xs 第四章 第1讲 无机非金属材料的主角硅.docx
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xs第四章第1讲无机非金属材料的主角硅
第1讲 无机非金属材料的主角——硅
【考纲要求】
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。
【考点分布】
考点一 碳、硅单质的存在与性质
考点二 碳、硅的氧化物
考点三 硅酸及硅酸盐
高考方向与练习
考点一 碳、硅单质的存在与性质
1．C、Si单质的存在形态、物理性质及用途
（1）自然界中碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素因有亲氧性，所以仅有化合态。
碳单质主要有金刚石、石墨、C60等同素异形体，硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。
（2）单质的结构、物理性质与用途比较
碳
硅
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
物理性质
金刚石熔点高、硬度大
石墨熔点高、质软，有滑腻感
晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高
用途
金刚石用作切割刀具，石墨用作电极、铅笔芯
晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池
2.碳、硅单质的化学性质
碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。
（2）Si
【深度思考】
1．从元素周期表的位置看，碳和硅均为ⅣA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？
2．硅单质有广泛的用途，用化学方程式表示工业上获取硅单质的过程。
题组一 新材料、新技术下C、Si的考查
1．下列关于硅的说法中，不正确的是（ ）
A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B．硅的导电性能介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料
C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质反应
D．加热到一定温度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应
2．石墨烯的结构示意图如图所示，下列关于石墨烯的叙述正确的是（ ）
A．石墨烯可导电，说明它是电解质
B．石墨烯、金刚石、C60、“碳纳米泡沫”四种物质都是碳的单质
C．由于C（石墨，s）===C（金刚石，s） ΔH＝＋1.9kJ·mol－1知金刚石比石墨烯稳定
D．尽量使用含
C的产品，减少使用含
C的产品，此举符合“促进低碳经济”的宗旨
题组二 工业制取高纯硅
3．晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下：
ⅰ.高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅
ⅱ.粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：
Si＋3HCl
SiHCl3＋H2
ⅲ.SiHCl3与过量H2在1000～1100℃反应制得纯硅
已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。
请回答下列问题：
（1）第ⅰ步制备粗硅的化学反应方程式为__________________________________。
（2）粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3（沸点33.0℃）中含有少量SiCl4（沸点57.6℃）和HCl（沸点－84.7℃），提纯SiHCl3采用的方法为__________________。
（3）用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下（热源及夹持装置略去）：
①装置B中的试剂是__________________。
装置C中的烧瓶需要加热，其目的是________________
__________________________________。
②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是__________________________________________，
装置D不能采用普通玻璃管的原因是___________________________________________，
装置D中发生反应的化学方程式为_____________________________________________。
③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及______
______________________________________。
④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂（填写字母代号）是______________。
a．碘水 b．氯水 c．NaOH溶液 d．KSCN溶液e．Na2SO3溶液
考点二 碳、硅的氧化物
1．一氧化碳
（1）物理性质：
无色气体，有毒，难溶于水。
（2）化学性质
①燃烧：
2CO＋O2
2CO2，淡蓝色火焰；
②还原CuO：
CuO＋CO
Cu＋CO2（冶炼金属）。
2．二氧化碳和二氧化硅的比较（见必修1课件）
【深度思考】
1．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）：
_______________________________________________________。
（6）CO2（H2S）：
________________________________________________________。
2．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。
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（H2SiO3）
（6）
SiO2（NH4Cl）
题组一 二氧化硅的结构与性质
1．判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”
（1）二氧化硅不与任何酸反应，可用石英制造耐酸容器（ ）
（2）SiO2是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应（ ）
（3）二氧化硅是生产光纤制品的基本原料（ ）
（4）二氧化硅的分子式是SiO2（ ）
2．指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在A～E选项中选择正确答案填入括号内。
（1）SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（ ）
（2）SiO2＋Na2CO3
Na2SiO3＋CO2↑（ ）
（3）SiO2＋2C
Si＋2CO↑（ ）
