2027届高三化学一轮复习课件：3.2.8 碳、硅 无机非金属材料

3.2.8 碳、硅及无机非金属材料 【专题讨论】必修一： 复习目标 1.了解硅、碳及其重要化合物的主要性质及应用。 2.了解无机非金属材料的生产及主要性能。 3.了解化学品的合理使用和注意事项。 考情透视·目标导航 知识导图·思维引航 3 1.碳族元素 (1)碳、硅、锗、锡、铅均属于第ⅣA族元素，又称碳族元素， 其价层电子排布式为______。 (2)碳单质的存在形式:有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯，它们互为____________。 考点一：碳族元素　碳 ns2np2 同素异形体 同种元素组成的不同单质 金刚石 石墨 C60 (3)金刚石、石墨、C60的物理性质   金刚石 石墨 C60 晶体类型 物理性质 熔点高，硬度大，不导电 熔点高，硬度___，___导电 熔点低，不导电 主要用途 钻石制作，切割工具，钻探机的钻头等 做电极、润滑剂、铅笔芯 广泛应用于超导、医学领域 小 能 共价晶体 混合型晶体 分子晶体 ①碳原子的排列方式： 正四面体的空间网状结构 层状结构，每层为正六边形的平面网状结构 “足球”状分子，由正五边形和正六边形排列而成 sp3杂化 sp2杂化 sp2杂化 ②杂化方式： 金刚石 石墨 C60 考点一：碳族元素　碳 (4) 碳元素的主要化学性质——还原性 碳单质 化学性质 a.与O2的反应 b.与氧化物反应 c.与强氧化性酸反应 ①O2不足：2C＋O2 2CO ②O2充足：C＋O2 CO2 点燃 点燃 ①与CuO反应：2CuO＋C 2Cu＋CO2↑(冶炼金属)； ②与Fe2O3反应：Fe2O3＋3C 2Fe＋3CO↑(冶炼金属)； ③与CO2反应：CO2＋C 2CO； ④与水蒸气反应：C＋H2O(g) CO＋H2(制水煤气)； ⑤与SiO2反应：SiO2＋2C Si＋2CO↑(制粗硅)； SiO2＋3C SiC＋2CO↑(制金刚砂) 高温 高温 高温 高温 高温 高温 ①与浓硫酸反应：C＋2H2SO4(浓) CO2↑＋2SO2↑＋2H2O。 ②与浓硝酸反应：C＋4HNO3(浓) CO2↑＋4NO2↑＋2H2O。 △ △ 考点一：碳族元素　碳 2、碳的氧化物——CO、CO2的性质对比 色态味 密度(比空气) 水溶性 毒性 相互转化 CO 无色、无 味、气体 小 难溶 有(易结合血红蛋白) 大 能溶 无(温室效应) (1)碳的氧化物的物理性质 2.碳的氧化物的化学性质 ①CO具有较强的______性，可以与、金属氧化物等发生反应。 如与反应：___________________________。 还原 用途：灭火、制汽水、植物肥料、化工原料等 ②是______氧化物， 也具有______性。 酸性 氧化 2.碳的氧化物的化学性质 酸性 氧化物 氧化性 ①与水反应:__________________ ②与碱反应:少量:____________________________； 足量：______________________； _________________________________(检验_____) ③与碱性氧化物反应：___________________ ④与盐溶液反应： _______________________________________少量)； ___________________________________________ 过量)； ⇌ 2CO 高温 点燃 考点一：碳族元素　碳 3.CO2在自然界中的循环 (1)CO2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： ①溶于江水、海水中：CO2＋H2O H2CO3； ②光合作用将CO2转化为O2； ③岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2===__________。 Ca(HCO3)2 1.金刚石、石墨、C60都是由碳元素组成的单质(　　) 2.水墨画可长久保存不变色是因为在常温下碳的化学性质不活泼(　　) 3.二氧化碳能使紫色石蕊溶液变红，说明二氧化碳具有酸性(　　) 4.低碳环保中的“碳”是指二氧化碳(　　) 5.石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应(　　) 6.向空气中排放二氧化碳会形成酸雨(　　) 7.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(　　) 8.向氨化的饱和食盐水中通入足量的CO2气体，会析出晶体(　　) × × × √ √ × √ √ 易错辨析 必备知识 整合 气体的除杂方法 CO中混有 通过盛有___________的洗气瓶，然后干燥气体 中混有CO 通过盛有__________的硬质玻璃管 中混有 通过盛放__________的硬质玻璃管 中混有少量 通过盛有_________________或________________的洗气 瓶，然后干燥气体 中混有少量HCl 通过盛有_________________的洗气瓶，然后干燥气体 NaOH溶液 灼热CuO 灼热铜网 饱和溶液 酸性溶液 饱和溶液 考点一：碳族元素　碳 4. 