夯實基礎 適度拓展——高三一輪復習中的碳、硅和硼

廣西 金敖然

碳、硅和硼是高中化學非金屬及其化合物知識結構中重要的組成部分，也是高考的高頻知識點，碳、硅及其化合物與人類日常生活及工業生產有著密切聯系，尤其在工藝流程題中出現的頻率很高。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實驗為載體進行考查。然而硼和硼酸、草酸等物質都不是教材上的內容。因此在高三一輪復習時注重夯實基礎知識的同時有必要進行適度知識拓展，從而將一輪復習做得扎實有效。

一、2017—2020年全國卷的考查情況

表1 2017—2020年全國卷考情統計

續表

二、知識梳理

1.碳單質及其化合物

(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，熔點高，硬度大。金剛石晶體中每個碳原子采用sp3雜化，四個價電子全部參與成鍵，故金剛石不導電，金剛石的結構如圖1所示。

圖1 金剛石結構

石墨是片層狀晶體，屬于混合晶型，晶體內部有共價鍵、金屬鍵、分子間作用力等，石墨熔點高，硬度低。石墨結構如圖2所示，晶體層內每個碳原子采用sp2雜化，未參與成鍵的電子自由移動，具有導電性，通常用作電極材料。石墨內部層與層之間以分子間作用力結合，結合作用力很弱，外力作用在層與層之間可以發生相對的滑動，因此石墨質軟，可以做潤滑劑。

圖2 石墨結構

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個碳原子構成類似足球形稱為足球烯，結構如圖3所示，球面為32面體，其中有12個正五邊形和20個正六邊形的面，每個碳原子近似于sp2雜化與相鄰的3個碳原子相連，未參與雜化的p軌道在C60的球面形成大π鍵。

圖3 C60結構

(2)碳酸鈉與碳酸氫鈉

表2 Na2CO3與NaHCO3性質對比

續表

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。本文重點講晶體硅，晶體硅微觀結構類似于金剛石的原子排列，晶體硅呈灰黑色，高熔點，高硬度，硅是良好的半導體材料，可以做芯片和太陽能電池。

a.化學性質

b.硅單質的生產與純化

(2)二氧化硅(SiO2)

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

表3 二氧化硅的性質及用途

注意：①SiO2是酸性氧化物，與絕大多數酸不反應，氫氟酸是一個特例

②氫氟酸能與SiO2反應，故氫氟酸不能盛放在玻璃瓶中，而應存放在塑料瓶中。

(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。所以通常實驗室制取硅酸，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，硅酸鹽礦物組成復雜，通常可以寫成氧化物的形式。如：硅酸鈉(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無機非金屬材料，它包括玻璃、水泥、陶瓷三個工業。

③新型無機非金屬材料

新型無機非金屬材料包括：光導纖維、特種陶瓷(高溫結構陶瓷、半導體陶瓷、生物陶瓷、碳化硅陶瓷、壓電陶瓷等)以及復合材料(碳纖維、玻璃鋼等)。

三、適度拓展

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

a.草酸的化學性質

2.硼及其化合物

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

圖4 晶體硼(B12)結構

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

圖5 H3BO3的層狀結構

【例1】(2018·全國卷Ⅱ·28節選)(3)測定三草酸合鐵酸鉀(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。滴定終點的現象是____________________。

②向上述溶液中加入過量鋅粉至反應完全后，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，消耗KMnO4溶液VmL。該晶體中鐵的質量分數的表達式為____________________。

【備考策略】有關鐵的質量分數計算中，涉及草酸與酸性高錳酸鉀反應的方程式書寫，雖然草酸的相關知識不是教材上的，但是在高三的教學實踐中，經常會遇到有關草酸的試題，如果能在高三一輪復習備考過程中，適度拓展學習草酸的知識，那么學生在答題實戰中，無疑準確率和速度會大為提升。

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

圖6

回答下列問題：

【答案】(3)一元弱 轉化為H3BO3，促進析出

【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生氫離子，而三價硼離子最多只能再形成一個配位鍵，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調節至3.5，目的是將B(OH)-4轉化為H3BO3，并促進H3BO3析出。

【備考策略】本題涉及H3BO3性質的相關知識考查，試題中給了H3BO3的相關信息，但是仍舊有一部分學生根據H3BO3書寫結構認為它是三元酸。同樣硼元素及其化合物在平時的訓練中出現得也較為頻繁。如果各位教師在備考中將這部分知識適度拓展給學生，那么為學生后面的學習和做題無疑鋪平了道路。