第十講
碳、硅及其化合物
[江蘇考綱要求]
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1．了解碳、硅及其重要化合物的主要性質(zhì)和重要應(yīng)用。
2．認(rèn)識(shí)物質(zhì)間轉(zhuǎn)化等方面的實(shí)際應(yīng)用。
3．認(rèn)識(shí)碳、硅及其化合物在生產(chǎn)中的應(yīng)用和對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。
碳、硅單質(zhì)的性質(zhì)及用途　　


[教材基礎(chǔ)—自熱身]
1．單質(zhì)結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和用途

碳
硅
元素的存在形式
游離態(tài)和化合態(tài)
化合態(tài)
單質(zhì)的結(jié)構(gòu)
金剛石：空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；石墨：層狀結(jié)構(gòu)；
C60(足球烯)：由多個(gè)五邊形和六邊形構(gòu)成的分子
晶體硅：與金剛石類(lèi)似的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)
物理性質(zhì)
金剛石：熔點(diǎn)高、硬度大；石墨：硬度小、電的良導(dǎo)體
晶體硅為灰黑色固體，有金屬光澤、熔點(diǎn)高、硬度大，有脆性
用途
金剛石用于制造切割刀具，石墨用于制造電極、鉛筆芯
晶體硅用作半導(dǎo)體材料、硅芯片和硅太陽(yáng)能電池

2.化學(xué)性質(zhì)
碳、硅在參與化學(xué)反應(yīng)時(shí)，一般表現(xiàn)還原性：


[知能深化—掃盲點(diǎn)]
提能點(diǎn)(一)　硅單質(zhì)的特殊性
(1)Si的還原性強(qiáng)于C，但C卻能在高溫下還原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑。
(2)非金屬單質(zhì)與堿液反應(yīng)一般無(wú)H2放出，但Si與堿液反應(yīng)卻放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(3)非金屬單質(zhì)一般不跟非氧化性酸反應(yīng)，但Si能與氫氟酸反應(yīng)：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
(4)非金屬單質(zhì)大多為非導(dǎo)體，但Si為半導(dǎo)體。
[對(duì)點(diǎn)練]
1．下列關(guān)于硅的說(shuō)法不正確的是(　　)
A．硅是非金屬元素，晶體硅是灰黑色有金屬光澤的固體
B．硅的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料
C．硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)反應(yīng)
D．加熱到一定溫度時(shí)，硅能與氯氣、氧氣等非金屬反應(yīng)
解析：選C　硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑(尤其是在常溫下)，但常溫下仍能與氟氣、氟化氫和NaOH溶液等發(fā)生反應(yīng)，C錯(cuò)誤。
提能點(diǎn)(二)　硅的工業(yè)制法
(1)制取粗硅
工業(yè)上，用焦炭在電爐中還原SiO2得到含有少量雜質(zhì)的粗硅：SiO2＋2CSi＋2CO↑。
(2)粗硅提純
①Si＋2Cl2SiCl4，
②SiCl4＋2H2Si＋4HCl。
(3)注意問(wèn)題
①用焦炭還原SiO2，產(chǎn)物是CO而不是CO2。
②粗硅中含碳等雜質(zhì)，與Cl2反應(yīng)生成的SiCl4中也含CCl4等雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)分餾提純SiCl4后，再用H2還原，得到高純度硅。
[對(duì)點(diǎn)練]
2．(2019·南京一中月考)從石英砂制取高純硅的主要化學(xué)反應(yīng)如下：
①SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑
②Si(粗)＋2Cl2SiCl4
③SiCl4＋2H2Si(純)＋4HCl
關(guān)于上述反應(yīng)的敘述不正確的是(　　)
A．①③是置換反應(yīng)，②是化合反應(yīng)
B．高溫下，焦炭與氫氣的還原性均強(qiáng)于硅
C．任一反應(yīng)中，每消耗或生成28 g硅，均轉(zhuǎn)移4 mol電子
D．高溫下在爐子里將石英砂、焦炭、氯氣、氫氣按比例混合就能得到高純硅
解析：選D　在氧化還原反應(yīng)中，還原劑的還原性比還原產(chǎn)物的強(qiáng)，B正確；根據(jù)元素化合價(jià)的變化，每消耗或生成28 g (1 mol)硅，均轉(zhuǎn)移4 mol電子，C正確；題中的三個(gè)反應(yīng)是在三個(gè)不同反應(yīng)器中發(fā)生，D錯(cuò)誤。
[題點(diǎn)全練—過(guò)高考]
題點(diǎn)一　C、Si的性質(zhì)
1．下列關(guān)于C、Si兩種非金屬元素的說(shuō)法中，正確的是(　　)
A．兩者結(jié)合形成的化合物是共價(jià)化合物
B．在自然界中都能以游離態(tài)存在
C．氫化物的熱穩(wěn)定性比較：CH4SiH4，錯(cuò)誤；D項(xiàng)，SiO2不能與水反應(yīng)，錯(cuò)誤。
2．常溫下，下列不發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)是(　　)
①硅與NaOH溶液?、诠枧c鹽酸　③硅與氫氟酸
④二氧化硅與碳酸鈉?、荻趸枧cNaOH溶液
A．①②　　　B．③④　　　C．②⑤　　　D．②④
解析：選D?、僦邪l(fā)生反應(yīng)Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑；Si不與除氫氟酸外的其他酸反應(yīng)，②不反應(yīng)，③反應(yīng)；④中SiO2與Na2CO3反應(yīng)需要高溫，常溫下不反應(yīng)；⑤中發(fā)生反應(yīng)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。
題點(diǎn)二　Si的制取
3．硅單質(zhì)及其化合物應(yīng)用范圍很廣。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
(1)制備硅半導(dǎo)體材料必須先得到高純硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)還原法是當(dāng)前制備高純硅的主要方法，生產(chǎn)過(guò)程示意圖如下：

