备战2021 高考化学 考点18 碳、硅及其化合物（解析版）

备战2021 高考化学 考点18 碳、硅及其化合物（解析版）

考点 18 碳、硅及其化合物 一、碳族元素 原子结构：相同点——最外层有 4 个电子；不同点——电子层数、原子半径。 1．相似点： （1）主要化合价：+2、+4、−4。 （2）气态氢化物通式：RH4。 （3）氧化物的常见形式：RO、RO2。 （4）最高价氧化物的水化物的通式：H2RO3 或 H4RO4。 2．递变规律： （1）原子半径逐渐增大。 （2）单质的密度逐渐增大。 （3）单质的熔沸点逐渐降低。 （4）元素非金属性逐渐减弱。 （5）元素金属性逐渐增强。 （6）气态氢化物的稳定性逐渐减弱。 （7）最高价氧化物的水化物的酸性逐渐减弱，碱性逐渐增强。 （8）C、Si、Ge、Sn 的+4 价化合物稳定，而 Pb 的+2 价化合物稳定。 二、碳、硅单质的性质、用途及制法 1．碳、硅在自然界中的存在 碳、硅均为第ⅣA 族元素，非金属性较强的是碳。碳在自然界中以游离态和化合态存在；硅元素在自 然界中只以化合态存在，因其有亲氧性。 2．碳、硅单质的化学性质及用途 （2）硅 与非金属单质反应 O2：Si＋O2===== △ SiO2 F2：Si＋2F2===== △ SiF4 Cl2：Si＋2Cl2===== 高温 SiCl4 与强碱反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑ 与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑ 3．硅的工业制法 （1）四氯化硅还原法 ①工艺流程 石英砂 粗硅 SiCl4 高纯硅 ②反应原理 Si(粗)+2Cl2 SiCl4 SiCl4+2H2 Si(纯)+4HCl （2）三氯甲硅烷还原法制备高纯度硅(常用方法) ①工艺流程 ②反应原理 SiO2+2C Si+2CO↑， Si+3HCl SiHCl3+H2， SiHCl3+H2 Si+3HCl。 三、碳、硅的氧化物 1．一氧化碳 （1）物理性质：无色无味的有毒气体，难溶于水。 （2）化学性质： ①可燃性：2CO+O2 2CO2 ②还原性：CO 还原 Fe2O3 的反应为：3CO+Fe2O3 2Fe+3CO2 2．二氧化碳和二氧化硅的比较 物质 二氧化硅 二氧化碳 结构 四面体结构，不存在单个分子 直线形结构，存在单个 CO2 分子 晶体类型 原子晶体 分子晶体 化学式 SiO2 分子式：CO2 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+H2O H2CO3 ②与酸反应 只与 HF 反应： SiO2+4HF SiF4↑+2H2O 不反应 ③与碱（NaOH）反应 SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O(盛碱 液的试剂瓶用橡胶塞) CO2+2NaOH Na2CO3+H2O 或 CO2+NaOH NaHCO3 ④与盐的反应 如与 Na2CO3 反应： SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑ 如与 Ca(ClO) 2 反应： Ca(ClO)2+CO2+H2O CaCO3↓+2HClO ⑤与碱性氧化物反应 如与 CaO 反应： SiO2+CaO CaSiO3 如与 Na2O 反应： CO2+Na2O Na2CO3 用途 光导纤维、光学仪器、电子部件 灭火、人工降雨、制饮料、制碳 酸盐 注意： 玻璃中含有 SiO2，SiO2 能够与碱液缓慢反应，带玻璃塞的玻璃试剂瓶一般都是磨砂口的，接触非常严 密，接触碱液时间长了会生成具有黏合性很强的 Na2SiO3 水溶液，从而使瓶塞与瓶颈黏在一起，不易分开。 