碳、硅及新型无机非金属材料

碳、硅及新型无机非金属材料

教学内容

1．构建碳、硅元素的知识网络

2．掌握两种元素对应的单质，氧化物、酸及其盐的重要性质

3．了解硅酸盐工业和新型无机非金属材料

二、学习指导

（一）构建知识网络

　 一方面抓住典型物质作为核心，尽可能向外发散和向内收效，甚至可扩展到相关的有机知识，另方面要区分条件的不同（如温度、用量、酸碱性等），尽量分类整理，做到有序存档。

　 1．碳元素及其化合物的转化

　　　

2．硅元素及其化合物的转化

（二）典型构质的性质

1．单质碳　　　　　　　　 C原子间结合方式

（1）同素异形体的多样性　

　　　　　　　　　　　　  分子中所含C原子数不同

　　　金刚石——原子晶体

　　　　　　　　　　 原子晶体

石墨——混合晶体　　　

　　　　　　　　 　 分子晶体

（2）活性炭的重要性质和作用

　　　 ↓

多孔疏松结构→吸附力强→吸附气体或溶液里的某些有色物质。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ↓实例

①去臭气——吸附水中有臭味物质（净化水）

②漂白——吸附某些食物和工业产品中的色素

③去毒——吸附有毒气体（如NO₂、Cl₂等）（用于防毒面具）

（3）碳的化学性质

 常温：稳定

 加热、高温或点燃：常表现还原性，作还原剂

一般加热时，C → CO₂

高温时，C → CO

如： C+H₂O　 　　CO+H₂

2C+SiO₂　　　2CO+Si

C+2CuO　　　 2Cu + CO₂

C+4HNO₃₍浓₎ 　　　CO₂↑+4NO₂↑+2H₂O

　 想一想：为什么木炭燃烧时无火焰？

2．碳的氧化物

　 CO、CO₂尽管用为碳的氧化物，但是两者的物理性质，化学性质均有较大区别，可列表比较如下：

	CO	CO2
物理性质	无色无气味气体难溶于水	无色略带酸味气体能溶于水（1 ：1）
毒性	有毒（与血红蛋白结合）	无毒（大量排放会导致温室效应）
化学性质	①可燃性 ②还原性 ③不与碱液反应	①一般不可燃烧，也不支持燃烧但Mg、Li能在CO2中燃烧 ②弱氧化性 2Mg+CO2　　　C+2MgO C+CO2　　　　  2CO ③与碱液反应
类别	不成盐氧化物	酸性氧化物
检验	点燃后在火焰 上方罩上干燥的 烧杯和用清石 灰水润洗过的烧杯	能使清石灰水变浊但不能使品红褪色（有别于SO2）
实验室制法	HCOOH　　　　 CO↑+H2O	CaCO3+2HCl==CaCl2+CO2↑+H2O
工业制法	水煤气法： C+H2O　　 　CO+H2	煅烧石灰石法： CaCO3　　　  CaO+CO2↑

思考下列小问题：

①如何除去CO中少量CO₂？

②如何除去CO₂中少量CO？

③如何分离CO和CO₂？

3．比较CO₂和SiO₂

　CO₂和SiO₂是同主族元素形成的高价氧化物。化学性质有一定的相似性，但物理性质和某些化学性质方面却有很大差异。

	CO2　　　　　　　　　　　　　  SiO2
与碱性氧化物反应	酸　性　氧　化　性
	CaO+CO2=CaCO3	CaO+SiO2　　　　 CaSiO3
与碱液反应	2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O	SiO2+2NaOH =　Na2SiO3+H­2O
与盐反应	C6H5Ona+CO2+H2O→　　　　 +NaHO3 Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3 +H2SiO3↓ NaAlO2+CO2+2H2O=Al(OH)3↓ +NaHCO3	2Na2CO3+SiO2　　　 Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2　　　  CaSiO3+CO2↑ (难挥发酸酐→易挥发酸酐)
与碳反应	C+CO2　　　  2CO	2C+SiO2　　　  Si+2CO
与H2O作用	CO2+H2O　　　　H2CO3	不与水化合   SiO2　　　　　 H2SiO3 　　　　—H2O
与酸反应	不反应	只与HF反应 SiO2+4HF=SiF4↑+H2O
晶体类型	分子晶体	原子晶体
熔点	低(易升华)	高

