2018届高考化学：第12讲-碳、硅及其化合物ppt课件.ppt

专题二 元素及其化合物 第 12 讲　 碳、硅及其化合物 复习目标 1. 了解 C 、 Si 单质及其重要化合物的主要性质及应用。 2. 了解 Si 、 SiO 2 的结构特点，了解 Si 的制备方法。 3. 了解硅酸盐工业，了解无机非金属材料和新型无机非金属材料。 知识网络 知识网络 1. 碳及其化合物转化关系 2. 硅及其化合物转化关系 问题思考 问题 1 ： 为什么不能用带有玻璃塞的玻璃瓶装碱液？ 问题 2 ： 粗硅提纯的常见方法有哪些？ 1. ( 全国各地高考试题汇集 ) 判断下列说法的正误，正确的打 “√” ，错误的打 “ ×” 。 (1) Si 和 SiO 2 都用于制造光导纤维 ( 　　 ) [ 解析 ] 　 SiO 2 用于制造光导纤维， Si 用于制造半导体材料。 (2) NH 4 F 水溶液中含有 HF ，因此 NH 4 F 溶液不能存放于玻璃试剂瓶中 ( 　　 ) [ 解析 ] 　 NH 4 F 水解产生 HF ， HF 易和玻璃中的 SiO 2 反应，所以 NH 4 F 溶液不能存放于玻璃试剂瓶中。 (3) 合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料 ( 　　 ) [ 解析 ] 　合成纤维不是无机非金属材料，而是有机物。 × √ × (4) 漂白粉、石英都属于纯净物 ( 　　 ) [ 解析 ] 　漂白粉是次氯酸钙和氯化钙的混合物，石英的主要成分是二氧化硅。 (5) 因为晶体硅熔点高、硬度大，所以可用于制作半导体材料 ( 　　 ) [ 解析 ] 　晶体硅可用于制作半导体材料是因为其位于金属与非金属交界处。 (6) 二氧化硅不与强酸反应，可用石英器皿盛放氢氟酸 ( 　　 ) [ 解析 ] 　二氧化硅不与强酸反应，但 HF 能与石英的成分 SiO 2 发生反应 SiO 2 ＋ 4HF===SiF 4 ↑ ＋ 2H 2 O ，所以石英容器不能存放氢氟酸。 × × × (7) 浓硫酸可刻蚀石英制艺术品 ( 　　 ) [ 解析 ] 　浓硫酸不与石英的成分二氧化硅发生反应，而二氧化硅与氢氟酸反应： SiO 2 ＋ 4HF===SiF 4 ↑ ＋ 2H 2 O ，所以工艺师用氢氟酸刻蚀石英制作艺术品。 (8) 用含硅胶、铁粉透气小袋与食品一起密封保存过程中没有化学变化 ( 　　 ) [ 解析 ] 　硅胶具有吸水性，可防止食品受潮，属于物理变化；铁粉可防止食品被氧化，属于化学变化。 (9) HF 能与 SiO 2 反应，所以氢氟酸能在玻璃器皿上刻蚀标记 ( 　　 ) × × √ (10) 硬度比较：晶体硅 < 金刚石 ( 　　 ) [ 解析 ] 　晶体硅与金刚石都为原子晶体，原子半径碳小于硅，键长 C—C ＜ Si — Si ，键长越短，键能越大，则硬度越大。 (11) 烧结黏土制陶瓷不涉及化学反应 ( 　　 ) [ 解析 ] 　制陶瓷的原料是黏土，发生化学变化生成硅酸盐产品。 (12) SiO 2 既能和氢氧化钠溶液反应又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物 ( 　　 ) [ 解析 ] 　二氧化硅可以与碱反应生成盐和水，因此二氧化硅是酸性氧化物，二氧化硅能和氢氟酸反应是二氧化硅的特性。 √ × × (13) 可用磨口玻璃瓶保存 NaOH 溶液 ( 　　 ) [ 解析 ] 　玻璃中含有二氧化硅，能与氢氧化钠反应生成硅酸钠，使瓶塞与瓶口粘连在一起。 (14) 水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂 ( 　　 ) (15) 石英砂可用于生产单晶硅 ( 　　 ) [ 解析 ] 　石英砂为 SiO 2 ，可用碳还原得到粗硅，经提纯得单晶硅。 × √ √ × 2. (2016· 新课标 Ⅱ 卷 ) 下列关于燃料的说法错误的是 ( 　　 ) A. 燃料燃烧产物 CO 2 是温室气体之一 B. 化石燃料完全燃烧不会造成大气污染 C. 以液化石油气代替燃油可减少大气污染 D. 燃料不完全燃烧排放的 CO 是大气污染物之一 [ 解析 ] 　化石燃料燃烧会产生 SO 2 ，造成环境污染，故 B 错误。 B 3. 二氧化硅 (SiO 2 ) 又称硅石，是制备硅及其化合物的重要原料 ( 各种转化见下图 ) 。