第十六讲 碳，硅及其重要化合物 课件-2027届高三化学一轮复习

第二章 物质及其变化 第16讲——知识点 碳，硅及其重要化合物 新人教版 高中化学 2027届 一轮复习 考点一 碳的性质及应用 1.存在形态 碳元素 游离态：金刚石、石墨、无定形碳、足球烯、碳纳米管等， 化合态：CO、CO2、NaHCO3等 (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______。常见价态为0、+2、+4，自然界硅元素仅有 ，在地壳中的含量仅次于氧，主要以 和 的形式存在。 ns2np2 化合态 氧化物 硅酸盐 碳：金刚石：无色透明固体 石墨：灰黑色,导体 硅：灰黑半导体 锗Ge 银灰半导体 锡Sn 银白导体 铅 Pb 蓝白导体 2   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 碳的性质及应用 【注意】石墨烯本身为纯净物，是C的同素异形体的一种；但石墨烯材料为混合物 2、化学性质 ①最外层均为4e-，得失e-难，易形成共价键，也可形成离子键，如CaC2 ②碳族元素有+2、+4价,Pb以+2价为稳定,其余以+4价稳定 CO、SnCl2具有强还原性，PbO2具有强氧化性 ③酸性：H2CO3>H2SiO3 碱 性：Ge(OH)4<Sn(OH)4<Pb(OH)4 ④氢化物的稳定性 CH4>SiH4 Sn+2Cl2 SnCl4 Pb+Cl2 PbCl2 PbO2+4HCl(浓)= PbCl2+Cl2↑+2H2O 考点一 碳的性质及应用 (3) 碳单质的化学性质 CuO: (冶炼金属) 碳 常温下 , 稳定 ; 高温时 , 一般表现还原性。 SiO2+2C === Si+2CO↑ 高温 2CuO+C == 2Cu+CO2↑ 与O2反应 O2足量: O2不足: 点燃 C＋O2 === CO2 点燃 2C＋O2 === 2CO 与氧化物反应 SiO2: (制取粗硅) H2O: (制取水煤气) C＋H2O(g)=== CO+H2 高温 与强氧化性酸反应 浓H2SO4： 浓HNO3： C+2H2SO4(浓)== CO2↑+2SO2↑+2H2O C+4HNO3(浓)== CO2↑+4NO2↑+2H2O 考点一 碳的性质及应用 ①金刚石结构坚硬，用作玻璃刻刀、机器______、装饰品等； ②石墨的细鳞片状结构质软、导电性、滑腻性、耐高温, 作_______、______、润滑剂、坩埚； ③木炭和活性炭的疏松多孔的结构吸附性，用作吸附食品色素、 除____、防毒面具、冰箱除味剂等； ④可燃性，作燃料，用于________________等； ⑤还原性，作还原剂：冶炼______，如冶炼金属铜、铁等。 钻头 铅笔芯 电极 臭 家庭取暖、做饭 金属 3.碳的用途 考点一 碳的性质及应用 CO (不成盐氧化物) CO2 (酸性氧化物) 毒性 有毒(易结合血红蛋白) 无毒(温室效应) 化学 性质 还原性 氧化性 与水 与碱 转化 用途 燃料、冶炼金属 灭火、制汽水、植物肥料、化工原料 与O2 、CuO、Fe2O3等 与C、Mg等 CO2 +H2O⇌H2CO3 CO2 +Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O CO CO2 4.碳的氧化物—CO、CO2 CO、CO2都是无色无味气体，CO难溶于水， CO2易溶于水 考点二 碳的化合物的性质及应用 5.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) 考点二 碳的化合物的性质及应用 CO2通入Ca(ClO)2溶液： CO2通入Na[Al(OH)4]溶液： CO2（少）+Ca(ClO)2+H2O=CaCO3↓+2HClO 2CO2（过）+Ca(ClO)2+2H2O=Ca(HCO3)2+2HClO 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。 考点二 碳的化合物的性质及应用 5.用途①CO:作_____，________； ②_____，制碳酸汽水饮料；植物_____；化工原料等。 工业油清洗剂，人工降雨剂，焊接保护气，冷藏，食品保护 燃料 冶炼金属 灭火 肥料 气体的除杂方法，括弧内为杂质 CO( ) 通过盛有__________的洗气瓶，然后干燥气体 ( ) 通过盛有__________的硬质玻璃管 ( ) 通过盛放__________的硬质玻璃管 ( ) 通过盛有_______________或________________的洗气瓶，然后干燥气体 (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 [思考]可以用来人工增雨作业的化学试剂有哪些？ 考点二 碳的化合物的性质及应用 碳酸为弱酸且不稳定,碳酸(H2CO3)只能在水中存在,H2CO3在水中与CO2共存, 因此常把CO2+H2O当碳酸用。 7.