氢气物理性质：轻且易燃，你需知的几点

第1讲　碳、硅及无机非金属材料;1.了解C、Si元素单质及其重要化合物的主要性质及应用。2.了解C、Si元素单质及其重要化合物对环境质量的影响。3.以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用。;考点一：碳、硅单质及氧化物;考点一：电解质;(2)单质的结构、物理性质与用途比较;2.碳、硅单质的化学性质——还原性碳、硅的最外层都是 个电子，位于元素周期表的第族，不容易失也不容易得电子，通常化学性质稳定，但在一定条件下也能与许多物质发生化学反应，一般表现为还原性(如图)。;(1)碳的还原性碳有重要的用途，除了在氧气中燃烧利用其热能外，还能用于金属冶炼(如铜)、制取粗硅、生产水煤气等，完成上图转化关系中①～④的化学方程式。;(2)硅的化学性质不活泼，在常温下只能与氟气(F2)、 、反应，不能与氢气、氧气、氯气、???反应，加热时能与氧气、氯气反应。完成上图转化关系中⑥～⑧的化学方程式。;3.二氧化硅和二氧化碳的比较;化学性质;化学性质;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的形式存在。;2.从元素周期表的位置看，硅的还原性比碳强，但碳能与SiO2反应制取Si，试从化学平衡的角度认识该反应发生的原因。;3.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)：_________________________________。;4.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;解析：可根据二氧化硅是不溶于水的酸性氧化物，可与强碱反应，不与酸(氢氟酸除外)反应；受热不分解等性质选择。而三氧化二铁、碳酸钙与盐酸反应；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)Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O；(4)CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O；;考点一：物质的组成;2.下列叙述正确的是(　　)A.利用高纯硅可以制成光电池，将光能直接转化为电能B.CO、CO2均易与血红蛋白结合而中毒C.SiO2可用于制造光导纤维和半导体D.SiO2和H2O反应可直接制备H2SiO3;3.二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。a～e是对①～⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行判断，其中正确的是(　　)①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O②SiO2＋2CSi＋2CO↑③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O④Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑⑤SiO2＋3CSiC＋2CO↑;a.反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃b.反应②中SiO2表现出氧化性c.反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性d.反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理e.反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应A.aceB.bdeC.cdeD.ab;解析：通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是③，因此a、c判断错误；反应②是一个置换反应，其中二氧化硅被还原，表现出氧化性，b判断正确；反应④是一个复分解反应，用难挥发的二氧化硅制取易挥发的二氧化碳，d判断正确；反应⑤中碳的化合价由0价变为－4和＋2，硅的化合价和氧的化合价都没有改变，因此二氧化硅没有参加氧化还原反应，e判断也正确。答案：B;题组二　CO2与盐或碱溶液反应的规律4.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(　　);解析：由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3的溶解度，Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3，因而会析出NaHCO3晶体，A项正确；B项，CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓，CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3，H2SiO3与CO2不反应，浑浊不会消失；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；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。答案：B;5.标准状况下，将3.36 L CO2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 )与c(HCO )的比值为(不考虑CO 、HCO 的水解)(　　)A.1∶1B.1∶2C.2∶1D.1∶3;反应产物为Na2CO3、NaHCO3，设其物质的量分别为x、y，则;1.