高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 第4章 非金屬及其化合物 第11講 碳及無機(jī)非金屬材料學(xué)案-人教版高三全冊(cè)化學(xué)學(xué)案

第11講碳及無機(jī)非金屬材料目標(biāo)要求1.結(jié)合真實(shí)情景中的應(yīng)用實(shí)例或通過實(shí)驗(yàn)探究，了解碳、硅及其重要化合物的主要性質(zhì)，認(rèn)識(shí)其在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。2.結(jié)合實(shí)例認(rèn)識(shí)碳、硅及其化合物性質(zhì)的多樣性，了解通過化學(xué)反應(yīng)可以探索物質(zhì)性質(zhì)、實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化在自然資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)中的重要價(jià)值。1．碳單質(zhì)存在形式有金剛石、石墨、無定形碳、足球烯，它們互為同素異形體。2．氧化物(CO、CO2)的比較COCO2物理性質(zhì)無色無味氣體密度比空氣小難溶于水無色無味氣體密度比空氣大可溶于水(溶解度小)毒性有毒(易結(jié)合血紅蛋白)無毒(溫室效應(yīng))化學(xué)性質(zhì)還原性可燃性還原氧化鐵無(滅火)氧化性①與熾熱炭反應(yīng)②Mg在CO2中燃燒與水反應(yīng)無CO2＋H2OH2CO3與堿反應(yīng)(石灰水)無Ca(OH)2＋CO2=CaCO3↓＋H2O(檢驗(yàn)CO2)相互轉(zhuǎn)化CO2eq\o(,\s\up7(C，Δ),\s\do5(①O2；②CuO))CO用途燃料冶煉金屬滅火制汽水植物肥料化工原料等3.碳酸(H2CO3)弱酸、不穩(wěn)定。碳酸(H2CO3)只能在水中存在。H2CO3在水中與CO2共存，因此常把CO2＋H2O當(dāng)碳酸用。4．碳酸的正鹽和酸式鹽的比較正鹽(COeq\o\al(2－,3))酸式鹽(HCOeq\o\al(－,3))溶解性只有鉀、鈉、銨鹽可溶一般都可溶熱穩(wěn)定性正鹽>酸式鹽>碳酸溶液pH同濃度的：正鹽>酸式鹽相互轉(zhuǎn)化COeq\o\al(2－,3)eq\o(,\s\up7(①CO2＋H2O；②H＋),\s\do5(OH－))HCOeq\o\al(－,3)問題思考碳的重要化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系如下，思考每步轉(zhuǎn)化的試劑及條件，并用化學(xué)方程式表示標(biāo)有序號(hào)的各步變化。①________________________________________________________________________②________________________________________________________________________③________________________________________________________________________④________________________________________________________________________⑤________________________________________________________________________⑥________________________________________________________________________答案①2C＋O2eq\o(=,\s\up7(點(diǎn)燃))2CO(氧氣不足)(或C＋CO2eq\o(=,\s\up7(高溫))2CO、2C＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))2CO↑＋Si)②2CO＋O2eq\o(=,\s\up7(點(diǎn)燃))2CO2(或CO＋CuOeq\o(=,\s\up7(△))Cu＋CO2)③CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高溫))2CO④CO2＋2Mgeq\o(=,\s\up7(點(diǎn)燃))2MgO＋C⑤CaCO3＋CO2＋H2O=Ca(HCO3)2⑥Ca(HCO3)2eq\o(=,\s\up7(△))CaCO3＋CO2↑＋H2O[或Ca(HCO3)2＋Ca(OH)2=2CaCO3↓＋2H2O](1)金剛石和石墨由相同的元素組成，因此它們具有相同的性質(zhì)()(2)石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸姆磻?yīng)屬于氧化還原反應(yīng)()(3)向空氣中排放二氧化碳會(huì)形成酸雨()(4)向CaCl2溶液中通入CO2氣體，溶液變渾濁，繼續(xù)通入CO2至過量，渾濁消失()(5)氨化的飽和食鹽水中通入足量的CO2氣體，會(huì)析出晶體()答案(1)×(2)×(3)×(4)×(5)√解析(4)由于鹽酸的酸性比碳酸的強(qiáng)，CO2與CaCl2溶液不反應(yīng)。