第18讲 碳、硅及其化合物
学习目标
1. 了解C、CO、CO2、碳酸盐的性质，了解CO2的实验室制法。
2. 知道硅在自然界以二氧化硅及硅酸盐的形式存在，知道晶体硅是良好的半导体材料，能说出它的主要用途。
3. 了解单质硅的化学性质。
4. 了解二氧化硅分别与氢氟酸、碱性氧化物、强碱的反应。
5. 了解硅酸及硅酸盐的主要性质，了解陶瓷、玻璃、水泥等硅酸盐产品的用途。
活动方案
碳及其重要化合物的价类二维图
下图为碳及其化合物之间的转化关系的价类二维图。
写出并记住上述你所不熟悉的那些反应的化学方程式(是离子反应的写离子方程式)。
碳及其化合物
自然界中碳元素既有游离态，又有化合态；碳原子最外层有4个电子，处于元素周期表中第二周期ⅣA族，不容易失电子也不容易得电子，通常化学性质稳定，但在一定条件下也能和许多物质发生化学反应。碳的化合物种类繁多。
1. 碳的化学性质。
(1) 碳有哪些常见的同素异形体？单质碳的化学性质主要体现为高温下还原性，说说碳能与哪些具体物质发生氧化还原反应？其中哪些反应的氧化产物是一氧化碳？
(2) 电解熔融的Al2O3时温度超过1 000 ℃，阳极碳块会发生损耗，试分析损耗的原因。
2. 一氧化碳的化学性质。
一氧化碳的化学性质以还原性为主，说说一氧化碳能与哪些具体物质发生氧化还原反应？
3. 二氧化碳的化学性质。
(1) 二氧化碳属于酸性氧化物，举例说明。
(2) 二氧化碳中碳为碳元素的最高价，高温下具有一定的氧化性。举两例说明。
(3) 二氧化碳与某黄色固体物质反应，被广泛应用于潜水艇、宇宙飞行器中供氧。这种黄色固体物质是什么？
4. 碳酸盐的性质及转化。
(1) 设计实验方案利用CO2和NaOH溶液制备Na2CO3溶液。
(2) 我国化学家侯德榜改革国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下：
①写出煅烧炉中发生反应的化学方程式。
②如何检验碳酸钠产品中是否含有碳酸氢钠？
硅及其重要化合物的价类二维图
下图为硅及其化合物之间的转化关系的价类二维图。
写出并记住上述你所不熟悉的那些反应的化学方程式(是离子反应的写离子方程式)。
硅及其化合物
硅元素在地壳中的含量仅次于氧元素，具有亲氧性。硅及其化合物在生产、生活中用途广泛。高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。在日常生活中随处可见的陶瓷、玻璃、水泥等传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料。
1. 说出硅在元素周期表中位置，自然界中硅元素主要以什么形式存在？
2. 晶体硅的主要物理性质和用途分别有哪些？
3. 高纯硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料，它的发明和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按如下方法制备：SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)。
写出所涉及的主要化学反应的化学方程式。
4. 自然界中哪些物质的主要成分为二氧化硅？简述二氧化硅的主要物理性质和用途。
5. 说出日常生活中常见的硅酸盐产品有哪些？
名卷优选
1 [2024南通如皋适应性考试二]含碳物质的转化在生产生活、环境保护中具有重要意义。下列说法正确的是( )
A. 含碳、氢、氧元素的化合物都是有机化合物
B. 植树造林、节能减排有助于实现“碳中和”
C. 煤、石油的用途就是作燃料
D. 石墨烯与金刚石互为同系物
2 [江苏高考题重组]下列说法正确的是( )
A. SiO2熔点高、硬度大，故可用于制造光导纤维
B. 向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸的离子方程式为Na2SiO3＋2H＋===H2SiO3↓＋2Na＋
C. 碳元素只存在金刚石和石墨两种同素异形体
D. SiO2既能与NaOH反应又能与HF反应
3 下列过程能一步实现的是( )
A. SiO2SiCl4Si
B. SiSiO2H2SiO3
C. H2SiO3SiO2SiCl4
D. 石英砂粗硅SiCl4高纯度硅
4 [2024南京、盐城一模]下列化学反应表示正确的是( )
A. 焦炭与石英砂反应：C＋SiO2CO2↑＋Si
B. CO与酸性PdCl2溶液反应：CO＋Pd2+＋2OH－===CO2＋Pd↓＋H2O
C. CO的水解反应：CO＋2H2O H2CO3＋2OH－
D. 饱和Na2CO3溶液与足量CO2反应：2Na＋＋CO＋CO2＋H2O===2NaHCO3↓
5 [2024南通如皋适应性考试二]沸石分子筛可用于气体、重金属离子的吸附或去除。工业上以粉煤灰(主要含SiO2和3Al2O3·2SiO2，还含有少量CaO、Fe2O3和有机物)为原料制取某种沸石分子筛(Na12Al12Si12O48·27H2O)的过程如下：
已知：粉煤灰中的硅、铝化合物煅烧时不发生反应，且难溶于酸。
