碳及无机非金属材料【讲】(人教版)(解析版).docx

4.1 碳及无机非金属材料

知识整理

碳及其重要化合物
一、碳单质
1．存在形式：金刚石、石墨、无定形碳、足球烯等，它们互为同素异形体。
2．主要化学性质——还原性
（1）燃烧：C＋O2CO2。
（2）与氧化物反应

二、碳的氧化物——CO和CO2
1．一氧化碳的性质及应用
（1）物理性质：无色、无味的气体，难溶于水，能使人中毒的原因是一氧化碳与人体内血红蛋白相结合，人体因缺氧而中毒。
（2）化学性质及应用(写出有关化学方程式)
①可燃性：2CO＋O22CO2，可做燃料。
②还原性：CO还原Fe2O3的反应为3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2，可用于冶炼金属。
2．二氧化碳的性质
（1）物理性质：无色、无味的气体，能溶于水，固态CO2俗称干冰。
（2）化学性质：与H2O、Na2O、Ca(OH)2(足量、澄清)、Mg反应的化学方程式分别为CO2＋H2O=H2CO3，Na2O＋CO2===Na2CO3，CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，2Mg＋CO22MgO＋C。
3．二氧化碳在自然界中的循环
（1）CO2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
①溶于江水、海水中：CO2＋H2OH2CO3。
②光合作用将CO2转化为O2和有机物：6H2O＋6CO2C6H12O6＋6O2。
③岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2===Ca(HCO3)2。
三、碳酸(H2CO3)
碳酸是弱酸、不稳定，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。
四、碳酸盐(常见的有Na2CO3和NaHCO3，详见第3章)
五、草酸(H2C2O4)、草酸盐的性质(教材补遗)
1．草酸(H2C2O4)的性质
H2C2O4是二元弱酸；有较强的还原性，能使酸性高锰酸钾溶液褪色：2KMnO4＋5H2C2O4＋3H2SO4===K2SO4＋2MnSO4＋10CO2↑＋8H2O；H2C2O4不稳定，固体受热易分解：H2C2O4H2O＋CO↑＋CO2↑。
2．草酸盐的性质

（1）(NH4)2C2O4易溶于水，微溶于乙醇，加热易分解，由氨水与草酸溶液作用而成。
（2）CaC2O4难溶于水和醋酸，能溶于盐酸和硝酸；灼烧时转变成氧化钙。
（3）草酸镁、草酸亚铁等微溶于水，可由对应的可溶性金属盐与草酸铵在水溶液中反应而得，加热分解可得到对应金属氧化物。

知识演练

判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
（1）活性炭具有除异味和杀菌作用。(　　)
（2）澄清的石灰水久置后出现白色固体：Ca(OH)2＋CO2=== CaCO3↓＋H2O。(　　)
（3）用标准HCl溶液滴定NaHCO3溶液来测定其浓度，选择酚酞为指示剂。(　　)
（4）含Li＋的滤液含Li沉淀，可用硫酸钠代替碳酸钠。(　　)
（5）草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后，用KMnO4标准溶液滴定，通过测定草酸的量可间接获知钙的含量，滴定反应为2MnO＋5H2C2O4＋6H＋===2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O。(　　)
（6）将固体加热至恒重可除去NaHCO3 固体中的Na2CO3。(　　)
（7）12C、13C、14C是碳的三种同素异形体。(　　)
（8）金刚石和石墨由相同的元素组成，因此它们具有相同的性质。(　　)
（9）石墨转变为金刚石的反应属于氧化还原反应。(　　)
（10）向Ca(ClO)2溶液中通入CO2气体，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失。(　　)
（11）向CaCl2溶液中通入CO2，无明显现象，若先通入NH3再通入CO2，溶液会变浑浊。(　　)
（12）向饱和NaCl的氨水溶液中通入过量CO2气体，有晶体析出。(　　)
答案：(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×　(7)×　(8)×　(9)×　(10)√　(11)√　(12)√

