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碳族元素 无机非金属材料 【知识网络】 本章知识难度并不大，但本部分知识的特点是密切联系生产和生活实际，认识到化学对工农业生产的重要性。 学习目标 1. 了解碳族元素的性质及其递变规律。 2. 了解硅和二氧化硅的化学性质 3. 大致了解硅酸盐工业及一些产品 4. 进一步认识硅酸盐工业与生产、生活实际的联系 5. 了解无机非金属材料的分类，新型无机非金属材料与传统无机非金属材料的特点 6. 了解高温结构陶瓷和光导纤维的特点及用途 学习体系 1. 碳族元素的结构及其性质的相似性和递变性。 2. 硅和二氧化硅的性质 3. 无机非金属材料 4. 碳及其化合物的相互转化关系 C CO2 CaCO3 Ca（HCO3）2 CO H2CO3 Na2CO3 NaHCO3 5. 硅及其化合物的相互转化关系 CaSiO3 SiF4 Si SiO2 H2SiO3 SiCl4 Na2SiO3 学习提要 1. 碳族元素 （1） 碳族元素在周期表中的位置碳族元素包括碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）五种元素，位于周期表的ⅣA族，处于容易得到电子的主族和容易失去电子的主族之间，这就决定了碳族元素得到电子、失去电子的能力都较弱，易形成共价化合物。 （2） 碳族元素的原子结构与性质碳族元素最外层都有四个电子，常见化合价为2、4价，碳、硅、锗的4价化合物稳定，而铅的4价很不稳定，2价较稳定。 （3） 碳族元素的物理性质和化学性质递变规律随着核电荷数的递增，碳族元素的电子层数递增，原子半径依次增大，核对电子的吸引逐渐减弱。因此得到电子的能力逐渐减弱，失去电子的能力逐渐增强，金属性递增，非金属性递减。例如，碳是非金属；硅是非金属，但外观象金属，是重要的半导体；锗也是半导体材料，但金属性比非金属性强；锡和铅都是金属。 2. 碳的同素异形体 碳有金刚石、石墨、C60（一种分子）等多种同素异形体，它们的物理性质差异很大。这是由于单质中碳原子的相互结合的方式不同，但是它们的化学性质相同。 3. 硅 （1） 含量和存在硅在地壳中的含量仅次于氧，居第二位。自然界中只有化合态的硅，一般以二氧化硅或硅酸盐的形式存在。 （2） 物理性质灰黑色具有金属光泽的单质、熔沸点高，是重要的半导体材料。 （3） 化学性质不活泼，常温下只能和F2、HF和强碱溶液反应。如 Si O2SiO2 Si 2F2SiF4Si2H2高温SiH4 （4） 工业制法SiO2 2C高温 Si 2CO （5） 用途①重要的半导体材料；②制合金含硅4的硅钢具有导磁性，含硅15的硅钢具有良好的耐酸性。 4. 二氧化硅 （1） 存在硅石、石英（不纯）、水晶（较纯）、硅藻土（无定形）等。 （2） 物理性质纯净的SiO2是无色晶体，难溶于水，硬度大，熔沸点高。 （3） 化学性质化学性质稳定。与水、酸等（HF除外）不反应。但具有酸性氧化物的性质。 CaOSiO2CaSiO3 SiO22NaOHNa2SiO3H2OSiO24HFSiF4 2H2O（特性，HF能腐蚀玻璃 （4） 用途①制光导纤维，②制石英玻璃等，③工艺品。 5. 硅酸、硅酸盐 （1） 硅酸不溶于水，极弱的酸，其酸性比碳酸还要弱。 （2） 硅酸钠Na2SiO3CO2H2ONa2CO3H2SiO3（H2SiO3酸性比H2CO3还要弱） （3） 组成表示方法常用氧化物的形式来表示硅酸盐组成。改写注意点是元素的种类和数目不变；元素化合价不变。例如高岭土Al2（Si2O5）（OH）4Al2O32SiO22H2O 6. 无机非金属材料 （1） 分类传统无机非金属材料如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。 新型非金属材料如高温结构陶瓷、光导纤维等。 （2） 硅酸盐材料 硅酸盐产品 水泥 玻璃 陶瓷 主要设备 水泥回转炉 玻璃熔炉 原料 石灰石、黏土 纯碱、石灰石、石英 黏土 反应原理 复杂的化学物理变化 Na2CO3SiO2Na2SiO3CO2↑ CaCO3SiO2CaSiO3CO2↑ 复杂的化学、物理变化 主要成分 2CaOSiO2 3CaOSiO2 3CaOAl2O3 Na2SiO3、CaSiO3、SiO2 － 种类 不同标号 普通玻璃、石英玻璃、钢化玻璃等 土器、陶器、炻器、瓷器等 （3） 新型无机非金属材料特性与用途 特性 用途 耐高温 制气轮机叶片、轴承、永久性模具等 具有电学特性 作半导体、导体、超导体等 具有光学特性 用于医疗、信息处理、通讯等 具有生物特性 用于人造牙齿、人造骨骼等 几种重要新型无机材料特性及用途 品种 主要用途 氧化铝陶瓷（人造刚玉） 高级耐火材料、高压钠灯灯管 氮化硅陶瓷 制造轴承、气轮机叶片、陶瓷发动机等 光导纤维 通讯材料，医疗、信息处理等 【精问巧解】 例1 .在元素周期表中，下列有关碳族元素的递变规律正确的是 （ ） A.自上而下，元素的金属性逐渐增强 B.自上而下，元素的非金属性逐渐增强 C.自上而下，元素的单质颜色逐渐变浅 D自上而下，元素的单质熔点逐渐升高 解析该题考查碳族元素物理性质和化学性质的递变规律。随着电子层数和核电荷数的增加，碳族元素的一些重要物理性质和化学性质都发生规律性的变化。在元素周期表中，由上到下，碳族元素由非金属过渡到金属元素十分明显，因此元素的非金属性逐渐降低，金属性逐渐增强。碳族元素单质的颜色依次为碳（灰黑色或无色），硅（灰黑色），锗（银灰色），锡（银白色），铅（蓝白色），元素单质颜色并非逐渐变浅。碳族元素单质的熔沸点中碳元素最高，铅单质最低。 答案为A。 例2.写出以SiO2为原料制备H2SiO3的化学反应方程式 解析 该题考查的是硅的重要化合物硅酸和二氧化硅的性质。特别要注意的是，并不是所有的酸性氧化物都能和水直接化合生成酸，二氧化硅和水不反应。因此要有二氧化硅制备硅酸，需要另外的方法。同学们可以考虑，制备酸除了酸性氧化物和水这一途径外，还有另一常见的方法是强酸制弱酸。 答案SiO22NaOHNa2SiO3H2O，Na2SiO32HCl2NaClH2SiO3↓，或 Na2SiO3CO2H2ONa2CO3H2SiO3↓。 例3.水泥的主要成分是Ca2SiOx、Ca3SiOy、Ca3Al2Oz，则x、y、z的数值分别是多少若用氧化物表示其组成，则化学式如何表示 解析该题是一个连带型的问题。只有确定了x、y、z的数值，才可能得到最后的正确结论。而由盐的形式改写成氧化物形式的过程，就需要运用转化的方法。 首先，根据化合物中元素化合价代数和为零的原则，确定x、y、z的值分别为x4，y5，z6。然后，将这些数据代入，写成盐的形式分别为Ca2SiO4、Ca3SiO5、Ca3Al2O6。根据原子个数守恒原则，通过转化得到氧化物形式分别为2CaOSiO2，3CaOSiO2，3CaOAl2O3。 要注意的是在氧化物的表示形式中，两种氧化物化学式中间的小黑点已将这两种氧化物分隔成独立的两部分，因此CaO前的系数并不包括后面的SiO2。 例4.在5g含有SiO2杂质的石灰石与200mL0.5mol/L的盐酸反应，所得气体在标况下体积为1064mL。 （1）中和剩余的盐酸，需要1mol/L的NaOH多少毫升 （2）煅烧1t这种不纯的碳酸钙，最后残留物质为多少吨 解析该题考查碳族元素化合物的化学性质。二氧化硅与碱液能反应，与酸一般不反应。 （1）据题中所给数据，产生CO2体积为1064mL，即0.0475mol。 根据化学方程式CaCO3 2HCl CaCl2H2OCO2↑ 1mol 2mol 1mol 0.0475mol 0.095mol 0.0475mol 可得剩余的盐酸物质的量为0.2mL0.5mol/L－0.095mol0.005mol。 故据Vn/V，可求出需要1mol/LNaOH溶液体积为5mL。 （2）在以上计算中可知，上述石灰石中，m（CaCO3）0.0475mol100g/mol4.75g，m（SiO2）5g－4.75g0.25g，CaCO395。煅烧该种石灰石1t，则有 高温 高温 CaCO3SiO2 CaSiO3CO2↑， 由题意CaCO3过量，则又会发生 CaCO3 CaOCO2↑ 可得到关系式 CaCO3──→ CO2 100 44 1t0.95 0.44t0.950.418t 原来质量减去放出的CO2的质量即残留物质的质量，答案为1t－0.418t0.582t。 注意本题有常见的错误如下 未考虑杂质SiO2 高温 CaCO3 CaOCO2↑ 100 56 1t0.95 0.560.95t0.532t 应该再加上原SiO2的质量1t0.050.05t，残留物质总质量为0.582t。 