熟记硅及其化合物的特殊性质(1)硅单质的特殊性①Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑；②非金属单质一般不跟非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；③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①SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3；②酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2能跟HF反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O；③无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水；④因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入少量CO2能发生下列反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑也能发生。;2.CO2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＋H2OCO2＋NaOH===NaHCO3;当n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下：;考点二：硅酸盐及无机非金属材料;考点一：电解质;(2)硅酸钠(Na2SiO3)①白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称，有黏性，水溶液显碱性。②它能与酸性比硅酸强的酸反应，分别写出以下化学方程式：与盐酸反应：。与CO2水溶液反应：。③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。;2.无机非金属材料(1)传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。①常见硅酸盐材料比较;考点一：物质的组成;解析:水玻璃是Na2SiO3的水溶液，可用作防火剂和防腐剂，①正确；沙子不是硅酸盐制品，②不正确；光导纤维的主要成分是SiO2，③不正确。答案:C;2.硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是(　　)A.氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为Si3N4B.碳化硅(SiC)的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承C.光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为SiO2D.二氧化硅为立体网状结构，其晶体中硅原子和硅氧单键个数之比为1∶2解析：A项，在氮化硅中N元素为－3价，Si元素为＋4价，则化学式为Si3N4，正确；D项，在SiO2晶体中，一个硅原子与周围4个氧原子形成4个硅氧单键，错误。;题组二　复杂硅酸盐的成分及性质3.青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸溶液处理时，还原产物只有NO。下列说法不正确的是(　　)A.青石棉是一种硅酸盐材料B.青石棉中含有一定量的石英晶体C.青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2OD.1 mol青石棉能使1 mol HNO3被还原;解析：硅酸盐指的是硅、氧与其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)结合而成的化合物的总称，故青石棉是一种硅酸盐产品；青石棉是一种纯净物，不可能含有一定量的石英晶体；1 mol Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O跟硝酸反应时，失去3 mol电子，故能使1 mol HNO3被还原。答案：B;4.硅与铝同周期。SiO2是硅酸盐玻璃(Na2CaSi6O14)的主要成分，Na2CaSi6O14也可写成Na2O·CaO·6SiO2。盛放NaOH溶液的试剂瓶若用玻璃瓶塞容易形成粘性的硅酸盐而无法打开，发生反应的化学方程式为______________________________。长石是铝硅酸盐，不同类长石其氧原子的物质的量分数相同。由钠长石化学式NaAlSi3O8可推知钙长石的化学式为____________。;题组三　化工生产中的硅及化合物的转化5.如图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程，下列说法正确的是(　　);解析：SiO2是酸性氧化物，它能与氢氟酸反应是其特殊性质，A错；在图示转化关系中只有第一行的变化是氧化还原反应，其余均为非氧化还原反应。答案：C;6.氮化硅可用作高温陶瓷复合材料，在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。由石英砂合成氮化硅粉末的路线如下图所示：;(2)图示①～⑤的变化中，属于氧化还原反应的是___________________________________________________________________________。(3)SiCl4在潮湿的空气中剧烈水解，产生白雾，军事工业中用于制造烟雾剂。SiCl4水解的化学反应方程式为___________________________________________________________________________________。(4)在反应⑤中，3 mol Si(NH2)4在高温下加热可得1 mol 氮化硅粉末和8 mol A气体，则氮化硅的化学式为________________。(5)在高温下将SiCl4在B和C两种气体的气氛中，也能反应生成氮化硅，B和C两种气体在一定条件下化合生成A。写出SiCl4与B和C两种气体反应的化学方程式_______________________________________________________________________________。;解析：石英砂不能与碱性物质共同存放的实质是SiO2与碱性物质可以发生反应。反应①是石英砂与焦炭发生氧化还原反应，反应②是硅单质与Cl2反应，也是氧化还原反应。SiCl4水解可以看作Si结合四个OH－生成H4SiO4，H4SiO4不稳定失水生成H2SiO3，Cl－结合H＋生成HCl。