四、碳、硅元素的酸及其盐 （一）碳酸及其盐 1．碳酸是一种二元弱酸，酸性：CH3COOH>H2CO3> 。 2．热分解：碳酸>酸式盐>正盐（盐中金属阳离子相同时）。 3．盐在水中的溶解性：钾、钠、铵盐和酸式盐均可溶于水，钾、钠、铵盐和酸式盐的溶解度小于其正 盐；Mg2+、Ca2+、Ba2+等高价阳离子的酸式盐溶解度大于其正盐的溶解度（正盐均难溶于水）。 4．在可溶性碳酸盐溶液中慢慢滴加 H+，并不断振荡，反应是分步进行的，先生成 3HCO ，再生成 CO2； 因此利用两者滴加顺序不同，出现现象不同，可将它们互相鉴别出来。但难溶于水的碳酸盐与 H+ 的反应，因其反应只是发生在固体表面，故不能分步进行。 （二）硅酸和硅酸盐 1．硅酸 （1）物理性质：硅酸难溶于水。 （2）化学性质 ①弱酸性：其酸性比碳酸弱，不能使紫色石蕊试液变红。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，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 H2SiO3↓+2NaCl （4）用途：硅胶可用作干燥剂、催化剂的载体等。 2．硅酸与碳酸的比较 物质 硅酸 碳酸 化学式 H2SiO3 H2CO3 酸酐 SiO2 CO2 制法 Na2SiO3+2HCl H2SiO3↓+2NaCl CO2+H2O H2CO3 颜色与状态 白色、粉末状 无色液态，只存在于水溶液中 水溶性 不溶于水 只存在于水溶液中 酸性比较 弱 强 3．硅酸盐 （1）概念：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）表示方法：硅酸盐矿物的成分复杂，多用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示它们的组成，如 硅酸 Na2SiO3 可表示为 Na2O·SiO2，长石 KAlSi3O8 可表示为：K2O·Al2O3·6SiO2。 4．硅酸钠 （1）物理性质：白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性。 （2）化学性质： ①水解显碱性。 ②与酸性较硅酸强的酸反应，化学方程式分别为： 与盐酸反应：Na2SiO3+2HCl H2SiO3↓+2NaCl 与 CO2 的水溶液反应：Na2SiO3+CO2+H2O Na2CO3+H2SiO3↓ （3）用途：黏合剂（矿物胶），防腐剂，耐火阻燃材料。 五、无机非金属材料 1．物质的分类                      纯金属金属材料 合金 传统无机非金属材料无机非金属材料 新型无机非金属材料 塑料 有机高分子材料 材料 橡胶 纤维 复合材料 2．传统无机非金属材料 玻璃 水泥 陶瓷 主要原料 纯碱、石灰石、石英 石灰石、黏土 黏土 设备 玻璃熔炉 水泥回转窑 陶瓷窑 生产过程中 的主要变化 SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2↑， CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO2↑ 复杂的物理、化学变化 复杂的物理、 化学变化 主要成分 Na2SiO3，CaSiO3，SiO2 3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、 CaO·Al2O3 3．新型无机非金属材料： （1）高温结构陶瓷：如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学浸蚀性和电绝缘性等。 （2）生物陶瓷：对机体无排异反应，不会引起代谢作用异常。 （3）压电陶瓷：具有压电效应。 考向一 碳、硅的性质和用途 典例 1 芯片制造的主要过程如图所示，下列说法错误的是 A．沙子的主要成分是 2SiO B．粗硅的制取：  2 2SiO C = Si CO   高温 粗 C．氟化氢可用于蚀刻硅基 D．在硅基上电镀铜时，硅基做阴极 【答案】B 【解析】 A．沙子是基本的建筑材料，其主要成分是 SiO2，A 正确； B．SiO2 和 C 高温条件下反应生成 Si 制取粗硅，同时生成 CO，而不是 CO2，B 错误； C．HF 可与 Si 发生反应生成 SiF4，因此氟化氢可用于蚀刻硅基，C 正确； D．在硅基上电镀铜时，Cu 作阳极失去电子生成 Cu2+，Cu2+在阴极得到电子生成铜，所以硅基做阴极，D 正确；答案选 B。 考向二 CO2、SiO2 的性质 典例 2 下列关于 SiO2 和 CO2 的说法中正确的是 A．CO2、SiO2 分别是碳酸和硅酸的酸酐 B．SiO2 既能与 KOH 反应，又能与浓盐酸反应，而 CO2 不能 C．CO2 是酸性氧化物，SiO2 是两性氧化物 D．CO2 和 SiO2 都是由相应的分子构成的 【解析】CO2、SiO2 都不能与浓盐酸反应，SiO2 不是两性氧化物，且不是由分子构成的。 【答案】A 二氧化硅的特殊性 （1）非金属氧化物一般由分子构成，而 SiO2 是由 Si 和 O 按个数比 1∶2 直接构成。Si、SiC、Si3N4、 BN 等也是直接由原子构成。 （2）SiO2 是 H2SiO3 的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备 H2SiO3。 （3）酸性氧化物一般不与酸作用，但 SiO2 能跟 HF 作用：SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。 （4）不要混淆二氧化硅和硅的用途 用于制作光导纤维的是 SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。 （5）水晶、石英、玛瑙的主要成分是 SiO2；珍珠的主要成分是 CaCO3；钻石是金刚石；红、蓝宝石的 主要成分是 Al2O3。 考向三 CO2 与盐或碱溶液反应的规律 1、CO2 与 NaOH 溶液反应产物的定量判断方法 与 碱 的 反 应 反应原理 CO2+2NaOH(足量) Na2CO3+H2O CO2+NaOH(少量) NaHCO3 反应后溶质成分的判断， x=n(NaOH)∶n(CO2) x≤1∶1 NaHCO3 1∶1< x <2∶1 Na2CO3、NaHCO3 x =2∶1 Na2CO3 x >2∶1 NaOH、Na2CO3 也可用数轴表示： ①CO2+Na2CO3+H2O 2NaHCO3↓ ②CO2(少量)+2NaAlO2+3H2O 2Al(OH)3↓+Na2CO3 CO2(足量)+NaAlO2+2H2O Al(OH)3↓+NaHCO3 ③CO2(少量)+Ca(ClO)2+H2O CaCO3↓+2HClO ④CO2(少量)+Na2SiO3+H2O H2SiO3↓+Na2CO3 典例 3 浓度相同的 NaOH 溶液各 100 mL 倒入 A、B、C 三个烧杯中，分别向三份溶液中通入不等量的 CO2， 充分反应后，再向三份所得溶液中逐滴加入 0.2 mol·L－1 的盐酸，产生 CO2 的体积与所加盐酸体积之 间的关系如图所示。下列判断不正确的是 A．原 NaOH 溶液的浓度为 0.2 mol·L－1 B．B 烧杯中通入的 CO2 体积为 448 mL(标准状况) C．通入 CO2 后，A 烧杯中的溶质为 Na2CO3 和 NaHCO3 D．