4．Si的非寻常性

（1）硅不活泼、但自然界无游离态，通常以硅酸盐形式存在

（2）硅不与一般的强酸、强氧化性酸反应，但常温却下HF反应，且能置换出其中的H。

　　　　 Si+4HF==SiF₄+2H₂↑

（3）碳不与碱液反应，但硅常温即可与碱液反应并放出H₂，表现出与Al有相似性。

　　　　 Si+2NaOH+2H₂O==Na₂SiO₃+2H₂↑

　　　　 2Al+2NaOH+2H₂O==2NaAlO₂+3H₂↑

其它固体非金属即使与碱液反应，一般也无H₂产生。如

　　 3S+6NaOH==2Na₂S+Na₂SO₃+3H₂O

5．碳酸正盐和酸式盐

　（1）溶解性：

　　①大多正盐难溶于水（除K⁺、Na⁺、NH₄⁺）

　　　而一般酸式碳酸盐均可溶于水

②同一种阳离子的盐

  一般：酸式盐＞正盐

  如 Ca(HCO₃)₂＞CaCO₃

　　　KHCO₃＞K₂CO₃

  但　NaHCO₃＜Na₂CO₃

想一想：为什么在饱和Na₂CO₃溶液中通入足量的CO₂有晶体析出？

提示：Na₂CO₃+CO₂+H₂O==2NaHCO₃

　　　 106g　　　 18g　　　 168g

①溶剂水量减少

②生成NaHCO₃质量比消耗的Na₂CO₃质量大

③同温下溶解性　　NaHCO₃＜Na₂CO₃

（2）与酸反应的过程及速度（同条件）

　　　H⁺+CO₃^2—==HCO₃^—

　　　HCO₃^—+H⁺==H₂O+CO₂↑

放出气体速度：HCO₃^—＞CO₃^2—

（3）与碱液反应

　　  Na₂CO₃+NaOH→不反应

　　　NaHCO₃+NaOH==Na₂CO₃+H₂O

　　  Na₂CO₃+Ca(OH)₂==CaCO₃↓+2NaOH

　　　2NaHCO₃+Ca(OH)₂==CaCO₃↓+Na₂CO₃+H₂O

（4）热稳定性：

　　 正盐＞相应酸式盐

如： CaCO₃　　　 CaO+CO₂↑　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　

　　 Ca(HCO₃)₂　　　 CaCO₃↓+H₂O+CO₂↑

　　 Na₂CO₃　　　 不分解

　　 2NaHCO₃　　　Na₂CO₃+CO₂↑+H₂O

（5）相互转化：

　　 正盐（CO₃^2—）　　　　　  酸式盐（HCO₃^—）

　（三）硅酸盐工业简介

	水泥	玻璃（普通）
原料	石灰石、粘土	纯碱、石灰石、石英
设备	迴转窑	玻璃熔炉
反应	复杂的物理化学变化	Na­2CO3+SiO2　　　　Na2SiO3+CO2↑ CaCO3+SiO2　　　 CaSiO3+CO2↑
主要成分	3CaO·SiO2 2CaO· SiO2 3CaO·Al2O3	Na2O·CaO· 6SiO2
特性	水硬性 （加石膏调节硬化速度）	玻璃态物质 （在一定温度范围内软化） 非晶体