素养提升

一、碳及其化合物的性质及对环境的影响
1．化学与社会、科学、技术、环境密切相关。下列说法不正确的是(　　)
A．T­碳是一种新型三维碳结构晶体，与C60互为同素异形体
B．推广利用CO2合成聚碳酸酯可降解塑料符合低碳经济理念
C．将金属钛、铝混合后在空气中熔化可制得强度较大的钛铝合金材料
D．为汽车安装尾气催化转化装置，可将尾气中的部分CO和NO转化为无毒气体
解析：选C。B项，利用CO2合成聚碳酸酯类可降解塑料，实现“碳”的循环利用，减少二氧化碳的排放，故B正确；C项，在空气中加热熔化，金属易与氧气发生反应，所以不能直接在空气中制备钛铝合金，故C错误。
2．(双选)用四种溶液进行实验，下表中溶液与操作及现象的对应关系错误的是(　　)
选项
溶液
操作及现象
A
饱和Na2CO3溶液
通入CO2，溶液无明显变化
B
HCl溶液
逐滴滴入Na2CO3溶液，开始无明显变化，一段时间后产生气泡
C
Ca(ClO)2溶液
通入CO2，溶液变浑浊，再加入品红溶液，红色褪去
D
澄清石灰水
通入CO2，溶液变浑浊，继续通入CO2至过量，浑浊消失，再加入足量NaOH溶液，又变浑浊
解析：选AB。A项，Na2CO3的溶解度大于NaHCO3的溶解度，向饱和Na2CO3溶液中通入CO2，发生反应：Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3↓，因而会析出NaHCO3晶体，A错误；B项，发生反应：2HCl＋Na2CO3===2NaCl＋CO2↑＋H2O，立即产生气泡，B错误；C项，发生反应：CO2＋Ca(ClO)2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO，溶液变浑浊，再加入品红溶液，品红被HClO氧化而褪色，C正确；D项，首先发生反应：CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，继续通入CO2至过量，生成可溶于水的Ca(HCO3)2，再加入足量的NaOH溶液，发生反应：2NaOH＋Ca(HCO3)2===CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O，溶液又变浑浊，D正确。
3．碳和碳的氧化物是生活中的常见物质，回答下列问题：
（1）下列有关说法正确的是________(填字母)。
a．利用二氧化碳制造全降解塑料，可以减缓二氧化碳对环境的影响
b．金刚石、石墨、C60的化学性质相似，物理性质却有很大差异
c．木炭、一氧化碳在一定条件下都能还原氧化铜
d．大气中二氧化碳的消耗途径主要是绿色植物的光合作用
（2）吸烟对人体有害，燃着的香烟产生的烟气中含有一种能与血液中的血红蛋白结合的有毒气体，它是________(填化学式)。
（3）影视舞台上经常看到云雾缭绕，使人如入仙境的景象，产生这一景象可用的物质是________(填物质名称)。
（4）为减少二氧化碳对环境的影响，可将二氧化碳与氢气在300 ℃、200 kPa、催化剂的条件下，反应生成一种清洁燃料甲醇(CH3OH)和水，其反应的化学方程式为______________。
答案：(1)abcd　(2)CO　(3)干冰　(4)CO2＋3H2CH3OH＋H2O
二、CO2通入碱溶液中反应产物的定量分析
4．标准状况下，将3.36 L CO2气体通入200 mL 1.00 mol·L－1 NaOH溶液中，充分反应后溶液中c(CO)与c(HCO) 的比值为(不考虑CO、HCO的水解)(　　)
A．1∶1　　　　　　　　　　 B．1∶2
C．2∶1 D．1∶3
解析：选B。n(CO2)＝＝0.15 mol，
n(NaOH)＝0.2 L×1.00 mol·L－1＝0.20 mol，
由于1<<2，故二者完全反应生成含Na2CO3和NaHCO3的混合溶液。
设n(Na2CO3)＝x，n(NaHCO3)＝y，
则有，
解得x＝0.05 mol，y＝0.10 mol，则充分反应后溶液中cCO)∶c(HCO)＝0.05 mol∶0.10 mol＝1∶2。
5．(双选)常温下，向 Ba(OH)2 和NaOH混合溶液中缓慢通入CO2至过量(溶液温度变化忽略不计)，生成沉淀物质的量与通入CO2体积的关系如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A．b点时溶质为NaHCO3
B．V4的值为100
C．V1、V2、V3时，溶液中c(Ba2＋)·c(CO)相等
D．原混合溶液中n[Ba(OH)2]∶n(NaOH)＝1∶2
解析：选BD。ab段发生的反应为2OH－＋CO2===CO＋H2O、CO＋H2O＋CO2===2HCO，所以b点溶液中溶质为NaHCO3，故A正确；发生反应Ba2＋＋2OH－＋CO2===BaCO3↓＋H2O时消耗30 mL的二氧化碳，发生反应NaOH＋CO2===NaHCO3时消耗 30 mL 的二氧化碳，发生反应BaCO3＋CO2＋H2O===Ba2＋＋2HCO时消耗30 mL的二氧化碳，所以V4的值为90，故B错误；Ksp(BaCO3)＝c(Ba2＋)·c(CO)，温度不变，溶度积不变，故C正确；D项，原混合溶液中Ba(OH)2和NaOH的物质的量之比为1∶1，故D错误。
方法技巧