下列说法正确的是 ( 　　 ) A. SiO 2 既能与 HF 反应，又能与 NaOH 反应，属于两性氧化物 B. SiO 2 和 Si 都是光导纤维材料 C. 在硅胶中加入 CoCl 2 可显示硅胶吸水是否失效 D. 图中所示转化反应都是非氧化还原反应 C 沸点 / ℃ SiHCl 3 33.0 SiCl 4 57.6 HCl － 84 已知： SiHCl 3 能与 H 2 O 强烈反应，在空气中易自燃； 步骤 ② 中粗硅与 HCl 反应时会生成少量 SiCl 4 。 (1) 粗硅与 HCl 反应完全后，依据上表所示沸点差异提纯 SiHCl 3 。该提纯方法为 _____ 。 (2) 用 SiHCl 3 与过量 H 2 反应制备纯硅的装置如下 ( 热源及夹持装置略去 ) ： 蒸馏 ① 依次连接的合理顺序为 _________ ；装置 D 中 g 管的作用是 _________ ；装置 B 中的试剂是 _______ ；装置 C 中的烧瓶加热的目的是 _________________________ 。 ②装置 A 中发生反应的化学方程式为 __________________________________ 。 DBCAE 平衡压强 浓硫酸 使滴入烧瓶中的 SiHCl 3 气化 ③ 操作时应先打开装置 ___( 填“ C” 或“ D”) 中分液漏斗的旋塞，理由是 ____________________________________________________________________ 。 (3) 请设计实验证明产品硅中是否含微量铁单质：将产品用稀盐酸溶解， ______________________________________________________________________________________________________ 。 D 因为 SiHCl 3 容易在空气中自燃，实验时要先通一段时间 H 2 排尽装置中的空气 取上层清液于试管中，加入 NaOH 溶液，若出现白色沉淀，迅速变成灰绿色，最后变成红褐色，则样品中含铁单质 考点 1 　碳、硅单质的存在及性质 ———— 基 础 梳 理 ———— 1. 单质的存在形态、物理性质及用途 碳 硅 存在形态 _____ 态、 _____ 态 _____ 态 结构 金刚石　　石墨　　 C60 硅 游离 化合 化合 高 大 小 高 大 金刚石 石墨 半导体 Si ( 粗 ) ＋ 2CO↑ 2. 化学性质 碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。 2CO 2CO↑ SiF 4 ↑ ＋ 2H 2 ↑ —— 举 题 说 法 —— 典型例题 1 　下列对物质用途的描述错误的是 ( 　　 ) A. 高温下用焦炭还原 SiO 2 得到粗硅和一氧化碳 B. 在高温下，粗硅提纯涉及的反应是氧化反应 C. 硅是一种良好的半导体材料 D. 制备光导纤维的原料是 SiO 2 [ 解析 ] 　粗硅提纯涉及的反应是先氧化后还原反应， B 项错误。 B 变式训练 1 　下列关于硅的说法不正确的是 ( 　　 ) A. 硅是非金属元素，晶体硅是灰黑色有金属光泽的固体 B. 常温下硅可以与氢氟酸反应生成两种气体 C. 硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应 D. 加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应 [ 解析 ] 　晶体硅虽然外形像金属 ( 有金属光泽 ) ，但实际上属于非金属， A 正确；硅与氢氟酸反应生成四氟化硅和氢气， B 正确；硅的化学性质不活泼 ( 尤其是在常温下 ) ，但常温下仍能与氟气、氢氟酸和 NaOH 溶液等发生反应，加热至一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属发生反应， C 错误， D 正确。 C 分馏 ( 或蒸馏 ) ① 装置 B 中的试剂是 _______ 。装置 C 中的烧瓶需要水浴加热，其目的是 _________________________ 。 ② 反应一段时间后，装置 D 中观察到的现象是 _______________ ，装置 D 不能采用普通玻璃管的原因是 _________________________ ，装置 D 中发生反应的化学方程式为 ________________________________ 。 ③ 为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及 _________________ 。 ④ 为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂是 ___( 填字母 ) 。 a. 碘水　 b. 氯水　 c. Mg(OH) 2 固体　 d. KSCN 溶液　 e. Na 2 SO 3 溶液 浓硫酸 使滴入烧瓶中的 SiHCl 3 汽化 有固体物质生成 在高温下，普通玻璃会软化 排尽装置中的空气 bd [ 解析 ] 　 (2) 沸点不同的液体可以采用蒸馏的方法分离，这几种物质沸点不同，所以可以采用蒸馏的方法分离。 (3) ① 为防止 SiHCl 3 与 H 2 O 强烈反应，需要干燥氢气，浓硫酸具有吸水性且不和氢气反应，所以可以作干燥剂；升高温度能使 SiHCl 3 气化，从而使 SiHCl 3 和氢气在 D 中反应。 ② D 中发生反应 SiHCl 3 ＋ H 2 === Si ＋ 3HCl ， Si 为固态，所以看到的现象是有固体物质生成。 ③ Si 在空气中易自燃，所以需要排尽装置中的空气。 ④ 向溶液中加入强氧化剂，然后加入 KSCN 溶液检验铁离子，这几种物质中氯水具有强氧化性。 变式训练 2 　我国目前制备多晶硅主要采用三氯氢硅氢还原法、硅烷热解法和四氯化硅氢还原法。由于三氯氢硅氢还原法具有一定优点，被广泛应用。其简化的工艺流程如下： (1) 制备三氯氢硅的反应为 Si(s ) ＋ 3HCl(g)===SiHCl 3 (g) ＋ H 2 (g) 　 Δ H ＝－ 210 kJ·mol － 1 。伴随的副反应有 Si(s ) ＋ 4HCl(g)===SiCl 4 (g) ＋ 2H 2 (g) 　 Δ H ＝－ 241 kJ·mol － 1 。 SiCl 4 在一定条件下与 H 2 反应可转化为 SiHCl 3 ，反应的热化学方程式为 SiCl 4 (g) ＋ H 2 (g)===SiHCl 3 (g) ＋ HCl(g ) 　 Δ H ＝ _____________ 。 ＋ 31 kJ·mol － 1 (2) 由纯 SiHCl 3 制备高纯硅的化学方程式为 __________________________________ 。该生产工艺中可以循环使用的物质是 _________________________( 至少写出两种 ) 。 (3) 由于 SiH 4 具有易提纯的特点，因此硅烷热分解法是制备高纯硅很有发展潜力的方法。工业上广泛采用的合成硅烷方法是让硅化镁和固体氯化铵在液氨介质中反应得到硅烷，化学方程式是 ________________________________________ ； 整个制备过程必须严格控制无水，否则反应将不能生成硅烷，而是生成硅酸和氢气等，其化学方程式为 _____________________________________________________ ； 整个系统还必须与氧隔绝，其原因是 ___________________________________________ 。 由于硅烷在空气中易燃，浓度高时容易发生爆炸 考点 2 　碳、硅的主要化合物的比较 —— 基 础 梳 理 —— 1. SiO 2 与 CO 2 原子 分子 SiF 4 ↑ ＋ 2H 2 O 橡皮塞 碱式 Na 2 CO 3 ＋ H 2 O NaHCO 3 水玻璃 2NaHCO 3 2. 硅酸与碳酸 化学式 H 2 SiO 3 H 2 CO 3 颜色与状态 白色、粉末状 无色，只存在于水溶液中 水溶性 不溶于水 只存在于水溶液中 酸酐 SiO 2 CO 2 制法 Na 2 SiO 3 ＋ 2HCl===H 2 SiO 3 ↓ ＋ 2NaCl CO 2 ＋ H 2 O  H 2 CO 3 < > 3. 无机非金属材料 硅酸盐材料 水泥 玻璃 陶瓷 主要成分 硅酸三钙 (3CaO·SiO 2 ) 、硅酸二钙 (2CaO·SiO 2 ) 、铝酸三钙 (3CaO·Al 2 O 3 ) 硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅 硅酸盐 原料 _____________ ___________ _________ _____ 主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑 特性 水硬性：水泥加水变硬 玻璃态：无固定熔点 黏土、石灰石 纯碱、石灰石、石英 黏土 4. 