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1、第四章 非金屬及其化合物無機(jī)非金屬材料的主角——硅
考點梳理
1.了解碳、硅單質(zhì)及其重要化合物的主要性質(zhì)及應(yīng)用。
2.了解碳、硅單質(zhì)及其重要化合物對環(huán)境質(zhì)量的影響。
3.了解常見無機(jī)非金屬材料的性質(zhì)和用途
一、C、Si單質(zhì)性質(zhì)及其用途的比較。
1.物理性質(zhì)
碳
硅
存在形態(tài)
既有游離態(tài),又有化合態(tài);主要單質(zhì)有:金剛石、石墨、C60等同素異形體
在地殼中的含量僅次于氧,全部以化合態(tài)存在;主要單質(zhì)有:晶體硅和無定性硅兩大類
單質(zhì)的物理性質(zhì)
金剛石熔點很高,硬度很大;石墨熔點很高(比金剛石高)硬度較小,能導(dǎo)電,有滑膩感。
晶體硅,灰黑色,有金屬光澤;與金剛石相
2、似,熔點很高,硬度很大;是良好的半導(dǎo)體材料。
用途
金剛石用作切割工具;
石墨用作電極、鉛筆芯。
含硅4%的硅鋼具有很高的導(dǎo)磁性,主要用作變壓器鐵芯;含硅15%的硅鋼具有很好的耐酸性能,作為耐酸材料;制光電池等
2.化學(xué)性質(zhì)
(1)碳單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)——還原性
①與O2反應(yīng):O2不足:2C+O2點燃
2CO;
O2充足:C+O2 點燃
CO2
②與其他物質(zhì)反應(yīng):
a.與CuO反應(yīng):
2CuO+C △
2Cu+CO2↑ (可用于某些金屬的冶煉);
b.與CO2反應(yīng):CO2+C 高溫
2CO;
c.與水蒸氣反應(yīng):
C+H2O(g)高溫
3、 CO+H2 (用于生產(chǎn)水煤氣);
d.與濃硫酸反應(yīng):
C+2H2SO4(濃)△
CO2↑+2SO2↑+2H2O。
(2)硅的化學(xué)性質(zhì)——還原性
①與氫氟酸反應(yīng):Si+4HF====SiF4↑+2H2↑;
②與NaOH溶液反應(yīng):Si+2NaOH+H2O=====Na2SiO3+2H2↑;
③與O2反應(yīng):Si+O2△
SiO2。
二、CO2和SiO2的比較
物 質(zhì)
二氧化硅
二氧化碳
晶體類型
原子晶體
分子晶體
物理性質(zhì)
硬度大、熔沸點高、常溫下為固體、不溶于水
熔沸點低,常溫下為氣體,微溶于水
質(zhì)
①與水反應(yīng)
不反應(yīng)
CO2 +
4、 H2O H2CO3
②與酸反應(yīng)
SiO2 + 4HF = SiF4↑+ 2H2O
不反應(yīng)
③與堿反應(yīng)
高溫
SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O
高溫
盛堿液的試劑瓶用橡皮塞
CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O或
CO2 + NaOH = 2NaHCO3
④與鹽反應(yīng)
SiO2 + Na2CO3 =Na2SiO3 + CO2↑
高溫
SiO2 + CaCO3 = CaSiO3 + CO2↑
Ca(ClO)2 + CO2 + H2O = CaCO3↓ + 2HClO
CO2 + Na2CO3 + H2O = 2NaHCO3
5、
⑤與堿性氧化物反應(yīng)
SiO2 + CaO = CaSiO3
CO2 + Na2O = Na2CO3
⑥與碳反應(yīng)
CO2+C高溫
2CO;