陶瓷：

（1）主要原料：粘土

（2）生产过程：混合→成型→干燥→烧结→冷却→陶器

（3）陶与瓷的制取区别： ①原料粘土的纯度不同

②烧制温度不同。

（四）新型无机非金属材料

特性：（1）耐高温，高强度

（2）有电学、光学、生物学特性或功能

三、典型解析

　 例1．把26g含有SiO₂和CaCO₃固体在高温下加热至质量不再改变，冷却后称重为17.2g。

　 （1）写出有关的化学反应方程式

　 （2）求生成CO₂的体积（标况）

　 （3）求原混合物中所含SiO₂的质量。

解析：（1）SiO₂+CaCO₃　　　CaSiO₃+CO₂↑

　　　　  CaCO₃　　　CaO+CO₂↑

　 从上述反应也可比较出两种盐的热稳定性：CaSiO₃＞CaCO₃

　 在此高温条件下，CaCO₃不会过剩，故前后固体质量减少值即为CO₂质量。

m(CO₂)==26g－17.2g=8.8g

n(CO₂)=0.2mol，V(CO₂)= 4.48L

CaCO₃～　CO₂

100g　　　　1mol

20g　　　　 0.2mol

m(SiO₂)=26g－20g=6g

例2．矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中可溶部分生成的，此处所措的风化作用是指矿物与水和CO₂同时作用的过程。

例如钾长石（KalSi₃O₈）风化生成高岭土[Al₂Si₂O₅(OH)₄]，此后反应的离子方程式为：

2KalSi₃O₈+2H₂CO₃+9H₂O==2K⁺+2HCO₃^—+4H₄SiO₄+Al₂Si₂O₅(OH)₄.

（1）将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形成

①KalSi₃O₈______________　②Al₂Si₂O₅(OH)₄

（2）上述反应能够发生的原因是______________

解：（1）将复杂硅酸盐化学式改写成氧化物时，只需将除O以外所有的元素写出其常见氧化物，并用“·”将它们合起来，但需注意各种原子个数比符合原来的组成。在某种（或几种）氧化物前加合适系数。

①KalSi₃O₈　　　K₂O·Al₂O₃·6SiO₂

②Al₂Si₂O₅(OH₄)　　　Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O

（2）分析反应前后物质的种类，可知属于酸与盐发生的复分解反应，是由于酸H₂CO₃＞H₄SiO₄.发生了较强的酸制较弱的酸反应。

例3．现有Na₂CO₃溶液2mol/L、500mL和HCl溶液2mol/L750mL.若①向HCl溶液中逐滴加Na₂CO₃溶液 ②向Na₂CO₃溶液中逐滴加HCl溶液分别产生CO₂多少？

解析n(Na₂CO₃)=1mol，n(HCl)=1.5mol，由于相互滴入的环境不同，发生反应不同。

①中HCl过量，发生反应产生的CO₂不断逸出。设共产生xmolCO₂

　　Na₂CO₃+2HCl==2NaCl+H₂O+CO₂↑

　　 1　　　 2

　　 x　　　 1.5

　 x=0.75mol

②中HCl不足，Na₂CO₃先转变为NaHCO₃，后又部分转变成CO₂，设生成CO₂ymol，可由总守恒方程求解

　　Na₂CO₃+1.5HCl=Y CO₂+(1－y)NaHCO₃+1.5NaCl+H₂O

由Na⁺守恒得：1－y+1.5=2×1

　　　　　　  y=0.5（mol）.