通入 CO2 后，C 烧杯中溶质成分的物质的量之比为 n(NaOH)∶n(Na2CO3)＝2∶1 【解析】CO2通入NaOH 溶液，可能发生反应2NaOH＋CO2===Na2CO3＋H2O 或NaOH＋CO2===NaHCO3， 由图示可知，滴加盐酸时均不直接产生 CO2 气体，且最终完全反应消耗的盐酸均为 100 mL 生成 NaCl，由 原子守恒得 n(Na＋)＝n(Cl－)，即 n(NaOH)＝n(HCl)，故 c(NaOH)＝ (NaOH) (NaOH) n V ＝ 10.2 mol L 0.1L 0.1L   ＝0.2 mol·L －1，A 正确；B 烧杯中从开始加入盐酸到开始产生气体与从开始产生气体到气体完全放出需盐酸相同，即通 入 CO2 后生成的溶液为 Na2CO3 溶液，据 2NaOH～CO2 可知 n(CO2)＝ 10.2 mol L 0.1L 2   ＝0.01 mol，标准状 况下 V(CO2)＝224 mL，B 错误；A 烧杯中未产生气体消耗的盐酸小于气体完全生成消耗的盐酸，故溶质为 Na2CO3 和 NaHCO3，C 正确；C 烧杯中通入 CO2 未产生气体消耗的盐酸大于气体完全放出消耗的盐酸，故 溶液溶质为 Na2CO3 和 NaOH，n(Na2CO3)＝n(NaHCO3)＝(100－75)×10－3×0.2 mol＝5×10－3 mol，故 n(NaOH) ＝(50－0)×10－3×0.2 mol＝1×10－2 mol，即 n(NaOH)∶n(Na2CO3)＝2∶1，D 正确。 【答案】B 考向四 无机非金属材料及硅酸盐的表示方法 典例 4 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。青石棉用稀硝酸处理时，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·Fe2O3·8SiO2·H2O D．1 mol 青石棉能使稀硝酸中的 1 mol HNO3 被还原 【解析】硅酸盐指的是硅、氧与其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)结合而成的化合物的 总称，故青石棉是一种硅酸盐产品；青石棉是一种纯净物，不可能含有一定量的石英晶体；1 mol Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O 跟硝酸反应时，失去 3 mol 电子，故能使稀硝酸中的 1 mol HNO3 被还原。 【答案】B 1．硅的氧化物及硅酸盐构成了地壳中大部分的岩石、沙子和土壤。在无机非金属材料中，硅一直扮演着主 角。下面几种物质中含有硅单质的是 A．水晶镜片 B．玛瑙手镯 C．硅太阳能电池 D．石英光导纤维 【答案】C 【解析】 A．水晶的主要成分是二氧化硅，故 A 不符合题意； B．玛瑙的主要成分是二氧化硅，故 B 不符合题意； C．太阳能电池板的主要成分是硅单质，硅太阳能电池工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电子转换 反应，故 C 符合题意； D．石英光导纤维的主要成分是二氧化硅，故 D 不符合题意； 答案选 C。 2．化学与生活、生产关系密切。下列说法正确的是（ ） A．明矾可作净水剂，也可用于自来水的杀菌消毒 B．氢氧化铝、碳酸钠常用作胃酸中和剂 C．SiC 和 C60 两种化合物均属于新型无机非金属材料 D．“火烧硝石有紫青烟”的描述说明硝石中含有钾元素 【答案】D 【解析】 A．明矾不具有杀菌消毒的作用，但可净水只起到除去悬浮物的作用，故 A 错误； B．碳酸钠碱性较强，不用于治疗胃酸过多，通常用氢氧化铝和碳酸氢钠，故 B 错误； C．C60 属于单质，不是化合物，不属于新型无机非金属材料，故 C 错误； D．