硅.docx

硅.docx

《硅.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硅.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

硅

碳、硅及其化合物

【知识梳理】

1、本考点知识结构：

2、碳族元素：

①碳族元素的特征：

碳族元素原子最外层电子数为4，既不容易失去电子，又不容易得到电子，易形成共价键，难形成离子键。

碳族元素形成的单质在同周期中硬度最大，熔沸点最高（如金刚石、晶体硅）。

②碳族元素的化合价：

碳族元素的主要化合价有+2，+4，其中铅+2价稳定，其余元素+4价稳定。

③碳族元素的递变规律：

从上到下电子层数增多，原子半径增大，原子核对最外层电子的吸引能力减弱，失电子的能力增强，从上到下由非金属递变为金属的变化非常典型。

其中碳是非金属，锡、铅是金属，硅、锗是半导体材料。

④碳族元素在自然界里的存在：

自然界里碳有游离态和化合态两种；硅在地壳里无游离态，主要以含氧化合物的形式存在。

⑤几种同素异形体：

碳：

金刚石、石墨、C60、C70等；硅：

晶体硅，无定形硅。

3、碳：

在常温下碳很稳定，只在高温下能发生反应，通常表现为还原性。

①燃烧反应

②与某些氧化物的反应：

C＋CO2

2CO；C＋2CuO

CO2↑＋2Cu；

C＋H2O

CO＋H2O（CO、H2的混合气体叫水煤气）；

2C+SiO2

Si+2CO↑

③与氧化性酸反应：

C＋2H2SO4（浓）

CO2↑＋2SO2↑＋2H2O；

C＋4HNO3（浓）

CO2↑＋4NO2↑＋2H2O

4、一氧化碳：

不溶于水，有毒（CO和血红蛋白结合，使血红蛋白无法和O2结合，而使细胞缺氧引起中毒），但由于CO无色无味因此具有更大的危险性。

①可燃性

②还原性：

CO+CuO

CO2＋Cu，CO+H2O（g）

CO2+H2O

5、二氧化碳：

直线型（O＝C＝O）非极性分子，无色能溶于水，密度大于空气，可倾倒，易液化。

固态CO2俗称干冰，能升华，常用于人工降雨。

实验室制法：

CaCO3＋2HCl＝CaCl2＋CO2↑＋H2O。

①酸性氧化物一—酸酐

Ca（OH）2＋CO2＝CaCO3↓＋H2O（用于检验CO2）

②氧化性：

CO2＋C

2CO；2Mg＋CO2

2MgO＋C

6、碳酸盐：

①溶解性：

Ca（HCO3）2>CaCO3；Na2CO3>NaHCO3。

②热稳定性：

Na2CO3>CaCO3；碱金属正盐>碱金属酸式盐:

Na2CO3>NaHCO3。

③相互转化：

碳酸正盐

碳酸酸式盐（除杂用）

7、硅：

①硅在地壳中只有化合态，没有游离态。

其含量在地壳中居第二，仅次于氧，是构成矿物和岩石的主要成分。

②晶体硅是灰黑色，有金属光泽，硬而脆的固体，是半导体，具有较高的硬度和熔点。

③硅的化学性质不活泼，常温下，只能与氟气、氢氟酸及强碱溶液反应:

Si+2F2＝SiF4、Si+4HF＝SiF4+2H2↑、Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑；在加热条件下，能与氧气、氯气等少数非金属单质化合：

Si＋O2

SiO2。

④制备：

在电炉里用碳还原二氧化硅先制得粗硅：

SiO2＋2C

Si＋2CO↑，将制得的粗硅，再与C12反应后，蒸馏出SiCl4，然后用H2还原SiCl4可得到纯硅。

有关的反应为：

Si十2C12

SiCl4、SiCl4+2H2

Si+4HCl。

⑤硅在高新技术中的应用：

高纯硅可作半导体材料，晶体硅还可做光电转换材料及制作DNA芯片为代表的生物工程芯片。

8、二氧化硅：

①SiO2为原子晶体，是一种坚硬难熔的固体，硬度、熔点都很高。

而CO2通常状况下是气体，固体熔点很低。

其差别在于晶体类型不同。

CO2是分子晶体，故熔点很低。

②二氧化硅的化学性质很稳定，不能跟酸（氢氟酸除外）发生反应。

由于它是一种酸性氧化物，所以能跟碱性氧化物或强碱反应。

SiO2+CaOCaSiO3、SiO2+2NaOH＝Na2SiO3+H2O（碱溶液不能在使用磨口玻璃塞的试剂瓶中）。

③二氧化硅是一种特殊的酸性氧化物。

a．酸性氧化物大都能直接跟水化合生成酸，但二氧化硅却不能直接跟水化合，它的对应水化物（硅酸）只能用相应的可溶性硅酸盐跟盐酸作用制得：

首先让SiO2和NaOH（或Na2CO3）在熔化条件下反应生成相应的硅酸钠：

SiO2＋2NaOH

Na2SiO3＋H2O，SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2，然后用酸与硅酸钠作用制得硅酸：

