专题17 碳、硅及其化合物-【一飞冲天·高考专项】2025年高考专题分类化学

专题分类化学 专题十七 碳、硅及其化合物 焦点1碳及其化合物 )基础题 1.(2022·南开区期末)我国提出争取在2030年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和，这对于改善环境，实现绿色发展至关重要。“碳 中和”是指CO2的排放总量和减少总量相当。下列措施中能促进 碳中和最直接有效的是 A.开采可燃冰作为新能源 B.研发催化剂将CO2还原为甲醇 C.将重油裂化为汽油作为燃料 D.通过清洁煤技术减少煤燃烧污染 2.下列说法错误的是 A.神舟十二号载人飞船表面使用的高温结构陶瓷为传统无机非金 属材料 B.航天领域使用的碳纳米管与石墨烯互为同素异形体 C.科学家们利用出土木炭中的℃来测定三星堆遗址的年代 D.造型极具地方特色的陶器是由黏土高温烧结而成 3.(2023·部分区二模)碳的一种单质C。可以与钾形成低温超导化 合物，晶体结构如图所示，K位于立方体的棱上和立方体的内部。 下列说法中不正确的是 .aoc. A.金刚石、石墨和C都属于碳的同素异形体 B.电负性：K>C C.C晶胞结构和干冰相似 D.此化合物的化学式为KCo 4.(2024·南开区期末)我国科学家合成首例可控单分子电子开关器 件。该分子在紫外光照射下关环（电路接通），在可见光照射下开 环（电路断开），其微观示意图如下： ● 可见》 紫外光 ● 石墨烯片段 单电子开关 下列说法不正确的是 A.石墨烯可以导电 B.单分子开关经紫外光照射形成了极性键 C.水解反应可使单分子开关与石墨烯片段分离 D,紫外光照射后，单分子开关体系内的电子具有流动性，故可以 导电 5.(2020·南开区二模)科学家正在研究温室气体CH和CO2的转 化和利用。 (1)CH,和CO,所含的三种元素中电负性最大的为 (填元 素符号)。 (2)下列关于CH和CO,的说法不正确的是 (填字母)。 a.固态CO2属于分子晶体 b.CH,分子中含有极性共价键，是非极性分子 c.因为碳氢键键能小于碳氧键，所以CH1熔点低于CO。 d.CH4和CO,分子中碳原子的杂化类型分别是sp3和sp 提升题 6.(2020·天津市适应性考试)碳和硅均为元素周期表中第ⅣA族的 元素，其单质和化合物有着重要应用。 (1)石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单 层石墨，最早是由科学家用机械剥离的方 法从石墨中分离出来，其部分性能优于传 统的硅材料，具有广泛的应用前景。 ①写出基态碳原子的电子排布式： 。 石墨烯中C的杂化类型为 杂化 一冲天 ②右图为单层石墨烯的结构示意图。12g的石墨烯中由C原 子连接成的六元环的物质的量约为 mol。 ③石墨烯加氢制得的石墨烷，可用(CH),表示。下列有关叙述 正确的是 (填字母)。 a.石墨烷属于烷烃 b.石墨烷难溶于水 c.石墨烷中所有碳原子共平面d.石墨烷可以发生加成反应 ④石墨烯可由加热SC晶体脱除Si的方法制得。该过程属于 (填字母)。 a.物理变化b.分解反应 c.氧化还原反应 (2)SiC的晶体结构与晶体硅类似。SiC的晶体类型为 晶 体中Si原子与Si一C键的数目之比为 (3)CHCL,与SiHCI空间构型相似，但性质不同：前者不易与水反 应，但后者与水剧烈反应，生成两种酸和一种气体，写出该反应 的化学方程式： 7.(2022·天津一中第四次月考)碳族元素及其化合物在材料领域有 广泛应用。 (1)冠醚是由多个二元醇分子之间失水形成的环状化合物。X、Y、Z 是常见的三种冠醚，其结构如图所示。它们能与碱金属离子作 用，并且随着环的大小不同而与不同金属离子作用。 ①Li半径与X的空腔大小相近，恰好能进入到X的环内，且 与氧原子的一个孤电子对作用形成稳定结构W(如图)。基态碳 原子核外有 种运动状态不同的电子，其价电子轨道表 示式为 。 W中L计与孤电子对之间的作用属于 (填序号)。 A.离子键 B.分子间作用力 C.氢键 D.配位键 ②冠醚Y能与K+形成稳定结构，但不能与L形成稳定结构， 理由是 ③冠醚分子中C一O一C的键角 10928(填“>”“<” 或“=”)。 一冲天 (2)金刚石、晶体硅和碳化硅的熔点由高到低的顺序为 (用化学式表示)；金刚石的晶胞结构如图甲，晶胞边长为apm, 金刚石的密度可表示为 g/cm。 H.C-NN ● H.C-N CIN-CH N 甲 乙 (3)SiCL,与N-甲基咪唑(H,C-NC)反应可以得到M+,其结构如 图乙所示：N一甲基咪唑分子中碳原子的杂化轨道类型为 ,1个M2+中含有 个。键； 焦点2硅及其化合物 基础题 1.下列说法正确的是 A.SO,由于导电能力强而被用于北斗三号全球导航卫星计算机 芯片 B.安装煤炭燃烧过程中的“固硫”装置，主要是为了提高煤的利 用率 C.高锰酸钾溶液、酒精和过氧化氢溶液均能杀菌消毒，都利用了强 氧化性 D.以“地沟油”为原料生产的生物柴油与以石油为原料生产的柴油 化学成分不同 2.(2023·宝坻一中线上期末)下列说法正确的是 A.“结草为庐”所用的秸秆，经现代科技可转化为苯乙酸、苯乙醇、 苯乙烯等芳香烃 B.天和核心舱电推进系统腔体的氨化硼陶瓷属于新型无机非金属 材料 C.太阳能电池翼伸展机构用到的SC是一种新型硅酸盐材料 D.涤纶、石墨烯、纤维素属于有机高分子化合物 3.(2022·和平区三模)制造芯片用到高纯硅，用SiHCI(沸点： 31.85℃，SiHC13遇水会剧烈反应，易自燃)与过量H2在1100~ 1200℃反应制备高纯硅的装置如图所示（夹持装置和尾气处理装 置略去)，下列说法不正确的是 9 管式炉 石英管 稀硫酸 接尾气 处理装置 锌 粒 W A.整个实验的关键是控温、检查装置气密性和排尽装置中的空气 B.装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓H2SO4、温度高于32℃的温水 C.实验时，先打开装有稀硫酸仪器的活塞，收集尾气验纯，再预热 装置N石英管 D.尾气处理可直接通入NaOH溶液中 4.(2020·河北区一模)锗(Ge)是典型的半导体元素，在电子、材料等 领域应用广泛。请回答下列问题： (1)Ge在周期表中的位置： ,基态Ge原子 的核外电子排布式为[Ar] ,有 个未成对电子。 (2)光催化还原CO2制备CH,反应中，带状纳米Zn,GeO,是该反 应的良好催化剂。G、O两元素电负性由大至小的顺序是 (3)Ge单晶具有金刚石型结构，其中Ge原子的杂化方式为 ,微粒之间存在的作用力是 (4)晶胞参数，描述晶胞的大小和形状，已知G单晶的晶胞参数 a=565.76pm(1pm=102m),其密度为 g·cm3(列出计算式即可)。 5.(2023·南开中学第三次月考)工业上用焦炭还原石英砂制得含有 少量杂质的粗硅，将粗硅通过化学方法进一步提纯，可以得到高纯 硅。回答下列问题： (1)石英砂制粗硅的化学方程式为 (2)处于一定空间运动状态的电子在原子核外出现的概率密度分 布可用 形象化描述。在基态“C原子中，核外存在 对自旋相反的电子。 (3)碳有多种同素异形体，其中石墨烯与金刚石的晶体结构如图 所示。 专题十七碳、硅及其化合物 Q 石墨烯晶体 金刚石晶体 ①在石墨烯晶体中，每个六元环占有 个C原子。 ②在金刚石晶体中，C原子所连接的最小环也为六元环，每个( 原子连接 个六元环。 ③写出金刚石的硬度大于晶体硅的原因 (4)SiO,的晶体类型是 晶体，一种SiO2晶体的结构中有 顶角相连的硅氧四面体形成螺旋上升的长链如图新示。其中 S原子的杂化轨道类型是 (5)H2还原气态SiCL,可制得纯硅，1100℃时每生成0.56kg纯硅 需吸收akJ热量，写出该反应的热化学方程式： 提升题 6.(2024·南开区期中)门捷列夫在研究周期表时预言了包括“类铝”、 “类硅”在内的11种元素。回答下列问题： I.“类铝”在门捷列夫预言4年后，被布瓦博德朗在一种矿石中发 现，命名为镓(Ga)。 (1)铝是一种活泼金属，工业上采用电解熔融A1O,制备金属A1。 电解反应方程式为2L,0.俗)冰行4人十30，◆，加人冰 晶石的目的是 。A1可以 与NaOH溶液反应生成Na[Al(OH)4]与H2,该反应的离子方 程式为 (2)镓与铝同主族，且位于铝的下一周期，则镓的原子结构示意图 为 专题分类化学 (3)废弃的含GaAs的材料可以用浓硝酸溶解，放出红棕色气体，同 时生成HAsO,和Ga(NO,)3,该反应的化学方程式为 Ⅱ.门捷列夫预言的“类硅”，多年后被德国化学家文克勒发现，命 名为锗(Ge)。 (1)硅是应用最为广泛的半导体材料，写出高纯硅的两种用途： (2)写出SiCL的电子式： (3)硅和锗单质分别与H2反应时，反应较难进行的是 (填 “硅”或“锗”)。 7.晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下： ①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅； 300℃ ②粗硅与干燥HCI气体反应制得SiHClg:Si+3HC1 SiHCIa+H2 ③SiHC1与过量H2在1000~1100℃反应制得纯硅。 已知SiHCI能与H,O强烈反应，在空气中易自燃。 请回答下列问题： (1)第①步制备粗硅反应的化学方程式为 (2)粗硅与HC1反应完全后，经冷凝得到的SiHC1(沸点33.0℃) 中含有少量SiC1,(沸点57.6℃)和HC1(沸点-84.7℃)，提纯 SiHCI采用的方法为 ;写出SiHCla和水反应的 化学方程式： (Si元素在产物中以 H,SiO存在)； (3)用SHCL与过量H,反应制备纯硅的装置如图（热源及夹持装 置略去)： SiHCh →尾气处理装置略去 石英管 B D ①装置B中的试剂是 装置C中的烧瓶需要加热，这种加热方式的优点是 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.NaOH溶液 d.KSCN溶液 e.NaSO,溶液 ⑤列举硅的用途 (任写两种)。 8.(2022·河西区二模)硅及其化合物在生活生产中广泛应用。请按 要求回答下列问题 (1)基态硅原子的电子排布式为 ;Si原子间难形成双键而 C原子间却可以形成，是因为S的原子半径 (填“大 于”或“小于”)C的，两个Si原子的p电子难于重叠形成π键。 (2)工业上制备高纯硅的示意图如下： ⅢH 石英砂 I焦炭 1800~2000℃ 图硅把 J1100℃ 高纯硅 ①步骤I反应所涉及元素的第一电离能由大到小的顺序是（填 元素符号) 根据下图所示物质反应过程中的能量变 化，写出用石英砂和焦炭制取粗硅，同时生成CO的热化学方程 式： E Si(s)+O2(g) 2C(s)+02(g) △H=-859.4kJ/mol △H=-221.0kJ/mol SiO2(s) 2C0(g) 反应过程 反应过程 ②步骤Ⅱ产物中含有SiHC1,(沸点为33.0℃)，还有少量SiC1 (沸点为57.6℃)和HC1(沸点为-84.7℃)。若先将步骤Ⅱ产 物降至室温，提纯SiHCI,方法是 。 所用到的玻璃仪 器除酒精灯、温度计、锥形瓶、尾接管外，还需要 9.(2023·河北区二模)坐落在河北区的华为天津区域总部项目计划 于2023年12月底竣工。石墨烯液冷散热技术是华为公司首创，所 使用的材料石墨烯是一种二维碳纳米材料。 一冲天 I.C、金刚石、石墨的结构模型如图所示（石墨仅表示出其中的一 层结构)： C60 金刚石 石墨 (1)金刚石、石墨和C三者互为 (填序号)。 A.同分异构体 B.同素异形体 C.同系物 D.同位素 (2)C晶体的晶体类型为 (3)晶体硅的结构跟金刚石相似，1mol晶体硅中所含有硅硅单键 的数目是 (4)石墨层状结构中，平均每个正六边形占有的碳原子数 是 Ⅱ.石墨烯（图甲）是一种由单层碳原子构成的平面结构新型碳材 料，石墨烯中部分碳原子被氧化后，其平面结构会发生改变，转化 为氧化石墨烯（图乙）。 OH 图甲石墨烯结构 图乙氧化石墨烯结构 图丙 (5)图甲中，1号C与相邻C形成。键的个数为 (6)图乙中，1号C的杂化方式是 (7)若将图乙中所示的氧化石墨烯分散在H,O中，则氧化石墨烯中 可与H,O形成氢键的原子有 (填元素符号)。 (8)石墨烯可转化为富勒烯(C),某金属M与C可制备一种低温 超导材料，晶胞如图丙所示，M原子位于晶胞的棱上与内部。 该材料的化学式为专题十七碳、硅及其化合物 焦点1碳及其化合物 基础题 1.B研发催化剂将CO2还原为甲醇，有助于CO2的减少，对促进碳 中和最直接有效。 2.A 3.BB.同主族元素自上而下元素的电负性逐渐减弱，同周期元素自 左向右元素的电负性逐渐增强，由此可知K的电负性弱于C: C.C6、CO2同为分子晶体，晶胞结构相似；D.根据晶胞结构，K位 于晶胞的棱上以及内部，因此K的个数为9+12×=12：C位于 晶胞的面心，顶点处，C。的个数为8×日+6X号=4，则该化合物 的化学式为KCo。 4.BA.石墨的二维结构内，每个碳原子的配位数为3，有一个未参 与杂化的2p电子，它的原子轨道垂直于碳原子平面。由于所有的 p轨道相互平行而且相互重叠，使p轨道中的电子可在整个碳原子 平面中移动。因此，石墨具有导电性：B.单分子开关经紫外光照射 形成了碳碳单键，属于非极性键；C.由图可知，单分子开关与石墨 烯片段之间通过酰胺键相连，则水解反应可使单分子开关与石墨 烯片段分离。 5.(1)0 (2)cd 解析：(1)非金属性越强，电负性越大，H、C、O三种元素中，O元素 非金属性最强，所以电负性最大； (2)a.固态二氧化碳靠分子间作用力聚集，为分子晶体；b.甲烷分 子中C一H键为极性共价键，分子呈正四面体形，正负电荷中心重 合，为非极性分子：℃.二者均为分子品体，熔沸点与分子间作用力 有关，CO2相对分子质量更大，分子间作用力更强，熔点更高； d.CH,分子中C原子形成4个。键，价层电子对数为4，为sp杂 化：C0,分子为直线形，C原子价层电子对数为2+4-？X2=2,为 2 sp杂化 提升题 6.