专题4.1 碳、硅及其无机非金属材料
1.了解C、Si元素单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。 2.了解C、Si元素单质及其重要化合物对环境的影响。
知识点一 碳及其重要化合物 1．碳单质
(1)结构、存在形态、物理性质和用途
存在形态 结构 石墨：层状结构 同素异形体 物理性质 石墨：硬度小、电的良导体、有滑腻感 用途 (2)主要化学性质——还原性
可燃性 点燃点燃2C＋O2(不足)=====2CO、C＋O2(足量)=====CO2 △CuO：2CuO＋C=====2Cu＋CO2↑(冶炼金属) 与氧化 物反应 高温SiO2：SiO2＋2C=====Si＋2CO↑(制取粗硅) 高温H2O：C＋H2O(g)=====CO＋H2(制取水煤气) 与强氧化 性酸反应 2．一氧化碳(CO) (1)物理性质
无色气体，有毒，难溶于水。 (2)化学性质——还原性
△浓H2SO4：C＋2H2SO4(浓)=====CO2↑＋2SO2↑＋2H2O △浓HNO3：C＋4HNO3(浓)=====CO2↑＋4NO2↑＋2H2O 金刚石用作切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯、高温润滑剂 金刚石、石墨、C60、C70 金刚石：熔点高、硬度大； 游离态和化合态 金刚石：空间网状结构； 1
点燃
①燃烧：2CO＋O2=====2CO2，淡蓝色火焰； △
②还原CuO：CuO＋CO=====Cu＋CO2(冶炼金属)。 3．二氧化碳(CO2)
(1)物理性质：CO2是一种无色、无味的气体，能溶于水，固态CO2俗称干冰。 (2)化学性质：与H2O、Na2O、Ca(OH)2(足量、澄清)、Mg反应的方程式分别为CO2＋H2O点燃
＋CO2===Na2CO3、CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O 2Mg＋CO2=====2MgO＋C。
(3)CO2在自然界中的循环
①CO2的主要来源：大量含碳燃料的燃烧。 ②自然界消耗CO2的主要反应： a．溶于江水、海水中：CO2＋H2Ob．光合作用将CO2转化为O2；
c．岩石的风化：CaCO3＋H2O＋CO2===Ca(HCO3)2。 (4)CO、CO2气体的除杂方法
CO中混有CO2 CO2中混有CO CO2中混有少量SO2或HCl 气体 ①澄清石灰水只用于检验CO2，不能用于除去混合气体中的CO2，应用NaOH溶液除去； ②CO2、SO2通入CaCl2或BaCl2溶液均无沉淀产生 4．碳酸(H2CO3)
弱酸、不稳定。碳酸(H2CO3)只能在水中存在。H2CO3在水中与CO2共存，因此常把CO2＋H2O当碳酸用。 5．碳酸的酸式盐和正盐的比较 (1)在水中的溶解性
①含K、Na、NH4的正盐易溶于水，其余一般不溶于水；酸式盐均能溶于水。
②一般来说，在相同温度下，难溶性正盐溶解度小于其酸式盐溶解度，如溶解度：Ca(HCO3)2>CaCO3；可溶性正盐溶解度大于其酸式盐溶解度，如溶解度：Na2CO3>NaHCO3。
(2)热稳定性
一般来说，热稳定性顺序为正盐>酸式盐>碳酸，如稳定性：Na2CO3>NaHCO3>H2CO3。可溶性正盐>难溶性正
2
＋
＋
＋
H2CO3、Na2O
H2CO3；
通过盛有NaOH溶液的洗气瓶，然后干燥气体 通过盛有灼热CuO的硬质试管 通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶，然后干燥
盐，如CaCO3高温分解，而K2CO3不易分解。
(3)水溶液酸碱性
物质的量浓度相同时，正盐溶液的pH大于其酸式盐溶液，如pH：Na2CO3溶液>NaHCO3溶液。 (4)与酸的反应
①CaCO3与盐酸反应的离子方程式： CaCO3＋2H===H2O＋CO2↑＋Ca。 ②Ca(HCO3)2与盐酸反应的离子方程式： HCO3＋H===H2O＋CO2↑。 (5)与碱的反应
①Na2CO3与Ca(OH)2反应的离子方程式： CO3＋Ca===CaCO3↓。
②NaHCO3与足量Ca(OH)2反应的离子方程式： HCO3＋Ca＋OH===CaCO3↓＋H2O。 Ca(OH)2与足量NaHCO3反应的离子方程式： Ca＋2OH＋2HCO3===CaCO3↓＋CO3＋2H2O。
【典例1】（湖南雅礼中学2019届模拟）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( )
选项 A B C D 再加入足量NaOH溶液，又变浑浊 【答案】B
【解析】A项，由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3，Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3，因而会析出NaHCO3
