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1第四章常见的非金属及其化合物第1节碳、硅及无机非金属材料[高考导航]1．了解碳、硅单质及其化合物的主要性质及应用。2．了解碳、硅及其化合物对环境质量的影响。3．了解常见无机非金属材料的性质和用途。1．单质的存在形式、物理性质和用途碳硅存在形式游离态和化合态化合态单质的结构金刚石：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物理性质金刚石：熔点高、硬度大；石墨：硬度小、电的良导体晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、熔点高、硬度大，有脆性用途金刚石用于制造切割刀具，石墨用于制造电极、铅笔芯晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池2.化学性质碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。2问题1硅单质的特殊性(1)Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2C=====高温Si＋2CO↑。(2)非金属单质与碱液反应一般无H2放出，但Si与碱液反应却放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。(3)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但Si能与氢氟酸(HF)反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。(4)非金属单质大多为绝缘体，但Si为半导体。[对点练]1.常温下，下列不发生反应的一组物质是()①硅与NaOH溶液②硅与盐酸③硅与氢氟酸④二氧化硅与碳酸钠⑤二氧化硅与NaOH溶液A．①②B．③④C．②⑤D．②④解析：选D①中发生反应Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑；硅不与除氢氟酸外的其他酸反应，②不反应；③反应；④中二氧化硅与碳酸钠反应需要高温，常温下不反应；⑤中发生反应SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。问题2硅的工业制法(1)制取粗硅工业上，用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅：SiO2＋2C=====高温Si＋2CO↑。(2)粗硅提纯①Si＋2Cl2=====高温SiCl4，SiCl4＋2H2=====高温Si＋4HCl。②Si＋3HCl=====250～300℃Cu粉或Ag粉SiHCl3＋H2，SiHCl3＋H2=====1100～1200℃Si＋3HCl。(3)注意问题①用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。②粗硅中含碳等杂质，与Cl2反应生成的SiCl4中也含CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl43后，再用H2还原，得到高纯度硅。[对点练]2.获取知识和信息是现代人不可缺少的素质，信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动，信息产业的核心材料是高纯度单晶硅。下面是高纯度单晶硅的生产方法之一(方法一)：SiO2――→CSi(粗硅)――→HCl、Cl2SiHCl3(沸点31.5℃)――→H2Si――→气相沉积法高纯硅――→单晶硅。近代用得较多的另一种方法(方法二)：用金属硅化物(Mg2Si)与盐酸作用制得硅烷(SiH4)；再热分解硅烷可得高纯硅。(1)从方法一生产单晶硅的过程看，由碳还原得到的硅还要进一步处理的原因是______________________________________________________________________。(2)写出方法二中生产高纯硅的两个化学方程式为：①________________________________________________________________________；②________________________________________________________________________。解析：(1)根据方法一的生产流程，可得反应式：SiO2＋2C=====高温Si(粗硅)＋2CO↑，所得的粗硅中含有大量的其他杂质(如C、SiO2等)，没有实际应用价值，将粗硅用HCl、Cl2处理转化为沸点低的SiHCl3，化学方程式为Si＋Cl2＋HCl=====高温SiHCl3，低沸点的SiHCl3通过蒸馏极易分离提纯，然后将纯的SiHCl3在高温下用H2还原即可得到纯度高的Si蒸气：SiHCl3＋H2=====高温Si＋3HCl，再进行气相沉淀即可制得高纯度的硅，从而得到单晶硅。(2)Mg2Si与盐酸作用制得SiH4，根据原子守恒可知另一种生成物为MgCl2，其化学方程式为Mg2Si＋4HCl=====2MgCl2＋SiH4↑，再将SiH4进行热分解即可得到高纯硅和H2，其化学方程式为SiH4=====△Si＋2H2。答案：(1)由C还原SiO2得到的单质Si中，杂质含量过高，将它用HCl、Cl2处理得到低沸点的SiHCl3，便于蒸馏提纯，然后再还原得到高纯硅(2)①Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑②SiH4=====△Si＋2H21．下列说法正确的是()A．单质――→＋O2氧化物――→＋H2O酸或碱――→＋NaOH或HCl盐，碳或硅单质可以按上述关系进行转化B．若a、b、c分别为Si、SiO2、H2SiO3，则可以通过一步反应实现转化：bc―→aC．太阳能电池板中的硅在元素周期表中处于金属元素与非金属元素的交界位置D．单质硅常用于制造光导纤维解析：选CA项，SiO2不与H2O反应；B项，b―→c，c―→a均不能通过一步反应实现转化；D项，用于制造光导纤维的是SiO2，而非单质硅。2．半导体工业中，有一句行话：“从沙滩到用户”，即由SiO2制取Si。制取过程中不涉及的化学反应是()4A．2C＋SiO2=====高温Si＋2CO↑B．SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2OC．Si＋2Cl2=====△SiCl4D．SiCl4＋2H2=====高温Si＋4HCl解析：选B工业制取纯硅的工艺流程为：SiO2――→C粗硅――→Cl2SiCl4――→H2纯硅，该工艺流程中不涉及SiO2与NaOH溶液的反应。3．在①浓HNO3②水③浓H2SO4④氢氟酸⑤NaOH溶液中，能与单质硅起化学反应的是()A．①②B．②④C．④⑤D．③④解析：选CSi与水、浓H2SO4、浓HNO3均不发生反应，但Si能与氢氟酸、NaOH溶液反应放出H2。1．一氧化碳(1)物理性质：无色气体，有毒，不溶于水。