碳酸、碳酸盐 (1)碳酸:二____ 酸、不稳定，常用__________代替，酸性: 。 元弱 （2）碳酸的正盐和酸式盐的比较 正盐() 酸式盐) 溶解性 只有钾、钠、铵盐可溶 一般都可溶 热稳定性 正盐＞酸式盐 溶液 同浓度：正盐＞酸式盐 相互转化 H2CO3>HClO>苯酚 【热点考察】CO2与盐或碱溶液反应产物或现象的判断 1.CO2与盐溶液反应产物或现象的判断 一般从强酸制弱酸的角度去分析。 酸性： 因此可用CO2制取上述物质，常涉及的变化如下: CO2通入Na2SiO3溶液： 少量CO2通入NaClO溶液： 少量CO2通入苯酚溶液： HAc>H2CO3>HClO>硅酸>苯酚>HCO3->Al(OH)3 CO2（少/过）+NaClO +H2O=NaHCO3+HClO CO2+Na2SiO3+H2O = Na2CO3+H2SiO3↓ (或CO2+Na2SiO3+2H2O=H4SiO4↓+Na2CO3) CO2通入Ca(ClO)2溶液： CO2通入Na[Al(OH)4]溶液： 【热点考察】CO2与盐或碱溶液反应产物或现象的判断 1.CO2与盐溶液反应产物或现象的判断 一般从强酸制弱酸的角度去分析。 酸性： 因此可用CO2制取上述物质，常涉及的变化如下: HAc>H2CO3>HClO>硅酸>苯酚>HCO3->Al(OH)3 CO2（少）+Ca(ClO)2+H2O=CaCO3↓+2HClO 2CO2（过）+Ca(ClO)2+2H2O=Ca(HCO3)2+2HClO 【热点考察】CO2与盐或碱溶液反应产物或现象的判断 2.CO2与碱溶液反应产物的判断 (1)CO2通入NaOH溶液 ①反应过程分析: 开始氢氧化钠过量： CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O 继续通入CO2,碳酸钠会逐渐转化为NaHCO3：Na2CO3+CO2+H2O=2NaHCO3。 【热点考察】CO2与盐或碱溶液反应产物或现象的判断 ②根据NaOH与CO2量的关系判断反应后溶质成分: x= 溶质成分 x≤1∶1 NaHCO3 1∶1<x<2∶1 Na2CO3、NaHCO3 x=2∶1 Na2CO3 x>2∶1 NaOH、Na2CO3 CO2（少）+2NaOH=Na2CO3+H2O NaOH+CO2（过）= NaHCO3 (2)CO2与多组分[如CO2通入NaOH、Ca(OH)2的混合溶液]反应的顺序: ①Ca(OH)2+CO2 = CaCO3↓+H2O ②2NaOH+CO2 = Na2CO3+H2O ③Na2CO3+CO2+H2O = 2NaHCO3 ④CaCO3+CO2+H2O = Ca(HCO3)2 【热点考察】CO2与盐或碱溶液反应产物或现象的判断 考点二：硅及其重要化合物 硅的特性：导电性介于导体与绝缘体之间，半导体材料 基态电子排布式：1s22s22p63s23p2 周期表位置：第三周期ⅣA族 硅的原子结构示意图： 硅基态电子排布轨道表示式： 硅的用途：①良好的半导体；②太阳能电池；③计算机芯片 硅的位置：金属与非金属的过渡位置 硅的位置、结构、用途、存在等分析 考点二：硅及其重要化合物 1.硅的存在 自然界中硅元素仅有 ，在地壳中含量仅次于___，主要以 和 的形式存在。 化合态 氧化物 硅酸盐 氧 硅元素是亲氧元素 2.硅的物理性质 硅单质灰黑色固体，有 光泽，脆，熔点 ，硬度 。 金属 高 大 (2)单质硅结构： 硅元素原子序数为14，基态原子的简化电子排布式为____________，核外电子的空间运动状态有___种，不成对电子数有___个；单晶硅为_______晶体，晶体中每个原子以_____杂化，分别与___个相邻的原子形成___个键，原子的配位数为___，晶体中最小的环是___元环，1mol硅中含键数为___。 8 2 共价 4 4 4 6 2NA 单晶硅 结构特点：硅是sp3杂化，键角109°28′，空间立体网状结构、共价晶体 考点二：硅及其重要化合物 3.硅的化学性质 (1)常温下不活泼，一般不与其他物质反应， 与F2：______________； 与HF：______________________； 与NaOH：_________________________________。 Si＋2F2 = SiF4 Si＋4HF = SiF4↑＋2H2↑ Si＋2NaOH＋H2O = Na2SiO3＋2H2↑ 常温只与F2、HF、强碱反应 (2)在加热的条件下可以与氧气、氯气等反应。 粗硅的制取：____________________________。 Si + O2 SiO2 △ △ Si+ 2Cl2 SiCl4 4.