版高考化学一轮复习江苏专用专题3 第1讲 含硅矿物与信息材料.docx
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版高考化学一轮复习江苏专用专题3第1讲含硅矿物与信息材料
第1讲 含硅矿物与信息材料
【2019·备考】
最新考纲：
1.了解C、Si单质及其重要化合物的主要性质和重要应用。
2.了解碳元素、硅元素的单质及重要化合物对环境的影响。
最新考情：
硅、碳作为ⅣA族的代表元素，需要掌握碳、硅单质，氧化物，酸及其盐的性质，一是在选择题中考查Si、SiO2、Na2SiO3的用途及相互转化关系，二是在流程题中考查SiO2的性质。
考点一 碳、硅及其氧化物的性质
[知识梳理]
1.碳、硅元素的原子结构与存在
碳
硅
原子结构示意图
在元素周期表中的位置
第2周期ⅣA族
第3周期ⅣA族
单质的结构
金刚石：
空间网状结构
石墨：
层状结构
晶体硅：
与金刚石类似的空间网状结构
元素在自然界中的存在形式
既有游离态又有化合态
只有化合态
2.碳、硅单质的性质
（1）碳、硅的物理性质和用途（用短线连接起来）：
（2）碳的化学性质
（3）硅的化学性质及制取
①与氢氟酸反应：
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
②与NaOH溶液反应：
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑；
③与O2反应：
Si＋O2SiO2。
④工业制法：
提醒：
①自然界中没有游离态硅，工业上常用焦炭在电炉中还原SiO2得到粗硅。
②Si的还原性强于C，但C能还原SiO2生成Si，且氧化产物为CO：
2C＋SiO2Si＋2CO↑，其原因是产物CO为气体，它的放出降低了生成物浓度，促使反应向正反应方向进行。
且该反应必须在隔绝空气的条件下进行。
3.二氧化碳和二氧化硅的比较
物质
二氧化硅
二氧化碳
结构
空间立体网状结构，不存在单个分子
存在单个分子
主要物理
性质
硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水
熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水
化
学
性
质
①与水
反应
不反应
CO2＋H2OH2CO3
②与酸
反应
只与氢氟酸反应：
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
不反应
③与碱
反应
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（盛碱液的试剂瓶用橡胶塞）
CO2少量：
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O、
CO2过量：
CO2＋NaOH===NaHCO3
④与盐
反应
如与Na2CO3反应：
SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑
如与Na2SiO3反应：
Na2SiO3＋H2O＋CO2（不足）===H2SiO3↓＋Na2CO3或Na2SiO3＋2H2O＋2CO2（足量）===H2SiO3↓＋2NaHCO3
⑤与碱性氧化物反应
如与CaO反应：
SiO2＋CaOCaSiO3
如与Na2O反应：
Na2O＋CO2===Na2CO3
用途
光导纤维、光学仪器、电子部件
制饮料、制碳酸盐
提醒：
①SiO2和CO2都是酸性氧化物，与碱反应生成盐和水；CO2与水反应生成碳酸，但SiO2不溶于水，故不能用SiO2与水反应制备硅酸。
②SiO2不能与盐酸、硝酸、硫酸等酸反应，但能与氢氟酸反应。
③不能依据反应SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑来说明SiO2对应的水化物（即H2SiO3）的酸性比H2CO3强。
[题组诊断]
碳、硅的性质及应用
1.下列关于碳和硅的叙述中，正确的是（ ）
A.其氧化物都能与NaOH溶液反应
B.其单质在加热时都能跟O2反应
C.其氧化物都能溶于水生成相应的酸
D.碳和硅两种元素共有两种单质
解析 CO不溶于水，不能生成相应的酸，也不能与NaOH溶液反应；SiO2不溶于水，也不能生成相应的酸；碳有金刚石、石墨等同素异形体，硅有晶体硅和无定形硅等，所以两种元素有多种单质。
答案 B
2.下列物质间的转化不能通过一步反应完成的是（ ）
A.SiO2―→SiB.CO2―→C
C.SiO2―→H2SiO3D.Si―→Na2SiO3
解析 A项，SiO2＋2CSi＋2CO↑；B项，CO2＋2Mg2MgO＋C；C项，SiO2不能与水反应生成H2SiO3，也无法与其他物质通过一步反应生成H2SiO3；D项，Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
答案 C
3.制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。