Na2SiO3+2HCl===H2SiO3+2NaCl。

b．酸性氧化物一般不跟酸作用，但二氧化硅却能跟氢氟酸起反应：

SiO2+4HF＝SiF4+2H2O（氢氟酸不能盛放在玻璃容器中）。

④光导纤维：

从高纯度的SiO2或石英玻璃熔融体中，拉出的直径约100μm的细丝，称为石英玻璃纤维，这种纤维称为光导纤维。

光纤通信是一种新技术，它将光信号在光导纤维中进行全反射传播，取代了电信号在铜线中的传播，达到两地通信的目的。

光纤通信优点：

信息传输量大，每根光缆可同时通过10亿路电话；原料来源广；质量轻，每千米27克；不怕腐蚀，铺设方便；抗电磁干扰，保密性好。

⑤石英、水晶及其压电效应

石英的主要成分是SiO2,可用来制造石英玻璃。

石英晶体中有时含有其他元素的化合物,它们以溶解状态存在于石英中,呈各种颜色。

。

纯净的SiO2晶体叫做水晶,它是六方柱状的透明晶体,是较贵重的宝石。

水晶或石英在受压时能产生一定的电场,这种现象被称为“压电效应”。

后来这种“压电效应”被应用在电子工业及钟表工业和超声技术上。

。

9、硅酸和硅胶：

①硅酸：

硅酸有多种形式，如H4SiO4、H2SiO3、H2Si2O5等。

一般用通式xSiO2·yH2O表示，由于“H2SiO3”分子式最简单，习惯采用H2SiO3作为硅酸的代表。

②硅酸酸性比碳酸还弱，由下列反应可证明：

Na2SiO3+CO2+H2O＝H2SiO3↓+Na2CO3

③硅胶：

刚制得的硅酸是单个小分子，能溶于水，在存放过程中，它会逐渐失水聚合，形成各种多硅酸，接着就形成不溶于水，但又暂不从水中沉淀出来的“硅溶胶”。

如果向硅溶胶中加入电解质，则它会失水转为“硅凝胶”。

把硅凝胶烘干可得到“硅胶”。

烘干的硅胶是一种多孔性物质，具有良好的吸水性。

而且吸水后还能烘干重复使用，所以在实验室中常把硅胶作为作为干燥剂。

10、硅及其化合物的“反常”

①Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：

SiO2＋2C

Si＋2CO↑

②非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si却放出H2：

Si+2NaOH+H2O＝Na2SiO3+2H2↑

③非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：

Si+4HF＝SiF4+2H2↑

④非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。

⑤SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备H2SiO3。

⑥酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：

SiO2+4HF＝SiF4+2H2O

⑦无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水。

⑧因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通人CO2能发生下列反应：

Na2SiO3+CO2+

H2O＝H2SiO3↓+Na2CO3，但在高温下SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑也能发生。

⑨Na2SiO3的水溶液称水玻璃，但它与玻璃的成分大不相同，硅酸钠水溶液（即水玻璃）称泡花碱，但它却是盐的溶液，并不是碱溶液。

11、硅酸盐：

①硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，其结构复杂，组成可用氧化物的形式表示。

例如：

硅酸钠Na2SiO3（Na2O·SiO2）；镁橄榄石Mg2SiO4（2MgO·SiO2）；高岭石Al2（Si2O5）（OH）4（A12O3·2SiO2·2H2O）

②云母、滑石、石棉、高岭石等，它们都属于天然的硅酸盐。

③人造硅酸盐：

主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。

④硅酸盐制品性质稳定，熔点较高，难溶于水，有很广泛的用途。

最简单硅酸盐是硅酸钠，其水溶液俗称水玻璃，是一种矿物胶，可作粘合剂，防腐剂。

12、水泥、玻璃、陶瓷：

①普通水泥的主要成分是硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）和铝酸三钙（3CaO·Al2O3），水泥具有水硬性，水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。

