第11讲碳、硅及无机非金属材料目录第一部分：网络构建（总览全局）第二部分：知识点精准记忆第三部分：典型例题剖析高频考点1考查碳及及其化合物性质和应用高频考点2考查硅及其化合物的性质和应用高频考点3考查无机非金属材料的分类和应用高频考点4考查CO2通入碱溶液中反应产物的判断及计算正文第一部分：网络构建（总览全局）第二部分：知识点精准记忆知识点一碳及其重要化合物1．碳单质(1)常见碳单质的结构和物理性质常见的碳单质有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯、碳纳米管等，它们互为同素异形体。(2)化学性质a．与O2的反应(用化学方程式表示)：①O2不足：2C＋O2eq\o(=====,\s\up11(点燃),\s\do4( ))2CO；②O2充足：C＋O2eq\o(=====,\s\up11(点燃),\s\do4( ))CO2。b．与氧化物反应(用化学方程式表示)：①与CuO反应：2CuO＋C2Cu＋CO2↑；②与Fe2O3反应：Fe2O3＋3C2Fe＋3CO↑；③与CO2反应：CO2＋C2CO；④与水蒸气反应：C＋H2O(g)CO＋H2(制水煤气)；⑤与SiO2反应：SiO2＋2CSi＋2CO↑(制粗硅)；SiO2＋3CSiC＋2CO↑(制金刚砂)c．与强氧化性酸反应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。(3)碳单质的用途：①金刚石结构坚硬，作玻璃刻刀、机器钻头、装饰品等；②石墨的细鳞片状结构质软、导电性、滑腻性、耐高温铅笔芯、电极、润滑剂、坩埚；③木炭和活性炭的疏松多孔的结构吸附性吸附食品色素、除臭、防毒面具、冰箱除味剂等；④作燃料，用于家庭取暖、做饭等；⑤作还原剂：冶炼金属，如冶炼金属铜、铁等。2．CO和CO2(1)物理性质色态味密度(比空气)水溶性毒性CO无色、无味、气体小难溶有CO2大能溶无(2)化学性质①CO具有较强的还原性，可以与O2、金属氧化物等发生反应。如与Fe2O3反应：Fe2O3＋3COeq\o(=====,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2。②CO2是典型的酸性氧化物，也具有氧化性。a.酸性氧化物①与水反应：CO2＋H2OH2CO3②与碱反应：CO2少量：CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O；CO2足量：CO2＋NaOH===NaHCO3③与碱性氧化物反应：CO2＋CaO=CaCO3④与Ca(ClO)2盐溶液反应：Ca(ClO)2＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO（CO2少量）；Ca(ClO)2＋2CO2＋2H2O===Ca(HCO3)2＋2HClO（CO2过量）；b.氧化性①与C反应：CO2＋C2CO；②与Mg反应：2Mg＋CO22MgO＋C【特别提醒】溶液中通入CO2气体产生沉淀的问题：向BaCl2或CaCl2溶液中通入CO2气体，由于盐酸的酸性比碳酸的强，不会产生BaCO3或CaCO3沉淀。3．碳酸和碳酸盐(1)碳酸二元弱酸、不稳定，常用CO2＋H2O代替H2CO3，但酸性比苯酚、次氯酸强。(2)碳酸的正盐和酸式盐的比较正盐(COeq\o\al(2－,3))酸式盐(HCOeq\o\al(－,3))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pH同浓度：正盐＞酸式盐相互转化COeq\o\al(2－,3)HCOeq\o\al(－,3)4、碳元素在自然界中的循环①CO2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：a．溶于江水、海水中：CO2＋H2OH2CO3；b．光合作用将CO2转化为O2；c．岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2===Ca(HCO3)2。知识点二硅及其化合物 1．硅(1)硅的结构与物理性质(2)化学性质a．常温①与氢氟酸反应的化学方程式：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；②与NaOH溶液反应的化学方程式：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑；③与F2反应的化学方程式:Si＋2F2===SiF4b．高温①与O2反应：Si＋O2SiO2。②与Cl2反应：Si＋Cl2SiCl4(3)硅的工业制法①原料：石英砂和焦炭②制备：SiO2＋2Ceq\o(=====,\s\up11(高温),\s\do4( ))Si(粗)＋2CO↑③提纯：Si(粗)＋2Cl2SiCl4；SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl【特别提醒】①用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。②粗硅中含碳等杂质，与Cl2反应生成的SiCl4中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。(4)用途：半导体材料、太阳能电池、计算机芯片和耐酸设备等。2．二氧化硅(1)存在：硅石、石英、水晶、玛瑙、沙子等(2)二氧化硅的结构特点在SiO2晶体中，每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在4个顶角；许多这样的四面体又通过顶角的O相连接，每个O为两个四面体所共有，即每个O与2个Si相结合。实际上，SiO2晶体是由Si和O按1∶2的比例所组成的立体网状结构的晶体。由结构可知，二氧化硅的化学性质很稳定。(3)物理性质：熔点高，硬度大，不溶于水(4)化学性质：a.酸性氧化物①与碱反应:SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；②与CaO碱性氧化物反应：SiO2＋CaOCaSiO3③与盐反应：SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑（工业制玻璃）b.氧化性：①与碳反应：SiO2+2CSi+2CO↑(制粗硅)；SiO2＋3CSiC＋2CO↑(制金刚砂)；②与Mg反应：4Mg＋SiO22Mg2Si＋2MgO；Mg2Si＋2H2O=SiH4↑＋2Mg(OH)2(制硅化氢)；c.