碳、硅单质及重要化合物的性质

碳、硅单质及重要化合物的性质

1．C、Si单质的存在形态、物理性质及用途

(1)自然界中碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素因有亲氧性，所以仅有化合态。碳单质主要有

金刚石、石墨、C

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等同素异形体，硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。

(2)单质的结构、物理性质与用途比较

碳硅

结构金刚石：空间网状结构

石墨：层状结构

晶体硅：与金刚石类似的空间网状

结构

物理性质金刚石熔点高、硬度大

石墨熔点高、质软，有滑腻感

晶体硅为灰黑色固体，有金属光

泽、硬度大、熔点高

用途金刚石用作切割刀具，石墨用作电

极、铅笔芯

晶体硅用作半导体材料、硅芯片和

硅太阳能电池

2.

碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。

3．二氧化碳和二氧化硅的比较

物质 二氧化硅

二氧化碳 结构 空间立体网状结构，不存在单个分子

存在单个CO 2分子 主要物 理性质 硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水

熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水

化 学 性 质

①与水 反应 不反应

CO 2＋H 2O

H 2CO 3

②与酸 反应

只与氢氟酸反应：

SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O 不反应

③与碱 反应

SiO 2＋2NaOH===Na 2SiO 3＋H 2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)

CO 2少量：CO 2＋

2NaOH===Na 2CO 3＋H 2O 、 CO 2过量：CO 2＋ NaOH===NaHCO 3

④与盐 反应 如与Na 2CO 3反应：SiO 2＋Na 2CO 3=====高温

Na 2SiO 3＋CO 2↑

如与Na 2SiO 3反应：Na 2SiO 3＋

H 2O ＋CO 2(不足)===H 2SiO 3↓＋Na 2CO 3或Na 2SiO 3＋2H 2O ＋2CO 2(足量)===H 2SiO 3↓＋2NaHCO 3

⑤与碱 性氧化 物反应 如与CaO 反应：SiO 2＋ CaO=====高温

CaSiO 3

如与Na 2O 反应：Na 2O ＋ CO 2===Na 2CO 3

用途

光导纤维、光学仪器、电子部件

制饮料、制碳酸盐

4．(1)硅酸

硅酸不溶于水，其酸性比碳酸弱，硅酸不能(填“能”或“不能”)使紫色石蕊试液变红色。 ①硅酸不稳定，受热易分解：H 2SiO 3=====△

SiO 2＋H 2O 。

②硅酸能与碱溶液反应，如与NaOH 溶液反应的化学方程式为H 2SiO 3＋2NaOH===Na 2SiO 3＋2H 2O 。 ③硅酸在水中易聚合形成胶体。硅胶吸附水分能力强，常用作干燥剂。

(2)硅酸钠(Na2SiO3)

①白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。

②它能与酸性较硅酸强的酸反应，化学方程式分别为

与盐酸反应：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。

与CO2水溶液反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。

③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。

深度思考

1．从元素周期表的位置看，碳和硅均为ⅣA族元素，自然界中有碳的多种单质存在，自然界中有硅的单质吗？为什么？

答案没有，因为硅有很强的亲氧性，在地壳形成时硅与氧易结合，难分离，因而硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐形式存在。

2．写出除去下列气体中混有的杂质(括号内为杂质)可采取的方法：

(1)CO(CO2)：____________________________________________________________。

(2)CO2(CO)：____________________________________________________________。

(3)CO2(O2)：_____________________________________________________________。

(4)CO2(SO2)：____________________________________________________________。

(5)CO2(HCl)：___________________________________________________________。

答案(1)通过盛有浓NaOH溶液的洗气瓶(2)通过盛放灼热CuO的硬质玻璃管(3)通过盛放灼热铜网的硬质玻璃管(4)通过饱和NaHCO3溶液或酸性KMnO4溶液(5)通过饱和NaHCO3溶液

3．如何用所提供的试剂和方法除去各粉末状混合物中的杂质(括号内为杂质)。将所选答案的编号填入下表内相应的空格内(如果不需要外加试剂，则对应答案栏可空着)。

可供选择的试剂：A.盐酸B．氢氧化钠溶液C．氧气

D．水E．二氧化碳

可选用的操作：①水洗②加热③高温灼烧④过滤

⑤结晶

粉末状混合物选择的试剂选用的操作

(1) CaCO3(SiO2)

(2) NaCl(SiO2)

(3) SiO2(Fe2O3)

(4) SiO2(CaCO3)

(5) SiO2(NH4Cl)

答案(1)B④

解析可根据二氧化硅是不溶于水的酸性氧化物；它可跟强碱反应，不跟酸(氢氟酸除外)反应；它受热不分解等性质选择。而三氧化二铁、碳酸钙跟盐酸反应；硅酸、氯化铵能受热分解。通过一定操作，除去杂质。除杂过程中所发生反应的化学方程式如下：

(1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O

(3)Fe 2O 3＋6HCl===2FeCl 3＋3H 2O (4)CaCO 3＋2HCl===CaCl 2＋CO 2↑＋H 2O (5)NH 4Cl=====△