②制玻璃的主要原料是纯碱、石灰石和石英，主要反应是：

SiO2+Na2CO3

Na2SiO3+CO2↑、SiO2+CaCO3

CaSiO3+CO2↑，玻璃是无固定熔点的混合物。

加入氧化钴后的玻璃呈蓝色，加入氧化亚铜后的玻璃呈红色，普通玻璃一般呈淡绿色，这是因为原料中混有二价铁的缘故。

③制造陶瓷的主要原料是黏土，黏土的主要成分：

Al2O3·2SiO2·2H2O。

13、无机非金属材料：

无机非金属材料包含除传统陶瓷外的各种性能优异的精细陶瓷：

耐高温的二氧化锆（ZrO2）陶瓷、高熔点的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷；透明的氧化铝、砷化镓（GaAs）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）、氟化镁（MgF2）、氟化钙（CaF2）等氧化物或非氧化物陶瓷；生物陶瓷；超细微粉体粒子制造的纳米陶瓷等。

【实例分析】

【例1】（2010全国卷1）下面关于SiO2晶体网状结构的叙述正确的是

A．存在四面体结构单元，O处于中心，Si处于4个顶角

B．最小的环上，有3个Si原子和3个O原子

C．最小的环上，Si和O原子数之比为1：

2

D．最小的环上，有6个Si原子和6个O原子

【解析】二氧化硅是原子晶体，结构为空间网状，存在硅氧四面体结构，硅处于中心，氧处于4个顶角所以A项错误；在SiO2晶体中，每6个Si和6个O形成一个12元环（最小环），所以D对，B、C都错误！

【答案】D

【命题意图】考查学生的空间想象能力，和信息迁移能力，实际上第三册课本第一单元里面有结构图！

【点评】怎样理解SiO2的结构，可从晶体硅进行转化，晶体硅与金刚石结构相似，只需将C原子换成Si原子即可，课本上有我直接拿来用，再将Si-Si键断开，加入氧即可，见：

但是若将题目中B、B、D三个选项前面分别加上“平均每个”，则本题的答案就又变了，这时就要应用均摊法了，由于每个Si原子被12个环所共用，每个O原子被6个环所共用，每个Si-O键被6个环所共用，则均摊之后在每个环上含有0.5个Si，1个O，2个Si-O键，此时则B、D错误，C正确了，也即在1molSiO2中含有4molSi-O键（这是我们经常考的）。

【例2】（江苏省扬州市2010届高三四模）多晶硅（硅单质的一种）被称为“微电子大厦的基石”，制备中副产物以SiCl4为主，它对环境污染很大，能遇水强烈水解，放出大量的热。

研究人员利用SiCl4水解生成的盐酸和钡矿粉（主要成份为BaCO3，且含有钙、铁、镁等离子）制备BaCl2·2H2O，工艺流程如下。

已知常温下Fe3+、Mg2+完全沉淀的pH分别是：

3.4、12.4。

（1）SiCl4水解控制在40℃以下的原因是。

已知：

SiCl4（s）+H2（g）=SiHCl3（s）+HCl（g）ΔH1=47kJ/mol

SiHCl3（s）+H2（g）=Si（s）+3HCl（g）ΔH2=189kJ/mol

则由SiCl4制备硅的热化学方程式为。

（2）加钡矿粉时生成BaCl2的离子反应方程式是。

（3）加20%NaOH调节pH=12.5，得到滤渣A的主要成分是，控制温度70℃的目的是。

（4）BaCl2滤液经蒸发浓缩、降温结晶、过滤，再经真空干燥后得到·2H2O。

实验室中蒸发浓缩用到的含硅酸盐的仪器有种。

（5）为体现该工艺的绿色化学思想，该工艺中能循环利用的物质是。

【答案】

（1）防止HCl挥发污染环境或控制SiCl4的水解速率，防止反应过于剧烈。

SiCl4（s）+2H2（g）=Si（s）+4HCl（g）ΔH=236kJ/mol（4分）

（2）BaCO3+2H+=Ba2++CO2+H2O↑（2分）

（3）Mg（OH）2、Ca（OH）2，

确保钙离子完全除去（或温度越高，Ca（OH）2溶解度越小）。

（2分）

（4）3（2分）

（5）BaCl2溶液（2分）

【一课一练】

一、选择题（本题包括12小题，每小题4分，共48分）

1.（浙江省绍兴一中2010届高三上学期期末调研）2009年10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2009年物理诺贝尔奖授予英籍华裔科学家高锟，表彰他在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得的突破性成就。