CO2与碱反应产物的定量判断
CO2通入NaOH、Ca(OH)2等强碱溶液的反应产物与CO2气体的通入量有关，当通入少量CO2时生成碳酸盐，当通入过量CO2时生成碳酸氢盐，当通入CO2的量介于　
两者之间时，既有碳酸盐又有碳酸氢盐生成，因此推断时一定要注意CO2与碱之间量的关系。
以CO2与NaOH溶液反应为例，将CO2通入NaOH溶液中，可能发生的反应为
①CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O；
②CO2＋NaOH===NaHCO3。
当n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下：

知识整理

无机非金属材料
一、无机非金属材料
无机非金属材料包括传统无机非金属材料和新型无机非金属材料。传统无机非金属材料多为硅酸盐材料，它包括陶瓷、玻璃和水泥；新型无机非金属材料包括硅和二氧化硅、新型陶瓷、碳纳米材料等。
二、硅酸盐材料
1．常见硅酸盐材料比较

水泥
普通玻璃
陶瓷
生产原料
石灰石、黏土
纯碱、石灰石、石英砂
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑

生产水泥时，加入适量石膏调节水泥的硬化速率。
2．玻璃生产中的两个重要反应
Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；
CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。
三、新型无机非金属材料
1．硅(Si)
（1）存在形式及高纯硅的制备
①硅在自然界主要以硅酸盐(如地壳中的大多数矿物)和氧化物(如水晶、玛瑙)的形式存在。
②晶体硅中的杂质会影响其导电性能，因此必须制备高纯度的硅。工业上用焦炭还原石英砂可以制得含有少量杂质的粗硅。将粗硅通过化学方法进一步提纯，才能得到高纯硅。工业制备高纯硅发生的主要化学反应如下：
SiO2＋2CSi＋2CO↑(制粗硅)
Si＋3HClSiHCl3＋H2
SiHCl3＋H2Si＋3HCl(制高纯硅)
（2）用途
①良好的半导体材料；②硅太阳能电池；③计算机芯片。
2．二氧化硅(SiO2)
（1）石英晶体是结晶的二氧化硅，存在于沙子、水晶、玛瑙(含杂质的石英)等中。SiO2晶体是由Si原子和O原子直接构成的。另外，Si、SiC、Si3N4、BN等也是由原子直接构成的。
（2）结构
SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为立体网状结构(如图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子相连，故SiO2晶体中Si和O的原子个数比为1∶2。

（3）用途
制光学仪器、石英玻璃(主要成分为SiO2)；水晶可制作饰品；常用来制造通信材料——光导纤维。

知识演练

1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
（1）常温常压下，硅单质为固态。(　　)
（2）硅在自然界中只以化合态的形式存在。(　　)
（3）晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料。(　　)
（4）Si和SiO2都可用于制造光导纤维。(　　)
（5）高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅。(　　)
（6）玻璃是一种晶体，有较高的熔点。(　　)
（7）光导纤维、碳纳米管都是新型无机非金属材料。(　　)
（8）普通玻璃、石英玻璃、水泥、玛瑙都属于硅酸盐产品。(　　)
答案：(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)√　(6)×　(7)√　(8)×
2．SiHCl3在常温常压下为易挥发的无色透明液体，遇潮气时发烟生成(HSiO)2O等，写出该反应的化学方程式：_____________________________。
答案：2SiHCl3＋3H2O===(HSiO)2O＋6HCl

方法技巧

（1）不要混淆硅和二氧化硅的用途。
用作半导体材料的是晶体硅而不是SiO2，用于制作光导纤维的是SiO2而不是晶体硅。
（2）不要混淆常见含硅物质的类别。
①计算机芯片的主要成分是晶体硅而不是SiO2。
②水晶、沙子、玛瑙等的主要成分是SiO2而不是硅酸盐。
③光导纤维的主要成分是SiO2，不属于硅酸盐材料。
④传统的无机非金属材料陶瓷、水泥、玻璃的主要成分是硅酸盐。