(1) 将粉煤灰在空气中煅烧的目的是_________________________________
______________________________________________________________________。
(2) “酸浸”的操作是向“煅烧”后的固体混合物中加入足量的盐酸，充分搅拌后过滤。检验“酸浸”操作是否达到目的的方法是________________________
______________________________________________________________________。
(3) “碱熔”时，将“酸浸”后所得滤渣与NaOH固体在高温下混合熔融，可生成易溶于水的Na[Al(OH)4]和Na2SiO3。“水热合成”时，加入水和一定量的Na[Al(OH)4] 或Na2SiO3溶液，在90 ℃条件下反应一段时间，可以得到Na12Al12Si12O48·27H2O晶体。写出“水热合成”时反应的化学方程式：_________
______________________________________________________________________。
(4) 沸石分子筛的结构为相邻的硅氧四面体和铝氧四面体相互连接形成的笼状结构，沸石分子筛的结构示意图及部分平面结构分别如图甲、乙所示。沸石分子筛中存在一定大小的空隙，其中的Na＋可与其他阳离子发生交换。
甲 乙
①沸石分子筛可以用于去除废水中NH3和NH，原理是__________________
______________________________________________________________________。
②沸石分子筛对Cu2+的去除率随溶液pH的关系如图丙所示。pH越大，Cu2+的去除率越高的原因是__________________________________________________
____________________________________________________________________________________________________________________________________________。
丙
6 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；
②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：
Si＋3HClSiHCl3＋H2；
③SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃反应制得纯硅。
已知：SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。
请回答下列问题。
(1) 第①步制备粗硅的化学方程式为_________________________________
______________________________________________________________________。
(2) 粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点为33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点为57.6 ℃)和HCl(沸点为－84.7 ℃)，提纯SiHCl3采用的方法：________________。
(3) 用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下(热源及夹持装置略去)：
①装置B中的试剂是____________，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是____________________________。
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______________________________________________，
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. Na2SO3溶液
第18讲 碳、硅及其化合物
【活动方案】
活动一：略
活动二：
1 (1) 碳的同素异形体主要有金刚石、石墨和C60等。高温下碳能与O2、CO2、SiO2、H2O、CuO、浓硫酸、浓硝酸等发生氧化还原反应；其中碳与CO2、H2O、SiO2反应的氧化产物一定是一氧化碳。 (2) 高温下，阳极产生的O2与C反应生成CO、CO2。
2 高温或加热条件下，CO能与O2、H2O、Fe2O3等发生氧化还原反应。
3 (1) 能与水反应，与碱(如氢氧化钠、氢氧化钙、氨水等)、碱性氧化物(如氧化钠、氧化钙等)反应，与盐(如碳酸钠、硅酸钠、四羟基合铝酸钠、次氯酸钠、苯酚钠等)反应。 (2) 二氧化碳与碳反应、二氧化碳与镁反应。 (3) Na2O2。