(2)化学性质：①燃烧：2CO＋O2=====点燃2CO2。②还原CuO：CO＋CuO=====△Cu＋CO2。2．二氧化碳和二氧化硅的比较物质二氧化硅(SiO2)二氧化碳(CO2)结构空间网状立体结构，不存在单个分子存在单个CO2分子主要物理性质硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水化学性质①与水反应不反应CO2＋H2OH2CO3②与酸反应只与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O不反应③与碱(NaOH)液反应SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2OCO2少量：CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2OCO2足量：CO2＋NaOH===NaHCO3④与盐反应如与Na2CO3反应：SiO2＋Na2CO3=====高温Na2SiO3＋CO2↑如与Ca(ClO)2反应：Ca(ClO)2＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO5⑤与碱性氧化物反应如与CaO反应：SiO2＋CaO=====高温CaSiO3如与Na2O反应：CO2＋Na2O===Na2CO3用途光导纤维、光学仪器、电子部件制饮料、制碳酸盐问题含硅化合物的特殊性(1)SiO2是H2SiO3的酸酐，它不溶于水，不能(填“能”或“不能”)直接与水作用制备H2SiO3。(2)酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2能与HF反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。(3)无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水。(4)因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下SiO2＋Na2CO3=====高温Na2SiO3＋CO2↑也能发生。[对点练]下列有关硅及其化合物的说法中正确的是()A．H2SiO3可使紫色石蕊试液变红B．SiO2属于酸性氧化物，所以玻璃瓶可以盛放任何酸性溶液C．用SiO2制取H2SiO3，应先使SiO2与NaOH溶液反应，然后再通入CO2D．由Na2CO3＋SiO2=====高温CO2↑＋Na2SiO3可知H2SiO3的酸性强于H2CO3解析：选CA项，H2SiO3不溶于水，不能使指示剂变色，错误；B项，SiO2可与HF反应，所以玻璃瓶不能盛放氢氟酸，错误；D中的反应不是在水溶液中进行的，且产物中有气体生成，与酸性强弱无关，所以D错误。角度一SiO2的性质1．二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。a～e是对①～⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行判断，其中正确的是()①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O②SiO2＋2C=====高温Si＋2CO↑③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O④Na2CO3＋SiO2=====高温Na2SiO3＋CO2↑⑤SiO2＋3C=====高温SiC＋2CO↑a．反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃b．反应②中SiO2表现出氧化性c．反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性d．反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性酸酐的道理e．反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应A．a、c、eB．b、d、e6C．c、d、eD．a、b解析：选B通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是③，因此a、c判断错误；反应②是一个置换反应，其中SiO2被还原，表现出氧化性，b判断正确；反应④是一个复分解反应，用难挥发的SiO2制取易挥发的CO2，d判断正确；反应⑤中碳的化合价由0价变为－4价和＋2价，硅的化合价和氧的化合价都没有改变，因此SiO2没有参加氧化还原反应，e判断也正确。2．玻璃的主要成分中含SiO2，以下物质必须贮存在带有橡胶塞的玻璃试剂瓶中的是________________________________________________________________________。①KOH溶液②饱和Na2CO3溶液(碱性溶液)③盐酸④水玻璃(Na2SiO3的水溶液)⑤NaOH溶液⑥氢氟酸⑦澄清石灰水⑧硝酸解析：SiO2是酸性氧化物，能与碱反应，若用玻璃塞的试剂瓶盛碱性溶液，SiO2会与碱反应，生成的硅酸盐能粘住瓶塞而不易打开。SiO2与硝酸和盐酸不反应，而氢氟酸能腐蚀玻璃，不能用玻璃试剂瓶盛装。答案：①②④⑤⑦3．如何用所提供的试剂和方法除去各粉末状混合物中的杂质(括号内为杂质)。将所选答案的编号填入下表相应的空格内(如果不需要外加试剂，则对应答案栏可不填写)。可供选择的试剂：A.盐酸B．NaOH溶液C．氧气D．水E．二氧化碳可选用的操作：①水洗；②加热；③高温灼烧；④过滤；⑤结晶。粉末状混合物选择的试剂选用的操作(1)CaCO3(SiO2)(2)SiO2(NaHCO3)(3)SiO2(Fe2O3)(4)SiO2(H2SiO3)解析：(1)SiO2与NaOH溶液反应生成可溶性的Na2SiO3，而CaCO3与NaOH溶液不反应，加入NaOH溶液后过滤可得CaCO3。(2)NaHCO3溶于水而SiO2不溶，加水后过滤可除去SiO2中的NaHCO3。(3)Fe2O3能溶于盐酸而SiO2不溶，用盐酸溶解后过滤可得SiO2。(4)H2SiO3加强热能分解为SiO2。答案：(1)B④(2)D④(3)A④(4)③角度二二氧化碳的性质4．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()选项操作及现象溶液A通入CO2，溶液变浑浊饱和Na2CO3溶液B通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失Na2SiO3溶液C通入CO2，溶液变浑浊，再加入品红溶液，红色褪去Ca(ClO)2溶液D通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失，再加入足量NaOH溶液，又变浑浊澄清石灰水解析：选BA项，由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3的溶解度，Na2CO3＋CO2＋H2O=