2019届一轮复习全国通用版4-1碳、硅及其化合物学案

2019届一轮复习全国通用版4-1碳、硅及其化合物学案

第 章　非金属及其化合物 第一节　碳、硅及其化合物 考纲定位 全国卷 5 年考情 1.掌握碳、硅单质及其重要化合 物的主要性质及应用。 2．了解碳、硅单质及其重要化 合物对环境质量的影响。 3．了解常见的无机非金属材料。 4．了解碳、硅及其重要化合物 的制备方法。 2017 年：Ⅱ卷 T13(B)、T26(2)；Ⅲ卷 T11(C)、T27(2) 2016 年：Ⅱ卷 T7；Ⅲ卷 T7(D) 2015 年：Ⅰ卷 T26；Ⅱ卷 T7(A)、T13(D) 2014 年： Ⅰ卷 T8(A、C)、T13(D)；Ⅱ卷 T7(A、D)、T9(B)、T10(C) 2013 年：Ⅰ卷 T7(D)；Ⅱ卷 T9(B)、T10(C) 考点 1| 碳、硅及其氧化物 (对应学生用书第 62 页) [考纲知识整合] 1．碳、硅单质的存在形式 碳 硅 存在形式 既有游离态，又有化合态 因有亲氧性，所以仅有化合态 单质 金刚石、石墨、C60 等同素异形 体 晶体硅和无定形硅两大类 2. 碳、硅单质的结构、物理性质与用途 (1)碳、硅单质的结构 金刚石：空间网状结构；石墨：层状结构； 晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构。 (2)碳、硅的物理性质和用途(用短线连接起来)： 【提示】　①—c　②—a　③—e　④—b　⑤—d 3．碳、硅的化学性质(写出有关化学方程式) (1)碳的化学性质 (2)硅的化学性质 ①与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。 ②与 NaOH 溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 ③与 O2 反应：Si＋O2 ===== △ SiO2。 4．工业制备纯硅(写出有关化学方程式) 提醒：(1)自然界中没有游离态硅，工业上常用焦炭在电炉中还原 SiO2 得到粗 硅。　(2)Si 的还原性强于 C，但 C 能还原 SiO2 生成 Si，且氧化产物为 CO： 2C＋SiO2 ===== 高温 Si＋2CO↑，其原因是产物 CO 为气体，它的放出降低了生 成物浓度，促使反应向正反应方向进行。且该反应必须在隔绝空气的条件下 进行。 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血 红蛋白相结合，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：2CO＋O2 ===== 点燃 2CO2，可作燃料。 b．还原性：CO 还原 Fe2O3 的反应为 3CO＋Fe2O3 ===== 高温 2Fe＋3CO2，可用于 冶炼金属。 (2)CO2 与 SiO2 性质的比较 ①共性 均属于酸性氧化物，均能与碱、金属氧化物反应，写出二者与 NaOH 溶液(足 量)反应的离子方程式：CO2＋2OH－===CO2－3 ＋H2O、SiO2＋2OH－===SiO2－3 ＋ H2O；二者与 CaO 反应的化学方程式：CO 2＋CaO===CaCO3、SiO2＋CaO ===== 高温 CaSiO3。 ②差异性 a．SiO2 与氢氟酸反应的化学方程式：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。 b．SiO2 与 Na2CO3、CaCO3 的反应——工业制玻璃 SiO2＋Na2CO3 ===== 高温 Na2SiO3＋CO2↑； SiO2＋CaCO3 ===== 高温 CaSiO3＋CO2↑。 c．CO2 与 H2O 反应的化学方程式：CO2＋H2O H2CO3。 d．SiO2 为高硬度、高熔沸点的固体，不溶于水，而 CO2 为低熔沸点的气体， 可溶于水。 (3)SiO2 与 CO2 的用途 ①CO2：制饮料、碳酸盐，干冰用作制冷剂，作灭火剂，干冰用于人工降雨。 ②SiO2：光导纤维、制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。 (4)CO2 的制法 用大理石与稀盐酸或稀硝酸发生反应的离子方程式： CaCO3＋2H＋===Ca2＋＋CO2↑＋H2O。 提醒：(1)CO2 与水反应生成碳酸，但 SiO2 不溶于水，不能用 SiO2 与水反应 制备硅酸。　(2)SiO2 既能与 HF 反应，又能与 NaOH 溶液反应，但 SiO2 不是 两性氧化物。　(3)不能利用大理石与稀 H2SO4 反应制 CO2，因为 CaCO3 与 H2SO4 反应生成的 CaSO4 微溶，覆盖在 CaCO3 的表面，阻止反应的继续进行。 [高考命题点突破] 命题点 1　碳及其氧化物的主要性质及其探究 1．下列说法正确的是________(填序号)。 (1)(2017·全国Ⅲ卷)燃煤中加入 CaO 可以减少酸雨的形成及温室气体的排放 (2)(2016·全国Ⅱ卷)燃料燃烧产物 CO2 是温室气体之一 (3)(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 CO2－3 (4)(2016·四川高考)标准状况下，5.6 L CO2 气体中含有氧原子数为 0.5NA (5)(2016·海南高考)将澄清石灰水滴入某溶液证明其中存在 CO2－3 (6)(2014·全国Ⅱ卷)利用如图装置除去 CO 气体中的 CO2 气体 (7)(2015·江苏高考)元素碳的单质只存在金刚石和石墨两种同素异形体 (8)(2013·江苏高考)甲、乙、丙均含有相同的某种元素，它们之间具有转化关 系：甲 ― ― →丁 乙 丁 甲 丙，若甲为焦炭，则丁可能是 O2 (9)(2017·全国Ⅲ卷)含石墨烯的电极中石墨烯作用主要是提高电极的导电性 【答案】　(2)(4)(8)(9) 2．甲气体可发生如下变化： 甲气体 ― ― ― ― ― ― ―→通过灼热的炭层 乙气体 ― ― ― ― ― ― ― ― →通过灼热的炭层 丙气体 ― ― ― ― ― ― ―→通过灼热的CuO 乙气体 ― ― ― ― ― ― ― ― →通过澄清石灰水 丁固体。则甲、 乙、丙、丁分别为(　　) 【导学号：97500063】 A．CO2、CO、O2、CaO B．O2、CO、CO2、CaCO3 C．O2、CO2、CO、CaCO3 D．CO、CO2、O2、Ca(OH)2 C　[根据实验过程中的现象可依次确定丁为 CaCO3，乙为 CO2，丙为 CO， 甲为 O2。] 3．(2018·信阳模拟)为检验二氧化碳气体中是否混有一氧化碳，某课外兴趣小组 的同学设计了如图所示的实验装置： 根据装置回答问题： (1)A 装置的作用是________________________________________________。 (2) 实 验 后 通 过 ________ 处 理 尾 气 ， 发 生 反 应 的 化 学 方 程 式 为 ________________________________________________________________。 (3)若实验时观察到________________________________________________ ________________________________________________________________， 则证明原气体中一定含有一氧化碳。 【解析】　(1)除去混合气体中的 CO2 时，可先将混合气体通入盛有浓 NaOH 溶液的洗气瓶中，故 A 装置的作用是吸收 CO2，以排除对下面实验的干扰。 (2)CO 有毒，故将 CO 点燃生成 CO2 才能排放到空气中。 (3)CO 还原 CuO 的实验现象是黑色粉末变成红色，故利用这一现象来证明原 气体中一定含有 CO。 【答案】　(1)吸收 CO2 (2)点燃　2CO＋O2 ===== 点燃 2CO2 (3)B 中无明显现象，装置 C 中黑色粉末变成光亮的红色，D 中澄清石灰水变 浑浊 [方法技巧]　确认混合气体(CO、CO2)中含有CO气体的实验设计方法 各装置的作用是： A——除去混合气体中的 CO2 气体 B——检验混合气体中 CO2 是否除尽 C——CO 还原 CuO：CO＋CuO ===== △ Cu＋CO2 D——验证 CO 的氧化产物 CO2 E——除去尾气中的 CO2 气体 F——除去尾气中的 CO 气体，防止污染环境 确定混合气体中含有 CO 气体的实验现象是： C 中的物质由黑色变成光亮的红色，B 中无明显现象，D 中的澄清石灰水变浑浊。 　写出除去下列气体中混有的杂质(括号内为杂质)可采取的方法。 (1)CO(CO2)：_____________________________________________________。 (2)CO2(CO)：______________________________________________________。 (3)CO2(O2)：______________________________________________________。 (4)CO2(SO2)：_____________________________________________________。 (5)CO2(HCl)：_____________________________________________________。 【答案】　(1)通过盛有浓 NaOH 溶液的洗气瓶　(2)通过盛放灼热 CuO 的硬 质玻璃管　(3)通过盛放灼热铜网的硬质玻璃管　(4)通过盛有饱和 NaHCO3 溶 液或酸性 KMnO4 溶液的洗气瓶　(5)通过盛有饱和 NaHCO3 溶液的洗气瓶 命题点 2　硅及其氧化物的主要性质及应用 4．下列说法正确的是________(填序号)。 (1)(2016·全国Ⅲ卷)因为 HF 与 SiO2 反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记 (2)(2016·江苏高考)下列转化在一定条件下能够实现：SiO 2 ― ― →HCl(aq) SiCl4 ― ― →H2 高温 Si (3)Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→SiO 2－3 均能一步转化 (4)(2016·上海高考)用 NaOH 溶液不能分离氧化铁中混有的二氧化硅 (5)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O 体现了 SiO2 为酸性氧化物的性质 (6)硅的最高价氧化物可用于制造光导纤维，光导纤维能导电 (7)(2015·安徽高考)SiO2 既能和 NaOH 溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以是 两性氧化物 (8)(2014·海南高考)Si 和 SiO2 都用于制造光导纤维 (9)(2013·广东高考)SiO2 可与 HF 反应，因而氢氟酸不能保存在玻璃瓶中 (10)存放 NaOH 溶液的试剂瓶应用橡皮塞，不用玻璃塞的理由是玻璃中含有 的 SiO2 与 NaOH 反应生成 Na2SiO3 【答案】　(1)(5)(9)(10) 5．(2018·临沂模拟)据报道，科学家通过对稻壳进行控制性焚烧热解，从中提取 一种叫作生物质纳米结构二氧化硅的超高活性材料，将少量这种材料掺入混 凝土中，即可制备出超高强度的高性能混凝土。下列关于二氧化硅的说法正 确的是(　　) A．二氧化硅溶于水生成硅酸，所以二氧化硅属于酸性氧化物 B．将二氧化碳通入硅酸钠溶液中可以得到硅酸 C．因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸的酸性比碳 酸强 D．水晶是比较纯净的二氧化硅，沙子的主要成分是硅酸盐 B　[A 项，SiO2 与 H2O 不反应；C 项，H2SiO3 酸性比 H2CO3 弱；D 项，沙子 的主要成分为 SiO2。] [易错防范]　SiO2的特性认识误区 (1)一般情况下，碱性氧化物与酸反应，酸性氧化物与碱反应，不与酸反应，但 SiO2 是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，所以不能用 玻璃容器盛放氢氟酸，可以用氢氟酸刻蚀玻璃。 (2)一般情况下，酸性氧化物与水反应能生成相应的酸，如 CO2＋H2OH2CO3， 但 SiO2 不溶于水，不与水反应。 (3)一般情况下，因为碳酸的酸性比硅酸强，可发生反应，如 Na2SiO3＋CO2＋ H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，即符合“较强酸制较弱酸”的复分解反应规律。而 SiO2 与 Na2CO3、CaCO3 高温可以发生反应：Na2CO3＋SiO2 ===== 高温 Na2SiO3＋ CO2↑(原理是：难挥发性物质制备易挥发性物质)。 命题点 3　CO2 与碱反应的产物判断 6．往 100 mL NaOH 溶液中通入 CO2，充分反应后，在减压和较低温度下，小心 将溶液蒸干，得白色固体 M。通入 CO2 的体积 V(CO2)/mL(标准状况下，下同) 与 M 的质量 W/g 的关系如图。 【导学号：97500064】 (1)A 点时，白色固体 M 的化学式为________，通入 CO2 的体积为________mL。 (2)C 点时，白色固体 M 的化学式为________，通入 CO2 的体积为________mL。 (3)推算 B 点时 M 的组成________(用化学式表示)及通入 CO 2 气体的体积为 ________mL。 【解析】　首先 NaOH 转化为 Na2CO3，继续通 CO2 又转化为 NaHCO3，结合 图形得出：A 点 M 为 Na2CO3，V(CO2)＝1 120 mL；C 点 M 为 NaHCO3，V(CO2) ＝2 240 mL；B 点为 Na2CO3 和 NaHCO3 的混合物，由守恒法求出 V(CO2)＝1 792 mL。 【答案】　(1)Na2CO3　1 120　(2)NaHCO3　2 240 (3)Na2CO3 和 NaHCO3　1 792 [方法技巧]　CO2与强碱(OH－)反应的产物判断技巧 当 n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下： 7．硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题： (1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前 制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下： 石英砂 ― ― →焦炭 高温 粗硅 ― ― →HCl 573 K以上SiHCl3(粗) ― ― →精馏 SiHCl3(纯) ― ― →H2 1 357 K 高 纯硅 ①写出由纯 SiHCl3 制备高纯硅的化学反应方程式：_____________________ ________________________________________________________________。 ②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3 遇水剧烈反应生成 H2SiO3、 HCl 和另一种物质，写出配平的化学反应方程式：______________________ ________________________________________________________________； H2 还 原 SiHCl3 过 程 中 若 混 有 O2 ， 可 能 引 起 的 后 果 是 ______________________ ________________________________________________________________。 (2)化学研究性学习小组在探究硅的制取方法时，从资料查阅到下列信息： Ⅰ.Mg 在高温条件下可与 SiO2 反应； Ⅱ.金属硅化物与稀 H2SO4 反应生成硫酸盐和 SiH4； Ⅲ.SiH4 在空气中自燃 他们根据信息进行实验，当用足量稀 H2SO4 溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物 时，发现有爆鸣声和火花；然后过滤、洗涤、干燥；最后称量、计算，测得 其产率只有预期值的 63%左右。 ①第Ⅰ步实验发生反应的化学方程式是_______________________________ ________________________________________________________________。 ②用稀 H2SO4 溶解第Ⅰ步实验获得固体产物时，产生爆鸣声和火花的原因是 _________________________________________________________________ ________________________________________________________________。 【解析】　在 SiHCl3 中，把硅考虑为＋4 价，则氢为－1 价，氯为－1 价， SiHCl3 水解时，－1 价氢还原水中＋1 价的氢，生成氢气。 【答案】　(1)①SiHCl3＋H2 =====1 357 K Si＋3HCl ②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl　高温下，H2 遇 O2 发生爆炸 (2)①2Mg＋SiO2 ===== 高温 2MgO＋Si、2Mg＋Si ===== 高温 Mg2Si ② 硅 化 镁 与 稀 硫 酸 反 应 生 成 的 SiH4 可 自 燃 ， 即 发 生 反 应 Mg2Si ＋ 2H2SO4===2MgSO4＋SiH4↑，SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O [思维建模]　工业制硅的一般流程 考点 2| 硅酸及其盐和无机非金属材料 (对应学生用书第 65 页) [考纲知识整合] 1．硅酸的性质、制备与应用(写出有关的化学方程式) 提醒：硅胶制备 硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶，经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶，称 为硅胶。 2．硅酸盐 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。 (1)硅酸钠 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．与少量 SO2 的水溶液反应的离子方程式： SiO2－3 ＋SO2＋H2O===H2SiO3↓＋SO2－3 。 ③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。 (2)硅酸盐的组成 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，长石(K2Al2Si6O16)可表示为 K2O·Al2O3·6SiO2。 提醒：(1)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。　(2)硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐是 硅酸钠，其水溶液称为泡花碱或水玻璃，但却是盐溶液。硅胶(mSiO2·nH2O) 是一种很好的无毒干燥剂。 3．无机非金属材料 (1)传统无机非金属材料 水泥 玻璃 陶瓷 生产原料 黏土、石灰石 纯碱、石灰石、石英 黏土 主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑 生产条件 高温 (2)新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷 等。 (3)特殊功能的含硅物质 ①碳化硅具有金刚石结构，可用作磨料。 ②含硅元素 4%的硅钢具有导磁性。 ③硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。 提醒：玻璃生产中的两个重要反应： Na2CO3＋SiO2 ===== 高温 Na2SiO3＋CO2↑； CaCO3＋SiO2 ===== 高温 CaSiO3＋CO2↑。 [高考命题点突破] 命题点 1　硅酸及其盐和无机非金属材料 1．