主要用途
化工原料、滅火劑。干冰用作制冷劑,人工降雨。
制光學(xué)儀器、石英玻璃。水晶可制作飾品,常用來制造通訊材料光導(dǎo)纖維。
3、硅酸及硅酸鹽
(1)硅酸
①物理性質(zhì):與一般的無機(jī)含氧酸不同,硅酸難溶于水。
⑵化學(xué)性質(zhì):a.弱酸性:是二元弱酸,酸性比碳酸弱,與NaOH溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為:
H2SiO3+2NaOH== Na2SiO3+2H2O。
b.不穩(wěn)定性:受熱易分解,化學(xué)方程式為:H2SiO3 H2O+ Si
6、O2。
⑶制備:通過可溶性硅酸鹽與其他酸反應(yīng)制得,如Na2SiO3溶液與鹽酸反應(yīng):
Na2SiO3+2HCl== H2SiO3↓+2NaCl
⑷用途:硅膠可用作干燥劑、催化劑的載體等。
2、硅酸鹽
⑴硅酸鹽:硅酸鹽是由硅、氧和金屬元素組成的化合物的總稱,是構(gòu)成地殼巖石的主要成分。
⑵硅酸鈉:硅酸鈉溶液俗稱水玻璃,是無色黏稠液體,常用于制備黏合劑、防腐劑、耐火材料。
⑶硅酸鹽組成的表示
通常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示硅酸鹽的組成:如硅酸鈉(Na2SiO3)可表示為Na2O·SiO2。長石(KAlSi3O8)可表示為K2O·Al2O3·6SiO2。(注意:硅酸鹽寫法與氧化
7、物寫法中各元素的化合價保持不變,原子個數(shù)比相等;表示順序一般為:活潑金屬的氧化物·較活潑金屬的氧化物·二氧化硅·水。
三、常見無極非金屬材料及其主要用途
1.傳統(tǒng)的無極非金屬材料
硅酸鹽材料是傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料:玻璃、水泥、各種陶瓷等都是以黏土、石英和長石等為原料生產(chǎn)的硅酸鹽制品,比較如下
硅酸鹽產(chǎn)品
水 泥
玻 璃
陶瓷
原 料
石灰石、黏土
純堿、石灰石、石英
黏土
反應(yīng)原理
發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化(不作要求)
高溫
高溫
SiO2 + Na2CO3 =Na2SiO3 + CO2↑
SiO2 + CaCO3 = CaSiO3 + CO2↑
8、
主要設(shè)備
水泥回轉(zhuǎn)窯
玻璃窯
陶瓷窯
主要成分
3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3
Na2SiO3、CaSiO3、SiO2
反應(yīng)條件
高溫
高溫
高溫
(2)主要用途
陶瓷、玻璃、水泥是主要建材,也廣泛應(yīng)用于生活中。
2.特殊功能的含硅物質(zhì)
(1)碳化硅具有金剛石結(jié)構(gòu),可用作磨料。
(2)含硅元素4%的硅鋼具有導(dǎo)磁性。
(3)硅橡膠具有既耐高溫又耐低溫的性質(zhì)。
【熱點難點】
1. 硅及其化合物的特殊性質(zhì)
1.硅
(1)硅的非金屬性弱于碳,但碳在自然界中既有游離態(tài)又有化合態(tài),而硅卻只有化合態(tài)。
(2)硅的還原性強(qiáng)于碳,
9、但碳能還原SiO2:SiO2+2C 2CO↑+Si 。
(3)非金屬單質(zhì)跟堿溶液作用一般無H2產(chǎn)生,但Si能跟堿溶液作用放出H2:Si+2NaOH+H2O====Na2SiO3+2H2↑。
(4)非金屬單質(zhì)一般不跟非氧化性酸反應(yīng),但硅能跟氫氟酸反應(yīng)。
(5)非金屬單質(zhì)一般為非導(dǎo)體,但硅為半導(dǎo)體。