碳的重要化合物—H2CO3 8.碳的重要化合物—H2C2O4 ①H2C2O4是二元弱酸；有较强的还原性，能使酸性高锰酸钾溶液褪色(离子方程式)： ； ②H2C2O4不稳定，固体受热易分解： ； 2MnO4-＋5H2C2O4＋6H+=2Mn2+＋10CO2↑＋8H2O H2C2O4 = H2O＋CO↑＋CO2↑。 △ 考点二 碳的化合物的性质及应用 9.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 考点二 碳的化合物的性质及应用 1、向或溶液中通入SO2气体，由于盐酸的酸性比 碳酸的强，不产生或沉淀。但通入或溶液发生氧化还原反应，均有沉淀产生。 2、澄清石灰水只用于检验，不能用于除去混合气体中的，若要除去CO2应用NaOH溶液除去； 3、①强酸制弱酸是重要的反应规律，但不可认为弱酸就不能制强酸。 与苯酚钠或次氯酸钠溶液反应的产物与用量无关，都生成，因为酸性 因酸性 ；但CO2与次氯酸钙的反应，产物与CO2用量有关 考点二 碳的化合物的性质及应用 14 (1)硅元素在自然界的存在形式 在自然界中只有 ，无游离态，主要以 和 的形式存在。 二氧化硅 化合态 硅酸盐 (2)物理性质 灰黑色固体，有 光泽，脆，熔点 ，硬度 。 金属 高 大 1. 硅单质 高纯硅外观形态 硅晶体内部硅原子排列情况 考点三 硅的性质及应用 (3) 化学性质 化学性质不活泼（常温只与F2、HF、强碱反应）在加热的条件下可以与氧气、氯气等反应 ①与O2反应 ②与F2反应 ③与HF反应 ④与NaOH反应 Si + O2 SiO2 △ Si + 2F2 = SiF4 Si + 4HF = SiF4 ↑ + 2H2↑ Si + 2NaOH+H2O= Na2SiO3 + 2H2↑ 硅是构成岩石和矿物的主要成分Si：有晶体硅和无定形硅两大类。 硅元素是亲氧元素 导电能力介于导体和绝缘体之间 15 (4)制取方法 ①制取粗硅 工业上用焦炭在电炉中还原石英砂SiO2得到含有少量杂质的粗硅 高温 SiO2 + 2C Si(粗) + 2CO↑ ②粗硅提纯 (5)用途 良好的半导体材料、太阳能电池、芯片 若C过量：Si + C == SiC 碳化硅(俗名：金刚砂) (三氯硅烷) 制铝合金、铁合金等多种合金 例如：含硅元素4%的硅钢具有导磁性 Si+2Cl2===SiCl4 SiCl4+2H2===Si+4HCl 高温 Si的还原性强于C，但C能还原SiO2生成Si，且氧化产物为CO，不是CO2。该反应之所以能发生，其原因是产物CO气体，它的放出降低了生成物浓度，促使反应向正反应方向进行。 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 考点三 硅的性质及应用 2. 二氧化硅 (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 溶于水，熔点 ，硬度 。 难 高 大 水晶、石英、玛瑙、沙子、硅石、硅藻土、脉石等主要成分都是SiO2 ①每个Si原子都采取 杂化和 个O原子形成 个Si—O键. sp3 4 4 ②没有单个SiO2分子存在，只存在硅、氧原子，Si:O比例: . 1:2 每个Si周围结合 个O； 4 2 封闭的环状结构 (3)SiO2晶体结构 每个O周围结合 个Si ③最小的环是由6个Si原子和6个O原子组成的12元环。 ④1mol SiO2中含 mol Si—O键 4 考点四 硅的化合物性质及应用 17 (4)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弱氧化性 高温 SiO2 + 2C Si + 2CO↑ ③溶于氢氟酸 SiO2 + 4HF = SiF4↑+2H2O 问题：熔融NaOH固体时使用______ A.陶瓷坩埚 B.石英坩埚 C.Al2O3坩埚 D.生铁坩埚 D SiO2＋CaCO3 制玻璃 刻蚀玻璃 制粗硅 考点四 硅的化合物性质及应用 18 (1)不能依据反应2C＋SiO2==== Si＋2CO↑来说明C的还原性比Si强，也不能依据反应SiO2＋Na2CO3====Na2SiO3＋CO2↑来说明SiO2水化物的酸性比H2CO3强，反应靠熵增推动。 高温 高温 (3)SiO2虽然能与NaOH溶液、HF溶液反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物，但与水不能直接反应制备H2SiO3。 (2)氢氟酸能腐蚀玻璃并用于雕刻玻璃，盛放氢氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。 盛放碱性溶液的试剂瓶不能用磨口玻璃塞，因为SiO2与碱溶液反应生成具有黏性的Na2SiO3。 