夯實(shí)基礎(chǔ) 適度拓展——高三一輪復(fù)習(xí)中的碳、硅和硼

廣西 金敖然

碳、硅和硼是高中化學(xué)非金屬及其化合物知識(shí)結(jié)構(gòu)中重要的組成部分，也是高考的高頻知識(shí)點(diǎn)，碳、硅及其化合物與人類日常生活及工業(yè)生產(chǎn)有著密切聯(lián)系，尤其在工藝流程題中出現(xiàn)的頻率很高。硼及其化合物往往以新材料、新科技為背景，以工藝流程或者化學(xué)實(shí)驗(yàn)為載體進(jìn)行考查。然而硼和硼酸、草酸等物質(zhì)都不是教材上的內(nèi)容。因此在高三一輪復(fù)習(xí)時(shí)注重夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)有必要進(jìn)行適度知識(shí)拓展，從而將一輪復(fù)習(xí)做得扎實(shí)有效。

一、2017—2020年全國卷的考查情況

表1 2017—2020年全國卷考情統(tǒng)計(jì)

續(xù)表

二、知識(shí)梳理

1.碳單質(zhì)及其化合物

(1)碳的同素異形體包括金剛石、石墨、石墨烯以及碳原子簇C60、C70等。

金剛石屬于原子晶體，熔點(diǎn)高，硬度大。金剛石晶體中每個(gè)碳原子采用sp3雜化，四個(gè)價(jià)電子全部參與成鍵，故金剛石不導(dǎo)電，金剛石的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 金剛石結(jié)構(gòu)

石墨是片層狀晶體，屬于混合晶型，晶體內(nèi)部有共價(jià)鍵、金屬鍵、分子間作用力等，石墨熔點(diǎn)高，硬度低。石墨結(jié)構(gòu)如圖2所示，晶體層內(nèi)每個(gè)碳原子采用sp2雜化，未參與成鍵的電子自由移動(dòng)，具有導(dǎo)電性，通常用作電極材料。石墨內(nèi)部層與層之間以分子間作用力結(jié)合，結(jié)合作用力很弱，外力作用在層與層之間可以發(fā)生相對(duì)的滑動(dòng)，因此石墨質(zhì)軟，可以做潤滑劑。

圖2 石墨結(jié)構(gòu)

碳原子簇可以表示為Cn，n一般小于200。其中研究最為深入的是C60，C60分子中60個(gè)碳原子構(gòu)成類似足球形稱為足球烯，結(jié)構(gòu)如圖3所示，球面為32面體，其中有12個(gè)正五邊形和20個(gè)正六邊形的面，每個(gè)碳原子近似于sp2雜化與相鄰的3個(gè)碳原子相連，未參與雜化的p軌道在C60的球面形成大π鍵。

圖3 C60結(jié)構(gòu)

(2)碳酸鈉與碳酸氫鈉

表2 Na2CO3與NaHCO3性質(zhì)對(duì)比

續(xù)表

2.硅及其化合物

(1)硅有兩種同素異形體，分別是晶體硅和無定型硅。本文重點(diǎn)講晶體硅，晶體硅微觀結(jié)構(gòu)類似于金剛石的原子排列，晶體硅呈灰黑色，高熔點(diǎn)，高硬度，硅是良好的半導(dǎo)體材料，可以做芯片和太陽能電池。

a.化學(xué)性質(zhì)

b.硅單質(zhì)的生產(chǎn)與純化

(2)二氧化硅(SiO2)

二氧化硅是原子晶體，高熔點(diǎn)、高硬度。自然界中水晶、石英的主要成分就是SiO2。

表3 二氧化硅的性質(zhì)及用途

注意：①SiO2是酸性氧化物，與絕大多數(shù)酸不反應(yīng)，氫氟酸是一個(gè)特例

②氫氟酸能與SiO2反應(yīng)，故氫氟酸不能盛放在玻璃瓶中，而應(yīng)存放在塑料瓶中。

(3)硅酸、硅酸鹽、硅酸鹽材料

①硅酸(H2SiO3)是一種比碳酸還弱的二元弱酸，不溶于水的白色膠狀沉淀。SiO2是硅酸的酸酐，但是它不溶于水。所以通常實(shí)驗(yàn)室制取硅酸，是利用酸化可溶性硅酸鹽的原理。

硅酸鹽是由硅、氧、金屬元素組成的化合物的總稱。通常不溶于水，常見的可溶性硅酸鹽為硅酸鈉(Na2SiO3),俗稱泡花堿。硅酸鈉的水溶液是一種黏稠狀液體，俗稱水玻璃。水玻璃在工業(yè)上常用作黏合劑，是木材的防火防腐劑。自然界中的硅酸鹽種類繁多，硅酸鹽礦物組成復(fù)雜，通?？梢詫懗裳趸锏男问健Ｈ纾汗杷徕c(Na2SiO3)寫成Na2O·SiO2，正長石(KAlSi3O8)寫成K2O·Al2O3·6SiO2。