工业上制备高纯硅（教材P22） ①SiO2+2C Si(粗)+2CO↑ ②Si(粗)+3HCl ==== SiHCl3+H2↑ 300℃ ③SiHCl3+H2==== Si(纯)+3HCl 1100℃ 若C过量： SiO2+3C == SiC + 2CO ↑ 高温 碳化硅(俗名：金刚砂) 考点1：提高产率问题，降温及时液化三氯硅烷，有利于提高产率 考点2：副产物H2、HCl的循环利用降低成本，提高原料的利用率 分馏 沉降、冷凝 注： ①用焦炭还原，产物是CO而不是。 ②粗硅中含碳等杂质，与反应生成的中含有等杂质，经过分馏提纯 后，再用还原，得到高纯度硅。 ①SiO2+2C Si(粗)+2CO↑ 考点二：硅及其重要化合物 5.硅的氧化物——SiO2 （1）存在 普通的沙：细小的石英晶体 水晶：纯石英，无色透明晶体 (2)物理性质：硬度___，熔、沸点___，常温下为固体，不溶于水。 大 高 二氧化硅的结构性质与用途 结构特点：硅是sp3杂化，键角109°28′，空间立体网状结构、共价晶体 性质特点：高熔点、高沸点、硬度大，有较强的导光性能，作光导纤维材料 立体网状结构 硅氧四面体结构 二氧化硅晶胞 主要用途：光导纤维、冶炼粗硅、耐高温实验仪器、玛瑙饰物等 考点二：硅及其重要化合物 5.硅的氧化物——SiO2 （3）化学性质 ①酸性氧化物（不溶于水，不和水反应） 与碱反应 SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O 与碱性氧化物反应 SiO2 + CaO CaSiO3 高温 与盐反应 SiO2 + Na2CO3 == Na2SiO3+CO2↑ 高温 ②氧化性 高温 SiO2 + 2C Si + 2CO↑ ③溶于氢氟酸 SiO2 + 4HF = SiF4↑+2H2O （4）用途 光导纤维、光学仪器、电子部件 SiO2＋CaCO3 制玻璃 制粗硅 刻蚀玻璃 6.硅酸(H2SiO3) 不 弱 Na2CO3＋H2SiO3↓ Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓ 考点二：硅及其重要化合物 考点二：硅及其重要化合物 一、硅酸盐 1、定义：硅酸盐是由_ ___、__ __与其他化学元素结合而成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。 硅 氧 2、硅酸钠——泡花碱 （1）白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称________。有黏性，水溶液显____性。 （2）与酸性比硅酸强的酸反应 与盐酸反应的化学方程式：_________________________________。 与水溶液反应的化学方程式：______________________________________。 （3）用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料、防腐剂。 水玻璃 碱 不能用玻璃塞保存 3.硅酸盐组成的表示方法 通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成。 (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。 如硅酸钠可表示为____________，长石 可表示为________。 Al2O3·2SiO2·2H2O CaMg3Si4O12： CaO·3MgO·4SiO2 Al2(Si2O5)(OH)4： 【名师提醒】 1.硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐——硅酸钠，其水溶液称为泡花碱或 水玻璃，但却是盐溶液。 2.的酸性大于所以有：。 但不能说明酸性：>，原因可以 从两方面解释： ①硅酸盐比碳酸盐稳定； ②从化学平衡角度，由高沸点难挥发固体制得低沸点易挥发的。 了解硅酸盐结构中的硅氧四面体结构 硅是sp3杂化，键角109°28′ 硅氧四面体结构中： 五个原子构成的[SiO4]4-, 正四面体结构 【阅读课本】BX2:P19 硅酸盐结构 【资料卡片】XB2:P91 硅酸盐的结构 ——硅氧四面体结构 “硅氧四面体”是硅酸盐晶体结构中的基本构造单元。 许多“硅氧四面体“还可以通过顶角的氧原子相互连接，每个氧原子为两个正四面体共有，与2个硅原子相结合。 性质：硅氧四面体结构的特殊性，决定了硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。 6.形式多样的硅酸盐是无机矿物的重要基石。 是一种四面体形的离子(属于硅酸根离 子)，其结构可用图a表示，硅原子位于该四 面体体心，四个氧原子各占一个顶点。图b 和图c则是复合硅酸根离子中的两个实例，均为无支链的单环状，分别由数个硅氧四面体a通过共用氧原子的形式构成。 (1)b的化学式为_______。 提升 关键能力 (2)若一个单环状离子中Si原子数为n(n≥3)， 则其化学式为_______。 (3)绿柱石是铍、铝的此类硅酸复盐，其化学式中含6个硅原子，该复盐的化学式是 _______________________________。 