课题1　无机非金属材料课堂实录【1】

第12讲

碳、硅及无机非金属材料

考纲要求

1.了解C、Si元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。2.了解C、Si元素单质及其重要化合物对环境的影响。

考点一

碳及其重要化合物

1．碳单质

存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为同素异形体。

2．碳的氧化物(CO和CO2) (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=====2CO2，可作燃料。

b．还原性：CO还原Fe2O3的反应为3CO＋Fe2O3=====2Fe＋3CO2，可用于冶炼金属。

(2)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＋H2Ob．光合作用将CO2转化为O2；

c．岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2===Ca(HCO3)2。

3．碳酸(H2CO3) 弱酸、不稳定。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。

4．碳酸的酸式盐和正盐的比较

(1)在水中的溶解性

①含K、Na、NH4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)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。

(3)水溶液酸碱性

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。

(1)12C、13C、14C是碳的三种同素异形体(

) (2)金刚石和石墨由相同的元素组成，因此它们具有相同的性质(

) (3)石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应(

) (4)向空气中排放二氧化碳会形成酸雨(

) (5)向CaCl2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(

) (6)氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体(

) 答案

(1)×

(2)×

(3)×

(4)×

(5)×

(6)√

1314解析

(1)12C、C、C互称同位素，碳元素的三种常见的同素异形体为金刚石、石墨和C60。

＋＋＋点燃高温H2CO3；

(5)由于盐酸的酸性比碳酸的强，CO2与CaCl2溶液不反应。

确定混合气体(CO、CO2)中含有CO气体的实验设计方法。

按要求回答下列问题：

(1)写出下列装置的作用：

A：除去混合气体中的CO2气体。

B：检验混合气体中的CO2是否除尽。

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。

(2)写出C中的化学方程式：CO＋CuO=====△Cu＋CO2。

(3)确定混合气体中含有CO气体的实验现象：

B中无明显现象，C中的物质由黑色变成红色，D中的澄清石灰水变浑浊。

题组一

碳及其化合物对环境的影响

1．(2018·武汉模拟)碳循环(如图)对人类生存、发展有着重要的意义。下列说法错误的是(

A．碳是构成有机物的主要元素

B．光合作用是将太阳能转化为化学能的过程

C．化石燃料的大量燃烧是产生温室效应的原因之一

D．石油的年产量是一个国家石油化工发展水平的标志

答案

D 2．(2018·莆田模拟)化学与社会、科学、技术、环境密切相关。下列说法不正确的是(

A．T-碳是一种新型三维碳结构晶体，与C60互为同素异形体

B．推广利用CO2合成聚碳酸酯可降解塑料符合低碳经济理念

C．将金属钛、铝混合后在空气中熔化可制得强度较大的钛铝合金材料

D．为汽车安装尾气催化转化装置，可将尾气中的部分CO和NO转化为无毒气体

) )

答案

C 解析

B项，利用CO2合成聚碳酸酯类可降解塑料，实现“碳”的循环利用，减少二氧化碳的排放，故B正确；C项，在空气中加热熔化，金属易与氧气发生反应，所以不能直接在空气中制备钛铝合金，故C错误。

3．碳和碳的氧化物是生活中的常见物质，回答下列问题：

(1)下列有关说法正确的是________(填字母)。

a．利用二氧化碳制造全降解塑料，可以减缓二氧化碳对环境的影响

b．金刚石、石墨、C60的化学性质相似，物理性质却有很大差异

c．木炭、一氧化碳在一定条件下都能还原氧化铜

d．大气中二氧化碳的消耗途径主要是绿色植物的光合作用

(2)吸烟对人体有害，燃着的香烟产生的烟气含有一种能与血液中的血红蛋白结合的有毒气体，它是________(填化学式)。

(3)影视舞台上经常看到云雾缭绕，使人如入仙境的景象，产生这一景象可用的物质是________(填物质名称)。

(4)为减少二氧化碳对环境影响，可将二氧化碳与氢气在300 ℃、200 kPa和催化剂的条件下，反应生成一种清洁燃料甲醇(CH3OH)和水，其反应的化学方程式为

________________________________________________________________________。

答案

(1)abcd

(2)CO

(3)干冰

(4)CO2＋3H2==========CH3OH＋H2O 催化剂题组二

CO2通入碱溶液中反应产物的定量分析

4．(2018·吉林模拟)将足量CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量(n)和通入CO2体积(V)的关系正确的是(

) 300 ℃、200 kPa

答案

D 解析

CO2与KOH和Ca(OH)2都会反应，但存在着竞争，如果先与KOH反应，则反应后生成的K2CO3立即会与Ca(OH)2反应生成CaCO3，因此，可以看成CO2先与Ca(OH)2反应，所以通CO2后立即有CaCO3生成。第二步还要判断CO2是先跟KOH反应还是先与生成的CaCO3反应，同样可以采用假设法判断，即如果先与CaCO3反应，则生成的Ca(HCO3)2又会与KOH反应，因此是先与KOH反应，此过程生成沉淀的物质的量不变，当KOH反应完全，再与

