第四单元 非金属及其化合物
第1节 无机非金属材料的主角——硅
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C、Si单质及其重要化合物对环境的影响。
一、碳、硅单质
1．原子结构、存在形态、物理性质及用途
[来源:学科网]
碳
硅
原子结构
存在形态
既有______，也有______，是组成有机物的基本元素
只有______，是构成矿物和岩石的主要元素
物理性质
金刚石：熔点____、硬度____，____电
石墨：硬度____、____电
灰黑色固体，有金属光泽，熔点____、硬度____、有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间
用途
______用于切割刀具，____用作电极、铅笔芯
______材料和合金材料
2．碳单质的化学性质
即时训练1下列叙述中正确的是________。
①光导纤维、石英钟的主要成分是单质硅
②计算机芯片、太阳能电池板、半导体晶体管的主要成分是单质硅
③金刚石、石墨、C60是碳元素的同素异形体，它们之间的转化属于化学变化
④在自然界中有游离态的碳，但没有游离态的硅
二、碳、硅的氧化物
1．CO
（1）物理性质：______色气体，______毒，______溶于水。
（2）化学性质：①燃烧（写出化学方程式，下同）：__________________________________ _______________________________________________________________________。
②还原Fe2O3：__________________________________________________________。
2．SiO2和CO2的性质比较
CO2
SiO2
物理性质
水溶性[来源:学,科,网]
[来源:学#科#网][来源:学_科_网Z_X_X_K][来源:学*科*网]
熔沸点
化学性质
相同点
氧化性
C＋CO2____
2C＋SiO22CO↑＋Si
与NaOH
反应
与CaO
反应
不同点
与水反应
不反应
与Na2CO3反应
Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3
Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑
特性
SiO2与HF溶液反应：______________________________
3．SiO2的用途
（1）存在：二氧化硅广泛存在于自然界的硅石、石英、水晶、玛瑙中。
（2）用途：光导纤维的主要成分是________，石英可制作石英玻璃和石英钟。
即时训练2 下列叙述中正确的是________。
①CO2溶于水生成碳酸，所以SiO2溶于水也能生成硅酸
②SiO2是酸性氧化物，不与任何酸反应
③SiO2是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应
④SiO2既能与碱反应，又能与酸（氢氟酸）反应，属于两性氧化物
特别提示：SiO2既能与氢氟酸反应，又能与碱反应，但它是酸性氧化物，不属于两性氧化物，与两性氧化物Al2O3不同。Al2O3与所有的强酸、强碱均反应，SiO2只与特殊的酸（氢氟酸）反应，不能与其他酸反应。
三、硅酸与硅酸盐
1．硅酸（H2SiO3）
（1）物理性质
硅酸____溶于水。
（2）化学性质
①弱酸性（比碳酸还弱）
与NaOH溶液反应的化学方程式：___________________________________________
________________________________________________________________________；
向Na2SiO3溶液中通入CO2的化学方程式：____________________________________ ________________________________________________________________________。
②不稳定性
硅酸受热分解的化学方程式：________________________________________________ _________________________________________________________________________。
（3）用途
硅胶可用作干燥剂，也可以作催化剂的载体等。
2．硅酸盐
硅酸盐是由______________组成的化合物的总称，最简单的硅酸盐是硅酸钠，化学式为________，用氧化物的形式表示为__________。硅酸钠的水溶液俗称________，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料等。
3．常见硅酸盐材料
产品
水泥
玻璃
陶瓷
设备
水泥回转窑
玻璃窑
—
原料
黏土
4.特殊含硅材料
（1）SiC（俗称金刚砂）具有金刚石结构，硬度大，可用作砂纸、砂轮的磨料。
（2）含硅4%的硅钢具有很高的导磁性，可用作变压器的铁芯。
（3）硅橡胶具有耐高温、耐低温的性质。
即时训练3下列说法中正确的是________。
①硅酸易溶于水，酸性比碳酸弱
②水玻璃是纯净物
③硅胶是SiO2
④硅酸化学性质比较稳定，受热不分解
⑤实验室中可以用水玻璃与CO2反应生成硅酸
⑥SiO2溶于水即得硅酸
⑦生产水泥和玻璃的共同原料是石英
⑧高温结构陶瓷比金属材料具有许多优点，如不怕氧化、密度小等优点
⑨新型无机非金属材料具有光学特性、生物功能、电学特性、耐高温、强度高
⑩玛瑙手镯、水晶镜片、玻璃所用材料均为硅酸盐
特别提示：①水玻璃是混合物；②我们常见的不溶于水的酸是硅酸，不与水反应的酸性氧化物是二氧化硅；③注意水玻璃及硅胶的用途。
一、碳、硅及其化合物的特性及应用
1．熔沸点