1．(2019·濟(jì)寧一模)平昌冬奧會(huì)“北京8分鐘”主創(chuàng)團(tuán)隊(duì)用石墨烯制作了－20℃能發(fā)熱4h的智能服飾；用鋁合金管材和碳纖維制作了高2.35m、重量?jī)H為10kg的熊貓木偶，向世界展現(xiàn)了新時(shí)代的中國形象。下列說法中，不正確的是()A．石墨烯是能導(dǎo)熱的金屬材料B．鋁合金是密度較小的金屬材料C．碳纖維是耐低溫的無機(jī)非金屬材料D．新型材料種類多、用途廣答案A2．溶洞和鐘乳石是大自然的杰作。溶洞和鐘乳石的形成與自然界中碳及其化合物間的轉(zhuǎn)化有著密切聯(lián)系。下列有關(guān)自然界中碳及其化合物間的轉(zhuǎn)化的說法，不正確的是()A．溶洞是通過CaCO3與H2O、CO2作用生成可溶性的Ca(HCO3)2形成的B．游客的參觀不會(huì)對(duì)其造成影響C．溶洞和鐘乳石的形成過程中沒有涉及氧化還原反應(yīng)D．鐘乳石是在一定條件下可溶性的Ca(HCO3)2轉(zhuǎn)化成CaCO3的結(jié)果答案B3．科技的進(jìn)步為二氧化碳資源化利用提供了廣闊的前景。下列說法錯(cuò)誤的是()A．CO2是自然界碳循環(huán)中的重要物質(zhì)B．CO2加氫轉(zhuǎn)化為乙烯，CO2被還原C．CO2電催化時(shí)，在陽極轉(zhuǎn)化為燃料D．CO2與環(huán)氧丙烷可合成可降解塑料答案C解析含碳燃料燃燒以及動(dòng)植物呼吸都會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，植物光合作用消耗二氧化碳，所以CO2是自然界碳循環(huán)中的重要物質(zhì)，故A正確；CO2加氫轉(zhuǎn)化為乙烯，C的化合價(jià)降低，CO2得電子，被還原，故B正確；CO2中C為＋4價(jià)，只能發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，CO2在陰極得電子轉(zhuǎn)化為燃料，陽極為失電子的氧化反應(yīng)，故C錯(cuò)誤；CO2與環(huán)氧丙烷發(fā)生加聚反應(yīng)，可合成可降解塑料，故D正確。4．碳和碳的氧化物是生活中的常見物質(zhì)，回答下列問題：(1)下列有關(guān)說法正確的是________(填字母)。a．利用二氧化碳制造全降解塑料，可以減緩二氧化碳對(duì)環(huán)境的影響b．金剛石、石墨、C60的化學(xué)性質(zhì)相似，物理性質(zhì)卻有很大差異c．木炭、一氧化碳在一定條件下都能還原氧化銅d．大氣中二氧化碳的消耗途徑主要是綠色植物的光合作用(2)吸煙對(duì)人體有害，燃著的香煙產(chǎn)生的煙氣含有一種能與血液中的血紅蛋白結(jié)合的有毒氣體，它是________(填化學(xué)式)。(3)影視舞臺(tái)上經(jīng)?？吹皆旗F繚繞，使人如入仙境的景象，產(chǎn)生這一景象可用的物質(zhì)是________(填物質(zhì)俗稱)。(4)為減少二氧化碳對(duì)環(huán)境的影響，可將二氧化碳與氫氣在300℃、200kPa和催化劑的條件下，反應(yīng)生成一種清潔燃料甲醇(CH3OH)和水，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為________________________________________________________________________________________。答案(1)abcd(2)CO(3)干冰(4)CO2＋3H2eq\o(=,\s\up7(300℃、200kPa),\s\do5(催化劑))CH3OH＋H2O1．硅及其化合物硅元素在自然界中主要以二氧化硅和硅酸鹽等化合態(tài)的形式存在于地殼中。(1)單質(zhì)硅①晶體硅是灰黑色、有金屬光澤、硬而脆的固體，其結(jié)構(gòu)類似于金剛石，熔沸點(diǎn)很高、硬度大，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料。②硅與強(qiáng)堿溶液生成氫氣(特征反應(yīng))：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。③粗硅的工業(yè)制法：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑，當(dāng)碳過量時(shí)，繼續(xù)反應(yīng)生成SiC：3C＋SiO2(少量)eq\o(=,\s\up7(高溫))SiC＋2CO↑(SiC的結(jié)構(gòu)和性能與金剛石相似，屬于原子晶體)。(2)SiO2的性質(zhì)①晶體類型：原子晶體。②酸性氧化物：SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O。③高溫下，Na2CO3與SiO2反應(yīng)制玻璃：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3＋CO2↑。④與氫氟酸反應(yīng)(特殊)SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。