硅酸盐的书写 硅酸盐的种类多，结构复杂，其组成的表示方法有两种： (1) 盐化学式法，如硅酸钠 Na 2 SiO 3 、硅酸钙 CaSiO 3 等。此法一般用于组成较简单的硅酸盐。 (2) 氧化物法 ① 氧化物的顺序：活泼金属氧化物 → 较活泼金属氧化物 → 二氧化硅 → 水。 ② 氧化物前系数配置原则：除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数。 ③ 硅酸盐用氧化物的形式表示时，遵循各元素化合价不变的原则。 如 ：高岭土 Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 O 、石棉 CaO·3MgO·4SiO 2 。 —— 举 题 说 法 —— 典型例题 3 　为确认 HCl 、 H 2 CO 3 、 H 2 SiO 3 的酸性强弱，某学生设计了如下图所示的实验装置，一次实验即可达到目的 ( 不必选其他酸性物质 ) 。请据此回答下列问题： (1) 锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为 _____ 。 (2) 装置 B 所盛试剂是 ________________ ，其作用是 ____________ 。 (3) 装置 C 所盛试剂是 ____________ ， C 中反应的离子方程式是 ___________________________________ 。　　　　　　　　　 (4) 由此得到酸性： _____>_______>_______ 。 盐酸 饱和 NaHCO 3 溶液 吸收 HCl 气体 Na 2 SiO 3 溶液 HCl H 2 CO 3 H 2 SiO 3 [ 解析 ] 　根据强酸＋弱酸盐 → 弱酸＋强酸盐分析可知，分液漏斗中盛装盐酸， A 中盛放 Na 2 CO 3 ，根据 Na 2 CO 3 ＋ 2HCl===2NaCl ＋ H 2 O ＋ CO 2 ↑ 可知，酸性： HCl >H 2 CO 3 ，然后将生成的 CO 2 通入 Na 2 SiO 3 溶液中，反应为 Na 2 SiO 3 ＋ CO 2 ＋ H 2 O===H 2 SiO 3 ↓ ＋ Na 2 CO 3 ，由此判断酸性： H 2 CO 3 >H 2 SiO 3 ，但需注意的是 A 中反应会有 HCl 气体逸出，故通入 Na 2 SiO 3 溶液前需将 HCl 吸收，但不能吸收 CO 2 ，故选用饱和 NaHCO 3 溶液。 变式训练 3 　 (2015· 新课标 Ⅰ 卷 ) 草酸 ( 乙二酸 ) 存在于自然界的植物中，其 K 1 ＝ 5.4 × 10 － 2 、 K 2 ＝ 5.4 × 10 － 5 。草酸的钠盐和钾盐易溶于水，而其钙盐难溶于水。草酸晶体 (H 2 C 2 O 4 ·2H 2 O) 无色，熔点为 101 ℃ ，易溶于水，受热脱水、升华， 170 ℃ 以上分解。回答下列问题： (1) 甲组同学按照如下图所示的装置，通过实验检验草酸晶体的分解产物。装置 C 中可观察到的现象是 _____________________________ ，由此可知草酸晶体分解的产物中有 _____ 。装置 B 的主要作用是 ________________________________________________________________________ 。 有气泡产生，澄清石灰水变浑浊 CO 2 冷凝 ( 水、草酸等 ) ，防止草酸进入 C 装置生成草酸钙沉淀，干扰二氧化碳的检验 (2) 乙组同学认为草酸晶体分解的产物中含有 CO ，为进行验证，选用甲组实验中的装置 A 、 B 和下图所示的部分装置 ( 可以重复选用 ) 进行实验。 ① 乙组同学的实验装置中，依次连接的合理顺序为 A 、 B 、 ________________ 。装置 H 反应管中盛有的物质是 _____________ 。 ② 能证明草酸晶体分解产物中有 CO 的现象是 ______________________________________________________________________________________________ 。 