4 (1) 取NaOH溶液吸收过量的CO2气体，至CO2不再溶解，在得到的溶液中加入等浓度等体积的NaOH溶液，使其充分混合。 (2) ①2NaHCO3Na2CO3＋H2O＋CO2↑
②加热，若产生能使澄清石灰水变浑浊的气体，说明碳酸钠中含有碳酸氢钠，否则不含。
活动三：略
活动四：
1 硅在元素周期表中位于第3周期ⅣA族，主要以二氧化硅及硅酸盐的形式存在。
2 晶体硅熔点高、硬度大，有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间。晶体硅主要用作半导体材料，常用于制造计算机芯片、太阳能电池板等。
3 ①SiO2＋CSi＋2CO ②Si＋3HClSiHCl3＋H2
③SiHCl3＋H2Si＋3HCl
4 二氧化硅在自然界中以石英、水晶、玛瑙等矿物形式存在。二氧化硅的熔点高、硬度大。二氧化硅主要用于生产晶体硅、光导纤维、玻璃等。
5 陶瓷、水泥、玻璃等是常见的硅酸盐产品。
【名卷优选】
1 B 煤干馏、石油裂解后的产物可作有机化工的基础原料，不是全部作燃料，C错误；结构相似、分子组成上相差一个或若干个“CH2”原子团的有机物之间互称同系物，D错误。
2 D 3 D
4 D 应该生成CO，不生成CO2，A错误；酸性条件下，反应物中不能出现OH－，B错误；CO分步水解，第一步水解产物为HCO和OH－，不能一步水解生成H2CO3，C错误。
5 (1) 除去粉煤灰中的有机物 (2) 取少量过滤、洗涤后的固体，加入适量盐酸，充分搅拌后滴加几滴KSCN溶液，无红色现象则说明“酸浸”操作已达到目的 (3) 12Na[Al(OH)4]＋12Na2SiO3＋15H2ONa12Al12Si12O48·27H2O↓＋24NaOH (4) ①NH3分子直径小于沸石分子筛中的空隙，沸石分子筛通过吸附去除废水中NH3；废水中的NH可以与沸石分子筛中Na＋发生离子交换而去除 ②H＋与Cu2+均可与沸石分子筛中的Na＋进行交换，pH较小时，H＋浓度较高，与Na＋交换的Cu2+变少；随着pH升高，溶液中的Cu2+会生成Cu(OH)2沉淀，Cu2+去除率增大
解析：(1) 粉煤灰在空气中煅烧的目的是除去有机物。(2) 酸浸产物之一有FeCl3，所以可取酸浸后过滤后洗涤的滤渣，加少量稀盐酸，再滴入KSCN溶液，如果不变红表明酸浸已达到目的。(4) ①由题意沸石分子筛中存在一定大小的空隙，故NH3分子直径小于沸石分子筛中的空隙，沸石分子筛通过吸附去除废水中NH3；沸石中的Na＋可与其他阳离子发生交换，即与NH发生阳离子交换除去NH。②因阳离子(H＋和Cu2+)均可与Na＋交换，pH较小即c(H＋)较大，则与Na＋交换的Cu2+变少；pH增大，c(OH－)浓度增大，溶液中的Cu2+形成Cu(OH)2沉淀，Cu2+的去除率增大。
6 (1) SiO2＋2CSi＋2CO↑ (2) 蒸馏 (3) ①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化 ②有固体物质生成 在反应温度(1 000～1 100℃)下，普通玻璃会软化 SiHCl3＋H2Si＋3HCl ③排尽装置中的空气 ④bd(共31张PPT)
模块二
无机物的转化与应用
主题5 非金属及其化合物
第18讲 碳、硅及其化合物
内容索引
学习目标
活动方案
名卷优选
学 习 目 标
1. 了解C、CO、CO2、碳酸盐的性质，了解CO2的实验室制法。2. 知道硅在自然界以二氧化硅及硅酸盐的形式存在，知道晶体硅是良好的半导体材料，能说出它的主要用途。3. 了解单质硅的化学性质。4. 了解二氧化硅分别与氢氟酸、碱性氧化物、强碱的反应。5. 了解硅酸及硅酸盐的主要性质，了解陶瓷、玻璃、水泥等硅酸盐产品的用途。
活 动 方 案
下图为碳及其化合物之间的转化关系的价类二维图。
活动一 碳及其重要化合物的价类二维图
写出并记住上述你所不熟悉的那些反应的化学方程式(是离子反应的写离子方程式)。
【答案】 略
自然界中碳元素既有游离态，又有化合态；碳原子最外层有4个电子，处于元素周期表中第二周期ⅣA族，不容易失电子也不容易得电子，通常化学性质稳定，但在一定条件下也能和许多物质发生化学反应。碳的化合物种类繁多。
1. 碳的化学性质。
(1) 碳有哪些常见的同素异形体？单质碳的化学性质主要体现为高温下还原性，说说碳能与哪些具体物质发生氧化还原反应？其中哪些反应的氧化产物是一氧化碳？
【答案】 碳的同素异形体主要有金刚石、石墨和C60等。高温下碳能与O2、CO2、SiO2、H2O、CuO、浓硫酸、浓硝酸等发生氧化还原反应；其中碳与CO2、H2O、SiO2反应的氧化产物一定是一氧化碳。
活动二 碳及其化合物
(2) 电解熔融的Al2O3时温度超过1 000 ℃，阳极碳块会发生损耗，试分析损耗的原因。
【答案】 高温下，阳极产生的O2与C反应生成CO、CO2。
2. 一氧化碳的化学性质。
一氧化碳的化学性质以还原性为主，说说一氧化碳能与哪些具体物质发生氧化还原反应？