Be3Al2Si6O18(或3BeO·Al2O3·6SiO2) 提升 关键能力 【名师点晴】 熟记下列方程式： 1.用制取粗硅的反应：。 2.和NaOH溶液的反应：。 3.和NaOH溶液的反应：。 4.和氢氟酸的反应：。 5.向溶液中通入少量气体： 。 考点三：无机非金属材料 一、传统无机非金属材料 1.传统无机非金属材料，如______、______、______等硅酸盐材料。 水泥 玻璃 陶瓷 2.常见硅酸盐材料比较 物质 水泥 玻璃 陶瓷 生产原料 ______________ ____________________ ______ 主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑 黏土、石灰石 纯碱、石灰石和石英 黏土 3.玻璃生产中的两个重要反应： ； 。 考点三：无机非金属材料 二、新型无机非金属材料 (1)高温结构陶瓷，如SiC、AlN、GaAs、BN、Si3N4、Al2O3等。 (2)碳纳米材料 ①类型：富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。 ②用途：在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。 (3)特殊功能的含硅材料 ①碳化硅（金刚砂）为共价晶体，具有类似金刚石的结构，可用作磨料。 中含有___键 ②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。 教材P23 4 几种新型陶瓷简介 新型材料 成分 性能 主要应用 金刚砂 碳化硅(SiC) 硬度大、耐高温、抗氧化 磨料、耐高温结构材料、耐高温半导体材料 高温结 构陶瓷 碳化硅、氮化硅、金属氧化物 耐高温、抗氧化、耐腐蚀 用于火箭发动机、汽车发动机和高温电极材料等 压电陶瓷 钛酸盐、锆酸盐等 能实现机械能和电能的相互转化 用于滤波器、扬声器、超声波探伤器和点火器等 透明陶瓷 氧化铝、氧化钇等透明陶瓷；氮化铝、氟化钙等非氧化物透明陶瓷 具有优异的光学性能、耐高温、绝缘性好 用于高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导陶瓷 临界温度下具有超导性 用于电力、交通、医疗领域等 教材P23 新型无机非金属材料 1.晶体硅： 2.晶体态SiO2——光导纤维(BX2:P22) SiO2的用途：冶炼粗硅 SiO2的导光性强——光导纤维 SiO2的熔点高：耐高温仪器 3.新型陶瓷：SiC——共价晶体(BX2:P23) SiC晶胞：原子数、杂化、键角等 4.新型陶瓷：SiC、Si3N4等(BX2:P22) 5.碳纳米材料——富勒烯、碳纳米管、石墨烯等(BX2:P24) ——石墨烯 3.碳纳米材料 石墨烯是只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。作为一种具有优异性能的新型材料，石墨烯在光电器件、超级电容器、电池和复合材料等方面的应用研究正在不断深入。 回顾——金属材料(BX1:P79) 铁及其合金（钢和铸铁）、铬和锰合金（不锈钢、耐磨钢等） 黑色金属： 特种金属：非晶态金属、纳米晶材料、功能合金（记忆合金和超导材料）等 有色金属： 轻金属（铝、镁）、重金属（铜、铅）贵金属（金、银）稀有金属（钨、稀土）铝锂合金因轻质广发应用于航空航天 铁合金：生铁和钢 铝和铝合金 有机高分子材料——加聚或缩聚产物(XB3:P136-145) 聚乙烯、聚乳酸、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、有机玻璃、酚醛树脂等 塑料： 橡胶：合成橡胶和天然橡胶 纤维： 天然纤维：棉花、羊毛、蚕丝、麻等 化学纤维：丙纶、氯纶、腈纶、涤纶、锦纶、芳纶等 （一）.通用高分子 合成的顺丁橡胶 （二）功能高分子(XB3:P145-148) 1.高吸水性树脂 2.高分子分离膜 【归纳总结】 下列叙述的材料中属于新型无机非金属材料的是　　　　　　　　　　。  ①氮化硅陶瓷　②“神舟十七号”航天员使用的碳纤维材料　③石墨烯智能发热材料　④钛合金　⑤聚酰胺纤维　⑥中国天眼FAST用到的高性能碳化硅 ⑦天宫二号所用太阳能电池材料砷化镓　⑧修筑三峡大坝使用的水泥 ①②③⑥⑦ 小题过基础 目录 考点二　无机非金属材料 知识梳理 CO2++H2O →+NaHCO3 CO2(过量)+Na[Al(OH)4] = Al(OH)3↓+NaHCO3 CO2(少量)+2Na[Al(OH)4] = 2Al(OH)3↓+Na2CO3+H2O SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑ CaSiO3＋CO2↑ H2SiO3SiO2＋H2O Si3O SiO SinO 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