晶体，正确；B项，CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓，CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3，H2SiO3与CO2不反应，浑浊不会消失，错误；C项，CO2＋Ca(ClO)2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO，溶液变浑浊后加入品红溶液，被HClO氧化褪色，正确；D项，首先CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，继续通CO2，生成可溶于水的Ca(HCO3)2，再加入足量的NaOH，则：2NaOH＋Ca(HCO3)2===CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O，溶液又变浑浊，
3
2＋
－
－
2－
－
2＋
－
2－
2＋
－
＋＋
2＋
操作及现象 通入CO2，溶液变浑浊 通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失 通入CO2，溶液变浑浊，再加入品红溶液，红色褪去 通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失，溶液 饱和Na2CO3溶液 Na2SiO3溶液 Ca(ClO)2溶液 澄清石灰水
正确。
【方法技巧】CO2与盐溶液反应产物及现象的判断
一般从强酸制弱酸的角度去分析。由于碳酸比硅酸、次氯酸、苯酚、Al(OH)3(偏铝酸)的酸性强，能用CO2制取上述弱酸，常涉及的变化如下：
CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓ (或CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H4SiO4↓＋Na2CO3) CO2＋Ca(ClO)2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO CO2＋
CO2(过量)＋NaAlO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3 CO2(少量)＋2NaAlO2＋3H2O===2Al(OH)3↓＋Na2CO3
【变式】（河北石家庄二中2019届模拟）将足量的CO2不断通入KOH、Ba(OH)2、KAlO2的混合溶液中，生成沉淀的物质的量与所通入CO2的体积关系如图所示。下列关于整个反应过程中的叙述不正确的是( )
＋NaHCO3
A．Oa段反应的化学方程式是Ba(OH)2＋CO2===BaCO3↓＋H2O B．ab段与cd段所发生的反应相同 C．de段沉淀减少是由于BaCO3固体的消失
D．bc段反应的离子方程式是2AlO2＋3H2O＋CO2===2Al(OH)3↓＋CO3 【答案】B
【解析】CO2优先与Ba(OH)2反应(图像中Oa段)，然后与KOH反应(图像中ab段)，接着与KAlO2反应(图像中bc段)，再与K2CO3反应(图像中cd段)，最后与BaCO3反应(图像中de段)。
知识点二 硅 无机非金属材料 一、硅单质 1．存在
－
2－
4
硅单质主要有晶体和无定形两大类。 2．物理性质
带有金属光泽的灰黑色固体，熔点高，硬度大，有脆性。 3．化学性质
常温下与F2、HF、NaOH反应；加热时能与H2化合生成不稳定的氢化物SiH4，加热时还能与Cl2、O2
化合分别生成SiCl4、SiO2。涉及的化学方程式如下：
△
O：Si＋O=====SiO??
①与非金属单质反应?F：Si＋2F===SiF
△??Cl：Si＋2Cl=====SiCl
22
2
2
2
4
2
2
4
②与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。 ③与NaOH溶液反应：
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 (4)制备方法
高温
①制取粗硅：工业上，用焦炭在电炉中还原SiO2得到含有少量杂质的粗硅：SiO2＋2C=====Si＋2CO↑。
高温高温
②粗硅提纯：Si＋2Cl2=====SiCl4，SiCl4＋2H2=====Si＋4HCl。 【特别提醒】①用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。
②粗硅中含碳等杂质，与Cl2反应生成的SiCl4中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiCl4后，再用H2还原，得到高纯度硅。
(5)主要用途
①良好的半导体材料；②太阳能电池；③计算机芯片。 二、二氧化硅 1．存在
自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石。
2．结构
SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。每个硅原子与4个氧原子相连，而每个氧原子与2个硅原子
5
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