“紫青烟”为钾元素的焰色反应现象，故 D 正确； 答案选 D。 3．由二氧化硅制高纯硅的流程如图，下列判断中错误的是( ) A．①②③均属于氧化还原反应 B．氢气和氯化氢均可循环利用 C．二氧化硅是一种坚硬难熔的固体 D．三氯甲硅烷(SiHCl3)摩尔质量为 135.5 g 【答案】D 【解析】A．①②③反应前后元素化合价发生改变，故①②③发生的反应均是氧化还原反应，A 正确； B．由二氧化硅制高纯硅的流程图中反应过程中生成氢气和氯化氢，同时氯化氢也作为反应物参与化学反应， 故氢气和氯化氢均可循环利用，B 正确； C．二氧化硅熔点比较高，硬度比较大，C 正确； D．三氯甲硅烷(SiHCl3)摩尔质量为 135.5 g mol-1，D 错误 答案选 D。 4．下列有关说法正确的是 ①二氧化硅可与 NaOH 溶液反应，因此可用 NaOH 溶液雕刻玻璃； ② 明矾溶于水可水解生成 Al(OH)3 胶体，因此可以用明矾对自来水进行杀菌消毒； ③ 可用蒸馏法、电渗析法、离子交换法等对海水进行淡化； ④ 从海带中提取碘只需用到蒸馏水、H2O2 溶液和四氯化碳三种试剂； ⑤地沟油可用来制肥皂、提取甘油或者生产生物柴油； ⑥石英玻璃、Na2O·CaO·6SiO2、淀粉、氨水的物质类别依次为纯净物、氧化物、混合物、弱电解质。 A．③⑤⑥ B．①④⑤ C．除②外都正确 D．③⑤ 【答案】D 【解析】 ①，虽然二氧化硅可与 NaOH 溶液反应，但不用 NaOH 溶液雕刻玻璃，用氢氟酸雕刻玻璃，①错误；②明 矾溶于水电离出 Al3+，Al3+水解生成 Al（OH）3 胶体，Al（OH）3 胶体吸附水中的悬浮物，明矾用作净水剂， 不能进行杀菌消毒，②错误；③，海水淡化的方法有蒸馏法、电渗析法、离子交换法等，③正确；④，从 海带中提取碘的流程为：海带 海带灰 含 I-的水溶液 I2/H2O I2 的 CCl4 溶液 I2，需要用到蒸馏水、H2O2 溶液、稀硫酸、四氯化碳，④错误；⑤，地沟油在碱性条件下发生水解反应生成高级脂肪酸盐和甘油，肥 皂的主要成分是高级脂肪酸盐，可制肥皂和甘油，地沟油可用于生产生物柴油，⑤正确；⑥，Na2O·CaO·6SiO2 属于硅酸盐，氨水是混合物，氨水既不是电解质也不是非电解质，⑥错误；正确的有③⑤，答案选 D。 5．《青花瓷》中所描述的“瓶身描述的牡丹一如你初妆”“色白花青的锦鲤跃然于碗底”等图案让人赏心悦目， 但古瓷中所用颜料成分一直是个谜，近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox， 铜为+2 价)，下列有关硅酸铜钡的说法不正确的是( ) A．可用氧化物形式表示为 BaO·CuO·2SiO2 B．易溶解于强酸和强碱 C．性质稳定.不易脱色 D．x=6 【答案】B 【解析】 A.硅酸盐用氧化物形式表示时，书写顺序为：活泼金属氧化物、不活泼金属氧化物、二氧化硅、水，所以 硅酸铜钡用氧化物形式表示 BaO•CuO•2SiO2，故 A 正确； B. 硅酸铜钡能稳定存在，说明不易溶解于强酸和强碱，故 B 错误； C. 《青花瓷》能长期不褪色，说明硅酸铜钡性质稳定不易脱色，故 C 正确； D. 硅酸铜钡中 Ba 为+2 价、Cu 为+2 价、Si 为+4 价、O 为-2 价，根据化合价代数和等于 0，可知 x=6，故 D 正确；选 B。 6．苏颂《本草图经》有关不灰木（火浣布）有如下描述：“不灰木，出上党，今泽、潞山中皆有之，盖石 类也。其色青白如烂木，烧之不燃，以此得名。或云滑石之根也，出滑石[Mg3(Si4O10)(OH)2]处皆有”。“不 灰木”成分可能是 A．纤维素 B．硅酸盐 C．氧化铁 D．动物毛皮 【答案】B 【解析】 A．不灰木，烧之不燃，而纤维素能燃烧，A 不合题意； B．