(1)①1s22s22p2sp②0.5③ab④bc (2)原子晶体1：4 (3)SiHCI,+3HO-H2SiO,￥+3HCI+H2↑ 解析：(1)①基态碳原子核外有6个电子，分布在1s、2s、2p轨道上， 电子排布式为1s22s22p;石墨烯中碳原子配位数为3，碳原子构成 平面正六边形结构，键角为120°，碳原子采取sp杂化；②1个六元 环含有6个碳原子，每个碳原子为3个六元环共用，12g石墨烯中 C原子的物质的量为1mol,则六元环物质的量为0.5mol:③a.石 墨烷中只含碳氢两种元素，分子中碳原子之间都以单键相连，碳原 子的剩余价键均与氢原子结合，符合烷烃的定义，属于烷烃；b.根 据相似相溶原理，烷烃都难溶于水；C.石墨烷中，C原子形成4个共 价键，具有四面体结构，则所有碳原子不在同一平面上；d.石墨烷 中没有不饱和键，不能发生加成反应。④由石墨烯可由加热SC 晶体脱除S的方法制得可以判断反应前后S的化合价发生了变 化，该反应为氧化还原反应，且该反应为一种物质生成两种物质， 为分解反应； (2)SiC的晶体结构与晶体硅类似，故均为原子晶体：SiC中每个碳 原子周围的4个S原子形成正四面体，每个S原子周围的4个C 原子形成正四面体，如图所示 O-Si,则Si原子 ●-C 与Si一C键的数目之比为1：4； (3)SHCL,与水反应生成的两种酸应为硅酸和盐酸，气体为氢气， 则发生反应的化学方程式为SiHCI十3H2O一H2SiO3￥+3HCI +H2个。 2s 2p 7.(1)①6 1 D②L半径比Y的空腔小很 多，不易与空腔内氧原子结合形成稳定结构③<(2)C>SC> Si9.6X10 a Na (3)sp杂化sp2杂化54 解析：本题考查物质的结构与性质。 (1)原子核外电子空间运动状态的数目就是原子轨道的数目：原子 核外电子运动状态的数目，就是电子数。基态碳原子核外共有6 个电子，每个电子的运动状态各不相同，所以有6种运动状态不同 的电子。冠醚分子中氧原子杂化方式为sp杂化，但氧原子有两个 孤电子对，孤电子对之间的斥力>孤电子对和成键电子对之间的 斥力>成键电子对之间的斥力，因此键角小于109°28'。 (2)原子半径越小，键长越短，键能越大，共价晶体熔沸点越高，键 长：金刚石<碳化硅<晶体硅，因此熔点由高到低的顺序依次为C、 SCs1。根据均摊法，金刚石品体中碳原子个数为8寄度P一兴 8×12g/mol -9.6X1031 NAX (ax 10 10 cm)3 a'Na g/cm (3)N甲基咪唑分子中碳原子形成单键和碳碳双键，因此碳原子的 杂化轨道类型为sp杂化、sp杂化。1个N-甲基咪唑分子中含有 12个σ键，M+中含有6个配位键，o键的总个数为6十4×12=54。 焦点2硅及其化合物 基础题 1.DA.二氧化硅为绝缘体，硅为良好的半导体材料，可用于计算机 芯片：B.安装煤炭燃烧过程中的“固硫”装置，主要是为了减少二氧 化硫的排放，防止酸雨发生；C.酒精不具有强氧化性，但酒精可使 蛋白质发生变性，因此可用于消毒：D.以“地沟油”为原料加工制成 的生物柴油的成分为油脂的混合物，而从石油分馏得到的柴油成 分为多种烃的混合物，二者成分不同。 2.BA.芳香烃是碳氢化合物，只含碳、氢元素；C.SiC是一种新型无 机非金属材料；D.石墨烯是单质，不属于有机高分子化合物。 3.DD.尾气中包含的气体有生成的HC和未反应的H2,如果直接 将尾气通入NaOH中，可能会发生倒吸现象。 4.