1、第10讲 无机非金属材料 的主角碳、硅,一、碳及其化合物 1.碳的单质 碳,教材研读,2.碳的氧化物,下列有关该方法的叙述中正确的是 ( ) 能耗大是该方法的一大缺点 整个过程中,只有一种物质可以循环利用 “反应分离”环节中,分离物质的基本操作是蒸发结晶、过滤 该方法可减少碳排放,捕捉到的CO2还可用来制备甲醇等产品 A. B. C. D.,自测1 “碳捕捉技术”是指通过一定的方法将工业生产中产生的CO2 分离出来并利用。如可利用NaOH溶液来“捕捉”CO2,其基本过程如 下图所示(部分条件及物质未标出)。,D,答案 D 该方法中高温反应炉中CaCO3分解产生CO2,需要消耗较 多能量;整个过
2、程中NaOH和CaO均可循环利用;从捕捉室中得到的 溶液中含有大量的Na2CO3,加入CaO后生成CaCO3和NaOH,通过过滤的 方法即可分离;捕捉到的CO2可与H2反应制备甲醇:CO2+3H2 CH3OH+H2O。,自测2 用四种溶液进行实验,下表中“操作及现象”与“溶液”对应 关系错误的是 ( ),B,答案 B 由于相同温度下,Na2CO3的溶解度大于NaHCO3的溶解度,因 此向饱和Na2CO3溶液中通入CO2,会析出NaHCO3晶体,A项正确;B项,CO2 +Na2SiO3+H2O Na2CO3+H2SiO3,CO2+Na2CO3+H2O 2NaHCO3, H2SiO3与CO2不反应
3、,浑浊不会消失;C项,CO2+Ca(ClO)2+H2O CaCO3+ 2HClO,溶液变浑浊后加入品红溶液,品红被HClO氧化而褪色;D项, 首先发生反应CO2+Ca(OH)2 CaCO3+H2O,继续通CO2,生成可溶于 水的Ca(HCO3)2,再加入足量的NaOH,发生反应2NaOH+Ca(HCO3)2 CaCO3+Na2CO3+2H2O,溶液又变浑浊。,二、硅及其化合物 (一)硅单质 1.结构及物理性质2.化学性质 硅的化学性质不活泼,常温下只能与F2、氢氟酸、强碱溶液反应;在加 热条件下,能与O2、Cl2等少数非金属单质化合。 写出下列相关反应的化学方程式:,3.工业制备 (1)制粗硅
4、: SiO2+2C Si+2CO (2)粗硅的提纯: Si+2Cl2 SiCl4 、 SiCl4+2H2 Si+4HCl,(二)硅的重要化合物 1.二氧化硅 SiO2 2.硅酸 H2SiO3,3.硅酸盐 (1)Na2SiO3 Na2SiO3的水溶液俗称 水玻璃 。 a.贮存:盛Na2SiO3溶液的试剂瓶不能用玻璃塞。 b.变质:Na2SiO3水溶液在空气中易变质,反应的离子方程式为 Si +CO2+H2O H2SiO3(胶体)+C 。 (2)硅酸盐的氧化物表示法 a.书写顺序: 低价 金属氧化物写在前, 高价 金属氧化物写 在后;活泼金属氧化物写在前,不活泼金属氧化物写在后。 b.书写原则:分
5、子中各原子数目比不变,各元素化合价 不变 且代,数和为零;若系数配置出现分数时应化为正整数。如长石(KAlSi3O8)可 表示为K2OAl2O36SiO2。,自测3 判断正误,正确的划“”,错误的划“”。 (1)Si和SiO2都用于制造光导纤维 ( ) (2)硅胶可用作食品干燥剂 ( ) (3)SiO2既能与KOH溶液反应又能与浓盐酸反应 ( ) (4)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( ) (5)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料 ( ) (6)粗硅 SiCl4 Si,各步转化均能一步实现 ( ) (7)SiO2可与HF反应,因而氢氟酸不能保存在玻璃瓶中
6、 ( ) (8)高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅 ( ) (9)硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中 ( ) (10)水玻璃可用于生产黏合剂和木材防火剂 ( ),自测4 (1)从在元素周期表的位置看,碳和硅均为A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? (2)从在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。,答案 (1)没有,因为硅有很强的亲氧性,易与氧结合,难分离,因而硅在自 然界中主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。 (2)2C+SiO2 Si+2CO,由于CO气体的逸出,促使反应正向进行。 三、无机