(3)硅酸①硅酸是難溶于水的弱酸。②硅酸的制法：Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3。(SiO2不溶于水，不能直接與水反應(yīng)制備硅酸)(4)硅酸鹽的組成硅酸鹽種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成各異，常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示其組成，例如：硅酸鈉(Na2SiO3)：Na2O·SiO2、長石(KAlSi3O8)：K2O·Al2O3·6SiO2，硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃。2．無機(jī)非金屬材料(1)傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸鹽材料。①常見硅酸鹽材料比較水泥玻璃陶瓷生產(chǎn)原料石灰石、黏土純堿、石灰石、石英黏土主要設(shè)備水泥回轉(zhuǎn)窯玻璃窯陶瓷窯②玻璃生產(chǎn)中的兩個(gè)重要反應(yīng)：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3＋CO2↑。(2)新型無機(jī)非金屬材料，如高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、光導(dǎo)纖維、生物陶瓷、壓電陶瓷等。問題思考(1)工業(yè)上可用以下流程制取高純硅，完成各步反應(yīng)的化學(xué)方程式：反應(yīng)①：________________________________________________________________________；反應(yīng)②：________________________________________________________________________；反應(yīng)③：________________________________________________________________________。答案SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋4HCl(2)能否依據(jù)反應(yīng)Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑說明H2SiO3的酸性比H2CO3強(qiáng)？答案不能。強(qiáng)酸＋弱酸鹽=強(qiáng)酸鹽＋弱酸，該規(guī)律僅適用于常溫下水溶液中進(jìn)行的反應(yīng)，而該反應(yīng)是在高溫且熔融態(tài)下進(jìn)行的，只能從化學(xué)平衡移動(dòng)角度去解釋反應(yīng)發(fā)生的原因——CO2為氣體，能及時(shí)分離出反應(yīng)體系，使化學(xué)反應(yīng)向右進(jìn)行。(1)硅在自然界中只以化合態(tài)的形式存在()(2)晶體硅熔點(diǎn)高、硬度大，故可用于制作半導(dǎo)體材料()(3)Si和SiO2都可用于制造光導(dǎo)纖維()(4)非金屬性：C＞Si，則熱穩(wěn)定性：CH4＞SiH4()(5)硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)反應(yīng)()(6)SiO2是酸性氧化物，可溶于強(qiáng)堿(NaOH)，不溶于任何酸()(7)玻璃是一種晶體，有較高的熔點(diǎn)()(8)水玻璃是一種特殊的玻璃，泡花堿屬于堿()答案(1)√(2)×(3)×(4)√(5)×(6)×(7)×(8)×解析(3)Si可用于制造半導(dǎo)體，SiO2用于制造光導(dǎo)纖維。(6)SiO2可溶于氫氟酸：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。(7)玻璃是非晶體，沒有固定的熔點(diǎn)。(8)水玻璃是Na2SiO3的水溶液，泡花堿屬于鹽。題組一硅無機(jī)非金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用1．(2019·康定教學(xué)質(zhì)量檢查)“九秋風(fēng)露越窯開，奪得千峰翠色來”是贊譽(yù)越窯秘色青瓷的詩句，描繪我國古代精美的青瓷工藝品。玻璃、水泥和陶瓷均為硅酸鹽制品，下列有關(guān)說法中正確的是()A．玻璃是人類最早使用的硅酸鹽制品B．制水泥的原料為純堿、石灰石和石英C．硅酸鹽制品的性質(zhì)穩(wěn)定、熔點(diǎn)較高D．沙子和黏土的主要成分均為硅酸鹽答案C解析陶瓷是人類最早使用的硅酸鹽制品，A項(xiàng)錯(cuò)誤；純堿、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，B項(xiàng)錯(cuò)誤；硅酸鹽制品性質(zhì)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高，C項(xiàng)正確；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸鹽，D項(xiàng)錯(cuò)誤。2．