注意几个问题： 考点四 硅的化合物性质及应用 19 (5) 二氧化硅的用途 ①建筑材料 ②制作首饰与工艺品（水晶、玛瑙） ③制作光学仪器（石英玻璃、石英坩埚） ④制造光导纤维 【对比】硅单质的用途 ①半导体材料—硅芯片、硅整流器、集成电路等 ②光太阳能电池 ③制备合金 考点四 硅的化合物性质及应用 20 含硅化合物的特殊性 (2) 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。 (1) 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。 考点四 硅的化合物性质及应用 21 3. 硅酸 (1) 物理性质 溶于水，白色胶状固体。 难 (2) 化学性质 ①酸性：弱酸，酸性比碳酸H2CO3 。 弱 Na2SiO3+H2O+CO2 = Na2CO3+H2SiO3↓ ②不稳定性 H2SiO3 ==== SiO2 + H2O (3) 制备 可由可溶性硅酸盐与盐酸等其他酸反应制备： Na2SiO3+2HCl = 2NaCl+H2SiO3↓ (4) 用途 硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶，经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶，常用作干燥剂,也可以用作催化剂的载体。 Na2SiO3+H2O+CO2 = Na2CO3+H2SiO3↓ 硅酸在水中易聚合形成胶体 → 硅胶 H2SiO3 硅酸凝胶 硅酸干凝胶 “硅胶” 逐渐聚合 干燥脱水 SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 反应原理：较强酸制较弱酸 不能使指示剂变色！ 考点四 硅的化合物性质及应用 22 4. 硅酸盐 是构成地壳岩石的主要成分。大多硬度高、耐高温、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等 硅酸盐是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称 （2）表示方法： 通常用SiO2和金属氧化物的形式来表示其组成 硅酸钠：Na2SiO3 高岭石：Al2Si2O5(OH)4 Na2O · SiO2 Al2O3 · 2SiO2 ·2H2O 练习：长石 KAlSi3O8 钾云母 KH2Al3Si3O12 原则：金属氧化物在前，非金属氧化物在后；低价态在前，高价态在后；活泼在前，不活泼在后；水一般写在最后。 格式：活泼金属氧化物·较活泼金属氧化物·二氧化硅·水 K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O [注意: 原子个数比例不变，化合价不变]计量数以整数书写 考点四 硅的化合物性质及应用 23 (1)硅酸钠 ①白色、可溶于水的粉末状固体，固体称为泡花碱，其水溶液俗称________。呈碱性，无色粘稠的溶液，具有粘性和阻燃性。 ②与酸性比硅酸强的酸反应 与盐酸反应的离子方程式：_________________________________。 与水溶液反应的离子方程式：______________________________________。 ③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。 水玻璃 常见的耐高温材料：MgO、Al2O3、SiO2、SiC、Si3N4等 注意：硅酸盐大多难溶于水，常见的可溶性硅酸盐是硅酸钠 不能用玻璃塞保存 考点四 硅的化合物性质及应用 1.硅酸盐材料 (1)陶瓷 陶瓷以______ (主要成分为含水的__________)为主要原料，经______烧结而成的。 (2)玻璃 普通玻璃的主要成分为_____________________________________它是以______________________为主要原料，经混合、粉碎，在________中熔融，发生复杂的____________________而制得的，玻璃可用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，还可制造__________，用于高强度__________等。 黏土 铝硅酸盐 高温 Na2SiO3、CaSiO3和SiO2 纯碱、石灰石和石英砂 玻璃窑 物理变化和化学变化 玻璃纤维 复合材料 主要成分：Al2Si2H4O9 (3)水泥 普通硅酸盐水泥的主要原料是______________，二者与其他辅料经混合、研磨后在____________中煅烧，发生复杂的物理变化和化学变化，加入适量石膏调节水泥__________，再研成细粉得到普通水泥。混凝土是水泥、沙子和碎石等与水混合得到的。 黏土和石灰石 水泥回转窑 硬化速率 主要成分：Ca3SiO5、Ca2SiO4、Ca3Al2O6 考点四 硅的化合物性质及应用 【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。 