碳硅及其化合物-講義

1、 碳族元素 I 課標(biāo)要求 通過實(shí)驗(yàn)了解硅及其化合物的主要性質(zhì)，認(rèn)識(shí)其在信息技術(shù)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。 n 考綱要求 i了解單質(zhì)硅及其重要硅的化合物的主要性質(zhì)及應(yīng)用 3. 能綜合應(yīng)用硅及硅的化合物知識(shí) 川教材精講 1本考點(diǎn)知識(shí)結(jié)構(gòu) 新型無機(jī)材 料鯨訓(xùn)等 與HF的反應(yīng) 硅磯鹽 石英琥璃 光導(dǎo)野維 硅酸鹽化學(xué) 式的變換 CaC2 C* CO C0s CaCC: 制水泥 制跛璃I ；COCO 有機(jī)物 % 翎石 石墨等 嗓鋼I I候氏制喊 跟鎂反應(yīng) 跟C,HsONa反應(yīng) 煉鐵 氨氣制濮白耕 海水中標(biāo)取鎂 2碳族元素 碳族元素的特征：碳族元素原子最外層電子數(shù)為4,既不容易失去電子，又不容易得到電子，易形

2、成共價(jià)鍵， 難形成離子鍵。碳族元素形成的單質(zhì)在同周期中硬度最大，熔沸點(diǎn)最高（如金剛石、晶體硅）。 碳族元素的化合價(jià)：碳族元素的主要化合價(jià)有+2, +4，其中鉛+2價(jià)穩(wěn)定，其余元素+4價(jià)穩(wěn)定。 碳族元素的遞變規(guī)律：從上到下電子層數(shù)增多，原子半徑增大，原子核對(duì)最外層電子的吸引能力減弱，失電 子的能力增強(qiáng)，從上到下由非金屬遞變?yōu)榻饘俚淖兓浅５湫?。其中碳是非金屬，錫、鉛是金屬，硅、鍺是半導(dǎo)體 材料。 碳族元素在自然界里的存在：自然界里碳有游離態(tài)和化合態(tài)兩種；硅在地殼里無游離態(tài)，主要以含氧化合物 的形式存在。 幾種同素異形體：碳：金剛石、石墨、C60、C70等；硅：晶體硅，無定形硅。 3. 碳 在常溫

3、下碳很穩(wěn)定，只在高溫下能發(fā)生反應(yīng)，通常表現(xiàn)為還原性。 燃燒反應(yīng) 與某些氧化物的反應(yīng)：C + CO2=2CO; C + 2CuO CO2 f+ 2Cu; C + H20 丄二 CO+ H2O （CO、H2的混合氣體叫水煤氣）; 2C+SQ2Si+2CO f 與氧化性酸反應(yīng)： C+ 2H2SO4 （濃）旦CO2f+ 2SO2 T+ 2H2O; C+ 4HNO3 （濃）一 CO2T+ 4NO2f+ 2H2O 4. CO 不溶于水，有毒（CO和血紅蛋白結(jié)合，使血紅蛋白無法和O2結(jié)合，而使細(xì)胞缺氧引起中毒 ），但由于CO無色 無味因此具有更大的危險(xiǎn)性。 可燃性 還原性：CO+CuO CO2+ Cu, C

4、O+H 20（g） ，- CO2+H2O 5. CO2 直線型（O = C = O）非極性分子，無色能溶于水，密度大于空氣，可傾倒，易液化。固態(tài)CO2俗稱干冰，能升 華，常用于人工降雨。實(shí)驗(yàn)室制法：CaCO3+ 2HCl = CaCl2 + CO2 T+出0。 酸性氧化物一一酸酐 Ca（OH）2 + CO2= CaCO3 J+ H2O（用于檢驗(yàn) CO2） 氧化性：CO2+ C42CO; 2Mg + CO22MgO + C 6. 碳酸鹽 溶解性：Ca（HCO 3）2CaCO3； Na2CO3NaHCO 3。 熱穩(wěn)定性：Na2CO3CaCO3；堿金屬正鹽 堿金屬酸式鹽：Na2CO3NaHCO 3