②硅酸鹽材料

硅酸鹽材料又稱傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料，它包括玻璃、水泥、陶瓷三個(gè)工業(yè)。

③新型無機(jī)非金屬材料

新型無機(jī)非金屬材料包括：光導(dǎo)纖維、特種陶瓷(高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、生物陶瓷、碳化硅陶瓷、壓電陶瓷等)以及復(fù)合材料(碳纖維、玻璃鋼等)。

三、適度拓展

1.草酸(H2C2O4)又名乙二酸，結(jié)構(gòu)簡式為HOOC—COOH。草酸晶體(H2C2O4·H2O)是無色固體，熔點(diǎn)101℃，易溶于水，受熱易脫水升華。

a.草酸的化學(xué)性質(zhì)

2.硼及其化合物

(1)硼單質(zhì)的同素異形體包括晶體硼和無定形兩大類。這里重點(diǎn)講晶體硼，晶體硼呈黑灰色，硬度極高，是典型的原子晶體。晶體硼的基本結(jié)構(gòu)單元為正二十面體(B12)如圖4所示，每個(gè)B12結(jié)構(gòu)單元包含20個(gè)正三角形，30個(gè)B—B鍵。

圖4 晶體硼(B12)結(jié)構(gòu)

(2)硼酸(H3BO3)具有片層結(jié)構(gòu)，層間通過分子間作用力結(jié)合在一起。層內(nèi)硼原子以sp2雜化與三個(gè)OH基團(tuán)結(jié)合形成平面B(OH)3單元，單元之間再通過氫鍵聯(lián)合成層狀結(jié)構(gòu)。如圖5所示。

圖5 H3BO3的層狀結(jié)構(gòu)

【例1】(2018·全國卷Ⅱ·28節(jié)選)(3)測(cè)定三草酸合鐵酸鉀(K3[Fe(C2O4)3]·3H2O)中鐵的含量。

①稱量mg樣品于錐形瓶中，溶解后加稀H2SO4酸化，用cmol·L-1KMnO4溶液滴定至終點(diǎn)。滴定終點(diǎn)的現(xiàn)象是____________________。

②向上述溶液中加入過量鋅粉至反應(yīng)完全后，過濾、洗滌，將濾液及洗滌液全部收集到錐形瓶中。加稀H2SO4酸化，用cmol·L-1KMnO4溶液滴定至終點(diǎn)，消耗KMnO4溶液VmL。該晶體中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表達(dá)式為____________________。

【備考策略】有關(guān)鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算中，涉及草酸與酸性高錳酸鉀反應(yīng)的方程式書寫，雖然草酸的相關(guān)知識(shí)不是教材上的，但是在高三的教學(xué)實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)遇到有關(guān)草酸的試題，如果能在高三一輪復(fù)習(xí)備考過程中，適度拓展學(xué)習(xí)草酸的知識(shí)，那么學(xué)生在答題實(shí)戰(zhàn)中，無疑準(zhǔn)確率和速度會(huì)大為提升。

【例2】(2019·全國卷Ⅰ·26節(jié)選)硼酸(H3BO3)是一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于玻璃、醫(yī)藥、肥料等工業(yè)。一種以硼鎂礦(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)為原料生產(chǎn)硼酸及輕質(zhì)氧化鎂的工藝流程如下：

圖6

回答下列問題：

【答案】(3)一元弱 轉(zhuǎn)化為H3BO3，促進(jìn)析出

【解析】(3)由硼酸的解離方程式知，硼酸在水溶液中通過與水分子的配位作用產(chǎn)生氫離子，而三價(jià)硼離子最多只能再形成一個(gè)配位鍵，且硼酸不能完全解離，所以硼酸為一元弱酸；在“過濾2”前，將溶液pH調(diào)節(jié)至3.5，目的是將B(OH)-4轉(zhuǎn)化為H3BO3，并促進(jìn)H3BO3析出。

【備考策略】本題涉及H3BO3性質(zhì)的相關(guān)知識(shí)考查，試題中給了H3BO3的相關(guān)信息，但是仍舊有一部分學(xué)生根據(jù)H3BO3書寫結(jié)構(gòu)認(rèn)為它是三元酸。同樣硼元素及其化合物在平時(shí)的訓(xùn)練中出現(xiàn)得也較為頻繁。如果各位教師在備考中將這部分知識(shí)適度拓展給學(xué)生，那么為學(xué)生后面的學(xué)習(xí)和做題無疑鋪平了道路。