【思路点拨】 本章内容由三部分组成，即碳族元素、硅酸盐工业和新型无机非金属材料。这一章所涉及到的元素周期表中的IVA族。从周期表横向看，该族元素处于从活泼金属向活泼非金属过渡的中间位置；从元素周期表的纵向看，它又体现了由非金属向金属递变的过程。因此，在学习本章的过程中能否更好地运用结构理论和元素周期表知识指导学习，是学好这一章的关键。 此外我们还要善于运用知识点对比的方法，这里包括结构对比、性质对比（如SiO2和CO2）等；善于运用元素周期表进行知识间的迁移，包括同向知识的迁移和异向知识的迁移（如由碳的性质去认识硅的性质）等。 本章另外的最大特点是联系科技实际，一定要重视化学理论联系社会、生产和科技，如光导材料与计算机技术；光导纤维与通讯等。 A卷 【分级训练】 一、选择题（每小题只有一个选项符合题意） 1.对于碳族元素，下列说法中不正确的是（ ） A.锗、硅元素的单质都是半导体材料B.CH4、SiH4、GeH4的稳定性依次减弱 C.除铅外，碳族元素均以4价化合物较为稳定D.只能形成共价化合物，不能形成离子化合物 2.自然界中没有游离态存在的元素是（ ） A.碳 B.硅 C.硫 D.氮 3.在一定条件下，下列物质不能与SiO2反应的是（ ） A.纯碱 B.苛性钠 C.氢氟酸 D.水 4.下列能证明金刚石和石墨为同素异形体的正确解释是（ ） A.两者在一定条件下可以相互转化B.两者有相同的晶体结构 C.两者几乎有相同的熔点D.两者性质差异很大 5.最近科学家制得一种新的分子，它具有空心的类似足球状结构，化学式为C60。下列说法中正确的是（ ） A.C60是一新型的化合物 B.C60和石墨都是碳的同素异形体 C.C60中含有离子键 D.C60的相对分子质量为720g 6.工业上制取金刚砂的化学方程式如下SiO23CSiC2CO，在这个反应中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为（ ） A.12 B.21 C.53 D.35 7.下列物质不属于硅酸盐的是（ ） A.粘土 B.硅藻土 C.高岭土 D.Mg2SiO4 8.工业制普通硅酸盐水泥时，需要用到的原料是（ ） A.纯碱 B.石英 C.水玻璃 D.石灰石 9.与普通玻璃的成分相同的是（ ） A.钢化玻璃 B.有色玻璃C.光学玻璃 D.石英玻璃 10.下列物质的浓溶液能用磨口玻璃瓶盛放的是（ ） A.浓硫酸 B.纯碱溶液 C.苛性钠溶液 D.氢氟酸 11.下列属于新型无机非金属材料的是 （ ） A.高强度水泥 B.钢化玻璃 C.“唐三彩”陶瓷 D.光导纤维 12 为了证明炭与浓H2SO4共热生成SO2和CO2，可使混合气体依次通过下列溶液，请说明每一步的实验目的和实验现象 （1）品红溶液 ， 。 （2）酸性KMnO4溶液 ， 。 （3）品红溶液 ， 。 （4）石灰水 ， 。 13把下列式子改写成氧化物的形式 （1）正长石KAlSi3O8 ； （2）石棉CaMg3SiO12 ； （3）蛇纹石H4Mg3Si2O9 ； （4）钙沸石CaAl2Si3O103H2O 。 14我国有“秦砖汉瓦”之说，可见我国早在秦汉时期就掌握了烧制砖瓦等建筑材料的技术。制砖瓦的原料是 ，砖瓦在陶瓷分类上属于 ；制瓷器的原料是 ，烧制瓷器的温度比制陶器的温度 。 15.二氧化硅、氯水、NaOH溶液3种物质在实验室应选择合适的试剂瓶盛放。请在下列试剂瓶后面的横线上，填上所装的试剂橡胶塞细口瓶 ，广口瓶 棕色玻璃塞细口瓶 。 B卷 1.近年来，科学家在氦气体环境中给石墨电极通电，石墨挥发，在其挥发的黑烟里发现了C60（足球烯），它的金属渗入物具有良好的超导性质，北京大学首先将C60渗锡，获得超导转变温度为37K的好成绩，这种C60是 元素的一种 ，与金刚石、石墨互为 ，其摩尔质量是 。 2.用又图装置可以将二氧化碳和一氧化碳分离和干燥。已知a为止水夹，b为分液漏斗的活塞。 甲 乙 （1）甲瓶中可装 溶液，乙瓶应装 溶液，分液漏斗中最好装 溶液。 （2）当混合气体通入时，应先分离出 气体，操作是关闭 ，打开 （填a或b）；后再得到 气体，操作是关闭 ，打开 ，写出两步操作的化学原理（化学方程式表示） 。 3.已知Si2NaOHH2ONa2SiO32H2↑，现有一硅钢片（只含Fe、Si）将其投入足量的稀盐酸或足量的NaOH溶液中，放出的气体质量相同，求硅钢片中硅的质量分数 6