F 、 D 、 G 、 H 、 D CuO ( 氧化铜 ) H 中的黑色粉末变成红色， H 前的装置 D 中的澄清石灰水不变浑浊， H 后的装置 D 中的澄清石灰水变浑浊 (3) 设计实验证明。 ① 草酸的酸性比碳酸的强： ___________________________________________________________________________________________ 。 ② 草酸为二元酸： ___________________________________________________________________________________ 。 向 1 mol·L － 1 NaHCO 3 溶液中加入 1 mol·L － 1 草酸溶液，若产生大量气泡，则说明草酸的酸性比碳酸强 用 NaOH 标准溶液滴定草酸溶液，消耗 NaOH 的物质的量为草酸的 2 倍，则说明草酸是二元酸 [ 解析 ] 　 (1) 根据题干信息，草酸晶体 (H 2 C 2 O 4 ·2H 2 O) 受热脱水、升华， 170 ℃ 以上分解，结合装置图中澄清石灰水，可知生成物中有 CO 2 ，实验现象是澄清石灰水变浑浊。 (2) ① 要检验草酸晶体分解的产物中含有 CO ，首先要用浓的氢氧化钠溶液除去生成的 CO 2 ，再用澄清石灰水检验二氧化碳是否除尽，利用 CO 的还原性以及生成的产物是 CO 2 检验 CO ，装置连接的顺序是 A 、 B 、 F 、 D 、 G 、 H 、 D ；装置 H 反应管中盛有的物质是 CuO ( 氧化铜 ) 。 (3) ① 要证明草酸的酸性比碳酸的强，利用强酸制弱酸原理。 ② 要证明草酸为二元酸，只要证明用 NaOH 标准溶液滴定草酸溶液时， NaOH 的用量为草酸的两倍即可。 D 2. 昆仑玉的成分可简单看成是 Ca 2 Mg 5 Si 8 O 22 (OH) 2 ，则其用二氧化硅和金属氧化物的形式可表示为 ( 　　 ) A. CaO·MgO·SiO 2 ·H 2 O B. 2CaO·5MgO·8SiO 2 ·H 2 O C. 2CaO·MgO·SiO 2 ·2H 2 O D. 5CaO·2MgO·8SiO 2 ·H 2 O [ 解析 ] 　书写规则：活泼金属氧化物在前，较活泼金属氧化物在后，然后写二氧化硅和水，在书写过程中注意原子个数守恒。 B B 4. 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) 下列物质不属于硅酸盐的是 ___( 填字母 ) 。 A. 陶瓷 B. 玻璃 C. 水泥 D. 生石灰 (2) SiO 2 是玻璃的主要成分之一， SiO 2 与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为 ______________________________ ，工艺师常用 _______( 填物质名称 ) 来雕刻玻璃。 D SiO 2 ＋ 2NaOH===Na 2 SiO 3 ＋ H 2 O 氢氟酸 (3) 用 Na 2 SiO 3 水溶液浸泡过的棉花不易燃烧，说明 Na 2 SiO 3 可用作 _______ 。 Na 2 SiO 3 可通过 SiO 2 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 ___( 填字母 ) 。 A. 普通玻璃坩埚 B. 石英玻璃坩埚 C. 氧化铝坩埚 D. 铁坩埚 防火剂 D C SiO 2 [ 解析 ] 　 (1) 生石灰是 CaO ，为碱性氧化物，不属于硅酸盐。 (2) SiO 2 与 NaOH 溶液反应的化学方程式为 SiO 2 ＋ 2NaOH===Na 2 SiO 3 ＋ H 2 O ；由于 SiO 2 能溶于氢氟酸，因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。 (3) Na 2 SiO 3 水溶液又称 “ 水玻璃 ” ，具有阻燃的功能，因此可用作防火剂； SiO 2 和 Na 2 CO 3 在高温下反应生成 Na 2 SiO 3 和 CO 2 ，故含 SiO 2 的材料 ( 普通玻璃、石英玻璃 ) 以及 Al 2 O 3 等都能与 Na 2 CO 3 在高温下反应，故不能用以上材质的坩埚熔融纯碱。 (4) 题给反应中 C( 碳 ) 被氧化， SiO 2 中＋ 4 价的硅被还原，因此 SiO 2 作氧化剂。 放映结束，谢谢观看！