(2020·開封期末)下列關(guān)于硅的說法不正確的是()A．硅是非金屬元素，它的單質(zhì)是灰黑色有金屬光澤的固體B．硅的導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料C．用二氧化硅制取單質(zhì)硅的反應(yīng)中硅元素被氧化D．加熱到一定溫度時(shí)，硅能與氫氣、氧氣等非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)答案C3．(2018·河南一模)下列關(guān)于二氧化硅的說法正確的是()A．二氧化硅是酸性氧化物，因此能與水反應(yīng)生成硅酸B．二氧化硅制成的光導(dǎo)纖維，由于導(dǎo)電能力強(qiáng)而被用于制造光纜C．二氧化硅不能與碳酸鈉溶液反應(yīng)，但能與碳酸鈉固體在高溫時(shí)發(fā)生反應(yīng)D．用二氧化硅制取單質(zhì)硅時(shí)，當(dāng)生成2.24L氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況)時(shí)，得到2.8g硅答案C解析二氧化硅是酸性氧化物，但是二氧化硅不溶于水，與水不反應(yīng)，故A錯(cuò)誤；二氧化硅制成的光導(dǎo)纖維，由于其良好的光學(xué)特性而被用于制造光纜，故B錯(cuò)誤；碳酸的酸性強(qiáng)于硅酸，二氧化硅不能與碳酸鈉溶液反應(yīng)，但在高溫時(shí)，二氧化硅能夠與碳酸鈉固體反應(yīng)生成硅酸鈉和二氧化碳，故C正確；由方程式SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑，可知當(dāng)生成2.24L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)即0.1mol氣體時(shí)，得到0.05mol即1.4g硅，故D錯(cuò)誤。4．下列說法不正確的是()A．SiO2能與HF反應(yīng)，因此可用HF刻蝕玻璃B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀鹽酸制備硅酸凝膠C．氮化硅是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，化學(xué)式為Si3N4D．石英是良好的半導(dǎo)體材料，可以制成光電池，將光能直接轉(zhuǎn)化成電能答案D解析氫氟酸與二氧化硅反應(yīng)生成四氟化硅和水，故HF可用于刻蝕玻璃，故A正確；鹽酸的酸性強(qiáng)于硅酸，所以向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀鹽酸可制備硅酸凝膠，故B正確；根據(jù)N的非金屬性強(qiáng)于Si及化合物中正負(fù)化合價(jià)的代數(shù)和為0的原則，得氮化硅的化學(xué)式為Si3N4，故C正確；晶體硅是良好的半導(dǎo)體材料，可以制成光電池，將光能直接轉(zhuǎn)化成電能，而不是二氧化硅，故D錯(cuò)誤。題組二工業(yè)上制取高純硅5．硅單質(zhì)及其化合物應(yīng)用范圍很廣。請(qǐng)回答下列問題：(1)制備硅半導(dǎo)體材料必須先得到高純硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)還原法是當(dāng)前制備高純硅的主要方法，生產(chǎn)過程示意圖如下：eq\x(石英砂)eq\o(→,\s\up7(焦炭),\s\do5(高溫))eq\x(粗硅)eq\o(→,\s\up7(HCl),\s\do5(573K以上))eq\x(SiHCl3粗)eq\o(→,\s\up7(精餾))eq\x(SiHCl3純)eq\o(→,\s\up7(H2),\s\do5(1357K))eq\x(高純硅)①寫出由純SiHCl3制備高純硅的化學(xué)反應(yīng)方程式：_____________________________________________________________________________________________________。②整個(gè)制備過程必須嚴(yán)格控制無水無氧。SiHCl3遇水劇烈反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì)，寫出并配平該反應(yīng)的化學(xué)方程式：__________________________________________；H2還原SiHCl3過程中若混有O2，可能引起的后果是________________________________________________________________________。(2)化學(xué)研究性學(xué)習(xí)小組在探究硅的制取方法時(shí)，從資料中查閱到下列信息：Ⅰ.Mg在高溫條件下可與SiO2反應(yīng)；Ⅱ.金屬硅化物與稀H2SO4反應(yīng)生成硫酸鹽和SiH4；Ⅲ.SiH4在空氣中自燃。他們根據(jù)信息進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)用足量稀H2SO4溶解第Ⅰ步實(shí)驗(yàn)獲得的固體產(chǎn)物時(shí)，發(fā)現(xiàn)有爆鳴聲和火花；然后過濾、洗滌、干燥；最后稱量、計(jì)算，測(cè)得其產(chǎn)率只有預(yù)期值的63%左右。