【答案】 高温或加热条件下，CO能与O2、H2O、Fe2O3等发生氧化还原反应。
3. 二氧化碳的化学性质。
(1) 二氧化碳属于酸性氧化物，举例说明。
【答案】 能与水反应，与碱(如氢氧化钠、氢氧化钙、氨水等)、碱性氧化物(如氧化钠、氧化钙等)反应，与盐(如碳酸钠、硅酸钠、四羟基合铝酸钠、次氯酸钠、苯酚钠等)反应。
(2) 二氧化碳中碳为碳元素的最高价，高温下具有一定的氧化性。举两例说明。
【答案】 二氧化碳与碳反应、二氧化碳与镁反应。
(3) 二氧化碳与某黄色固体物质反应，被广泛应用于潜水艇、宇宙飞行器中供氧。这种黄色固体物质是什么？
【答案】 Na2O2。
4. 碳酸盐的性质及转化。
(1) 设计实验方案利用CO2和NaOH溶液制备Na2CO3溶液。
【答案】 取NaOH溶液吸收过量的CO2气体，至CO2不再溶解，在得到的溶液中加入等浓度等体积的NaOH溶液，使其充分混合。
(2) 我国化学家侯德榜改革国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下：
①写出煅烧炉中发生反应的化学方程式。
②如何检验碳酸钠产品中是否含有碳酸氢钠？
【答案】 加热，若产生能使澄清石灰水变浑浊的气体，说明碳酸钠中含有碳酸氢钠，否则不含。
下图为硅及其化合物之间的转化关系的价类二维图。
活动三 硅及其重要化合物的价类二维图
写出并记住上述你所不熟悉的那些反应的化学方程式(是离子反应的写离子方程式)。
【答案】 略
硅元素在地壳中的含量仅次于氧元素，具有亲氧性。硅及其化合物在生产、生活中用途广泛。高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。在日常生活中随处可见的陶瓷、玻璃、水泥等传统的无机非金属材料多为硅酸盐材料。
1. 说出硅在元素周期表中位置，自然界中硅元素主要以什么形式存在？
【答案】 硅在元素周期表中位于第3周期ⅣA族，主要以二氧化硅及硅酸盐的形式存在。
活动四 硅及其化合物
2. 晶体硅的主要物理性质和用途分别有哪些？
【答案】 晶体硅熔点高、硬度大，有脆性，导电性介于导体和绝缘体之间。晶体硅主要用作半导体材料，常用于制造计算机芯片、太阳能电池板等。
4. 自然界中哪些物质的主要成分为二氧化硅？简述二氧化硅的主要物理性质和用途。
【答案】 二氧化硅在自然界中以石英、水晶、玛瑙等矿物形式存在。二氧化硅的熔点高、硬度大。二氧化硅主要用于生产晶体硅、光导纤维、玻璃等。
5. 说出日常生活中常见的硅酸盐产品有哪些？
【答案】 陶瓷、水泥、玻璃等是常见的硅酸盐产品。
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1 [2024南通如皋适应性考试二]含碳物质的转化在生产生活、环境保护中具有重要意义。下列说法正确的是( )
A. 含碳、氢、氧元素的化合物都是有机化合物
B. 植树造林、节能减排有助于实现“碳中和”
C. 煤、石油的用途就是作燃料
D. 石墨烯与金刚石互为同系物
【解析】 煤干馏、石油裂解后的产物可作有机化工的基础原料，不是全部作燃料，C错误；结构相似、分子组成上相差一个或若干个“CH2”原子团的有机物之间互称同系物，D错误。
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2 [江苏高考题重组]下列说法正确的是( )
A. SiO2熔点高、硬度大，故可用于制造光导纤维
B. 向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸的离子方程式为Na2SiO3＋2H＋=== H2SiO3↓＋2Na＋
C. 碳元素只存在金刚石和石墨两种同素异形体
D. SiO2既能与NaOH反应又能与HF反应
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3 下列过程能一步实现的是( )
D
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4 [2024南京、盐城一模]下列化学反应表示正确的是( )
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5 [2024南通如皋适应性考试二]沸石分子筛可用于气体、重金属离子的吸附或去除。工业上以粉煤灰(主要含SiO2和3Al2O3·2SiO2，还含有少量CaO、Fe2O3和有机物)为原料制取某种沸石分子筛(Na12Al12Si12O48·27H2O)的过程如下：
已知：粉煤灰中的硅、铝化合物煅烧时不发生反应，且难溶于酸。
(1) 将粉煤灰在空气中煅烧的目的是_________________________。
除去粉煤灰中的有机物
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1
(2) “酸浸”的操作是向“煅烧”后的固体混合物中加入足量的盐酸，充分搅拌后过滤。检验“酸浸”操作是否达到目的的方法是___________________________________________________________________________________________________________________________。
