（ ）A易溶于水 B難溶于水 C既屬于硅酸鹽，也屬于復鹽 D屬于無機高分子材料8科學家在高壓下成功地將CO2轉化為具有類似SiO2結構的晶體，下列關于CO2的原子晶體的說法正確的是ACO2的分子晶體轉化為原子晶體是化學變化 BCO2的原子晶體和分子晶體實際上是同種物質CCO2的原子晶體和分子晶體具有相同的物理性質 D在CO2的原子晶體中，每一個C原子周圍結合4個O原子

22、9科學家提出硅是“21世紀的能源”，這主要是由于作為半導體材料的硅在太陽能發(fā)電過程中具有重要的作用。下列關于硅的說法中錯誤的是（ ） A硅原子既不易失去電子又不易得到電子，主要形成四價的化合物。 B高純度的硅被廣泛用于制作計算機芯片 C自然界中存在貯量豐富的單質硅 D晶體硅的熔點比結構相似的碳化硅晶體的熔點要高10、“耐高溫長壽命抗氧化陶瓷復合材料應用技術”獲2004年度國家技術發(fā)明一等獎。該復合材料的強度比鋼還大，在航空航天器中用來替代金屬材料，可節(jié)約2030%的燃料。下列關于該材料的敘述中不正確的是（ ） A該材料屬于傳統(tǒng)無機非金屬材料 B該材料的化學性質非常穩(wěn)定 C與金屬一樣有較好的傳熱

23、性能 D可以替代金屬做耐高溫結構材料11下列表述不正確的是（ ）A 人造剛玉熔點很高，可用作高級耐火材料，主要成分是二氧化硅B 化學家采用瑪瑙研缽摩擦固體反應物進行無溶劑合成，瑪瑙的主要成分是硅酸鹽C 提前建成的三峽大壩使用了大量水泥，水泥是硅酸鹽材料D 太陽能電池可采用硅材料制作，其應用有利于環(huán)保、節(jié)能角氧12原硅酸的結構為，若去掉氫原子后的剩余部分即SiO44-為原硅酸根，其構型為正四面體（如圖），稱為“硅氧四面體”。四面體角頂上的氧原子叫“角氧”。有關敘述不正確的是 （ ）A兩分子原硅酸脫去一分子水得到的H6Si2O7分子中有6個SiO鍵B兩個硅氧四面體，彼此共用一個角氧相連后，形成的S

24、i2O76 離子中各個鍵角不一定為10928C3個硅氧四面體彼此用2個角氧相連后，形成的Si3O96離子一定呈鏈狀Dn個硅氧四面體彼此用四個角氧連接后的晶體是二氧化硅13、下列反應化學方程式表示不正確的是A.黃鐵礦煅燒：2FeS2+5O2FeO+4SO2 B.石英與石灰石共熔：SiO2+CaOCaSiO3C.氨的催化氧化：4NH3+5O24NO+6H2O D.氯氣與石灰乳反應：2Cl2+2Ca(OH) 2=CaCl2+Ca（ClO）2+2H2O三、本題有2個小題14為比較HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性強弱，某同學設計了如圖所示的裝置，想通過一次實驗達到實驗目的，請你協(xié)助完成實驗。A B

25、 可供選擇的試劑有：稀鹽酸、濃鹽酸、稀硫酸、濃硫酸、碳酸鈉粉末、碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉粉末、碳酸氫鈉溶液、硅酸鈉粉末、硅酸鈉溶液。請依據此實驗填空：錐形瓶內所裝某試劑是_，分液漏斗中所盛試劑是_。裝置B中所盛的試劑是_，出現(xiàn)的現(xiàn)象是 ，B中發(fā)生的化學反應方程式為_。實驗結束后，有人提出該實驗不嚴密，你的看法如何？請說出理由或改進意見。15、（06天津理綜）晶體硅是一種重要的非金屬材料。制備純硅的主要步驟如下：300高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅粗硅與干燥HCl氣體反應制得SiCl3：Si3HCl SiCl32SiCl3與過量2在10001100反應制得純硅已知SiCl3能與2強烈反應，在空氣中易

26、自燃。請回答下列問題：（1）第步制備粗硅的化學反應方程式為 。（2）粗硅與HCl反應完全后，經冷凝得到的SiCl3（沸點33.0）中含有少量SiCl4（沸點57.6）和HCl（沸點84.7），提純SiCl3采用的方法為： 。（3）用SiCl3與過量2反應制備純硅的裝置如下（熱源及夾持裝置略去）：裝置中的試劑是 ，裝置中的燒瓶需要加熱，其目的是： 。反應一段時間后，裝置中觀察到的現(xiàn)象是 ，裝置不能采用普通玻璃管的原因是 ，裝置中發(fā)生反應的化學方程式為 。為保證制備純硅實驗的成功，操作的關鍵是檢查實驗裝置的氣密性，控制好反應溫度以及 。為鑒定產品硅中是否含微量鐵單質，將試樣用稀鹽酸溶解，取上層清液后需再加入的試劑（填寫字母代號）是 碘水氯水溶液溶液23溶液四、本題有2個小題16、材料科學與近幾年來與化學有關的科學研究的熱點.某新型無機非金屬材料K由兩種非金屬元素組成,它是一種超硬物質,具有耐磨耐腐蝕抗沖擊抗氧化的特性,它是以中學化學的常見物質為原料來生產的,如圖虛線框外為其生產過程;線框內的其他轉化是為探究C的組成而設,GH均為難溶于水的白色固體;圖中C M K均含有A元素,C物質遇水強烈水解,能生成一種白色膠狀物質F和E的酸霧,其余物質均為中學化學常見的物