2.二氧化硅
(1)非金屬氧化物的熔沸點一般較低,但SiO2的熔點卻很高。
(2)酸性氧化物一般不跟酸反應(yīng),但SiO2能跟氫氟酸反應(yīng)。
3.硅酸
(1)無機(jī)酸一般易溶于水,但H2SiO3難溶于水。
(2)H2CO3的酸性強(qiáng)于H2SiO3,所以有Na2SiO3+CO2+H2O====H
10、2SiO3↓+Na2CO3,但在高溫下Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑能發(fā)生是因為生成的CO2容易揮發(fā)。
【典例1】某氧化物不溶于水,溶于熔化的NaOH中,生成易溶于水的化合物,向稀鹽酸中滴加所生成化合物的水溶液,立即有白色沉淀產(chǎn)生,則原氧化物是( )
A.Al2O3 B.MgO
C.SiO2 D.Fe2O3
[答案]C
[解析]能與NaOH反應(yīng)的氧化物有Al2O3、SiO2,生成物分別為NaAlO2和Na2SiO3,但由于題目中是向稀鹽酸中加所生成化合物的水溶液,即鹽酸過量,NaAlO2與過量鹽酸反應(yīng)生成AlCl3,無沉淀,Na2SiO3與鹽酸反應(yīng)生
11、成H2SiO3白色沉淀,故選C。
二、CO2與堿的反應(yīng)及CO、HCO 的檢驗
1.CO2與NaOH反應(yīng)成分的判斷
(1)反應(yīng)原理
NaOHNa2CO3NaHCO3
(2)反應(yīng)后溶質(zhì)成分的判斷方法
溶質(zhì)的成分
X≤1∶1
NaHCO3
1∶12∶1
NaOH、Na2CO3
(3)CO2與常見溶液的反應(yīng)和現(xiàn)象
①Ca(OH)2 或Ba(OH)2溶液
CO2不足時,生成白色沉淀;CO2過量時,生成的白色沉淀消失,溶液變澄清。
②Na2SiO3溶液
CO2不足:Na2SiO3+H2O+
12、CO2====Na2CO3+H2SiO3↓;
CO2過量:Na2SiO3+2H2O+2CO2====2NaHCO3+H2SiO3↓。
兩種情況均生成白色膠狀沉淀。
③飽和Na2CO3溶液
Na2CO3+CO2+H2O====2NaHCO3↓,有白色固體析出。
2. CO、HCO的檢驗
(1)CO的檢驗
向待檢驗溶液中滴加一定量的Ca2+或Ba2+的可溶性鹽溶液,有白色沉淀生成,再加入適量的酸,白色沉淀溶解且生成無色,無味的氣體,則待檢溶液中有CO。
(2)HCO的檢驗
向待檢驗溶液中滴加足量的Ca2+或Ba2+的可溶性鹽溶液,無明顯現(xiàn)象,再向溶液中加入足量的酸。若溶液中有無色
13、、無味的氣體生成,則待檢溶液中有HCO。
【典例2】下列說法正確的是( )
A.將CO2通入CaCl2溶液或飽和Na2CO3溶液均有白色沉淀生成
B.某溶液中加入Ba(OH)2溶液中有白色沉淀,說明可能有CO不可能含有HCO
C.在標(biāo)準(zhǔn)狀況下將2.24 L CO2通入100 mL 1.0 mol/L的NaOH溶液中充分反應(yīng),其反應(yīng)的離子方程式為:CO2+2OH-===CO+H2O
D.NaHCO3溶液和Na2CO3溶液可以用CaCl2溶液鑒別
[答案]D
[解析]A項CO2與CaCl2不反應(yīng),無現(xiàn)象,與飽和Na2CO3溶液反應(yīng)生成溶解度更小的NaHCO3,從而析出沉淀;B項溶液中可能含CO,也可能含有HCO、SO、HSO,B錯;C項中n(CO2)∶n(NaOH)=1∶1,反應(yīng)應(yīng)該為CO2+OH-===HCO,C錯;D項,CaCl2與NaHCO3不反應(yīng),與Na2CO3反應(yīng)生成CaCO3白色沉淀,D項正確。