氮化硅的化学式可通过题目信息运用质量守恒求得。结合题给信息，SiCl4与N2、H2反应可得到Si3N4和HCl。;答案：(1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(2)①②(3)SiCl4＋3H2O===4HCl↑＋H2SiO3↓(4)Si3N4(5)3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl;;(2)各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。;探究高考　明确考向;1.高考选项正误判断，正确的划“√”，错误的划“×”(1)Si和SiO2都用于制造光导纤维(　　)(2)硅胶可用作食品干燥剂(　　)(3)SiO2既能与KOH溶液反应又能与浓盐酸反应(　　);(6)SiO2可与HF反应，因而氢氟酸不能保存在玻璃瓶中(　　)(7)高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅(　　)(8)硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中(　　)(9)水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂(　　);2.“碳捕捉技术”是指通过一定的方法将工业生产中产生的CO2分离出来并利用。如可利用NaOH溶液来“捕捉”CO2，其基本过程如下图所示(部分条件及物质未标出)。;解析：①，该方法中高温反应炉分离出CO2，需要消耗较多能量；②，整个过程中NaOH和CaO均可循环利用；③，从捕捉室中得到的溶液中含有大量的NaHCO3，加入CaO后生成CaCO3和NaOH，通过过滤的方法即可分离；④，捕捉到的CO2可与H2反应制备甲醇：CO2＋3H2CH3OH＋H2O。答案：D;3.晶体硅(熔点1 410 ℃)是良好的半导体材料。由粗硅制纯硅过程如下：;4.金刚石、SiC具有优良的耐磨、耐腐蚀特性，应用广泛。(1)碳与短周期元素Q的单质化合仅能生成两种常见气态化合物，其中一种化合物R为非极性分子，碳元素在周期表中的位置是_________________，Q是________，R的电子式为_____________。解析：C与Q形成两种气态化合物，说明是CO、CO2，其中CO2是非极性分子，碳元素位于第二周期第ⅣA族，根据CO2的结构式O==C==O写出其电子式。;(2)一定条件下，Na还原CCl4可制备金刚石，反应结束冷却至室温后，回收其中的CCl4的实验操作名称为______，除去粗产品中少量钠的试剂为___________。解析：CCl4室温下为液体，固液混合物用过滤方法分离，粗产品金刚石中混有少量的Na，可利用Na的化学性质将Na与水或乙醇反应，然后过滤除去。;(3)碳还原SiO2制SiC，其粗产品中杂质为Si和SiO2。现将20.0 g SiC粗产品加入到过量的NaOH溶液中充分反应，收集到0.1 mol氢气，过滤得SiC固体11.4 g，滤液稀释到1 L，生成氢气的离子方程式为_______________________________________________________________________，硅酸盐的物质的量浓度为______________。;2;练出高分;1;2.下列说法中，不正确的是(　　)A.SiO2是酸性氧化物，但不与水反应B.泡花碱属于盐类C.明矾和漂白粉均可用于自来水的杀菌、消毒D.玻璃和陶瓷都属于传统硅酸盐材料解析：Na2SiO3俗称泡花碱，B项正确；明矾只能净水不能消毒，C项错误。;3.有些科学家提出硅是“21世纪的能源”，这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。下列有关硅的说法中，不正确的是(　　)A.高纯度的硅广泛用于制作计算机芯片B.硅可由二氧化硅还原制得C.低温时，硅与水、空气和酸不反应，但能与氢氟酸反应D.自然界中硅的储量丰富，自然界中存在大量的单质硅解析：硅在自然界中全部以化合态形式存在。;4.化学家Seidel指出Si与NaOH溶液的反应，首先是Si与OH－反应，生成SiO ，然后SiO 迅速水解生成H4SiO4。下列有关说法正确的是(　　)A.原硅酸钠(Na4SiO4)能迅速水解，溶液呈碱性，故Na4SiO4为弱电解质B.石英玻璃、普通玻璃、陶瓷及水泥均属于硅酸盐产品C.2HCl＋Na2SiO3===H2SiO3↓＋2NaCl，说明Cl的非金属性强于SiD.半导体工业所说的“从沙滩到用户”是指将二氧化硅制成晶体硅;解析：原硅酸钠是强电解质，A项错误；石英玻璃的主要成分是SiO2，不属于硅酸盐产品，B项错误；盐酸不是Cl的最高价氧化物对应的水化物，无法通过盐酸与硅酸钠的反应比较Cl、Si的非金属性强弱，C项错误。答案：D;5.下列物质性质与用途对应关系正确的是(　　);解析：硅胶吸附水，与硅作半导体的材料无关，B错误；二氧化硅硬度大，与氢氟酸和玻璃反应无关，C错误；焦炭具有可燃性，与焦炭还原二氧化硅无关，D错误。答案：A;6.下列说法正确的是(　　)A.高温下，可在试管内完成焦炭和石英砂(SiO2)制取硅的反应B.CO2和钠在一定条件下反应可以得到金刚石和碳酸钠，反应中氧化剂和还原剂物质的量之比是3∶4C.现代海战通过喷放液体SiCl4(极易水解)和液氨可产生烟幕，其主要成分是NH4ClD.从燃煤烟道灰中(含GeO2)提取半导体材料单质锗(Ge)，不涉及氧化还原反应;解析：玻璃的主要成分SiO2在高温下也与C反应，A错误；C由＋4价到0价，化合价变化为4，Na由0价到＋1价，化合价变化为1，根据化合价升降值相等原则，CO2与Na物质的量之比为1∶4，B错误；SiCl4水解生成HCl和硅酸，HCl与氨气反应生成NH4Cl，C正确；由化合态到游离态，一定发生氧化还原反应，D错误。答案：C;7.下列有关硅及硅酸盐材料的说法正确的是(　　)A.硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中B.反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都能发生C.普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料D.