（4）SiO2＋3C
SiC＋2CO↑（ ）
（5）SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O（ ）
A．作为玻璃的成分被消耗而使玻璃被腐蚀
B．氧化性
C．酸性氧化物的通性
D．将挥发性的酸酐从其盐中置换出来
E．未参加氧化还原反应
题组二 二氧化碳与弱酸盐溶液反应的规律
3．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（ ）
选项
操作及现象
溶液
A
通入CO2，溶液变浑浊，再升温至65℃以上，溶液变澄清
C6H5ONa溶液
B
通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失
Na2SiO3溶液
C
通入CO2，溶液变浑浊，再加入品红溶液，红色褪去
Ca（ClO）2溶液
D
通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失，再加入足量NaOH溶液，又变浑浊
Ca（OH）2溶液
4．下列实验过程中，始终无明显现象的是（ ）
A．NH3通入FeSO4溶液中B．AlCl3溶液中滴入NaHCO3溶液
C．CO2通入CaCl2溶液中D．向饱和碳酸钠溶液中通入过量的CO2
【反思归纳】
熟记可用CO2制取的弱酸
碳酸酸性比硅酸、次氯酸、苯酚、偏铝酸等强，将CO2气体通入Na2SiO3、NaClO、
、NaAlO2盐溶液中，均能发生反应而生成相应的弱酸和碳酸（氢）盐，这是“强酸制弱酸”原理的应用。
如：
CO2—
CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓（或CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H4SiO4↓＋Na2CO3）
CO2＋Ca（ClO）2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO
CO2＋
＋H2O―→
＋NaHCO3
CO2（过量）＋NaAlO2＋2H2O===Al（OH）3↓＋NaHCO3
CO2（少量）＋2NaAlO2＋3H2O===2Al（OH）3↓＋Na2CO3
易错警示：
CO2通入CaCl2或BaCl2溶液不会产生白色沉淀，因为碳酸的酸性弱于盐酸。
题组三 CO2与碱溶液反应产物的定量判断
5．标准状况下，将3.36LCO2气体通入200mL1.00mol·L－1NaOH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
6．向含有0.2molNaOH和0.1molBa（OH）2的溶液中持续稳定地通入CO2气体，当通入气体为8.96L（0℃，1.01×105Pa）时立即停止，则这一过程中，溶液中离子的物质的量与通入CO2气体的体积关系图像正确的是（气体的溶解和离子的水解忽略不计）（ ）
【思维建模】
1．反应顺序的判断
当有多种组分与一种物质反应时，判断反应顺序的方法：
先假设与其中的一种组分反应，若产物还能与另一种组分反应，则假设错误。
如：
将CO2通入KOH、Ba（OH）2混合溶液中，假设CO2先与KOH反应，则生成的K2CO3会与Ba（OH）2继续反应生成BaCO3，故假设错误，应该是CO2先与Ba（OH）2反应。
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＋H2O
CO2＋NaOH===NaHCO3
当n（OH－）∶n（CO2）的值不同时产物如下：
考点三 硅酸及硅酸盐
1．硅酸
硅酸不溶于水，其酸性比碳酸弱，硅酸不能（填“能”或“不能”）使紫色石蕊试液变红色。
（1）硅酸不稳定，受热易分解：
H2SiO3
SiO2＋H2O。
（2）硅酸能与碱溶液反应，如与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。
（3）硅酸在水中易聚合形成胶体。
硅胶吸附水分能力强，常用作干燥剂。
2．硅酸盐
（1）概念：
由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。
（2）表示方法：
硅酸盐矿物的成分复杂，多用氧化物的形式表示它们的组成，如硅酸钠（Na2SiO3）写成Na2O·SiO2，钾云母（KH2Al3Si3O12）写成K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O。
（3）硅酸钠（Na2SiO3）
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它能与酸性较硅酸强的酸反应，化学方程式分别为
与盐酸反应：
Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
与CO2水溶液反应：
Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。
③用途：
黏合剂（矿物胶），耐火阻燃材料。
3．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（见必修1课件）。
（2）新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。
题组一 无机非金属材料的组成和性质
1．世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：
“中国至少在距今3000年以前，就已经使用玻璃了。
”下列有关玻璃的说法不正确的是（ ）
A．制普通玻璃的原料主要是石灰石和黏土
B．玻璃在加热熔化时没有固定的熔点
C．普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅
D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起
2．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·H2O
D．1mol青石棉能使1molHNO3被还原
3．开发新材料是现代科技发展的方向之一。
下列有关材料的说法正确的是（ ）
A．氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料
B．C60属于原子晶体，用于制造纳米材料
C．纤维素乙酸酯属于天然高分子材料
D．单晶硅常用于制造光导纤维
【误区警示】
（1）不要混淆二氧化硅和硅的用途
用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。
（2）水晶、石英、玛瑙的主要成分是SiO2；珍珠的主要成分是CaCO3；钻石是金刚石；宝石的主要成分是Al2O3。
题组二 碳、硅及其化合物的综合推断
4．A、B、C、D、E五种物质中均含有同一种非金属元素，它们能发生如图所示的转化关系，该元素（用R表示）的单质能与NaOH溶液反应生成盐（Na2RO3）和氢气。
请回答下列问题：
（1）写出各物质的化学式：
A__________；B__________；C__________；D__________；E__________。
（2）写出反应①的化学方程式：
__________________________________________，
该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为________。
（3）写出反应④的离子方程式：