不灰木，盖石类也，云滑石之根也，出滑石[Mg3(Si4O10)(OH)2]处皆有，则与滑石同类，都属于硅酸盐， B 符合题意； C．不灰木，其色青白如烂木，而氧化铁呈红色，C 不合题意； D．不灰木，盖石类也，而动物毛皮属于蛋白质类，D 不合题意； 故选 B。 7．下列制品采用的材料属于合金的是( ) A．大理石华表 B．青铜编钟 C．玻璃花瓶 D．翡翠如意 【答案】B 【解析】 A．大理石的主要成分为碳酸盐，不属于合金，故 A 不符合题意； B．古代的编钟属于青铜器，青铜为铜锡合金，故 B 符合题意； C．玻璃花瓶是硅酸盐产品，故 C 不符合题意； D．翡翠如意的主要成分为硅酸盐铝钠，不属于合金，故 D 不符合题意； 答案选 B。 1．[2019 浙江 4 月选考]下列说法不正确．．．的是 A．液氯可以储存在钢瓶中 B．天然气的主要成分是甲烷的水合物 C．天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅 D．硫元素在自然界的存在形式有硫单质、硫化物和硫酸盐等 【答案】B 【解析】A．液氯就是液态的氯气，与钢瓶不反应，可以储存在钢瓶中，A 项正确； B．天然气的主要成分是甲烷，可燃冰的主要成分是甲烷的水合物，B 项错误； C．石英、水晶、硅石、沙子的主要成分均为二氧化硅，C 项正确； D．硫在地壳中主要以硫化物、硫酸盐等形式存在，火山口处有硫单质，D 项正确。故答案选 B。 2．[2018 江苏]下列有关物质性质与用途具有对应关系的是 A．NaHCO3 受热易分解，可用于制胃酸中和剂 B．SiO2 熔点高硬度大，可用于制光导纤维 C．Al2O3 是两性氧化物，可用作耐高温材料 D．CaO 能与水反应，可用作食品干燥剂 【答案】D 【解析】A 项，NaHCO3 能与 HCl 反应，NaHCO3 用于制胃酸中和剂，NaHCO3 用于制胃酸中和剂与 NaHCO3 受热易分解没有对应关系；B 项，SiO2 传导光的能力非常强，用于制光导纤维，SiO2 用于制光导纤维与 SiO2 熔点高硬度大没有对应关系；C 项，Al2O3 的熔点很高，用作耐高温材料，Al2O3 用作耐高温材料与 Al2O3 是两性氧化物没有对应关系；D 项，CaO 能与水反应，用于食品干燥剂，CaO 用于食品干燥剂与 CaO 与水反应有对应关系；答案选 D。 3．[2017 江苏]下列有关物质性质与用途具有对应关系的是 A．Na2O2 吸收 CO2 产生 O2，可用作呼吸面具供氧剂 B．ClO2 具有还原性，可用于自来水的杀菌消毒 C．SiO2 硬度大，可用于制造光导纤维 D．NH3 易溶于水，可用作制冷剂 【答案】A 【解析】A．过氧化钠可以和二氧化碳反应生成氧气，A 正确；B．因二氧化氯具有氧化性才用于自来水 的杀菌消毒，B 错误；C．二氧化硅透光性好，用于制造光导纤维，C 错误；D．液氨汽化时吸收大量热， 所以氨可用作制冷剂，D 错误。 4．[2016·江苏]在给定的条件下，下列选项所示的物质间转化均能实现的是 A．SiO2 HCl(aq) SiCl4 2H高温 Si B．FeS2 2O煅烧 SO2 2H O H2SO4 C．N2 2H高温、高压、催化剂 NH3 HCl(aq) NH4Cl(aq) D．MgCO3 HCl(aq) MgCl2(aq) 电解 Mg 【答案】C 【解析】A、四氯化硅被氢气还原可以制备单质硅，但 SiO2 与盐酸不反应，A 错误；B、煅烧 FeS2 可以 得到氧化铁和二氧化硫，但 SO2 和 H2O 反应生成 H2SO3，B 错误；C、N2+3H2 高温、高压 催化剂 2NH3、 NH3+HCl NH4Cl，C 正确；D、镁是活泼的金属，金属镁的冶炼方法是电解熔融的氯化镁，电解氯 化镁溶液生成氯气、氢气和氢氧化镁，D 错误。答案选 C。