　 由此可见，先后滴入的次序不同，所得气体量不同，故可用相互滴入法来鉴别Na₂CO₃和HCl两种无色溶液。

　 想一想：如维持两种溶液浓度不变，Na₂CO₃溶液和HCl溶液均为1L，结果又如何呢？

巩固练习

一、选择题（每小题有1～2个选项符合题意）

1．下列物质中不能用化合的方法制得的得（　　）

①SiO₂　②H₂SiO₃　③Na₂O₂  ④FeCl₂　⑤FeCl₃ ⑥CaSiO₃

A．①③⑤　　B．②④⑥　　 C．②　　 D．②和④

2．近年来，科学家们研究得到一种新分子C₆₀，有关C₆₀的说法正确的是（　 ）

A．是一种新型的化合物　　　 B．和石墨都是碳的同素异形体

C．在纯氧中燃烧只生成惟一的产物CO₂ D．其摩尔质量720g

3．下列各组物质前者为后者的酸酐的是（　 ）

①Cl₂O₇、HClO　 ②SO₂、H₂SO₄　 ③NO₂、HNO₃　④ SiO₂、H₄SiO₄　⑤Mn₂O₇、HMnO₄

A．②③　　　　B．③④　　　C．④⑤　　　D．①③④

4．已知反应C_(石墨)===C_(金刚石)为吸热反应，下列说法正确的是（　 ）

A．石墨比金刚石稳定　　　 B．金刚石比石墨稳定

C．石墨与金刚石一样稳定　　D．以上说法都不对

5．将过量的CO₂气体通入下列溶液中，最终溶液不变浑浊的是（　　）

A．CaCl₂与NaOH的混合溶液　　　 B．Ca(OH)₂溶液

C．Na₂CO₃饱和溶液　　　　　　　  D．Na₂SiO₃溶液

6．下列各组物质间，不能发生反应的是（　 ）

A．二氧化硅与氧化钙（高温）　　　B．二氧化硅与氢氧化钠（常温）

C．二氧化硅与碳（高温）　　　　  D．二氧化硅与浓HNO₃（常温）

7．去味剂可以除去冰箱里的一股特殊气味，下列物质可作去味剂的是（　　）

A．干冰　　 B．活性炭　　C．氯气　　 D．二氧化碳

8．大气中CO₂增多引起“温室效应”，你认为目前大气中的CO₂主要来源于（　　 ）

A．植物的呼吸与腐烂放出CO₂B．人口增长，呼出的CO₂增多

C．工业上大量燃烧含碳燃料　　 D．建筑工业的发展使大量碳酸盐分解

9．下列关于硅的说法不正确的是（　 ）

A．硅是非金属元素，但它的单质是灰黑色有金属光泽的固体

B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料

C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应

D．当加热到一定温度时，硅能与氧气等非金属反应

10．可以肯定溶液中大量存在CO₃^2—的理由是（　　）

A．加入AgNO₃溶液中产生大量白色沉淀　　B．加入酸有无色无味气体产生

C．加入BaCl₂溶液时有白色沉淀产生，再加稀盐酸沉淀溶解，产生可以使澄清石灰水变浑浊的无色无味的气体

D．加入Ba(OH)₂溶液有白色沉淀产生，再加稀盐酸，反应现象如C所述

11．下列离子方程式不正确的是（　 ）

A．少量Na₂CO₃溶液滴入到硝酸中： H⁺+CO₃^2—===HCO₃^—

B．过量CO₂通入到澄清的石灰水中：CO₂+Ca²⁺+2OH^—===CaCO₃↓+H₂O

C．烧碱溶液与碳酸氢钙溶液混合：2OH^—+Ca²⁺+2HCO₃^—===CaCO₃↓+CO₃^2—+2H₂O

D．小苏打溶液与氢氧化钡溶液反应：HCO₃^—+Ba²⁺+OH^—===BaCO₃↓+H₂O

12．在标准状况下，将CO₂和CO的混合气体，密为g·L^—1，充满一盛有足够Na₂O₂的密闭容器中（容积为22.4L），用间断的电火花引发至充分反应，反应完成后，对容器里存在的物质的叙述正确的是（　 ）