5、亦- 相互轉(zhuǎn)化：碳酸正鹽 -碳酸酸式鹽（除雜用） 7. 硅 硅在地殼中只有化合態(tài)，沒有游離態(tài)。其含量在地殼中居第二，僅次于氧，是構(gòu)成礦物和巖石的主 要成分。 晶體硅是灰黑色，有金屬光澤，硬而脆的固體，是半導(dǎo)體，具有較高的硬度和熔點(diǎn)。 硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下，只能與氟氣、氫氟酸及強(qiáng)堿溶液反應(yīng)：Si+2F2 = SiF4、Si+4HF = SiF4+2H2f、 Si+2NaOH+H 2O = Na2SiO3+2H 2 T;在加熱條件下，能與氧氣、氯氣等少數(shù)非金屬單質(zhì)化合：Si +。2二SiO2。 制備：在電爐里用碳還原二氧化硅先制得粗硅：SiO2+ 2C 丄 Si + 2COT ,將制得的粗硅

6、，再與CJ反應(yīng)后， 蒸餾出SiCl4,然后用H2還原SiCl4可得到純硅。有關(guān)的反應(yīng)為：Si十2C1?二SiCl4、SQI4+2H2丄-Si+4HCl。 硅在高新技術(shù)中的應(yīng)用：高純硅可作半導(dǎo)體材料，晶體硅還可做光電轉(zhuǎn)換材料及制作DNA芯片為代表的生 物工程芯片。 8.SiO2 SiO2為原子晶體，是一種堅(jiān)硬難熔的固體，硬度、熔點(diǎn)都很高。而CO2通常狀況下是氣體，固體熔點(diǎn)很低。 其差別在于晶體類型不同。CO2是分子晶體，故熔點(diǎn)很低。 二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，不能跟酸（氫氟酸除外）發(fā)生反應(yīng)。由于它是一種酸性氧化物，所以能跟堿性氧 化物或強(qiáng)堿反應(yīng)。 SiO2+CaOOaSO3、SiO2+2NaOH

7、 = Na2SiO3+H2O（堿溶液不能在使用磨口玻璃塞的試劑瓶中） 二氧化硅是一種特殊的酸性氧化物。 a. 酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但二氧化硅卻不能直接跟水化合，它的對(duì)應(yīng)水化物（硅酸）只能用相 應(yīng)的可溶性硅酸鹽跟鹽酸作用制得： 首先讓SiO2和NaOH （或NazCOs）在熔化條件下反應(yīng)生成相應(yīng)的硅酸鈉： SiO? + 2NaOHNa2SiO3+ H2O, SiO2 + Na2CO2-Na2SiO3+ CO?，然后用酸與硅酸鈉作用制得硅酸： Na2SiO3+2HCI =H 2SiO3+2NaCl。 b. 酸性氧化物一般不跟酸作用，但二氧化硅卻能跟氫氟酸起反應(yīng)：SQ2+4HF =

8、SiF4+2H2O （氫氟酸不能盛放在 玻璃容器中）。 光導(dǎo)纖維：從高純度的SiO2或石英玻璃熔融體中，拉出的直徑約100m的細(xì)絲，稱為石英玻璃纖維，這種 纖維稱為光導(dǎo)纖維。光纖通信是一種新技術(shù)，它將光信號(hào)在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行全反射傳播，取代了電信號(hào)在銅線中的 傳播，達(dá)到兩地通信的目的。光纖通信優(yōu)點(diǎn)：信息傳輸量大，每根光纜可同時(shí)通過10億路電話；原料來源廣；質(zhì) 量輕，每千米27克；不怕腐蝕，鋪設(shè)方便；抗電磁干擾，保密性好。 石英、水晶及其壓電效應(yīng) 石英的主要成分是SiO2,可用來制造石英玻璃。石英晶體中有時(shí)含有其他元素的化合物，它們以溶解狀態(tài)存在于 石英中，呈各種顏色。純凈的 SiO2晶體叫做水晶