考点四 硅的化合物性质及应用 硅酸盐结构 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。 考点四 硅的化合物性质及应用 2.新型无机非金属材料 (1)新型陶瓷 新型陶瓷在组成上不再限于传统的硅酸盐体系，在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。 (2)新型陶瓷的种类与用途 材料类型 主要特性 示例 用途 高温结 构陶瓷 耐高温、抗氧 化、耐磨蚀 碳化硅、氮化硅与某些金属氧化物等烧结而成 火箭发动机的尾管及燃烧室、汽车发动机、高温电极材料等 SiO2+3C(过量) === SiC+CO ↑ 高温 SiC俗称金刚砂, 结构与金刚石类似, 硬度大, 高温抗氧化性能强。 高温结构陶瓷，如SiC、AlN、GaAs、BN、Si3N4、Al2O3等。 考点四 硅的化合物性质及应用 压电陶瓷 实现机械能与电能的相互转化 钛酸盐、锆酸盐 滤波器、扬声器、声纳探伤器、点火器等 透明陶瓷 优异的光学性能，耐高温，绝缘性好 氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙 高压钠灯、激光器、高温探测窗等 超导陶瓷 在某一临界温度下电阻为零   可用于电力、交通、医疗等领域 2.新型无机非金属材料 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。 考点四 硅的化合物性质及应用 考点一 硅的性质及应用 类别 结构特点 主要性能 重要应用或意义 富勒烯 由碳原子构成的一系列笼形分子的总称,C60是富勒烯的代表物  　 工业材料，应用于电化学，催化剂，化妆品，抗癌药物等 碳纳米管 由石墨片层卷成的管状物,具有纳米尺度的直径  比表面积大,有相当高的强度和优良的电学性能  石墨烯 　只有一个碳原子 直径厚度的单层石墨  电阻率低、热导率高, 具有很高的强度 生产光电器件、超级电容器、电池和复合材料等 3.碳纳米材料 碳纳米材料是一类新型无机非金属材料,主要包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。 玻璃棉:玻璃纤维中的一个类别，是一种人造无机纤维。玻璃棉是将熔融玻璃纤维化，形成棉状的材料，化学成分属玻璃类，是一种无机质纤维 。 玻璃丝（玻璃纤维）:用熔融玻璃制成的极细的纤维，绝缘性、耐热性、抗腐蚀性好，机械强度高。用做绝缘材料和玻璃钢的原料等。 玻璃纸：是一种是以棉浆、木浆等天然纤维为原料，用胶黏法制成的薄膜。它透明、无毒无味。因为空气、油、细菌和水都不易透过玻璃纸，使得其可作为食品包装使用。 玻璃钢：纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂基体。玻璃纤维作筋骨，用合成树脂（酚醛塑料、环氧树脂及聚酯树脂）作肌肉，让它们凝为一体，制成的材料，其抗拉强度可与钢材相媲美—因此得名叫玻璃钢。 考点四 硅的化合物性质及应用 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： 。 考点四 硅的化合物性质及应用 1、下列关于二氧化硅的说法是否正确？解释其理由 A．二氧化硅分子由1个硅原子和2个氧原子构成 B．二氧化硅又叫硅酐 C．二氧化硅与水化合生成对应水化物硅酸 D．二氧化硅为酸酐，与碱反应不与酸反应 E．二氧化硅与碳酸钠反应生成CO2， 所以硅酸酸性比碳酸强 B SiO2晶体中无SiO2 分子存在 碳、硅及其化合物性质“反常”小结 1.一般非金属元素单质熔、沸点___，硬度___，但晶体硅、金刚石 熔、沸点___，硬度___，其中金刚石为自然界中硬度_____的物质。 2.一般非金属单质为_____体，但硅为_____体,石墨为电的______体。 3.还原性___于C，但C在高温下能还原出：___________________ 4.非金属单质与碱反应一般既作______剂又作______剂，且____H2 放出，但硅与强碱溶液反应只作_____剂，且放出氢气：__________ 5、非金属单质一般___与非氧化性酸反应，但硅能跟_______反应： 低 小 高 大 最大 绝缘 半导 良导 强 氧化 还原 无 还原 不 氢氟酸 碳、硅及其化合物性质“反常”小结 6、一般碱性氧化物酸盐水，二氧化硅是______氧化物， 却能与________反应：__________________________ ___属于盐，故不是两性氧化物)。 7、一般情况下，无机酸____溶于水，但硅酸却____溶于水。 8、胶体) （脱离体系促进反应） 9、一般情况下，金属能置换出水中的氢，但C在高温下 10、一般酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸， 但二氧化硅____溶于水，也___与水反应。 酸性 氢氟酸 不 能 难 不 不 CaSiO3＋CO2↑ $