_________________________________________。
（4）写出反应⑤的离子方程式：
__________________________________________。
（5）H2CO3的酸性强于E的，请用离子方程式予以证明：
_____________________________________________________________________。
【思维建模】
（1）解答无机推断题的思维模型
（2）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”。
1．判断正误，正确的划“√”，错误的划“×”
（1）SiO2有导电性，所以SiO2可用于制备光导纤维
（2）单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料
（3）合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料
（4）变色硅胶干燥剂含有CoCl2，干燥剂呈蓝色时，表示不具有吸水干燥功能
（5）硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中
（6）SiO2与酸、碱均不反应
（7）向一定浓度的Na2SiO3溶液中通入适量CO2气体，出现白色沉淀，则H2SiO3的酸性比H2CO3的酸性强
（8）水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂
2．（2011·海南，9改编）“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）。
下列有关该方法的叙述中正确的是（ ）
①能耗大是该方法的一大缺点
②整个过程中，只有一种物质可以循环利用
③“反应分离”环节中，分离物质的基本操作是蒸发结晶、过滤
④该方法可减少碳排放，捕捉到的CO2还可用来制备甲醇等产品
A．①②B．②③C．③④D．①④
3．[2009·浙江理综，28
（1）
（2）（3）]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：
物质
SiCl4
BCl3
AlCl3
FeCl3
PCl5
沸点/℃
57.7
12.8
－
315
－
熔点/℃
－70.0
－107.2
－
－
－
升华温度/℃
－
－
180
300
162
请回答下列问题：
（1）写出装置A中发生反应的离子方程式：
_______________________________________________。
（2）装置A中g管的作用是__________________；装置C中的试剂是__________；装置E中的h瓶需要冷却的理由是________________________________________________________________。
（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）。
1．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
2．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
3．下列叙述正确的是（ ）
A．高温下二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，说明硅酸（H2SiO3）的酸性比碳酸强
B．陶瓷、玻璃、水泥容器都能贮存氢氟酸
C．石灰抹墙、水泥砌墙的硬化过程原理相同
D．玻璃窑中出来的气体的主要成分是二氧化碳
4．向一定浓度的下列物质澄清溶液中通入过量的CO2气体，最后肯定没有沉淀生成的是（ ）
①Ca（OH）2 ②Na2CO3 ③CaCl2 ④Ca（ClO）2
A．①③④B．②③④C．①②③D．①②③④
5．在①浓硝酸 ②水 ③浓硫酸 ④氢氟酸 ⑤氢氧化钾溶液中，能与单质硅起化学反应的是（ ）
A．①②B．②④C．④⑤D．③④
6．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．都是酸性氧化物，都能与强碱溶液反应
C．都能溶于水且与水反应生成相应的酸
D．SiO2可用于制光导纤维，干冰可用于人工降雨
7．下列说法中正确的是（ ）
A．CO2和CH4都是引起“温室效应”的气体B．CO2和SO2都是产生酸雨的气体
C．使用天然气可避免CO2的排放D．CO2是一种有害而无益的气体
8．用足量的CO还原13.7g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8.0g，则此铅氧化物的化学式是（ ）
A．PbOB．Pb2O3C．Pb3O4D．PbO2
9．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（ ）
10．金刚砂（SiC）可由SiO2和碳在一定条件下反应制得，反应方程式为SiO2＋3C
SiC＋2CO↑，下列有关制造金刚砂的说法中正确的是（ ）
A．该反应中的氧化剂是SiO2，还原剂为C
B．该反应中的氧化产物和还原产物的物质的量之比为1∶2
C．该反应中转移的电子数为12e－
D．该反应中的还原产物是SiC、氧化产物是CO，其物质的量之比为1∶2
11．如图所示物质的转化关系中，A是一种固体单质，E是一种白色沉淀。
请回答下列问题：
（1）B的化学式是____________，目前B已被用作______________的主要原料。
（2）B和a溶液反应的离子方程式是___________________________________。
（3）A和a溶液反应的离子方程式是___________________________________。
（4）C和过量的盐酸反应的离子方程式是_______________________________。
审题分析：
本题应抓住框图中的转化关系，以题设条件C＋过量盐酸―→E（白色沉淀）为突破口进行推断，并结合已有知识进行设定与推测。
12．世博会中国馆——“东方之冠”由钢筋混凝土、7000多块红色铝板和1200多块玻璃等建成。
（1）铝________（填“是”或“不是”）红色的，铝板和玻璃均易被烧碱腐蚀，原因是__________________
____________________________、__________________________________（用化学方程式表示）。
（2）生产硅酸盐水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是____________。
（3）石英玻璃化学稳定性强、膨胀系数小，是一种特种玻璃，石英玻璃的主要成分是____________；有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）实际上不是硅酸盐材料，而是一种__________（选填“橡胶”、“纤维”或“塑料”）。
13．（2010·上海，26）CaCO3广泛存在于自然界，是一种重要的化工原料。
大理石主要成分为CaCO3，另外有少量的含硫化合物。
实验室用大理石和稀盐酸反应制备CO2气体。
下列装置可用于CO2气体的提纯和干燥。
完成下列填空：
（1）用浓盐酸配制1∶1（体积比）的稀盐酸（约6mol·L－1），应选用的仪器
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