(3) “碱熔”时，将“酸浸”后所得滤渣与NaOH固体在高温下混合熔融，可生成易溶于水的Na[Al(OH)4]和Na2SiO3。“水热合成”时，加入水和一定量的Na[Al(OH)4] 或Na2SiO3溶液，在90 ℃条件下反应一段时间，可以得到Na12Al12Si12O48·27H2O晶体。写出“水热合成”时反应的
化学方程式：___________________________________________________ ___________________________________。
取少量过滤、洗涤后的固体，加入适量盐酸，充分搅拌后滴加几滴KSCN溶液，无红色现象则说明“酸浸”操作已达到目的
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1
(4) 沸石分子筛的结构为相邻的硅氧四面体和铝氧四面体相互连接形成的笼状结构，沸石分子筛的结构示意图及部分平面结构分别如图甲、乙所示。沸石分子筛中存在一定大小的空隙，其中的Na＋可与其他阳离子发生交换。
甲
乙
2
4
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3
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1
②沸石分子筛对Cu2＋的去除率随溶液pH的关系如图丙所示。pH越大，Cu2＋的去除率越高的原因是__________________________________ ___________________________________________________________________________________________________________________________。
丙
H＋与Cu2＋均可与沸石分子筛中的Na＋进行交换，pH较小时，H＋浓度较高，与Na＋交换的Cu2＋变少；随着pH升高，溶液中的Cu2＋会生成Cu(OH)2沉淀，Cu2＋去除率增大
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6 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；
②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：
1
③SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃反应制得纯硅。
已知：SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。
请回答下列问题。
(1) 第①步制备粗硅的化学方程式为__________________________。
2
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3
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(2) 粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点为33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点为57.6 ℃)和HCl(沸点为－84.7 ℃)，提纯SiHCl3采用的方法：____________。
(3) 用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下(热源及夹持装置略去)：
1
①装置B中的试剂是_______________，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是_______________________________。
蒸馏
浓硫酸
使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
2
4
5
3
6
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_______________________。
1
有固体物质生成
在反应温度(1 000～1 100℃)下，
普通玻璃会软化
SiHCl3＋H2
排尽装置中的空气
2
4
5
3
6
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. Na2SO3溶液
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bd
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