①第Ⅰ步實(shí)驗(yàn)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是________________________________________________________________________________________________________________。②用稀H2SO4溶解第Ⅰ步實(shí)驗(yàn)獲得的固體產(chǎn)物時(shí)，產(chǎn)生爆鳴聲和火花的原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。答案(1)①SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up7(1357K))Si＋3HCl②SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl高溫條件下，H2遇O2發(fā)生爆炸(2)①2Mg＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))2MgO＋Si、2Mg＋Sieq\o(=,\s\up7(高溫))Mg2Si②硅化鎂與稀硫酸反應(yīng)生成的SiH4可自燃，即發(fā)生反應(yīng)Mg2Si＋2H2SO4=2MgSO4＋SiH4↑，SiH4＋2O2=SiO2＋2H2O解析(2)類似于鎂和二氧化碳的反應(yīng)，可生成單質(zhì)硅和氧化鎂；在高溫條件下，硅還能繼續(xù)與活潑金屬鎂化合，產(chǎn)生爆鳴聲和火花，說明生成氣體，應(yīng)為SiH4。1．(2019·全國卷Ⅰ，7)陶瓷是火與土的結(jié)晶，是中華文明的象征之一，其形成、性質(zhì)與化學(xué)有著密切的關(guān)系。下列說法錯(cuò)誤的是()A．“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色，來自氧化鐵B．聞名世界的秦兵馬俑是陶制品，由黏土經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成C．陶瓷是應(yīng)用較早的人造材料，主要化學(xué)成分是硅酸鹽D．陶瓷化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸堿侵蝕、抗氧化等優(yōu)點(diǎn)答案A解析“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色與氧化亞鐵有關(guān)，而氧化鐵顯紅棕色，A項(xiàng)錯(cuò)誤；秦兵馬俑是陶制品，由黏土經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，B項(xiàng)正確；陶瓷以黏土為原料，經(jīng)高溫?zé)贫?，屬于人造材料，主要成分是硅酸鹽，C項(xiàng)正確；陶瓷主要成分是硅酸鹽，硅酸鹽中硅元素化合價(jià)處于最高價(jià)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸堿侵蝕、抗氧化等優(yōu)點(diǎn)，D項(xiàng)正確。2．化學(xué)與生活密切相關(guān)。下列敘述錯(cuò)誤的是()A．高純硅可用于制作光感電池(2019·全國卷Ⅲ，7A)B．活性炭具有除異味和殺菌作用(2019·全國卷Ⅲ，7C)C．無水CoCl2呈藍(lán)色，吸水會(huì)變?yōu)榉奂t色，可用于判斷變色硅膠是否吸水(2019·天津，3D)D．天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅(2019·浙江4月選考，8C)答案B3．下列說法正確的是()A．漢代燒制出“明如鏡、聲如磬”的瓷器，其主要原料為黏土(2018·天津，1C)B．SiO2具有導(dǎo)電性，可用于制作光導(dǎo)纖維和光電池(2018·海南，5B)C．12g金剛石中含有化學(xué)鍵的數(shù)目為4NA(2018·海南，9A)D．SiO2熔點(diǎn)高硬度大，可用于制光導(dǎo)纖維(2018·江蘇，3B)答案A解析工業(yè)上以黏土為原料燒制瓷器，A項(xiàng)正確；二氧化硅對(duì)光具有良好的全反射作用，故用于制作光導(dǎo)纖維，而Si為半導(dǎo)體材料，可作光電材料，B項(xiàng)錯(cuò)誤；在金剛石中，1個(gè)C原子參與形成4個(gè)C—C鍵，則平均每個(gè)C原子形成4×eq\f(1,2)＝2個(gè)C—C鍵，n(金剛石)＝eq\f(12g,12g·mol－1)＝1mol，所以12g金剛石中含有2NA個(gè)化學(xué)鍵，C項(xiàng)錯(cuò)誤；SiO2作光導(dǎo)纖維是由于SiO2具有光學(xué)性質(zhì)，與熔點(diǎn)和硬度無關(guān)，D項(xiàng)錯(cuò)誤。4．下列有關(guān)硅及其化合物的敘述錯(cuò)誤的是()A．SO2通入Na2SiO3溶液產(chǎn)生膠狀沉淀，證明酸性H2SO3>H2SiO3(2017·北京，10D)B．可用磨