碳硅与其化合物---讲义

1、碳族元素.课标要求通过实验了解硅及其化合物的主要性质，认识其在信息技术、材料科学等领域的应用。.考纲要求1.了解单质硅及其重要硅的化合物的主要性质及应用3.能综合应用硅及硅的化合物知识.教材精讲1.本考点知识结构2.碳族元素碳族元素的特征：碳族元素原子最外层电子数为4，既不容易失去电子，又不容易得到电子，易形成共价键，难形成离子键。碳族元素形成的单质在同周期中硬度最大，熔沸点最高(如金刚石、晶体硅)。碳族元素的化合价：碳族元素的主要化合价有+2，+4，其中铅+2价稳定，其余元素+4价稳定。碳族元素的递变规律：从上到下电子层数增多，原子半径增大，原子核对最外层电子的吸引能力减弱，失电子的能力增强，从上到下由非金属递变为金属的变化非常典型。其中碳是非金属，锡、铅是金属，硅、锗是半导体材料。碳族元素在自然界里的存在：自然界里碳有游离态和化合态两种；硅在地壳里无游离态，主要以含氧化合物的形式存在。几种同素异形体：碳：金刚石、石墨、C60、C70等；硅：晶体硅，无定形硅。3.碳在常温下碳很稳定，只在高温下能发生反应，通常表现为还原性。燃烧反应与某些氧化物的反应：CCO22CO；C2CuOCO22

2、Cu；CH2OCOH2O（CO、H2的混合气体叫水煤气）；2C+SiO2Si+2CO与氧化性酸反应：C2H2SO4（浓）CO22SO22H2O；C4HNO3（浓）CO24NO22H2O4.CO不溶于水，有毒(CO和血红蛋白结合，使血红蛋白无法和O2结合，而使细胞缺氧引起中毒)，但由于CO无色无味因此具有更大的危险性。可燃性还原性：CO+CuOCO2Cu，CO+H2O(g)CO2+H2O5.CO2直线型（OCO）非极性分子，无色能溶于水，密度大于空气，可倾倒，易液化。固态CO2俗称干冰，能升华，常用于人工降雨。实验室制法：CaCO32HClCaCl2CO2H2O。酸性氧化物一酸酐Ca(OH)2CO2CaCO3H2O(用于检验CO2)氧化性：CO2C2CO；2MgCO22MgOC6.碳酸盐溶解性：Ca(HCO3)2CaCO3；Na2CO3NaHCO3。热稳定性：Na2CO3CaCO3；碱金属正盐碱金属酸式盐: Na2CO3NaHCO3。相互转化：碳酸正盐碳酸酸式盐(除杂用) 7.硅硅在地壳中只有化合态，没有游离态。其含量在地壳中居第二，仅次于氧，是构成矿物和岩石的主要成分。晶体硅是灰黑色，

3、有金属光泽，硬而脆的固体，是半导体，具有较高的硬度和熔点。硅的化学性质不活泼，常温下，只能与氟气、氢氟酸及强碱溶液反应:Si+2F2SiF4、Si+4HFSiF4+2H2、Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2；在加热条件下，能与氧气、氯气等少数非金属单质化合：SiO2SiO2。制备：在电炉里用碳还原二氧化硅先制得粗硅：SiO22CSi2CO，将制得的粗硅，再与C12反应后，蒸馏出SiCl4，然后用H2还原SiCl4可得到纯硅。有关的反应为：Si十2C12SiCl4、 SiCl4+2H2Si+4HCl。硅在高新技术中的应用：高纯硅可作半导体材料，晶体硅还可做光电转换材料及制作DNA芯片为代表的生物工程芯片。 8.SiO2SiO2为原子晶体，是一种坚硬难熔的固体，硬度、熔点都很高。而CO2通常状况下是气体，固体熔点很低。其差别在于晶体类型不同。CO2是分子晶体，故熔点很低。二氧化硅的化学性质很稳定，不能跟酸(氢氟酸除外)发生反应。由于它是一种酸性氧化物，所以能跟碱性氧化物或强碱反应。SiO2+CaOCaSiO3、SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O(碱溶液不能在使用磨口玻璃

4、塞的试剂瓶中)二氧化硅是一种特殊的酸性氧化物。a酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但二氧化硅却不能直接跟水化合，它的对应水化物(硅酸)只能用相应的可溶性硅酸盐跟盐酸作用制得：首先让SiO2和NaOH（或Na2CO3）在熔化条件下反应生成相应的硅酸钠：SiO22NaOHNa2SiO3H2O，SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2，然后用酸与硅酸钠作用制得硅酸：Na2SiO3+2HCl =H2SiO3+2NaCl。b酸性氧化物一般不跟酸作用，但二氧化硅却能跟氢氟酸起反应：SiO2+4HFSiF4+2H2O(氢氟酸不能盛放在玻璃容器中)。光导纤维：从高纯度的SiO2或石英玻璃熔融体中，拉出的直径约100m的细丝，称为石英玻璃纤维，这种纤维称为光导纤维。光纤通信是一种新技术，它将光信号在光导纤维中进行全反射传播，取代了电信号在铜线中的传播，达到两地通信的目的。光纤通信优点：信息传输量大，每根光缆可同时通过10亿路电话；原料来源广；质量轻，每千米27克；不怕腐蚀，铺设方便；抗电磁干扰，保密性好。石英、水晶及其压电效应石英的主要成分是SiO2,可用来制造石英玻璃。石英晶体中有时含有其他元素的化