三氯甲硅烷（SiHCl3）还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：
（1）写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式为_________________________
________________________________________________________________。
（2）整个制备过程必须严格控制无水无氧。
SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出该反应的化学方程式________________________________
___________________________________________________________________；
H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是_____________________
_________________________________________________________________。
解析
（1）H2还原SiHCl3得到Si和HCl。
（2）SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，依据原子守恒.判断另一物质是H2。
因H2还原SiHCl3的反应条件是高温（1357K），若混入O2，则H2与O2混合加热可能发生爆炸，同时，O2也可能氧化SiHCl3。
答案
（1）SiHCl3＋H2Si＋3HCl
（2）SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl↑＋H2↑
氧气与氢气混合，可能引起爆炸；氧气可能会氧化SiHCl3
【总结归纳】
硅的特性
非金属的一般规律
硅的特性
硅还原性强于碳
2C＋SiO2Si＋2CO↑
非金属与强碱溶液反应一般不产生H2
硅可与强碱溶液反应产生H2：
Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑
非金属一般不与非氧化性酸反应
Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
一般非金属单质为绝缘体
硅为半导体，常用于电子部件
CO2、SiO2的结构与性质
4.下列关于SiO2和CO2的叙述中不正确的是（ ）
A.都是共价化合物
B.SiO2可用于制光导纤维，干冰可用于人工降雨
C.都能溶于水且与水反应生成相应的酸
D.都是酸性氧化物，都能与强碱溶液反应
解析 SiO2和CO2中都只含有共价键，均为共价化合物，A项正确；干冰升华吸热，可用于人工降雨，B项正确；SiO2不溶于水且与水不反应，C项错误；SiO2与强碱溶液反应生成硅酸盐，CO2与强碱溶液反应生成碳酸盐或碳酸氢盐，D项正确。
答案 C
5.下列有关说法中错误的是（ ）
A.氢氟酸不能盛放在玻璃试剂瓶中
B.单晶硅可将太阳能转化为电能但不能将太阳能转化为热能
C.灼烧NaOH固体时不能使用瓷坩埚，因坩埚中的SiO2能与NaOH反应
D.由沙子制备光伏材料的反应之一为SiO2＋2CSi＋2CO↑
解析 氢氟酸能与玻璃中的SiO2反应，A正确；单晶硅也可将太阳能转化为热能，B错误；高温下NaOH能与瓷坩埚中的SiO2反应，C正确；沙子的主要成分是SiO2，与碳反应时得到的是CO，D正确。
答案 B
6.根据SiO2性质的一般性与特殊性完成下列表格（其中括号内为要除去的杂质）。
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
粉末状混合物
选择的试剂
选用的操作
（1）
CaCO3（SiO2）
（2）
NaCl（SiO2）
（3）
SiO2（Fe2O3）
（4）
SiO2（CaCO3）
（5）
SiO2（NH4Cl）
答案
（1）B ④
（2）D ④⑤ （3）A ④ （4）A ④ （5）②
【归纳总结】
SiO2特性
一般规律
SiO2的特性
酸性氧化物一般与水反应生成相应酸
SiO2不溶于水，不与水反应
酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应
SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一般规律，H2CO3酸性强于H2SiO3，Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓
以下反应不能说明酸性的强弱
Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑
CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑
考点二 硅酸、硅酸盐、无机非金属材料
[知识梳理]
1.硅酸
2.硅酸盐
（1）硅酸盐：
是由硅、氧和金属元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的重要成分。