9、，它是六方柱狀的透明晶體，是較貴重的寶石。水晶或石英在受壓時(shí) 能產(chǎn)生一定的電場(chǎng)，這種現(xiàn)象被稱為 壓電效應(yīng)”后來這種 壓電效應(yīng)”被應(yīng)用在電子工業(yè)及鐘表工業(yè)和超聲技術(shù)上。 9. 硅酸和硅膠 硅酸：硅酸有多種形式，如H4SQ4、H2SQ3、H?Si2O5等。一般用通式 RSiO? RH2O表示，由于“HSQ3分子 式最簡(jiǎn)單，習(xí)慣采用 H2SQ3作為硅酸的代表。 硅酸酸性比碳酸還弱，由下列反應(yīng)可證明：Na2SiO3+CO2+H2O = H2SQ3J +N2CO3 硅膠：剛制得的硅酸是單個(gè)小分子，能溶于水，在存放過程中，它會(huì)逐漸失水聚合，形成各種多硅酸，接著 就形成不溶于水，但又暫不從水中沉淀出來的硅溶

10、膠”如果向硅溶膠中加入電解質(zhì)，則它會(huì)失水轉(zhuǎn)為硅凝膠” 把硅凝膠烘干可得到硅膠”烘干的硅膠是一種多孔性物質(zhì)，具有良好的吸水性。而且吸水后還能烘干重復(fù)使用， 所以在實(shí)驗(yàn)室中常把硅膠作為作為干燥劑。 10. 硅及其化合物的 反?！?Si的還原性大于 C,但C卻能在高溫下還原出 Si: SiO2+ 2C=Si+ 2COT 非金屬單質(zhì)跟堿液作用一般無H2放出，但Si卻放出H2: Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+2H2 非金屬單質(zhì)一般不跟非氧化性酸作用，但Si能與HF作用：Si+4HF = SiF4+2H2? 非金屬單質(zhì)大多為非導(dǎo)體，但Si為半導(dǎo)體。 SiO2是H2SQ3的酸酐，但它不溶于水

11、，不能直接將它與水作用制備H2SQ3。 酸性氧化物一般不與酸作用，但SiO2能跟HF作用：SQ2+4HF = SiF4+2H2O 無機(jī)酸一般易溶于水，但H2SQ3難溶于水。 因H2CO3的酸性大于H2SQ3,所以在Na2SiO3溶液中通人CO2能發(fā)生下列反應(yīng)：Na2SiO3+CO2+ H2O= H2SQ3J +N2CO3,但在高溫下 SiO2+Na2CO3 口- NazSiOs+CO?他能發(fā)生。 Na2SiO3的水溶液稱水玻璃， 但它與玻璃的成分大不相同，硅酸鈉水溶液（即水玻璃）稱泡花堿，但它卻是鹽的 溶液，并不是堿溶液。 11. 硅酸鹽 硅酸鹽是構(gòu)成地殼巖石的主要成分，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成可用氧

12、化物的形式表示。例如：硅酸鈉 Na2SiO3（Na2OSiO2）;鎂橄欖石 Mg 2SiO4（2MgO -SiO2）;高嶺石 Al2（Si2O5）（OH） 4（A1 2O3 2 SiO2 2 H2O） 云母、滑石、石棉、高嶺石等，它們都屬于天然的硅酸鹽。 人造硅酸鹽：主要有玻璃、水泥、各種陶瓷、磚瓦、耐火磚、水玻璃以及某些分子篩等。 硅酸鹽制品性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)較高，難溶于水，有很廣泛的用途。最簡(jiǎn)單硅酸鹽是硅酸鈉，其水溶液俗稱水玻 璃，是一種礦物膠，可作粘合劑，防腐劑。 12. 水泥、玻璃、陶瓷 普通水泥的主要成分是硅酸三鈣（3CaOSiO2）、硅酸二鈣（2CaOSiO2）和鋁酸三鈣（3CaO-

13、Al 2O3）,水泥具 有水硬性，水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。 制玻璃的主要原料是純堿、石灰石和石英， 主要反應(yīng)是：SiO2+Na2CO3二二Na2SiO3+CO2、SiO2+CaCO3 CaSiO3+CO2 T,玻璃是無固定熔點(diǎn)的混合物。加入氧化鈷后的玻璃呈藍(lán)色，加入氧化亞銅后的玻璃呈紅色， 普通玻璃一般呈淡綠色，這是因?yàn)樵现谢煊卸r(jià)鐵的緣故。 制造陶瓷的主要原料是黏土，黏土的主要成分：Al 2O3 2SiO2 2H2O。 13. 無機(jī)非金屬材料 無機(jī)非金屬材料包含除傳統(tǒng)陶瓷外的各種性能優(yōu)異的精細(xì)陶瓷：耐高溫的二氧化鋯（ZrO2）陶瓷、高熔點(diǎn)的氮 化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）