光导纤维的主要成分是（）

A．SiB．SiO2C．H2SiO3D．Na2SiO3

2.（山东省聊城一中2010届高三期末考试）氮化硅（SiN4）是一种新型陶瓷材料，它可由石英与焦炭在高温的氮气流中，通过以下反应制得：

3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO。

下列叙述正确的是（）

A．在氮化硅的合成反应中，N2是还原剂，SiO2是氧化剂

B．上述反应中每生成1molSi3N4，N2得到12mol是电子

C．若已知上述反应为放热反应，升高温度，其平衡常数增大

D．若使压强增大，上述平衡向正反应方向移动

3.（河南省内乡一高2010届高三第一次月考）制取下列物质时，不需用石灰石作原料的是（　　）　

A．硅酸　　　B．水泥　　C．玻璃　　D．生石灰

4.（2010山东卷13）下列推断正确的是

A．SiO2是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应

B．Na2O、Na2O2组成元素相同，与CO2反应产物也相同

C．CO、NO、NO2都是大气污染气体，在空气中都能稳定存在

D．新制氯水显酸性，向其中滴加少量紫色石蕊试液，充分振荡后溶液呈红色

5．赛伦的化学通式为Si6－xAlxOxN8－x，以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等性能为主要特征，因此，在冶金、机械、光学、医学等领域有重要应用．它属于（　　）

A．金属材料B．有机高分子材料

C．新型无机非金属材料D．无机高分子材料

解析：

赛伦属于无机物，具备新型无机非金属材料的特征．

6．（2010·东城模拟）下列四种物质中，不能与水发生反应，但能与碱发生反应的是（　　）

A．Cl2B．CO2C．NOD．SiO2

解析：

A、B项均能与水、碱反应，C项不能与水、与碱反应．

7．（2010·南京模拟）下列有关Na2CO3溶液、Na2SiO3溶液的共同点的描述中不正确的是（　　）

A．水溶液均显碱性

B．滴入盐酸均有气泡产生

C．均能与CO2反应

D．均不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶保存

8．工业制造金刚砂（SiC）的化学方程式如下：

SiO2＋3C

SiC＋2CO↑.在这个氧化还原反应中，氧化剂和还原剂的物质的量之比是（　　）

A．3∶5B．1∶2C．2∶1D．1∶1

9．用4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，溶液不变浑浊．先通入CO2再通入氨气，溶液变浑浊

CaCl2溶液

B

通入CO2，溶液不变浑浊．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

10．下列离子方程式书写不正确的是（）

A．SiO2与烧碱溶液作用：

SiO2＋2OH－===SiO

＋H2O

B．向烧碱溶液中通入足量CO2：

CO2＋OH－===HCO

C．晶体硅与烧碱溶液作用：

Si＋2OH－＋H2O===SiO

＋2H2↑

D．CaCO3溶于稀硝酸中：

CO

＋2H＋===CO2↑＋H2O

11．下列事实中能证明碳的非金属性比硅强的是（　　）

①往Na2SiO3溶液中通入CO2产生白色沉淀　②石墨是导体，晶体硅是半导体　③制

玻璃过程中发生反应：

Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑　④CH4比SiH4稳定

A．①④B．②③C．③④D．①②

12．（2010·海淀模拟）北京奥运金牌“金玉合璧”（如图）上的环形玉是产自新疆的和田玉，和田玉是一种具有链状结构的含水钙镁硅酸盐．某种和田玉的化学成分为Ca2Mg3Fe2（Si4O11）2（OH）2，下列有关叙述中正确的是（　　）

A．将该和田玉的化学式改写成氧化物的形式表示如下：

2CaO·3MgO·Fe2O3·8SiO2·H2O

B．该和田玉能抵抗任何酸或碱的腐蚀

C．该和田玉中Fe的化合价为＋2价

D．该和田玉是由5种氧化物组成的混合物

1~3BBA

4.【解析】酸性氧化物能够跟碱反应，生成盐和水的氧化物，故A正确，因为2NaOH+SiO2=Na2SiO3+H2O,Na2O与CO2反应生成Na2CO3,Na2O2与CO2反应除生成Na2CO3外，还生成O2，故B错；NO在空气中会发生反应2NO+O2=NO2，故C错；因为新制氯水中含有HClO,故滴入少量的紫色石蕊的现象是先变红，后褪色，故D错。