（2）硅酸盐组成的表示方法：
通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成，如硅酸钠（Na2SiO3）可表示为Na2O·SiO2，长石（KAlSi3O8）可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。
（3）硅酸钠：
①白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。
②与酸性较硅酸强的酸反应：
a.与盐酸反应的化学方程式：
Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
b.与CO2水溶液反应的化学方程式：
Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。
③用途：
黏合剂（矿物胶），耐火阻燃材料。
3.常见无机非金属材料
（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
水泥
玻璃
陶瓷
生产原料
石灰石、黏土
纯碱、石灰石和石英
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑
生产条件
高温
②玻璃生产中的两个重要反应：
Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；
CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。
（2）新型无机非金属材料
①高温结构陶瓷：
如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学侵蚀性和电绝缘性等。
②生物陶瓷：
对机体无排异反应，不会引起代谢作用异常。
③压电陶瓷：
具有压电效应。
[题组诊断]
硅酸盐的结构与性质
1.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、Na2SiO3
C.Na2CO3、SiO2D.SiO2
解析 将足量CO2气体通入水玻璃中，发生反应：
2CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3；加热蒸干高温灼烧时发生反应：
H2SiO3H2O＋SiO2；2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O；SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，各反应物存在如下关系：
H2SiO3～2NaHCO3，H2SiO3～SiO2，2NaHCO3～Na2CO3～SiO2，由上述关系可知，最后所得固体物质是Na2SiO3，故选A项。
答案 A
2.青石棉是世界卫生组织确认的一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一。
青石棉的化学式为Na2Fe5Si8O22（OH）2。
青石棉用稀硝酸处理时，还原产物只有NO。
下列说法中正确的是（ ）
A.青石棉是一种易燃品且易溶于水
B.青石棉的化学组成用氧化物的形式可表示为Na2O·FeO·2Fe2O3·8SiO2·H2O
C.1molNa2Fe5Si8O22（OH）2与足量的硝酸作用，至少需消耗6L3mol·L－1HNO3溶液
D.1molNa2Fe5Si8O22（OH）2与足量氢氟酸作用，至少需消耗5.5L2mol·L－1HF溶液
解析 根据青石棉的组成可知，该物质属于硅酸盐，不是一种易燃品且难溶于水，A不正确；根据氧原子守恒可知应该是Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O，B不正确；根据组成可知和硝酸作用生成2mol硝酸钠、5mol硝酸铁和1molNO，因此需要硝酸的物质的量是18mol，选项C正确；和氢氟酸反应生成SiF4、NaF，物质的量分别是8mol和2mol，所以需要HF的物质的量是34mol，D不正确。
答案 C
3.胃舒平的主要成分是氢氧化铝，同时含有三硅酸镁（Mg2Si3O8·nH2O）等化合物。
（1）三硅酸镁的氧化物形式为_______________________________________。
（2）Al2O3、MgO和SiO2都可以制耐火材料，其原因是________。
a.Al2O3、MgO和SiO2都是白色固体
b.Al2O3、MgO和SiO2都是金属氧化物
c.Al2O3、MgO和SiO2都有很高的熔点
解析
（1）Mg2Si3O8·nH2O改写成氧化物的形式为2MgO·3SiO2·nH2O。
（2）Al2O3、MgO和SiO2均具有很高的熔点，故可作为耐火材料。
答案
（1）2MgO·3SiO2·nH2O
（2）c
【归纳总结】
硅酸盐改写成氧化物形式的方法
（1）氧化物的书写顺序：
活泼金属氧化物―→较活泼金属氧化物―→二氧化硅―→水。
（2）氧化物前计量数的配置原则：
除氧元素外，其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置计量数，且不同氧化物间以“·”隔开。