NH 3↑＋HCl ↑

题组一 CO 2、SiO 2结构与性质的考查

1．下列关于SiO 2和CO 2的说法中正确的是 ( )

A ．CO 2、SiO 2分别是碳酸和硅酸的酸酐

B ．CO 2和SiO 2与水反应分别生成相应的酸

C ．CO 2是酸性氧化物，SiO 2是两性氧化物

D ．CO 2和SiO 2都是由相应的分子组成的 答案 A

解析 SiO 2不能与水反应，B 项错；SiO 2也是酸性氧化物，C 项错；SiO 2中不存在分子，其化学式仅代表Si 、O 原子个数比为1∶2。 2．下列说法正确的是

( )

A ．反应：SiO 2＋Na 2CO 3=====高温

Na 2SiO 3＋CO 2↑，说明H 2SiO 3的酸性大于H 2CO 3的酸性 B ．可在试管内完成焦炭和石英砂(SiO 2)制取硅的反应 C ．二氧化硅是生产光导纤维、玻璃的基本原料 D ．CO 2、CH 4、N 2是温室气体 答案 C

解析 强酸制弱酸都是在溶液中进行的反应，而SiO 2与Na 2CO 3是高温下的反应，生成CO 2气体逸出，有利于反应的进行，A 项错；在高温下试管会熔化，甚至玻璃试管中的SiO 2会与焦炭反应，B 项错；N 2不是温室气体，D 项错。

规律方法

熟记硅及其化合物的特殊性质

1．硅单质的特殊性

(1)Si 的还原性大于C ，但C 却能在高温下还原出Si ：SiO 2＋2C=====高温

Si ＋2CO ↑；

(2)非金属单质跟碱液作用一般无H 2放出，但Si 与碱液作用却放出H 2：Si ＋2NaOH ＋H 2O===Na 2SiO 3＋2H 2↑；

(3)非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si 能与HF 作用：Si ＋4HF===SiF 4↑＋2H 2↑； (4)非金属单质大多为非导体，但Si 为半导体。 2．含硅化合物的特殊性

(1)SiO 2是H 2SiO 3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H 2SiO 3；

(2)酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO 2能跟HF 作用：SiO 2＋4HF===SiF 4↑＋2H 2O ；

(3)无机酸一般易溶于水，但H 2SiO 3难溶于水；

(4)因H 2CO 3的酸性大于H 2SiO 3，所以在Na 2SiO 3溶液中通入CO 2能发生下列反应：Na 2SiO 3＋CO 2＋H 2O===H 2SiO 3↓＋Na 2CO 3，但在高温下SiO 2＋Na 2CO 3=====高温

Na 2SiO 3＋CO 2↑也能发生。 题组二 CO 2与盐或碱溶液反应的规律

3．用四种溶液进行实验，下表中“操作及现象”与“溶液”对应关系错误的是

( )

答案 解析 由于Na 2CO 3的溶解度大于NaHCO 3，Na 2CO 3＋CO 2＋H 2O===2NaHCO 3，因而会析出NaHCO 3晶体，A 项正确；B 项，CO 2＋Na 2SiO 3＋H 2O===Na 2CO 3＋H 2SiO 3↓，CO 2＋Na 2CO 3＋H 2O===2NaHCO 3，H 2SiO 3与CO 2不反应，浑浊不会消失；C 项，CO 2＋Ca(ClO)2＋H 2O===CaCO 3↓＋2HClO ，溶液变浑浊后加入品红溶液，被HClO 氧化褪色；D 项，首先CO 2＋Ca(OH)2===CaCO 3↓＋H 2O ，继续通CO 2，生成可溶于水的Ca(HCO 3)2，再加入足量的NaOH ，则：2NaOH ＋Ca(HCO 3)2===CaCO 3↓＋Na 2CO 3＋2H 2O ，溶液又变浑浊。

4．标准状况下，将3.36 L CO 2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 2－

3)与c (HCO －

3)的比值为(不考虑CO 2－

3、HCO －

3的水解) ( )

A ．1∶1

B ．1∶2

C ．2∶1

D ．1∶3

答案 B

解析 n (CO 2)＝ 3.36 L 22.4 L·mol －1＝0.150 mol

n (NaOH)＝0.200 L ×1.00 mol·L －

1＝0.200 mol

n (NaOH )n (CO 2)＝0.2 mol 0.15 mol ＝43即1

n (CO 2)<2，反应产物为Na 2CO 3、NaHCO 3，设其物质的量分别为x 、y ，

则

????? 2x ＋y ＝0.2 mol x ＋y ＝0.15 mol 解得?????

x ＝0.05 mol y ＝0.10 mol

，所以n (CO 2－3)n (HCO －3)＝12。

思维建模

CO 2与碱反应产物的定量判断

CO2通入NaOH、Ca(OH)2等强碱溶液的反应与CO2气体的通入量有关，当CO2通入少量时生成碳酸盐，当CO2通入过量时生成碳酸氢盐；当CO2的通入量介于两者之间时，既有正盐又有酸式盐生成，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：

CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O

CO2＋NaOH===NaHCO3

当n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下：