(1)第四周期第WA族3d4s24p2 (2)0>Ge(3)sp共价键(4.8X73X10 6.02×565.76 解析：(1)Ge的原子序数为32，位于元素周期表第四周期第VA 族，基态Gc原子核外电子排布式为[Ar]3d°4s24p,在最外层的4s 能级上2个电子为成对电子，4p轨道中2个电子分别处在不同的 轨道内，有2个未成对电子； (2)元素的非金属性越强，吸引电子的能力越强，元素的电负性越 大，元素非金属性：Ge<O,则电负性：O>Ge; (3)Gc单晶具有金刚石型结构，Ge原子与周围4个Ge原子形成正 四面体结构，向空间延伸的立体网状结构，属于原子晶体，G原子 之间形成共价键，Ge原子杂化轨道数目为4，采取sp3杂化； (4)根据金刚石晶胞结构可知，晶胞中G℃原子有8个位于顶点、6个位 于面心，4个位于体内.由分裤法可知数日为8X号十6X号十4一8，则 依据质量公式可得晶胞质量为 .02X108,晶胞参数a=565.76pm, 8×73 8×73 其密度为= 6.02X10晒8 8×73×10 (565.76X10m6.02×565.76g·cm3. 5.1)2C+Si0,商温2004+S1(2)电子云2 (3)①2②12③晶体硅与金刚石同属于共价晶体，但r(C) r(S),键长：C一C<Si一Si,键长越短，键能越大，物质的硬度越大。 (4)共价sp3杂化 (5)2 H2 (g)+SiCl (g)=4HCI(g)+Si(s)AH=+0.05a kJ/mol 解析：(3)①由石墨烯晶体的结构可知，每个碳原子被周围的三个 六元环共用，因此每个六元环占有2个碳原子。(4)由题中信息可 知，二氧化硅中，每个硅原子与周围4个氧原子形成共价键，即硅 原子的价层电子对数为4，从此可知硅原子的杂化轨道类型为sp杂 化：5)0.56kgs为0,6g=20mol。即生成20mol纯硅，吸收 akJ热量，那么生成1mol纯硅时，吸收的能量为0.05ak 提升题 6.I.(1)降低A,O,熔融温度（或作助熔剂） 6H,O+2A1+2OH-3H2◆+2[A1(OH),] (2 (3)11HNO+GaAs-8NO2+4H2 O+H:AsO+Ga(NO) Ⅱ.(1)芯片、硅太阳能电池 :C: CI Si CI (2):i: (3)锗 7.1)si0,+2C商温si+200+ (2)蒸馏SiHCL,+4H,O一H,SiO,+H,◆+3HCI (3)①浓硫酸受热均匀，便于控温 ②有固体物质生成在反应温度下，普通玻璃会软化 SiHCl +H, 1000-110℃Si+3HCl ③排尽装置中的空气④bd⑤半导体，光电池 8.(1)1s22s22p3s23p2大于 1800~2000℃ (2)1O>C>Si SiO (s)+2C(s)= Si(s)+2CO(g) △H=+638.4kJ·mol1②蒸馏直形冷凝管蒸馏烧瓶 9.(1)B (2)分子晶体 (3)2VA (4)2 (5)3 (6)sp3杂化 (7)H、O (8)M,C60 解析：(1)金刚石、石墨、C属于碳元素形成的不同单质，因此它们 互为同素异形体。 (2)固态的C6o属于熔沸点较低、硬度较小的分子晶体。 (3)硅晶体中每个硅原子与4个硅原子形成硅硅单键，因此每个硅 原子形成硅硅单键的数目为2，即1ol硅原子含有的硅硅单键的 数目为2VA。 (4)石墨的结构中，每个碳原子为三个正六边形共有，因此每个正 六边形中占有的碳原子数为2。 (5)石墨烯中1号碳原子与周围三个碳原子相连，因此形成。键的 个数为3。 (6)图乙中的1号碳原子形成4个。键，且无孤电子对，因此该碳原 子的杂化方式为sp杂化。 (8)M位于晶胞的棱上以及内部，则晶胞中M原子的个数为9+12 ×子-12，晶胞中C,位于晶胞的面心和顶点，则C,的个数为8X 令6×A.M原子与C。的个数比为3：1.则该材料的化学式 为MC0。