一般情况下，非金属单质熔沸点低，硬度小，但硅、金刚石熔沸点高，硬度大，其中金刚石为自然界中硬度最大的物质，所以可用金刚石制作钻头和切割工具。
2．导电性
一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体，所以晶体硅可作半导体材料，石墨可作电极。
3．SiO2作为酸性氧化物的特性
一般情况下，只有碱性氧化物与酸反应，酸性氧化物只与碱反应，不与酸反应，但SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，所以不能用玻璃容器盛放氢氟酸，可以用氢氟酸刻蚀玻璃。
一般情况下，酸性氧化物与水反应均能生成相应的酸，如SO2＋H2OH2SO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。
4．碳与水的反应
一般情况下，只有活泼金属（K、Na、Fe等）才能够置换出水中的氢，但碳单质却能与水蒸气反应：C＋H2O（g）CO＋H2，所以工业上用焦炭制取水煤气或氢气。
5．硅酸和硅酸盐的溶解性
一般情况下，大多数酸均可溶于水，如盐酸、醋酸、碳酸，但硅酸不溶于水。
硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐是Na2SiO3，其水溶液俗称水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。
【例1－1】 下列有关硅及其化合物的说法中正确的是（ ）。
A．在粗硅的制取中发生反应2C＋SiO22CO↑＋Si，硅被还原，说明碳的还原性强于硅的还原性
B．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中
C．用SiO2制取硅酸，应先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应，然后再通入CO2
D．由Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3可知硅酸的酸性强于碳酸
方法归纳
（1）Si的还原性比C强，但却能发生反应2C＋SiO22CO↑＋Si；H2CO3的酸性比H2SiO3强，但却能发生反应Na2CO3＋SiO2CO2↑＋Na2SiO3。这两个反应均在高温下进行，且产物中均有气体生成，有利于反应的发生。
（2）因为SiO2不与水反应，所以制取硅酸只能用可溶性硅酸盐与CO2或酸反应Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓或Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
（3）实验室中不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放显碱性的液体，如NaOH溶液、氨水、Na2SiO3溶液、Na2CO3溶液等；氢氟酸能腐蚀玻璃，故常保存在塑料瓶中。
【例1－2】 下列说法中不正确的是（ ）。
A．SiO2是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应
B．二氧化硅是生产光纤制品的基本原料
C．水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂
D．酸性氧化物可以与碱反应，但均不能与酸反应
二、除去CO2、CO气体中的杂质
1．CO中混有CO2：通过盛有NaOH溶液的洗气瓶。
2．CO2中混有CO：通过盛放灼热CuO的硬质玻璃管。
3．CO2中混有O2：通过盛放灼热铜网的硬质玻璃管。
4．CO2中混有SO2：通过盛有饱和NaHCO3溶液或酸性KMnO4溶液的洗气瓶。
5．CO2中混有HCl：通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶。
【例2】 下列除杂方法正确的是（ ）。
A．CO2中的CO杂质，可以通入适量氧气，然后点燃
B．SO2中的CO2杂质，可以通过盛有澄清石灰水的洗气瓶
C．CO2中的HCl杂质，可以通过盛有饱和碳酸氢钠溶液的洗气瓶
D．CO2中的SO2杂质，可以通过盛有饱和碳酸钠溶液的洗气瓶
硅从沙滩走到用户
硅是信息产业中的重要基础材料，近几年高考经常围绕硅单质的制取，结合物质的分离、提纯及化工工艺考查实验设计、实验评价及反应原理。
【实验典例】
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高温下用过量的碳与二氧化硅反应制得粗硅；
②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3（Si＋3HCl===SiHCl3＋H2）；
③SiHCl3与过量的H2在1 000～1 100 ℃反应制得纯硅，已知SiHCl3能与水剧烈反应，在空气中易自燃。
请回答：
（1）第一步制取粗硅的反应中碳作______剂（填“氧化”或“还原”）。
（2）粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3（沸点33.0 ℃）中含有少量SiCl4（沸点57.6 ℃）和HCl（沸点－84.7 ℃），提纯SiHCl3可采用______的方法。
（3）实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅的装置如下图所示（加热器和夹持装置略去）：
①装置B中的试剂是______，装置C需水浴加热，目的是_______________________。
②反应一段时间后，装置D中可观察到有晶体硅生成，D中发生反应的化学方程式是________________________________________________________________________。