①寫(xiě)出由純SiHCl3制備高純硅的化學(xué)反應(yīng)方程式：______________________________。
②整個(gè)制備過(guò)程必須嚴(yán)格控制無(wú)水無(wú)氧。SiHCl3遇水劇烈反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì)，寫(xiě)出配平的化學(xué)反應(yīng)方程式：___________________________________________；
H2還原SiHCl3過(guò)程中若混有O2，可能引起的后果是_________________________。
(2)化學(xué)研究性學(xué)習(xí)小組在探究硅的制取方法時(shí)，從資料查閱到下列信息：
Ⅰ.Mg在高溫條件下可與SiO2反應(yīng)；
Ⅱ.金屬硅化物與稀H2SO4反應(yīng)生成硫酸鹽和SiH4；
Ⅲ.SiH4在空氣中自燃。
他們根據(jù)信息進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)用足量稀H2SO4溶解Ⅰ實(shí)驗(yàn)獲得的固體產(chǎn)物時(shí)，發(fā)現(xiàn)有爆鳴聲和火花；然后過(guò)濾、洗滌、干燥；最后稱(chēng)量、計(jì)算，測(cè)得其產(chǎn)率只有預(yù)期值的63%左右。
①Ⅰ實(shí)驗(yàn)發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是______________________________________。
②用稀H2SO4溶解Ⅰ實(shí)驗(yàn)獲得固體產(chǎn)物時(shí)，產(chǎn)生爆鳴聲和火花的原因是_____________________________________________________。
解析：在SiHCl3中，把硅考慮為＋4價(jià)，則氫為－1價(jià)，氯為－1價(jià)，SiHCl3水解時(shí)，－1價(jià)氫還原水中＋1價(jià)的氫，生成氫氣。
答案：(1)①SiHCl3＋H2Si＋3HCl
②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl　高溫下，H2遇O2發(fā)生爆炸
(2)①2Mg＋SiO22MgO＋Si、2Mg＋SiMg2Si
②Mg2Si與稀硫酸反應(yīng)生成的SiH4可自燃，即發(fā)生反應(yīng)Mg2Si＋2H2SO4===2MgSO4＋SiH4↑，SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O
碳、硅的氧化物　


[教材基礎(chǔ)—自熱身]
1．結(jié)構(gòu)
SiO2是空間網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，不存在單個(gè)分子；CO2中存在單個(gè)CO2分子。
2．物理性質(zhì)
(1)熔、沸點(diǎn)：SiO2的熔、沸點(diǎn)比CO2的熔、沸點(diǎn)高。
(2)溶解性：CO2可溶于水，SiO2不溶于水。
3．化學(xué)性質(zhì)


二氧化硅
二氧化碳
與水反應(yīng)
不反應(yīng)
CO2＋H2OH2CO3
與酸反應(yīng)
只與氫氟酸反應(yīng)：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
不反應(yīng)
與堿(NaOH)溶液反應(yīng)
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(盛堿液的試劑瓶用橡膠塞)
CO2少量：CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O
CO2足量：CO2＋NaOH===NaHCO3
與鹽反應(yīng)
如與Na2CO3反應(yīng)：
SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑
如與Ca(ClO)2反應(yīng)：
Ca(ClO)2＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO
與堿性氧化物反應(yīng)
如與CaO反應(yīng)：
SiO2＋CaOCaSiO3
如與Na2O反應(yīng)：
CO2＋Na2O===Na2CO3
主要用途
作光導(dǎo)纖維，制光學(xué)儀器、電子部件，水晶可制作飾品
制飲料、碳酸鹽，干冰用作制冷劑，人工降雨

[知能深化—掃盲點(diǎn)]
提能點(diǎn)(一)　CO2與堿反應(yīng)產(chǎn)物的定量判斷
CO2通入NaOH、Ca(OH)2等強(qiáng)堿溶液的反應(yīng)與CO2氣體的通入量有關(guān)，當(dāng)CO2通入少量時(shí)生成碳酸鹽，當(dāng)CO2通入過(guò)量時(shí)生成碳酸氫鹽；當(dāng)CO2的通入量介于兩者之間時(shí)，既有正鹽又有酸式鹽生成，因此推斷時(shí)一定要注意CO2與堿之間量的關(guān)系。
以CO2與NaOH溶液反應(yīng)為例：
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O
CO2＋NaOH===NaHCO3
當(dāng)n(OH－)∶n(CO2)的值不同時(shí)產(chǎn)物如下：

[對(duì)點(diǎn)練]
1．標(biāo)準(zhǔn)狀況下，將3.36 L CO2氣體通入200 mL 1.00 mol·L－1 NaOH溶液中，充分反應(yīng)后溶液中c(CO)與c(HCO)的比值為(不考慮CO、HCO的水解)(　　)
A．1∶1　　　　B．1∶2　　　　C．2∶1　　　　D．1∶3
解析：選B　n(CO2)＝＝0.150 mol，n(NaOH)＝0.200 L×1.00 mol·L－1＝0.200 mol，＝＝，即1

英語(yǔ)朗讀寶
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