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- 2021-07-05 发布
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第章 材料家族中的元素
第1节 硅 无机非金属材料
考纲定位
全国卷5年考情
1.掌握硅单质及其重要化合物的主要性质及应用。
2.了解硅单质及其重要化合物对环境质量的影响。
3.了解常见的无机非金属材料。
4.了解硅及其重要化合物的制备方法。
2017年:Ⅱ卷T26(2);Ⅲ卷T27(2)
2016年:Ⅲ卷T7(D)
2015年:Ⅱ卷T7(A)
2014年:Ⅰ卷T8(A、C)、T13(D);Ⅱ卷 T7(D)、T10(C)
2013年:Ⅰ卷T7(D);Ⅱ卷T9(B)、T10(C)
考点1| Si、SiO2的性质及应用
(对应学生用书第76页)
[考纲知识整合]
1.硅元素的原子结构与存在
硅元素在地壳中含量为第二位,在周期表中位置为第3周期ⅣA族,原子结构示意图为,在自然界中只以化合态形式存在,主要存在形式为SiO2和硅酸盐。
2.单质硅与半导体材料
(1)Si的物理性质
单质硅有晶体硅和无定形硅两大类,晶体硅为灰黑色固体,有金属光泽,熔点高、硬度大,有脆性。
(2)硅的化学性质
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。
(3)工业制备纯硅(写出有关化学方程式)
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。 (2)Si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。
3.二氧化硅与光导纤维
(1)二氧化硅
①存在
在自然界中主要存在:沙子、石英、水晶。
②物理性质:熔点高,硬度大。
③化学性质
④用途
制造电子部件、光学仪器、光导纤维,生产水泥、玻璃等硅酸盐产品,水晶可制作饰品。
(2)光导纤维
光导纤维是高性能的现代通讯材料,又可用于能量传输、信息处理、遥测遥控和医疗器械制造等方面。
提醒:SiO2既能与HF反应,又能与NaOH溶液反应,但SiO2不是两性氧化物。
[高考命题点突破]
命题点1 硅及其氧化物的主要性质及应用
1.下列说法正确的是________(填序号)。
(1)(2016·全国Ⅲ卷)因为HF与SiO2反应,故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记
(2)(2016·江苏高考)下列转化在一定条件下能够实现:SiO2SiCl4Si
(3)Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→SiO均能一步转化
(4)(2016·上海高考)用NaOH溶液不能分离氧化铁中混有的二氧化硅
(5)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O体现了SiO2为酸性氧化物的性质
(6)硅的最高价氧化物可用于制造光导纤维,光导纤维能导电
(7)(2015·安徽高考)SiO2既能和NaOH溶液反应,又能和氢氟酸反应,所以是两性氧化物
(8)(2014·海南高考)Si和SiO2都用于制造光导纤维
(9)(2013·广东高考)SiO2可与HF反应,因而氢氟酸不能保存在玻璃瓶中
(10)存放NaOH溶液的试剂瓶应用橡皮塞,不用玻璃塞的理由是玻璃中含有的SiO2与NaOH溶液反应生成Na2SiO3
【答案】 (1)(5)(9)(10)
2.(2018·临沂模拟)据报道,科学家通过对稻壳进行控制性焚烧热解,从中提取一种叫作生物质纳米结构二氧化硅的超高活性材料,将少量这种材料掺入混凝土中,即可制备出超高强度的高性能混凝土。下列关于二氧化硅的说法正确的是( )
A.二氧化硅溶于水生成硅酸,所以二氧化硅属于酸性氧化物
B.将二氧化碳通入硅酸钠溶液中可以得到硅酸
C.因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳,所以硅酸的酸性比碳酸强
D.水晶是比较纯净的二氧化硅,沙子的主要成分是硅酸盐
B [A项,SiO2与H2O不反应;C项,H2SiO3酸性比H2CO3弱;D项,沙子的主要成分为SiO2。]
[易错防范] SiO2的特性认识误区
(1)一般情况下,碱性氧化物与酸反应,酸性氧化物与碱反应,不与酸反应,但SiO2是酸性氧化物,却能与氢氟酸反应:SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O,所以不能用玻璃容器盛放氢氟酸,可以用氢氟酸刻蚀玻璃。,(2)一般情况下,酸性氧化物与水反应能生成相应的酸,如CO2+H2OH2CO3,但SiO2不溶于水,不与水反应。,(3)一般情况下,因为碳酸的酸性比硅酸强,可发生反应,如Na2SiO3+CO2+H2O===H2SiO3↓+Na2CO3,即符合“较强酸制较弱酸”的复分解反应规律。而SiO2与Na2CO3、CaCO3高温可以发生反应:Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑(原理是:难挥发性物质制备易挥发性物质)。
命题点2 硅的实验室制备探究
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.高温下用焦炭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+3HClSiHCl3+H2;
Ⅲ.SiHCl3与过量H2在1 000~1 100 ℃时反应制得纯硅。
已知:SiHCl3能与H2O剧烈反应,在空气中易自燃。
请回答下列问题: 【导学号:95160073】
(1)第Ⅰ步制备粗硅的化学方程式为______________________________
________________________________________________________________。
(2)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(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___________________________________________________
________________________________________________________________________。
④SiHCl3的电子式为________,SiHCl3与H2O反应的化学方程式为____________________________。
【解析】 (1)常用C和SiO2反应制备粗硅,反应的化学方程式为SiO2+2C,Si+2CO↑。
(2)①SiHCl3与水发生剧烈反应,因此要避免水进入装置,因此装置B中盛放浓硫酸,吸收H2中混有的水蒸气;装置C中的烧瓶需要加热是为了使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化进入石英管反应。②装置D中发生反应:SiHCl3+H2,Si+3HCl,有灰黑色固体物质生成。③氢气是可燃性气体,与氧气混合容易发生爆炸,因此要排尽装置中的空气。④参考SiCl4的结构,SiHCl3的电子式为;已知SiHCl3与水剧烈反应,在空气中易自燃,说明反应产生可燃性气体:SiHCl3+3H2O===H2SiO3↓+3HCl+H2↑。
【答案】 (1)SiO2+2C,Si+2CO↑