14、陶瓷；透明的氧化鋁、砷化鎵（ GaAs）、硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）、氟化 鎂（MgFJ、氟化鈣（CaF2）等氧化物或非氧化物陶瓷；生物陶瓷；超細(xì)微粉體粒子制造的納米陶瓷等。 IV 典型例題 例1、（06全國(guó)理綜）在呼吸面具和潛水艇中可用過氧化鈉作為供氧劑。請(qǐng)選用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑和實(shí)驗(yàn)用品，用 圖中的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明過氧化鈉可作供氧劑。 程 氧化碳反應(yīng)的化學(xué)方 試管F中收集滿氣體后，下一步實(shí)驗(yàn)操作是： 。 【解析】命題意圖就是驗(yàn)證過氧化鈉與水或二氧化碳的反應(yīng)及對(duì)供氧劑信息的理解認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)儀器中的A是二 氧化碳發(fā)生裝置，B、D是除雜裝置，C是反應(yīng)裝置，E是收集裝置。本實(shí)驗(yàn)可能存在的

15、雜質(zhì)氣體有：制取二氧化 碳的是HCI和水，但由于過氧化鈉與二氧化碳和水都能反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，故水不必除去。 答案： CaCO3+2HCI=CaCI 2+H2O+CO2 T B 飽和NaHC0 3 除CO2中的HCI C Na2O2粉末反應(yīng)物 D NaOH溶液除去未反應(yīng)的C02 2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2 把E中的導(dǎo)管移出水面，關(guān)閉分液漏斗活塞，用姆指堵住試管口，取出試管，立即把帶火星的木條伸入試 管口內(nèi)，木條復(fù)燃，證明試管中收集的氣體是氧氣。 【點(diǎn)評(píng)】本題涉及 CO2實(shí)驗(yàn)室制法，實(shí)驗(yàn)室用碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)指取CO2所得氣體中，由于鹽酸具有揮發(fā)性， 所制備氣體中含有氯化氫氣體和水蒸汽

16、，氯化氫氣體也會(huì)與過氧化鈉反應(yīng)，因此需要用飽和碳酸鈉溶液進(jìn)行洗氣， 以除去HCI氣體，水蒸汽和CO2氣體都會(huì)與過氧化鈉反應(yīng)生成氧氣，所以不必除去水蒸汽，緊接著，讓含有少量水 蒸汽的CO2氣體通過過氧化鈉（過氧化鈉是粉末狀物質(zhì)，為了防止被氣體吃入導(dǎo)氣管，最好是用石棉絨包住過氧化 鈉）進(jìn)行反應(yīng)，然后用氫氧化鈉除去位反應(yīng)的CO2，最后用排水法收集氧氣，進(jìn)行檢驗(yàn)。不難看出題目涉及知識(shí)點(diǎn) 都來自課本中的主干知識(shí)，要求學(xué)生一定要重視課本。 例2、我國(guó)科學(xué)家合成出世界上最細(xì)的碳納米管，直徑僅有0.5nm，它的直徑與 C36分子直徑相當(dāng)，十分接近 0.4nm理論極限值，這項(xiàng)成果獲取 20RR年度國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。已知C36是由正五邊形和正六邊形構(gòu)成的足球 狀分子，在多面體中，棱邊數(shù) =頂點(diǎn)數(shù)+面數(shù)-2。根據(jù)以上信息，下列有關(guān)推斷不正確的是（） A 碳納米管與金剛石互為同素異形體B 碳納米管屬于高分子化合物 C.每個(gè)C36分子中有18個(gè)雙鍵D C36分子中有12個(gè)正五邊形，8個(gè)正六邊形構(gòu)成 【解析】由題意不難看出，碳納米管與金剛石都是由碳元素組成的不同的單質(zhì)，所以A正確；碳納米管是單質(zhì)， 而不是化合物，B顯然是錯(cuò)誤的。至于 C、D答