下列说法正确的是________(填序号)。 (1)(2016·全国Ⅲ卷)HF 与 SiO2 反应实际应用是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记 (2)(2015·全国Ⅱ卷)硅胶可用作食品干燥剂 (3)(2014·全国Ⅰ卷)如图：①中为浓硝酸，②中为 Na2CO3，③中为 Na2SiO3 溶 液，可证明酸性：硝酸＞碳酸＞硅酸 (4)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料 (5)陶瓷、水晶、水泥、玻璃都属于硅酸盐 (6)(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 (7)(2016·四川高考)pH＝2 的溶液中可能大量存在 Na＋、NH＋4 、SiO2－3 (8)(2016·江苏高考)向 Na2SiO3 溶液中滴加稀盐酸的离子方程式：Na2SiO3＋ 2H＋===H2SiO3↓＋2Na＋ (9)(2015·山东高考)向 Na 2SiO3 溶液中通入过量 SO2 的离子方程式：SiO2－3 ＋ SO2＋H2O===H2SiO3↓＋SO2－3 (10)(2015·重庆高考)烧结黏土制陶瓷，不涉及化学反应 【答案】　(1)(2)(6) 2．青石棉是一种致癌物质，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 HNO3 溶液处理时，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材料 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·Fe 2O3·8SiO2·H2O D．1 mol 青石棉能使 1 mol HNO3 被还原 B　[青石棉是一种硅酸盐，Si 元素以盐的形式存在，不含有 SiO2 晶体。] [方法技巧]　硅酸盐氧化物形式的表示方法 (1)氧化物的一般书写顺序：活泼金属氧化物―→较活泼金属氧化物―→二氧化 硅―→水。 (2)氧化物前计量数的配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守 恒原则配置计量数，且不同氧化物间以“·”隔开。 (3)当计量数配置出现分数时一般应化为整数。如正长石 KAlSi3O8：将1 2K2O· 1 2 Al2O3·3SiO2，写成 K2O·Al2O3·6SiO2，但原子个数比不变。 命题点 2　硅及其化合物的转化关系及应用 3．SiO2 是一种化工原料，可以制备一系列物质。下列说法正确的是 (　　) 【导学号：97500065】 A．图中所有反应都不属于氧化还原反应 B．硅酸盐的化学性质稳定，常用于制造光导纤维 C．可用盐酸除去石英砂(主要成分为 SiO2)中少量的碳酸钙 D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的，其熔点很高 C　[图中 SiO2 与 CaO、CaCO3、Na2CO3 反应不属于氧化还原反应，SiO2 与 C、Si 与 Cl2、SiCl4 与 H2 的反应属于氧化还原反应，A 错误；光导纤维的主 要成分是 SiO2 而不是硅酸盐，B 错误；玻璃没有固定的熔点，D 错误。] 4．已知 A 是灰黑色的、有金属光泽的固体单质。根据如图所示的物质之间的转 化关系，回答下列有关问题。 (1)写出 B、C 两物质的名称：B________、C________。 (2)写出 D→B 的化学方程式：_______________________________________ ________________________________________________________________。 (3)写出 B→C 的离子方程式：_______________________________________ ________________________________________________________________。 (4)(2017·全国Ⅱ卷)D 不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式 为______________________________________________________________ ________________________________________________________________。 【解析】　由题意知：A 为 Si，B 为 Na2SiO3，C 为 H2SiO3，D 为 SiO2。 【答案】　(1)硅酸钠　硅酸　(2)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　(3)SiO2－3 ＋H2O＋CO2===CO2－3 ＋H2SiO3↓ (4)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O [题后归纳]　硅及其化合物之间的常见转化关系