祖母绿的主要成分为Be3Al2Si6O18，用氧化物形式???示为3BeO·Al2O3·6SiO2;解析：A项，硅酸钠溶液本身是一种粘合剂，易造成磨口玻璃塞与瓶口粘结；B项，两反应条件不同，反应①是在溶液中进行，强酸可以制弱酸，而高温条件下，CO2是气体，逸出反应体系，能促使反应发生；C项，石英玻璃的成分为SiO2，SiO2是氧化物不是盐；D项正确。答案：D;8.将足量CO2气体通入水玻璃(Na2SiO3溶液)中，然后加热蒸干，再在高温下充分灼烧，最后得到的固体物质是(　　)A.Na2SiO3B.Na2CO3、Na2SiO3C.Na2CO3、SiO2 D.SiO2;2;9.用足量的CO还原13.7 g某铅氧化物，把生成的CO2全部通入到过量的澄清石灰水中，得到的沉淀干燥后质量为8.0 g，则此铅氧化物的化学式是(　　)A.PbO B.Pb2O3 C.Pb3O4 D.PbO2;答案：C;10.将足量CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量(n)和通入CO2体积(V)的关系正确的是(　　);解析：CO2与KOH和Ca(OH)2都会反应，但存在着竞争，如果先与KOH反应，则反应后生成的K2CO3立即会与Ca(OH)2反应生成CaCO3，因此，可以看成CO2先与Ca(OH)2反应，所以通CO2后立即有CaCO3生成。第二步还要判断CO2是先跟KOH反应还是先与生成的CaCO3反应，同样可以采用假设法判断，即如果先与CaCO3反应，则生成的Ca(HCO3)2又会与KOH反应，因此是先与KOH反应，此过程生成沉淀的物质的量不变，当KOH反应完全，再与CaCO3反应，直至沉淀完全溶解，故选D。答案：D;11.已知二氧化铅在酸性条件下把Mn2＋氧化成MnO ，试判断二氧化铅与浓盐酸反应的化学方程式正确的是(　　)A.PbO2＋4HCl===PbCl4＋2H2OB.PbO2＋4HCl===PbCl2＋Cl2↑＋2H2OC.PbO2＋2HCl＋2H＋===PbCl2＋2H2OD.PbO2＋4HCl===PbCl2＋2OH－;12.甲、乙是两种常见的化合物，X、Y、Z是三种常见的单质。下表所列各组物质中，物质之间通过一步反应不能实现如图所示转化的是(　　);选项;解析：A项，X为C，Z为O2，碳与氧气可以发生不完全燃烧生成化合物乙CO，碳与水在高温的条件下可以反应生成CO和H2，氢气在氧气中燃烧生成水，可以一步实现；B项，X为Zn，Z为Cl2，锌与氯气可以一步反应生成化合物乙ZnCl2；Y为Fe，铁与氯气可以一步反应生成化合物甲FeCl3；锌与氯化铁不能一步反应生成化合物乙(ZnCl2)与单质Y(Fe)，二者反应首先生成ZnCl2和FeCl2，然后锌再与FeCl2反应置换出铁，不可以一步实现；C项，X为Mg，Z为O2，镁与氧气可以一步反应生成化合物乙MgO；Y为C，碳与氧气可以一步反应生成化合物甲CO2；镁与二氧化碳可以一步反应生成化合物乙(MgO)与单质Y(C)，可以一步实现；;D项，X为H2，Z为Cl2，氢气与氯气可以一步反应生成化合物乙HCl；Y为Si，硅与氯气可以一步反应生成化合物甲SiCl4；氢气与SiCl4可以一步反应生成化合物乙(HCl)与单质Y(Si)，可以一步实现。答案：B;13.晶体硅是信息科学和能源科学中的一种重要材料，可用于制芯片和太阳能电池等。以下是工业上制取纯硅的一种方法。;(2)写出反应③的化学方程式________________________________________________________________________________________________。(3)化合物W的用途很广，通常可用作建筑工业和造纸工业的黏合剂，可作肥皂的填充剂，是天然水的软化剂。将石英砂和纯碱按一定比例混合加热至1 373～1 623 K反应，生成化合物W，其化学方程式是_______________________________________________________________。;(4)A、B、C三种气体在“节能减排”中作为减排目标的一种气体是__________(填化学式)；分别通入W溶液中能得到白色沉淀的气体是______________(填化学式)。(5)工业上合成氨的原料H2的制法是先把焦炭与水蒸气反应生成水煤气，再提纯水煤气得到纯净的H2，提纯水煤气得到纯净的H2的化学方程式为__________________________________________________________________________________________________________。;2;A、B、C分别为CO、CO2、HCl，其中CO2是温室气体，是节能减排的目标气体；CO2和HCl通入W(硅酸钠)溶液中能够生成白色沉淀(硅酸)。答案：(1)①②③;14.单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质)，粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度450～500 ℃)，四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。;相关信息如下：a.四氯化硅遇水极易水解；b.硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物；c.有关物质的物理常数见下表：;熔点/℃;(3)装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏(类似多次蒸馏)得到高纯度四氯化硅，精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是__________________________________________________________________(填写元素符号)。;解析：依题中信息可知A为Cl2的发生装置，B、C为Cl2的净化装置，D中发生反应2Cl2＋SiSiCl4，生成的SiCl4用E收集，B中为饱和食盐水将氯化氢气体除去，C中应为浓H2SO4除水，由表中数据可知SiCl4沸点较低，用冷却液可得到液态SiCl4；由题中信息，即可轻松完成第(3)问。