A．存在0.5molCO　　　 B．存在0.125molO₂

C．存在0.25molNa₂CO₃D．存在0.5molNa₂CO₃

13．某二价金属碳酸盐和碳酸氢盐的混合物跟足量盐酸反应，消耗H⁺和产生CO₂的物质的量之比为6 ：5 ，该混合物中碳酸盐和碳酸氢盐的物质的量之比为（　　）

A．1 ：1 　　B． 1 ：2　　 C．1 ：3　　 D．1 ：4

14．下列材料的特征及用途说法不正确的是（　 ）

A．氧化铝陶瓷具有两性，可用来制造人造牙齿

B．氧化硅陶瓷耐高温且不易传热，可用来制造柴油机

C．光导纤维导光的能力很强，是非常好的通讯材料

D．人造刚玉硬度高，可用来制造刚玉球磨机

15．石英砂和焦碳在高温电炉中，可以合成金刚砂，金刚砂硬度很大，工业上用来作磨料，以下说法不正确的是（　　）

A．金刚砂的化学成分是SiO₂

B．反应方程式是SiO₂+2C　　　  SiC+CO₂

C．反应方程式是SiO₂+3C　　　　 SiC+CO

D．金刚砂的结构类似金刚石

16．把CO₂通入NaOH溶液中，当CO₂与NaOH完全反应时，其质量之比为11 ：15，刚下列说法不正确的是（　　）

A．溶液中除OH^—外，只存在一种阴离子

B．溶液中溶质的物质的量之比为1 ：1

C．反应后有CO₂气体逸出

D．溶液中还可以吸收部分CO₂

阅读下文，完成11～13题

硅晶体结构类似于类金刚石，低温下单质硅不活泼，与空气、水、酸均无作用，但可以与强碱和强氧化剂在适当湿度下作用，如硅能与卤素在加热或高温下生成四卤化硅，高价态硅的化合物可在高温下被碳、镁、氢气等还原剂单质硅；工业上也可用硅石与焦炭在高温下制金刚砂（SiC），某高纯硅炼制厂利用食盐、石英、水、焦炭为原料制取用作半导体材料的高纯硅。

17．假设根据每步反应建立一个生产车间，该高纯硅厂家需要几个车间（　　）

A．3个　　 B．4个　　 C．5个　　 D．6个

18．生产原理中没有涉及到的反应是（　 ）

A．置换反应　　 B．复分解反应　　 C．化合反应　　 D．电解反应

19．该厂家不采用石英与焦炭直接制高纯硅的主要原因是（　　）

A．产量太低　　　B．产品中含SiC

C．产品中含有过量的硅石和焦炭　　 D．耗能太大

20．对于碳酸氢钠与碳酸钠的性质，下列叙述错误的是（　 ）

A．质量相同时，跟足量的盐酸反应相同条件下碳酸钠的产生的CO₂体积多

B．物质的量相同时，跟盐酸完全反应碳酸钠消耗的盐酸是碳酸氢钠的2倍（盐酸浓度相同）

C．物质的量相同时，跟足量盐酸反应，在相同状况下，得到等体积的CO₂

D．将它们分别加入澄清石灰水中都会产生白色沉淀

21．将一小块焦炭和mg氧气，同时放入装有压力表的密闭容器中，压力为P₀，当在一定条件下充分反应后恢复到原湿度，压力为P₁，且P₀＜P₁＜2P₀，则加入的焦炭的质量W为（　 ）

A．W≤　　　 B．W≤

C．W＞　　 D．W=

22．某K₂CO₃样品中含有Na₂CO₃、KNO₃和Ba(NO₃)₂三种杂质中的一种或两种。现将13.8g样品中加放足量水，样品全部溶解。再加入过量的CaCl₂溶液，得到9g沉淀。对样品所含杂质的正确判断是（　　）

A．肯定有KNO₃，肯定没有Na₂CO₃

B．肯定有KNO₃，可能还含有Na₂CO₃

C．肯定没有Ba(NO₃)₂，一定有KNO₃和Na₂CO₃

D．肯定没有Na₂CO₃和Ba(NO₃)₂

23．把7.4gNa₂CO₃·10H₂O和NaHCO₃组成的混合物溶于水，配成100mL溶液，其中[Na⁺]=0.6mol·L^—1，若把等质量的混合物加热至恒重时，残留物质的质量是（　　）