CaCO3反应，直至沉淀完全溶解，故选D。

5．标准状况下，将3.36 L CO2气体通入200 mL 1.00 mol·L1NaOH溶液中，充分反应后溶液－2中c(CO23)与c(HCO3)的比值为( 不考虑CO3、HCO3的水解)(

) －－－－A．1∶1

B．1∶2

C．2∶1

D．1∶3 答案

B 3.36 L－解析

n(CO2)＝L1＝0.200 mol －1＝0.150 mol，n(NaOH)＝0.200 L×1.00 mol·22.4 L·mol＝0.2 mol4nNaOH＝，即1＜＜2，反应产物为Na2CO3、NaHCO3，设其物质的0.15 mol3nCO2－2x＋y＝0.2 molx＝0.05 molnCO213量分别为x、y，则，解得，所以－＝。

nHCO32x＋y＝0.15 moly＝0.10 mol

考点二

硅

无机非金属材料

一、硅单质

1．存在

硅单质主要有晶体和无定形两大类。

2．物理性质

带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。

3．化学性质

(1)常温下不活泼，一般不与其他物质反应，但可以与氟、氢氟酸、碱反应。反应的化学方程式分别为：

与氟：Si＋2F2===SiF4；

与氢氟酸：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；

与碱：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

(2)在加热或者点燃的条件下可以与氢气、氧气、氯气等反应，与氧气反应的化学方程式为Si＋O2=====SiO2。

二、二氧化硅

1．存在

自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石。

2．物理性质

熔点高，硬度大，难溶于水。

△

3．结构

SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。

4．化学性质

SiO2为酸性氧化物，是硅酸的酸酐。

(1)SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。

(2)在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钙反应的化学方程式为SiO2＋CaCO3=====CaSiO3＋CO2↑。

(3)在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为SiO2＋CaO=====CaSiO3。

(4)常温下与氢氟酸反应的化学方程式为SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

三、硅酸、硅酸盐

1．硅酸

(1)物理性质

硅酸的溶解度小，新制备的硅酸为透明、胶冻状，干燥硅胶多孔，吸水性和吸附性强。

(2)化学性质

①弱酸性：酸性比碳酸弱，与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。

②不稳定性：受热易分解，反应的化学方程式为

H2SiO3=====SiO2＋H2O。

(3)制备：通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得，如Na2SiO3溶液与盐酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3(胶体)。

(4)用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。

2．硅酸盐

(1)硅酸盐是由硅、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。

(2)硅酸钠：硅酸钠溶液俗称水玻璃，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。

△高温高温

四、无机非金属材料

1．传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。

(1)常见硅酸盐材料比较

生产原料

主要设备

(2)玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2=====CaSiO3＋CO2↑。

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。

五、复合材料

(1)概念：将两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而制成的一种新型材料。

(2)组成

①基体：在复合材料中起黏结作用。

②增强体：在复合材料中起骨架作用。

(3)分类

树脂基复合材料①按基体金属基复合材料陶瓷基复合材料高温高温水泥

石灰石、黏土

水泥回转窑

玻璃

纯碱、石灰石、石英

玻璃窑

陶瓷

黏土

陶瓷窑

颗粒增强复合材料②按增强体形状夹层增强复合材料纤维增强复合材料

(4)性能：既保持或发展了原来材料的长处，又能弥补原材料的不足

(1)硅在自然界中只以化合态的形式存在(

) (2)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料(

) (3)Si和SiO2都可用于制造光导纤维(

) (4)非金属性：C＞Si，则热稳定性：CH4＞SiH4(

) (5)硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应(

) (6)SiO2是酸性氧化物，可溶于强碱(NaOH)，不溶于任何酸(

) (7)玻璃是一种晶体，有较高的熔点(

) (8)水玻璃是一种特殊的玻璃，泡花碱属于碱(

) (9)玻璃钢是以玻璃纤维做增强体、合成树脂做基体的复合材料(

)

答案

(1)√

(2)×

(3)×

(4)√

(5)×

(6)×

(7)×

(8)×

(9)√

解析

(3)Si可用于制造半导体，SiO2用于制造光导纤维。

(6)SiO2可溶于氢氟酸：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。

(7)玻璃是非晶体，没有固定的熔点。

(8)水玻璃是Na2SiO3的水溶液。

1．硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。

(1)用Na2SiO3水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明Na2SiO3可用作________。Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得，高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是________。

A．普通玻璃坩埚

C．氧化铝坩埚

高温B．石英玻璃坩埚

D．铁坩埚

(2)工业上常利用反应2C＋SiO2=====Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中所含元素化合价升高的物质是________(填化学式，下同)，氧化剂是________。