③为保证实验的成功，操作的关键除题中已告知的以外，你认为最重要的还有_________________________________________________________________（说出三点）。
1．（高考集萃）下列叙述中不正确的是________。
A．（2012课标全国理综）单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料
B．（2012课标全国理综）合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料
C．（2012广东理综）SiO2具有导电性，所以SiO2可用于制备光导纤维
D．（2012海南化学）CO2属于大气污染物
E．（2012海南化学）大气中CO2含量的增加会导致温室效应加剧
F．（2012江苏化学）向一定浓度的Na2SiO3溶液中通入适量CO2气体，出现白色沉淀，所以H2SiO3的酸性比H2CO3强
G．（2012山东理综）盛放NaOH溶液时，使用带玻璃塞的磨口瓶
H．（2012天津理综）SiO2与酸、碱均不反应
2．下列叙述中正确的是（ ）。
A．二氧化硅不与任何酸反应，可用石英制造耐酸容器
B．硅酸钠的水溶液俗名为水玻璃，可用于制备硅胶和木材防火剂
C．制造玻璃是复杂的物理变化，玻璃的组成不同，性能不同
D．金刚石是自然界中硬度最大的物质，不可能与氧气发生反应
3．下列物质①氢氟酸、②浓硫酸、③氢氧化钠溶液、④碳酸钠固体、⑤氧化钙、⑥浓硝酸，在一定条件下能与SiO2反应的有（ ）。
A．①②⑥ B．①②③④⑤⑥
C．②③⑥ D．①③④⑤
4．下表各组物质中，满足下图物质一步转化关系的选项是（ ）。
选项
X
Y
Z
A
Na
NaOH
NaHCO3
B
Cu
CuSO4
Cu（OH）2
C
C
CO
CO2
D
Si
SiO2
H2SiO3
5．（2012北京朝阳二模）下列说法中正确的是（ ）。
A．高温下，可在试管内完成焦炭和石英砂（SiO2）制取硅的反应
B．CO2通入到CaCl2溶液中，一定不会出现沉淀
C．硅是构成矿物和岩石的主要元素，在地壳中的含量是在所有元素中居第一位
D．长期盛放NaOH溶液的滴瓶难打开，因为NaOH与瓶中的CO2反应形成“负压”的缘故
参考答案
基础梳理整合
一、 化合态 游离态 化合态
高 大 不导 小 导 高 大 金刚石 石墨 半导体
2．CO2 2CO CO2↑＋2Cu 2CO CO＋H2 CO2↑＋2SO2↑＋2H2O CO2↑＋4NO2↑＋2H2O
即时训练1
答案：②③④
二、1.(1)无 有 不 (2)①2CO＋O22CO2 ②Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2
2．可溶 不溶 低 高 2CO CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O CO2＋CaO===CaCO3 SiO2＋CaOCaSiO3 CO2＋H2OH2CO3 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
3．(2)二氧化硅
即时训练2
答案：③
三、1.(1)不
(2)①2NaOH＋H2SiO3===Na2SiO3＋2H2O Na2SiO3＋H2O＋CO2===H2SiO3↓＋Na2CO3
②H2SiO3H2O＋SiO2
2．硅、氧和金属 Na2SiO3 Na2O·SiO2 水玻璃
3．石灰石、黏土 纯碱、石灰石、石英
即时训练3
答案：⑤⑧⑨
核心归纳突破
【例1－1】 C 解析：依据元素周期律知硅的还原性强于碳的还原性，但上述反应能发生是因为产物中有气体CO生成，所以A错误；硅酸钠是一种黏合剂，所以B错误；D选项中的反应不是在水溶液中进行的，且产物中有气体生成，与酸性强弱无关，所以D错误。
【例1－2】 D 解析：SiO2是一种酸性氧化物，但能与氢氟酸反应，D错误。
【例2】 C 解析：混合气体中的少量CO不易点燃，且又混入O2，A错误；二氧化硫也与石灰水反应，B错误；HCl与NaHCO3反应生成CO2，所以C正确；CO2也与碳酸钠溶液反应，D错误。
实验探究拓展
实验典例
答案：(1)还原 (2)分馏 (3)①浓硫酸 使SiHCl3挥发，且能较好地控制温度
②SiHCl3＋H2Si＋3HCl ③a.实验前要检查气密性；b.加热前要先排尽装置中的空气；c.加热要适当控制温度
解析：(2)因为题设中给出的信息为SiHCl3、SiCl4、HCl的沸点不同，应用沸点差异进行分离，采用分馏法；(3)③依据题设信息(SiHCl3能与水剧烈反应，在空气中易自燃)可知加热前要先排尽装置中的空气及C、D装置中的水蒸气。
演练巩固提升
1．BCDFGH 解析：B选项，合成纤维属于有机高分子材料；C选项，SiO2不导电；D选项，CO2会导致温室效应，但不是大气污染物；F选项，可证明H2CO3的酸性比H2SiO3强；G选项，NaOH溶液应该盛放在带橡皮塞的试剂瓶中；H选项，SiO2与强碱和氢氟酸都反应。
2．B 解析：SiO2与氢氟酸反应，A选项错误；制造玻璃包含复杂的物理变化和化学变化，C选项错误；金刚石是碳单质，具有碳单质的化学性质，D选项错误。
3．D 解析：酸只有HF与SiO2反应；氢氧化钠溶液在常温常压下即可与SiO2反应；碳酸钠固体、氧化钙在高温下与SiO2反应生成硅酸盐。
4．C 解析：由NaHCO3不能一步转化为Na，A错误；由Cu(OH)2不能一步转化为Cu，B错误；依据2C＋O22CO,2CO＋O22CO2,2Mg＋CO22MgO＋C，可知C正确；由SiO2不能一步转化为H2SiO3，而由H2SiO3也不能一步转化为Si，D错误。
5．B 解析：A选项试管(玻璃)中含有SiO2，错误；C选项，氧元素在地壳中的含量居第一位，错误；D选项，因为NaOH与玻璃中的SiO2反应生成Na2SiO3，把瓶塞黏住，错误。
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