（3）当计量数配置出现分数时应化为整数。
如正长石：
KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2，应写成K2O·Al2O3·6SiO2。
无机非金属材料
4.据报道我国科学家近年来研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料，其主要成分是由碳化硅陶瓷和碳纤维复合而成的。
下列相关叙述不正确的是（ ）
A.它耐高温抗氧化
B.它比钢铁轻、硬，但质地较脆
C.它没有固定的熔点
D.它是一种新型无机非金属材料
解析 由航空材料的成分组成知其质轻、具有耐高温抗氧化等性质，由于这种材料能增加韧性，故质地不会较脆，故B错，A正确；复合材料属于混合物，没有固定的熔点，由碳化硅高温结构陶瓷和碳纤维复合而成的材料均属于新型无机非金属材料，C、D正确。
答案 B
5.（2018·徐宿连一模）从石墨中分离出来的石墨烯是已知最薄、最坚硬的物质，可制成电阻率最小的纳米材料，其结构如右图所示。
下列关于石墨烯的说法正确的是（ ）
A.具有良好的导电性
B.属于高分子化合物
C.与金刚石互为同位素
D.不能与氧气发生反应
解析 石墨烯是由碳原子组成的单质，与金刚石互为同素异形体，与氧气反应生成CO2。
答案 A
含硅物质间的转化
6.（2018·徐宿连一模）二氧化硅（SiO2）又称硅石，是制备硅及其化合物的重要原料。
下列说法正确的是（ ）
A.SiO2既能与HF反应，又能与NaOH反应，属于两性氧化物
B.SiO2和Si都是光导纤维材料
C.利用SiO2与NaOH溶液反应可制取“水玻璃”
D.上图中所示转化反应都是非氧化还原反应
解析 两性氧化物的定义为与酸和碱反应均生成盐和水的氧化物，SiO2与HF反应得到的SiF4不属于盐类，A项错误；SiO2是光导纤维材料，Si为半导体材料，B项错误；“水玻璃”是Na2SiO3的水溶液，C项正确；制取Si的过程中涉及了氧化还原反应，D项错误。
答案 C
7.已知A是灰黑色的、有金属光泽的固体单质。
根据如图所示的物质之间的转化关系，回答下列有关问题。
（1）写出B、C两物质的名称：
B________，C________。
（2）写出D→B的化学方程式：
________________________________________。
（3）写出B→C的离子方程式：
_______________________________________。
解析 A为灰黑色固体单质，推知A为Si，则D为SiO2，B为Na2SiO3，C为H2SiO3。
答案
（1）硅酸钠 硅酸
（2）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
（3）SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO或SiO＋2CO2＋2H2O===H2SiO3↓＋2HCO
【反思归纳】
解答硅及其化合物的推断题，高温反应条件、特征反应、单质与碱反应、盐溶液与过量盐酸反应产生白色沉淀等往往是推断题的“突破口”。
【知识网络回顾】
1.基础知识判断，正确的打“√”，错误的打“×”。
（1）碳有多种同素异形体，而氧不存在同素异形体（×）
（2）单质硅常用作半导体材料和光导纤维（×）
（3）硅在自然界中只以化合态的形式存在（√）
（4）硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应（×）
（5）SiO2不与任何酸反应，可用石英制造耐酸容器（×）
（6）Si→SiO2→H2SiO3均能一步转化（×）
（7）不能用SiO2与水反应的方法来制取硅酸，不能用瓷坩埚来加热烧碱或纯碱使其熔化（√）
（8）将气体通入澄清石灰水，溶液变浑浊，证明原气体是CO2（×）
（9）SiO2可与HF反应，因而氢氟酸不能保存在玻璃瓶中（√）
（10）单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料（√）
2.某短周期非金属元素的原子核外最外层电子数是次外层电子数的一半，该元素（ ）
A.在自然界中只以化合态的形式存在
B.单质常用作半导体材料和光导纤维
C.最高价氧化物不与酸反应
D.气态氢化物比甲烷稳定
解析 硅在自然界中主要是以硅酸盐类存在，A正确。
硅常用作半导体材料，SiO2是光导纤维的主要成分。
SiO2虽然是酸性氧化物，但可以和HF反应。
硅的非金属性比碳弱，其气态氢化物比甲烷活泼。
答案 A
3.下列说法正确的是（ ）
A.红宝石、玛瑙、水晶、钻石等装饰品的主要成分都是二氧化硅
B.SiO2是碱性氧化物，能溶于酸，故可用氢氟酸蚀刻玻璃
C.向Na2SiO3溶液中通入过量CO2制备硅酸凝胶：
SiO＋2CO2＋2H2O===H2SiO3＋2HCO
D.高纯度的SiO2对光有很好的折射和全反射作用，可以制成光电池，将光能直接转化为电能
解析 红宝石的主要成分是Al2O3，钻石的主要成分是单质碳，玛瑙和水晶的主要成分是SiO2，A项错误；SiO2是酸性氧化物，不能与HCl、H2SO4、HNO3等反应，但能被氢氟酸腐蚀，B项错误；酸性：