答案

(1)防火剂

D

(2)C

SiO2

2．能否依据反应Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑说明H2SiO3的酸性比H2CO3强？

答案

不能。强酸＋弱酸盐===强酸盐＋弱酸，该规律仅适用于常温下水溶液中进行的反应，而该反应是在高温且熔融态下进行的，只能从化学平衡移动角度去解释反应发生的原因——CO2为气体，能及时分离出反应体系，使化学反应向右进行。

3．歌曲《青花瓷》中所描绘的“瓶身描绘的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案让人赏心悦目，但古瓷所用颜料的成分一直是个谜。近年来科学家才得知古瓷中所用的颜料大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox，铜的化合价为＋2)，其中x等于________，硅酸铜钡可用氧化物的形式表示为________________。

答案

6

BaO·CuO·2SiO2

硅酸盐写成氧化物形式的方法

(1)氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物间以“·”隔开。

(2)各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。

11(3)当计量数配置出现分数时应化为整数。如正长石：KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，22应写成K2O·Al2O3·6SiO2。

高温

题组一

硅和二氧化硅的性质

1．(2018·河南一模)下列关于二氧化硅的说法正确的是(

) A．二氧化硅是酸性氧化物，因此能与水反应生成硅酸

B．二氧化硅制成的光导纤维，由于导电能力强而被用于制造光缆

C．二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，但能与碳酸钠固体在高温时发生反应

D．用二氧化硅制取单质硅时，当生成2.24 L气体(标准状况)时，得到2.8 g硅

答案

C 解析

A项，二氧化硅是酸性氧化物，但是二氧化硅不溶于水，与水不反应，故A错误；B项，二氧化硅制成的光导纤维，由于其良好的光学特性而被用于制造光缆，故B错误；C项，碳酸的酸性强于硅酸，二氧化硅不能与碳酸钠溶液反应，高温时，能够与碳酸钠固体反应生成硅酸钠和二氧化碳，故C正确；D项，由方程式SiO2＋2C=====Si＋2CO↑，可知当生成2.24 L(标准状况)即0.1 mol气体时，得到0.05 mol 即1.4 g硅，故D错误。

2．(2018·哈师大附中、东北师大附中、辽宁省实验中学一模)下列说法不正确的是(

) A．SiO2能与HF反应，因此可用HF刻蚀玻璃

B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶

C．氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，化学式为Si3N4

D．石英是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能

答案

D 解析

A项，氢氟酸与二氧化硅反应生成四氟化硅和水，能腐蚀玻璃，可用于刻蚀玻璃，故A正确；B项，盐酸的酸性强于硅酸，所以向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶，故B正确；C项，根据化合物中正负化合价的代数和为0的原则，得氮化硅的化学式为Si3N4，故C正确；D项，晶体硅是良好的半导体材料，可以制成光电池，将光能直接转化成电能，而不是二氧化硅，故D错误。

3．(2018·宜昌期末)下列关于硅的说法不正确的是(

) A．硅是非金属元素，它的单质是灰黑色有金属光泽的固体

B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料

C．用二氧化硅制取单质硅的反应中硅元素被氧化

D．加热到一定温度时，硅能与氢气、氧气等非金属发生反应

答案

C 解析

A项，晶体硅的结构与金刚石类似，它是灰黑色有金属光泽的非金属固体，正确；B项，硅在元素周期表中处于金属和非金属的过渡位置，所以晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，正确；C项，硅元素由＋4价变为0价，被还原，错误；D高温

项，加热条件下，硅能与一些非金属、氧化物等反应，如硅能与氢气、氧气等非金属发生反应，正确。

题组二

无机非金属材料的性能及应用

4．(2018·福建龙岩教学质量检查)“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是(

)

A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐制品

B．制水泥的原料为纯碱、石灰石和石英

C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高

D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐

答案

C 解析

陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项错误；纯碱、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项错误；硅酸盐制品性质稳定、熔点高，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。

5．(2018·晋豫省际大联考)下列关于某博物院使用材料相关说法正确的是(

) A．展柜使用的钢化玻璃，其主要成分只有SiO2

B．墙体使用的砖瓦、水泥是硅酸盐制品

C．陈列的元青花瓷的原料有高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，也可以表示为Al2O3·SiO2·H2O D．展示的青铜器上有一层绿色物质可能是碱式碳酸铜，此绿色物质不溶于盐酸

答案

B 解析

钢化玻璃与普通玻璃的主要成分相同(只是制造的工艺不同)，主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，A项错误；砖瓦和水泥都是硅酸盐制品，B项正确；高岭土[Al2Si2O5(OH)4]应该表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，C项错误；铜绿是碱式碳酸铜，该物质可以与盐酸反应生成氯化铜而溶解，D项错误。