(2)①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化进入石英管反应
②有灰黑色固体物质生成 SiHCl3+H2,Si+3HCl
③排尽装置中的空气
④ SiHCl3+3H2O===H2SiO3↓+3HCl+H2↑(或SiHCl3+4H2O===H4SiO4↓+3HCl+H2↑)
[思维建模] 工业制硅的一般流程
考点2| 硅酸及其盐和无机非金属材料
(对应学生用书第78页)
[考纲知识整合]
1.硅酸的性质、制备与应用(写出有关的化学方程式)
提醒:硅胶制备
硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶,经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶,称为硅胶。
2.硅酸盐
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。
(1)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SO2的水溶液反应的离子方程式:
SiO+SO2(少量)+H2O===H2SiO3↓+SO。
③用途:黏合剂(矿物胶),耐火阻燃材料。
(2)硅酸盐的组成
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(K2Al2Si6O16)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。
提醒:
(1)氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构,切不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的。 (2)硅酸盐大多难溶于水,常见可溶性硅酸盐是硅酸钠,其水溶液称为泡花碱或水玻璃,但却是盐溶液。硅胶(mSiO2·nH2O)是一种很好的无毒干燥剂。
3.无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料
水泥
玻璃
陶瓷
生产原料
黏土、石灰石
纯碱、石灰石、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)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。
(3)特殊功能的含硅物质
①碳化硅具有金刚石结构,可用作磨料。
②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。
③硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。
提醒:玻璃生产中的两个重要反应:
Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑;
CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑。
[高考命题点突破]
命题点1 硅酸及其盐和无机非金属材料
1.下列说法正确的是________(填序号)。
(1)(2015·全国Ⅱ卷)硅胶可用作食品干燥剂
(2)(2014·全国Ⅰ卷)如图:①中为浓硝酸,②中为Na2CO3,③中为Na2SiO3溶液,可证明酸性:硝酸>碳酸>硅酸
(3)(2012·全国卷)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料
(4)陶瓷、水晶、水泥、玻璃都属于硅酸盐
(5)(2016·四川高考)硅胶作袋装食品的干燥剂的过程中没有发生化学变化
(6)(2016·四川高考)pH=2的溶液中可能大量存在Na+、NH、SiO
(7)(2016·江苏高考)向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸的离子方程式:Na2SiO3+2H+===H2SiO3↓+2Na+
(8)(2015·山东高考)向Na2SiO3溶液中通入过量SO2的离子方程式:SiO+SO2+H2O===H2SiO3↓+SO
(9)(2015·重庆高考)烧结黏土制陶瓷,不涉及化学反应
【答案】 (1)(5)
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HNO3溶液处理时,还原产物只有NO,下列说法不正确的是( )
【导学号:95160074】
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.1 mol青石棉能使1 mol HNO3被还原
B [青石棉是一种硅酸盐,硅元素以盐的形式存在,不含有SiO2晶体。]
[方法技巧] 硅酸盐氧化物形式的表示方法)
(1)氧化物的一般书写顺序:活泼金属氧化物―→较活泼金属氧化物―→二氧化硅―→水。(2)氧化物前系数的配置原则:除氧元素外,其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数,且不同氧化物间以“·”隔开。(3)当系数配置出现分数时一般应化为整数。如正长石:KAlSi3O8将K2O·Al2O3·3SiO2,写成K2O·Al2O3·6SiO2,但原子个数比不变。
命题点2 硅及其化合物的转化关系及应用
3.SiO2是一种化工原料,可以制备一系列物质。下列说法正确的是 ( )
A.图中所有反应都不属于氧化还原反应
B.硅酸盐的化学性质稳定,常用于制造光导纤维
C.可用盐酸除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙
D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的,其熔点很高
C [图中SiO2与CaO、CaCO3、Na2CO3反应不属于氧化还原反应,SiO2与C、Si与Cl2、SiCl4与H2的反应属于氧化还原反应,A错误;光导纤维的主要成分是SiO2而不是硅酸盐,B错误;玻璃没有固定的熔点,D错误。]
4.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:_______________________________________
________________________________________________________________________。
(4)(2017·全国Ⅱ卷)D不溶于强酸但可与一种弱酸反应,该反应的化学方程式为_________________________________________________________
________________________________________________________________________。
【解析】 由题意知:A为Si,B为Na2SiO3,C为H2SiO3,D为SiO2。
【答案】 (1)硅酸钠 硅酸 (2)SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O (3)SiO+H2O+CO2===CO+H2SiO3↓
(4)SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
[题后归纳] 硅及其化合物之间的常见转化关系)
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