素养提升

一、无机非金属材料的性能及应用
1．(双选)“九秋风露越窑开，夺得千峰翠色来”是赞誉越窑秘色青瓷的诗句，描绘我国古代精美的青瓷工艺品。玻璃、水泥和陶瓷均为硅酸盐制品，下列有关说法中正确的是(　　)
A．陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品

B．制水泥的主要原料为纯碱、石灰石和石英砂
C．硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高
D．沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
解析：选AC。陶瓷是人类最早使用的硅酸盐制品，A项正确；纯碱、石灰石和石英砂是制普通玻璃的主要原料，而制水泥的主要原料是黏土和石灰石，B项错误；硅酸盐制品的性质稳定、熔点较高，C项正确；沙子的主要成分是SiO2，黏土的主要成分是硅酸盐，D项错误。
2．宋代五大名窑分别为钧窑、汝窑、官窑、定窑、哥窑。其中钧窑以“入窑一色，出窑万彩”的神奇窑变著称。下列关于陶瓷的说法不正确的是(提示：SiO2能与氢氟酸反应)(　　)
A．窑变是高温下釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化
B．氧化铝陶瓷属于新型无机非金属材料
C．高品质的瓷器晶莹剔透，属于纯净物
D．陶瓷属于硅酸盐材料，耐酸碱腐蚀，但是不能用来盛装氢氟酸
解析：选C。不同的金属化合物颜色可能不同，在高温下，釉料中的金属化合物发生氧化还原反应导致的颜色变化称为窑变，故A正确；新型无机非金属材料主要有新型陶瓷、硅和二氧化硅、碳纳米材料等，氧化铝陶瓷属于新型陶瓷，故B正确；瓷器是以黏土为主要原料经高温烧结而成的，瓷器中含有多种硅酸盐和二氧化硅，是混合物，故C错误；HF能与二氧化硅反应，陶瓷的主要成分是硅酸盐和二氧化硅，所以陶瓷不能用来盛装氢氟酸，故D正确。
二、高纯硅的制备
3．高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料。它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
下列说法不正确的是(　　)
A．步骤①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑
B．步骤①中每生成1 mol Si，转移4 mol电子
C．高纯硅是制造太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料
D．SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点67.6 ℃)，通过蒸馏可提纯SiHCl3
解析：选A。A项，二氧化硅在高温下与C反应生成CO气体，即步骤①的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，故A错误；B项步骤①中Si的化合价降低4价，故每生成1 mol Si，转移电子数为4 mol，故B正确；C项，高纯硅是半导体，是制造集成电路、太阳能电池的常用材料，二氧化硅是制造光导纤维的基本原料，故C正确；D项，沸点相差30 ℃以上的两种互溶液体可以采用蒸馏的方法分离，故D正确。
4．硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：
（1）制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：

①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：________________________________。
②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出并配平该反应的化学方程式：____________________________________；H2还原SiHCl3过程中若混有O2，可能引起的后果是________________________。
（2）某化学研究性学习小组在探究硅的制取方法时，从资料中查阅到下列信息：
Ⅰ.Mg在高温条件下可与SiO2反应；
Ⅱ.金属硅化物与稀H2SO4反应生成硫酸盐和SiH4；
Ⅲ.SiH4在空气中自燃。
他们根据信息进行实验，当用足量稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得的固体产物时，发现有爆鸣声和火花；然后过滤、洗涤、干燥；最后称量、计算，测得其产率只有预期值的63%左右。
①第Ⅰ步实验发生反应的化学方程式是_____________________________________。
②用稀H2SO4溶解第Ⅰ步实验获得固体产物时，产生爆鸣声和火花的原因是______________________。
解析：(2)①类似于镁和二氧化碳的反应，可生成单质硅和氧化镁；在高温条件下，硅还能继续与活泼金属镁化合。②发现有爆鸣声和火花，说明生成了气体SiH4，且SiH4发生了自燃。
答案：(1)①SiHCl3＋H2Si＋3HCl
②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl　发生爆炸
(2)①2Mg＋SiO22MgO＋Si、2Mg＋SiMg2Si
②硅化镁与稀硫酸反应生成的SiH4可自燃，即发生反应Mg2Si＋2H2SO4===2MgSO4＋SiH4↑，SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O