7、非金属材料 1.材料的分类,2.传统无机非金属材料,3.新型无机非金属材料,如 高温结构陶瓷 、 光导纤维 等。 主要特性:能承受高温、高强度;具有电学、光学特性;具有生物功能。,自测5 判断正误,正确的划“”,错误的划“”。 (1)玻璃是一种晶体,有较高的熔点 ( ) (2)水玻璃是一种特殊的玻璃,泡花碱属于碱 ( ) (3)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 ( ) (4)传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料( ) (5)新型无机非金属材料克服了传统无机非金属材料的许多缺点 ( ) (6)高温结构陶瓷材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密 度小
8、等优点 ( ),自测6 大多数物质的俗名是根据其特殊的物理性质或用途得来的。 下列物质的俗名与主要成分的化学式或用途不相符的一组是 ( ),A,答案 A 石英主要用于生产玻璃、光导纤维等,晶体硅用于制作集成 电路板。,考点突破,考点一 碳、硅及其化合物的性质,考点二 CO2与碱、盐的反应,1.碳和硅的单质都不溶于水和一般的溶剂,它们的熔、沸点都很高。 碳、硅的单质在常温下化学性质稳定,高温时活泼性增强,主要表现为 还原性,主要内容见下表。,考点一 碳、硅及其化合物的性质,2.二氧化碳与二氧化硅的比较,知识拓展 一、碳及其化合物的规律小结 1.除杂质 (1)CO中混有CO2,通过盛有NaOH溶液
9、的洗气瓶。 (2)CO2中混有CO,通过装有灼热CuO的硬质玻璃管。 (3)CO2中混有SO2、HCl,通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶。 2.CO2在自然界中的循环 (1)CO2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: 溶于江水、海水中:CO2+H2O H2CO3。 光合作用将CO2转化为O2。,岩石的风化:CaCO3+H2O+CO2 Ca(HCO3)2。 3.碳酸的酸式盐和正盐的比较 (1)在水中的溶解性 含K+、Na+、N 的正盐易溶于水,其余一般不溶于水;酸式盐均能溶 于水。 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(H
10、CO3)2CaCO3;可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度,如溶 解度Na2CO3NaHCO3。 (2)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 NaHCO3H2CO3。,可溶性正盐难溶性正盐,如CaCO3高温分解,而K2CO3不易分解。 二、碳、硅及其化合物的“反常现象” 1.一般情况下,非金属元素单质熔、沸点低,硬度小,但硅、金刚石熔、 沸点高,硬度大,其中金刚石为自然界中天然存在的硬度最大的物质。 2.一般情况下,非金属单质为绝缘体,但硅为半导体,石墨为电的良导 体。 3.一般情况下,较强氧化剂+较强还原剂 较弱氧化剂+较弱还原剂, 而碳却能还原出比它还原性
11、更强的物质:SiO2+2C Si+2CO,FeO+ C Fe+CO(因CO逸出降低了生成物浓度,使反应向右进行)。 4.非金属单质与碱反应一般是非金属单质既作氧化剂又作还原剂,且不 产生H2,如Cl2+2NaOH NaCl+NaClO+H2O,而Si与强碱溶液反应时Si,只作还原剂,且产生H2:Si+2NaOH+H2O Na2SiO3+2H2。 5.一般情况下,(较活泼)金属+(非氧化性)酸 盐+H2,非金属单质无此 性质。而硅不但能与氢氟酸反应,且有H2生成:Si+4HF SiF4+2H2。 6.一般情况下,碱性氧化物+酸 盐+水,SiO2是酸性氧化物,却能与氢 氟酸反应:SiO2+4HF
12、SiF4+2H2O(SiF4不属于盐)。 7.一般情况下,无机酸能溶于水,而H2SiO3(或H4SiO4)却难溶于水。 8.一般情况下,较强酸+较弱酸的盐 较弱酸+较强酸的盐(溶液中的 反应)。 因为H2CO3的酸性强于H2SiO3,所以水玻璃在空气中易变质:Na2SiO3+CO2+ H2O H2SiO3(胶体)+Na2CO3。,但在高温下,Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2也能发生(CO2离开反应体 系使反应向右进行)。 9.一般情况下,非常活泼的金属(Na、K等)才能够置换出水中的氢,但C 也能置换出H2O(g)中的H:C+H2O(g) CO+H2。 10.一般情况下,非金属氧
13、化物与水反应生成相应的酸,如CO2+H2O H2CO3,但SiO2不溶于水,也不与水反应。,典例1 (2017北京理综,6)古丝绸之路贸易中的下列商品,主要成分属于 无机物的是 ( ),A,答案 A 瓷器的主要成分是硅酸盐,属于无机物;丝绸的主要成分是蛋 白质,属于有机物;茶叶、中草药的主要成分是有机物。,1-1 二氧化硅(SiO2)又称硅石,是制备硅及其化合物的重要原料(如图 所示)。下列说法正确的是 ( )A.SiO2既能与HF反应,又能与NaOH反应,属于两性氧化物 B.盛放Na2CO3溶液的试剂瓶不能用玻璃塞 C.硅胶吸水后不能重复使用,D.图中所示转化反应都是氧化还原反应,B,答案