【答案】A

5.C6.D

7.【解析】二者水解均呈碱性，故A、D正确，均能与CO2反应生成NaHCO3、H2SiO3，

B项Na2SiO3与盐酸反应生成H2SiO3，不能放出气泡．

【答案】B

8.【解析】在该反应中，3molC参加化学反应，生成1mol的Si

和2mol的

O，所以氧化剂与还原剂均为C，且物质的量之比为1∶2，B正确．

【答案】B

9.【解析】A项CaCl2溶液不与CO2反应，但通入NH3后溶液变为（NH4）2CO3可产生浑浊；

B项H2SiO3沉淀不溶于过量的CO2；C项生成的HClO漂白品红；D项CaCO3

Ca（HCO3）2

CaCO3.

【答案】B

10.【解析】SiO2与CO2均具有酸性氧化物的性质，均能与碱作用生成盐和水，但CO2过量时生成碳酸氢盐，故A、B正确；单质硅能与NaOH溶液作用生成Na2SiO3同时放出H2，C正确；D项中CaCO3难溶于水，应写化学式，D错误．

【答案】D

11.【解析】①说明酸性H2CO3＞H2SiO3；②③不能说明碳比硅的非金属性强．

【答案】A

12.【解析】A项应为2CaO·3MgO·2FeO·8SiO2·H2O，B项HF与之可反应，D项属于纯净物。

【答案】C

二、非选择题

13．（12分）A、B、C、D、E代表单质或化合物，它们之间的相互转换关系如图所示，A

为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质，其晶体结构与金刚石相似．

请填空：

（1）形成单质A的原子的结构示意图为________，它的最高化合价为________价．

（2）B的化学式（分子式）为________，B的晶体类型为____________，B和碳反应生成A

和E的化学方程式是__________________________________________________

________________________________________________________________________

（3）C的化学式（分子式）为________，D的化学式（分子式）为________.

【解析】根据“A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质”可确定A是Si单质，它可由SiO2和C在高温条件下反应制取．

【答案】

（1）

（2）SiO2　原子晶体　SiO2＋2C高温,Si＋2CO↑

（3）CaSiO3　Na2SiO3

14．（14分）含A元素的一种单质是一种重要的半导体材料，含A元素的一种化合物C可用于制造高性能的现代通讯材料——光导纤维，C与烧碱溶液反应生成含A元素的化合物D.

（1）在元素周期表中，A位于__________族，与A同族但相对原子质量比A小的元素B的原子结构示意图为________，A与B在原子的电子层结构上的相同点是__________________________.

（2）易与C发生化学反应的酸是________，反应的化学方程式是_____________________.

（3）将C与纯碱混合高温熔融时也发生化学反应生成D.同时还生成B的最高价氧化物

E；将全部的E与全部的D在足量的水中混合后，又发生化学反应生成含A的化合物

F.

①写出生成D和F的化学方程式：

_____________________________________

________________________________________________________________________.

②要将纯碱高温熔化，下列坩埚中不可选用的是________.

A．普通玻璃坩埚B．石英玻璃坩埚

C．氧化铝坩锅D．铁坩锅

（4）100gC与石灰石的混合物充分反应后，生成的气体在标准状况下的体积为11.2

L,100g混合物中石灰石的质量分数是______.

【解析】

（1）A元素单质可做半导体材料，含A元素的某化合物是制造光导纤维的原料，

可知A为硅元素，比硅相对原子质量小的同族元素为碳．

（2）C为SiO2，能与SiO2反应的酸只有氢氟酸．

（3）SiO2与Na2CO3高温下反应生成Na2SiO3和CO2，故含SiO2的材料、普通玻璃、石

英玻璃以及Al2O3等都能与Na2CO3在高温下反应，故不能用以上材质的坩埚熔融

Na2CO3.

（4）若SiO2恰好或过量，与CaCO3反应方程式只有一个，即CaCO3＋SiO2

CaSiO3

＋CO2↑.

若CaCO3过量，除发生上述反应外，还会发生反应：

CaCO3

CaO＋CO2↑.总之，

CaCO3的多少决定了CO2的产量，可通过以下关系式列式求解：

CaCO3～CO2

＝

，m（CaCO3）＝50g.

混合物中CaCO3的质量分数：

×100%＝50%.

【答案】

（1）ⅣA　最外层均有4个电子，最内层均有2个电子

（2）氢氟酸　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

（3）①SiO2＋Na2CO3

Na2SiO3＋CO2↑

Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓

②ABC　（4）50%