H2CO3>H2SiO3，故可用Na2SiO3溶液与CO2反应制H2SiO3凝胶，C项正确；高纯度的SiO2对光有很好的折射和全反射作用，可用作光导纤维，而光电池由单质硅制成，D项错误。
答案 C
4.单质Z是一种常见的半导体材料，可由X通过如下图所示的路线制备。
其中X为Z的氧化物；Y为氢化物，分子结构与甲烷相似。
回答下列问题：
（1）能与X发生化学反应的酸是________；由X制备Mg2Z的化学方程式为_________________________________________________________________。
（2）由Mg2Z生成Y的化学方程式为_____________________________________
__________________________________________________________________，
Y分子的电子式为________________________________________________。
答案
（1）氢氟酸（HF） SiO2＋4MgMg2Si＋2MgO
（2）Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑
1.下列我国古代优秀艺术作品中，所用材料不属于无机非金属材料的是（ ）
A.商代后母戊鼎
B.新石器时代人面鱼纹彩陶盆
C.明永乐青花竹石芭蕉纹梅瓶
D.三国青瓷羊形烛台
解析 青铜器属于金属材料，陶瓷是无机非金属材料。
答案 A
2.我国科学家制得了SiO2超分子纳米管，微观结构如图所示。
下列叙述正确的是（ ）
A.SiO2与干冰的晶体结构相似
B.SiO2耐腐蚀，不与任何酸反应
C.工业上用SiO2制备粗硅
D.光纤主要成分是SiO2，具有导电性
解析 A项，SiO2为原子晶体，干冰为分子晶体，错误；B项，SiO2可以与HF反应，错误；C项，SiO2与C在高温下还原可制得粗硅和CO，正确；D项，SiO2不导电，错误。
答案 C
3.硅及其化合物是带来人类文明的重要物质。
下列说法正确的是（ ）
A.陶瓷、水晶、水泥、玻璃都属于硅酸盐
B.水玻璃是纯净物，可用于生产黏合剂和防火剂
C.某硅酸盐的化学式为KAlSi3O8，可用K2O·Al2O3·6SiO2表示
D.高纯硅可用于制造光导纤维，高纯二氧化硅可用于制造太阳能电池
解析 水晶的主要成分为SiO2，其不属于硅酸盐，A项错误；水玻璃是Na2SiO3的水溶液，属于混合物，B项错误；用于制造光导纤维的是二氧化硅，用于制造太阳能电池的是高纯硅，D项错误。
答案 C
4.下列物质性质与用途对应关系正确的是（ ）
性质
用途
A
硅酸钠化学性质稳定
制备木材防火剂
B
硅酸溶胶具有
吸附水分的能力
硅作半导体的材料
C
二氧化硅硬度大、熔点高
氢氟酸在玻璃上刻花纹
D
焦炭具有可燃性
焦炭还原二氧化硅
冶炼粗硅
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
5.《天工开物》记载：
“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，择取无沙粘土而为之”，“凡坯既成，干燥之后，则堆积窑中燃薪举火”，“浇水转釉（主要为青色），与造砖同法”。
下列说法错误的是（ ）
A.粘土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料
B.“燃薪举火”使粘土发生复杂的物理化学变化
C.烧制后自然冷却成红瓦，浇水冷却成青瓦
D.沙子和粘土的主要成分均为硅酸盐
解析 D项，沙子的主要成分是SiO2，错误。
答案 D
6.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.SiO2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、空气和强酸不反应，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
答案 AD
7.下列离子方程式的书写正确的是（ ）
A.水玻璃中通入过量二氧化碳：
Na2SiO3＋CO2＋H2O===2Na＋＋CO＋H2SiO3
B.澄清石灰水中通入过量二氧化碳：
Ca（OH）2＋2CO2===Ca2＋＋2HCO
C.硅与氢氟酸的反应：
Si＋4H＋＋4F－===SiF4↑＋2H2↑
D.二氧化硅溶于烧碱溶液中：
SiO2＋2OH－===SiO＋H2O
解析 Na2SiO3是强电解质，应拆成Na＋、SiO，且应生成HCO，A错；B项正确写法是CO2＋OH－===HCO；C项，氢氟酸是弱酸，不能拆分成H＋和F－。
答案 D
8.下列除杂方法正确的是（ ）
A.SiO2中含Al2O3杂质，可以加入足量NaOH溶液然后过滤除去
B.CO2中含有CO杂质，可以通入盛有CuO的玻璃管且加热
C.CO2中含有HCl杂质，可以通过盛有Na2CO3溶液的洗
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