14、B A项,两性氧化物是指与酸和碱反应均生成盐和水的氧化物, SiO2与HF反应生成的SiF4不属于盐类;C项,吸水后的硅胶加热失水后可 以继续使用;D项,图中SiO2与碳酸钠的反应、硅酸的生成及硅酸分解等 均为非氧化还原反应。,1-2 某同学为了验证碳和硅两种元素非金属性的相对强弱,用下图所 示装置进行实验(夹持仪器已略去,气密性已检验)。实验操作步骤: .打开弹簧夹1,关闭弹簧夹2,并打开活塞a,滴加盐酸。,.A中看到白色沉淀时,关闭活塞a。 请回答: (1)B中反应的离子方程式是 。 (2)通过步骤、得知盐酸具有的性质是 (填字母)。 A.挥发性 B.还原性 C.氧化性 D.酸性 (3)C
15、装置的作用是 ,X是 (写化学式)。 (4)为了验证碳的非金属性强于硅,步骤中未写的操作和现象是 , D中反应的化学方程式是 。 (5)碳、硅的非金属性逐渐减弱的原因是 (从原子结构角度加以解释)。,答案 (1)CaCO3+2H+ Ca2+CO2+H2O (2)AD (3)除HCl气体 NaHCO3 (4)关闭弹簧夹1,打开弹簧夹2,当D中出现白色胶状沉淀后 Na2SiO3+ CO2+H2O H2SiO3+Na2CO3 (5)碳和硅位于同一主族,从上到下,原子半径逐渐增大,得电子的能力减 弱,非金属性减弱 解析 B中CaCO3与盐酸反应的离子方程式为CaCO3+2H+ Ca2+CO2+H2O,
16、此反应表明盐酸具有酸性;A中生成的白色沉淀是AgCl沉淀,表 明盐酸具有挥发性。C装置是用NaHCO3溶液除去CO2中混有的HCl气 体,以保证与Na2SiO3溶液反应生成白色胶状沉淀的是CO2;D中反应的化 学方程式为CO2+Na2SiO3+H2O H2SiO3+Na2CO3,该反应说明碳酸的酸性强于硅酸,则碳的非金属性强于硅。,1.CO2与碱溶液的反应 (1)反应原理 NaOH Na2CO3 NaHCO3 (2)反应后溶质成分的判断,考点二 CO2与碱、盐的反应,也可用数轴来表示:2.CO2与盐溶液的反应 (1)与NaAlO2溶液的反应 2Al +CO2(少量)+3H2O 2Al(OH)3
17、+C Al +CO2(过量)+2H2O Al(OH)3+HC (2)与Na2SiO3溶液的反应 Si +CO2(少量)+H2O H2SiO3(胶体)+C,Si +2CO2(过量)+2H2O H2SiO3(胶体)+2HC (3)往饱和Na2CO3溶液中通入CO2气体,反应为: Na2CO3+CO2+H2O 2NaHCO3 (4)往漂白粉溶液中不断通入CO2气体的反应为: Ca(ClO)2+CO2+H2O CaCO3+2HClO CaCO3+CO2+H2O Ca(HCO3)2,典例2 化学与社会、生活密切相关。对下列现象或事实的解释正确 的是 ( ),C,答案 C 生活中常用热的纯碱溶液洗去油污,
18、其原因不是Na2CO3与油 污直接发生反应,而是纯碱水解使溶液呈碱性,油污在碱性条件下水解 生成可溶于水的高级脂肪酸盐和甘油,A错误;漂白粉在空气中久置变 质,是因为发生了反应:Ca(ClO)2+CO2+H2O CaCO3+2HClO,2HClO2HCl+O2,B错误;K2CO3与NH4Cl混合使用,因发生相互促进的水 解反应生成NH3而降低肥效,C正确;FeCl3溶液可用于铜质印刷线路板制 作的反应原理是2FeCl3+Cu 2FeCl2+CuCl2,D错误。,2-1 标准状况下,将3.36 L CO2气体通入200 mL 1.00 molL-1 NaOH溶液 中,充分反应后溶液中c(C )与
19、c(HC )的比值为(不考虑C 、HC 的水解) ( ) A.11 B.12 C.21 D.13,B,答案 B n(CO2)= =0.15 mol,n(NaOH)=0.2 L1.00 molL-1= 0.20 mol, = = ,1 2,则反应产物为Na2CO3、 NaHCO3,设其物质的量分别为x、y,则 ,解得 , 所以 = 。,2-2 将足量的CO2不断通入KOH、Ba(OH)2、KAlO2的混合溶液中,生 成沉淀的物质的量与所通入CO2的体积关系如图所示。下列关于整个 反应过程中的叙述不正确的是 ( )A.Oa段反应的化学方程式是Ba(OH)2+CO2 BaCO3+H2O B.ab段与cd段所发生的反应是相同的 C.de段沉淀减少是由于BaCO3固体消失,D.bc段反应的离子方程式是2Al +3H2O+CO2 2Al(OH)3+C,B,答案 B CO2优先与Ba(OH)2反应(图像中Oa段),然后与KOH反应(图 像中ab段),接着与KAlO2反应(图像中bc段),再与K2CO3反应(图像中cd 段),最后与BaCO3反应(图像中de段)。,