A．5.28g　　　　B．4.22g 　　C．3.18g　　 D．2.12g

24．根据硅在元素周期表中的位置推测，下列不可能具有的性质是（　 ）

A．单质在通常状况下是固体

B．硅具有导电性　　　　C．SiH₄（硅烷）比CH₄稳定

D．硅的常见化合价是+4

25．把xmolCO₂通入含ymolCa(OH)₂的石灰水中，充分反应后，下列叙述不正确的是（　 ）

A．当x≤y时，生成100xg沉淀　　　B．当x≥y时，生成100yg沉淀

C．当y＜x＜2y时，生成100（2y－x）g沉淀

D．当2y≤x时，无沉淀生成

26．某无色混合气体可能含有CO₂COH₂O（气）H₂中的一种或几种，依次进行下列处理（假设每次处理的反应完全）：①通过碱石灰、气体体积变小。②通过赤热的氧化铜时，固体全部变为红色。③通过白色硫酸铜粉末时，粉末变为蓝色。④通过澄清石灰水，溶液变浑浊。由此可以确定混合气体中（　 ）

A．一定含有CO、H₂O，可能含有H₂、CO中的一种或两种

B．一定含有CO、H₂O，可能含有CO₂、H₂中的一种或两种。

C．一定含有CO和H₂，可能含有H₂O、CO₂中的一种或两种

D．一定含有CO，可能含有H₂O、H₂中的一种或两种

二、填空题或简答题

27．称取mgNa₂CO₃，恰好与20mL盐酸全部反应生成CO₂、H₂O和NaCl。

（1）这种盐酸的物质的量浓度为_________________________________。

（2）如果上述mgNa₂CO₃中混有K₂CO₃，那么这种盐酸的实际浓度比（1）测得的值_________（填“偏大”、“偏小”、“相同”，下同）；

（3）如果上述mgNa₂CO₃中混有NaOH，那么这种盐酸的实际浓度比（1）测得的值_______；

（4）如果上述mgNa₂CO₃中混有NaHCO₃，那么这种盐酸的实际浓度比（1）测得的值________。

28．工业生产的纯碱中常含有少量的NaCl等杂质，图所示实验装置是用来测定纯碱 中Na₂CO₃质量分数的实验方法示意力。其操作步骤如下：

①检验装置的气密性；

②在球形干燥管内填入颗粒状碱石灰，共总质量为W₁；

③称取一定量的纯碱样品，其质量为W₂，将其放入装置（B）中；

④将分液漏斗中的稀H₂SO₄缓缓注入B中，直至不再产生气体为止；

⑤打开开关a，缓缓鼓入空气约5min后，又称得干燥管的总质为W₃。

请回答下列问题：

（1）实验中鼓入空气的目的是_________________________________________________；

（2）装置（A）的作用是______________________________________________________；装置（C）的作用是________________________________________________________；

（3）Na₂CO₃的质量分数为_______________________。

29．工业上用生石灰与碳在2700℃高温作用下制电石和CO.现从理论上分析以Mg和石灰石为原料，按下图制取乙炔。

请填写：

（1）C的分子式是_________

（2）G与E反应的化学方程式___________________

（3）B与D反应的化学方程式___________________

　 该反应中氧化剂与还原剂的质量比是____________。

参考答案

一、1．C　 2．B　 3．C　 4．A　 5．B　 6．D　 7．B　 8．C　 9．C　 10．C

11．A、B　  12．B　 13．B　 14．A　 15．A、B　 16．B、D　 17．B　 18．B

19．C　 20．A　 21．D　22．C　 23．C　 24．C　 25．B　 26．　C

二、（1）m　mol/L　（2）偏小　（3）偏大　（4）偏大

28．（1）把反应生成的CO₂全部驱赶到D中吸收

（2）除去空气中少量的CO₂；除去CO₂中的H₂O.

（3）×100%