特性：与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(5)用途①水晶可用于电子工业的部件、光学仪器、工艺品②SiO2是制光导纤维的重要原料③较纯的石英用于制造石英玻璃④石英砂用于制玻璃的原料及建筑材料【特别提醒】（1）由于玻璃的成分中含有SiO2，故实验室盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞。（2）未进行磨砂处理的玻璃，在常温下是不易被强碱腐蚀的。（3）因为氢氟酸腐蚀玻璃，与玻璃中的SiO2反应，所以氢氟酸不能用玻璃瓶保存，而应保存在塑料瓶或铅皿中。（4）SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不与水反应，不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。3．硅酸（1）物理性质：硅酸是一种白色胶状物质，不溶于水，能形成胶体。新制备的硅酸为透明、胶冻状，硅酸经干燥脱水形成硅酸干凝胶——“硅胶”。（2）化学性质：a.弱酸性：硅酸的酸性很弱，比碳酸的酸性还弱，在与碱反应时只能与强碱反应。如：H2SiO3+2NaOH==Na2SiO3+2H2O。b.不稳定性：硅酸的热稳定性很差，受热分解为SiO2和H2O：H2SiO3eq\o(=====,\s\up7(△))SiO2＋H2O。（3）制备：由于SiO2不溶于水，所以硅酸是通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得的。Na2SiO3+2HCl==H2SiO3↓+2NaCl，Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3（证明酸性：H2CO3＞H2SiO3）。（4）用途：硅胶可作催化剂的载体和袋装食品、瓶装药品的干燥剂。4．硅酸盐(1)硅酸钠①物理性质：白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。②化学性质——与酸性较硅酸强的酸反应：a．与盐酸反应的化学方程式：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。b．与CO2水溶液反应的化学方程式：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。③用途：黏合剂(矿物胶)、防腐剂和耐火阻燃材料。【特别提醒】①Na2SiO3的水溶液是一种黏合剂，是制备硅胶和木材防火剂等的原料；Na2SiO3易与空气中的CO2、H2O反应，要密封保存。②可溶性碳酸盐、硅酸盐的水溶液呈碱性，保存该溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，应用橡胶塞。(2)硅酸盐的氧化物表示法：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。如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。【特别提醒】（1）氧化物之间以“·”隔开；（2）计量数配置出现分数应化为整数。硅酸盐改写为氧化物形式时，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。当系数配置出现分数时一般应化为整数。如上例中KAlSi3O8，将eq\f(1,2)K2O·eq\f(1,2)Al2O3·3SiO2，要写成K2O·Al2O3·6SiO2。知识点三无机非金属材料1.传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。水泥玻璃陶瓷主要原料黏土、石灰石、石膏石灰石、石英砂、纯碱黏土主要设备水泥回转窑玻璃窑陶瓷窑变化复杂的物理、化学变化过程主要反应：Na2CO3＋SiO2eq\o(=====,\s\up14(高温),\s\do14( ))Na2SiO3＋CO2↑、CaCO3＋SiO2eq\o(=====,\s\up14(高温),\s\do14( ))CaSiO3＋CO2↑复杂的物理、化学变化过程组成硅酸三钙(3CaO·SiO2)硅酸二钙(2CaO·SiO2)铝酸三钙3CaO·Al2O3)硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅硅酸盐用途重要的建筑材料制化学实验用的玻璃仪器、窗玻璃等在工农业、科技、生活、实验室中使用广泛（1）陶瓷：陶瓷以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料，经高温烧结而成的。（2）玻璃：普通玻璃的主要成分为Na2SiO3、CaSiO3和SiO2，它是以纯碱、石灰石和石英砂为主要原料，经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理变化和化学变化而制得的，玻璃可用于生产建筑材料、光学仪器和各种器皿，还可制造玻璃纤维，用于高强度复合材料等。（3）水泥：普通硅酸盐水泥的主要原料是黏土和石灰石，二者与其他辅料经混合、研磨后在水泥回转窑中煅烧，发生复杂的物理变化和化学变化，加入适量石膏调节水泥硬化速率，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。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（3）碳纳米材料碳纳米材料是一类新型的无机非金属材料(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。材料类型性能用途碳纳米管比表面积大，高强度，优良的电学性能生产复合材料、电池和传感器等石墨烯电阻率低，热导率高，具有很高的强度用于光电器件、超级电容器、电池和复合材料等知识点四碳、硅及其化合物性质“反常”小结(1)一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅、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。(2)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。(3)Si的还原性强于C，但C在高温下能还原出Si：SiO2＋2Ceq\o(=====,\s\up15(高温))