5、合物,它们以溶解状态存在于石英中,呈各种颜色。纯净的SiO2晶体叫做水晶,它是六方柱状的透明晶体,是较贵重的宝石。水晶或石英在受压时能产生一定的电场,这种现象被称为“压电效应”。后来这种“压电效应”被应用在电子工业及钟表工业和超声技术上。9硅酸和硅胶硅酸：硅酸有多种形式，如H4SiO4、H2SiO3、H2Si2O5等。一般用通式xSiO2yH2O表示，由于“H2SiO3”分子式最简单，习惯采用H2SiO3作为硅酸的代表。硅酸酸性比碳酸还弱，由下列反应可证明：Na2SiO3+CO2+H2OH2SiO3+Na2CO3硅胶：刚制得的硅酸是单个小分子，能溶于水，在存放过程中，它会逐渐失水聚合，形成各种多硅酸，接着就形成不溶于水，但又暂不从水中沉淀出来的“硅溶胶”。如果向硅溶胶中加入电解质，则它会失水转为“硅凝胶”。把硅凝胶烘干可得到“硅胶”。烘干的硅胶是一种多孔性物质，具有良好的吸水性。而且吸水后还能烘干重复使用，所以在实验室中常把硅胶作为作为干燥剂。10.硅及其化合物的“反常”Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO22CSi2CO非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si却放

6、出H2：Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si+4HFSiF4+2H2非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备H2SiO3。酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2+4HFSiF4+2H2O无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水。因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通人CO2能发生下列反应：Na2SiO3+CO2+H2OH2SiO3+Na2CO3，但在高温下SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2也能发生。Na2SiO3的水溶液称水玻璃，但它与玻璃的成分大不相同，硅酸钠水溶液(即水玻璃)称泡花碱，但它却是盐的溶液，并不是碱溶液。 11.硅酸盐硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，其结构复杂，组成可用氧化物的形式表示。例如：硅酸钠Na2SiO3(Na2OSiO2)；镁橄榄石Mg2SiO4(2MgOSiO2)；高岭石Al2(Si2O5)(OH)4(A12O32SiO22H2O)云母、滑石、石棉、高岭石等，它们都属

7、于天然的硅酸盐。人造硅酸盐：主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。硅酸盐制品性质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途。最简单硅酸盐是硅酸钠，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，可作粘合剂，防腐剂。12.水泥、玻璃、陶瓷普通水泥的主要成分是硅酸三钙（3CaOSiO2）、硅酸二钙（2CaOSiO2）和铝酸三钙（3CaOAl2O3），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纯碱、石灰石和石英，主要反应是：SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2、SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2，玻璃是无固定熔点的混合物。加入氧化钴后的玻璃呈蓝色，加入氧化亚铜后的玻璃呈红色，普通玻璃一般呈淡绿色，这是因为原料中混有二价铁的缘故。制造陶瓷的主要原料是黏土，黏土的主要成分：Al2O32SiO22H2O。13.无机非金属材料无机非金属材料包含除传统陶瓷外的各种性能优异的精细陶瓷：耐高温的二氧化锆（ZrO2）陶瓷、高熔点的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷；透明的氧化铝、砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化镁（Mg

8、F2）、氟化钙（CaF2）等氧化物或非氧化物陶瓷；生物陶瓷；超细微粉体粒子制造的纳米陶瓷等。.典型例题例1、（06全国理综)在呼吸面具和潜水艇中可用过氧化钠作为供氧剂。请选用适当的化学试剂和实验用品，用图中的实验装置进行实验，证明过氧化钠可作供氧剂。A是制取C02的装置。写出A中发生反应的化学方程式：_。仪器加入试剂加入该试剂的目的B饱和NaHC03溶液CD填写表中空格： 写出过氧化钠与二氧化碳反应的化学方程式：_。 试管F中收集满气体后，下一步实验操作是：_。【解析】命题意图就是验证过氧化钠与水或二氧化碳的反应及对供氧剂信息的理解认识。实验仪器中的A是二氧化碳发生装置，B、D是除杂装置，C是反应装置，E是收集装置。本实验可能存在的杂质气体有：制取二氧化碳的是HCl和水，但由于过氧化钠与二氧化碳和水都能反应产生氧气，故水不必除去。答案： CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2 B 饱和NaHCO3 除CO2中的HCl C Na2O2粉末 反应物D NaOH溶液 除去未反应的CO2 2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2 把E中的导管移出水面，关闭分液漏斗活塞，用姆指堵住

9、试管口，取出试管，立即把带火星的木条伸入试管口内，木条复燃，证明试管中收集的气体是氧气。【点评】本题涉及CO2实验室制法，实验室用碳酸钙和盐酸反应指取CO2所得气体中，由于盐酸具有挥发性，所制备气体中含有氯化氢气体和水蒸汽，氯化氢气体也会与过氧化钠反应，因此需要用饱和碳酸钠溶液进行洗气，以除去HCl气体，水蒸汽和CO2气体都会与过氧化钠反应生成氧气，所以不必除去水蒸汽，紧接着，让含有少量水蒸汽的CO2气体通过过氧化钠（过氧化钠是粉末状物质，为了防止被气体吃入导气管，最好是用石棉绒包住过氧化钠）进行反应，然后用氢氧化钠除去位反应的CO2，最后用排水法收集氧气，进行检验。不难看出题目涉及知识点都来自课本中的主干知识，要求学生一定要重视课本。例2、我国科学家合成出世界上最细的碳纳米管，直径仅有0.5nm，它的直径与C36分子直径相当，十分接近0.4nm理论极限值，这项成果获取2002年度国家自然科学二等奖。已知C36是由正五边形和正六边形构成的足球状分子，在多面体中，棱边数=顶点数+面数2。根据以上信息，下列有关推断不正确的是（ ）A碳纳米管与金刚石互为同素异形体 B碳纳米管属于高分子化合物C每个C36分子中有1

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