2019届一轮复习鲁科版硅无机非金属材料学案(1)

2019届一轮复习鲁科版硅无机非金属材料学案(1)

第4章 材料家族中的元素 第1节 硅 无机非金属材料 ‎1.了解硅单质及其重要化合物的制备方法，掌握其主要性质及其应用。‎ ‎2．了解硅单质及其重要化合物对环境的影响。‎ 考点一　硅及其氧化物的性质 ‎1．硅元素在自然界中的存在 在地壳中的含量：居第二位，自然界中存在形态：化合态，主要存在形式：二氧化硅和硅酸盐等。‎ ‎2．单质硅 单质硅有晶体硅和无定形硅(非晶硅)两种，其晶体结构与金刚石类似。‎ ‎(1)晶体硅的物理性质 色泽 硬度 熔沸点 导电性 灰黑色、有金属光泽 大 高 介于导体与绝缘体之间 ‎(2)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。‎ ‎(3)用途——半导体材料 制晶体管、集成电路、硅芯片、太阳能电池、硅合金等。‎ ‎(4)硅的工业制法及提纯 涉及的化学方程式：‎ ‎①SiO2＋2CSi＋2CO↑；‎ ‎②Si＋2Cl2SiCl4；‎ ‎③SiCl4＋2H2Si＋4HCl。‎ ‎[注意]　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。‎ ‎3．二氧化碳与二氧化硅的比较 物质 SiO2‎ CO2‎ 结构 空间立体网状，无单个分子 直线形，存在单个分子 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 与水 反应 不反应 CO2＋H2OH2CO3‎ 与酸 反应 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 不反应 与碱 反应 SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O 盛碱液的试剂瓶用橡皮塞 CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O 或CO2＋NaOH===NaHCO3‎ 与盐 反应 SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑、‎ SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑‎ Ca(ClO)2＋CO2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3‎ 与碱性 氧化物 反应 SiO2＋CaOCaSiO3‎ CO2＋Na2O===Na2CO3‎ 与碳 反应 SiO2＋2CSi＋2CO↑‎ CO2＋C2CO 用途 制光学仪器、石英玻璃、光导纤维 化工原料、灭火剂、制冷剂、人工降雨 ‎　　[注意]　①CO2与水反应生成H2CO3，但SiO2不溶于水，不能用SiO2与水反应制备硅酸。‎ ‎②虽然SiO2既能与酸(HF)反应，又能与碱(NaOH)反应，但SiO2不是两性氧化物。‎ ‎4．硅及其氧化物的特性 物质 一般规律 特性 Si 硅的还原性比碳强 SiO2＋2CSi＋2CO↑‎ 非金属单质与强碱反应一般不生成氢气 Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑‎ 非金属单质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 SiO2‎ 酸性氧化物一般与水反应生成相应的酸 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，碳酸酸性大于硅酸Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3‎ Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑‎ ‎[题点全练]‎ 题点(一)　硅及其氧化物的性质及应用 ‎1．(1)下列物质能与单质硅起化学反应的是________。‎ ‎①浓HNO3　②水　③浓H2SO4　④氢氟酸　⑤NaOH溶液　⑥氟气　⑦氯气 ‎(2)下列事实能说明非金属性：C>Si的是________。‎ ‎①硬度：金刚石>晶体硅　②熔沸点：SiO2>CO2　③酸性：H2CO3>H2SiO3　④稳定性：CH4>SiH4　⑤CO2通入Na2SiO3溶液中产生白色沉淀　⑥高温下，SiO2与Na2CO3反应　⑦相同条件下，碱性：Na2SiO3(aq)>Na2CO3(aq)‎ 答案：(1)④⑤⑥⑦　(2)③④⑤⑦‎ ‎2．依据SiO2的性质，选择下列试剂，除去括号中的杂质。‎ A．盐酸 B．NaOH溶液 粉末状混合物 选择的试剂 实验操作 ‎(1)‎ CaCO3(SiO2)‎ ‎(2)‎ SiO2(CaCO3)‎ ‎(3)‎ SiO2(Fe2O3)‎ ‎(4)‎ Fe2O3(SiO2)‎ 答案：(1)B　过滤　(2)A　过滤　(3)A　过滤　(4)B　过滤 题点(二)　硅的制备 ‎3．半导体工业中，有一句行话：“从沙滩到用户”，即由SiO2制取Si。制取过程中不涉及的化学反应是(　　)‎ A．2C＋SiO2Si＋2CO↑‎ B．SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O C．Si＋2Cl2△,SiCl4‎ D．SiCl4＋2H2高温,Si＋4HCl 解析：选B　工业制取纯硅的工艺流程为SiO2粗硅SiCl4纯硅，该工艺流程中不涉及SiO2与NaOH溶液的反应。‎ ‎4．高纯度晶硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料，它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：‎ SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)‎ 下列说法正确的是(　　)‎ A．步骤①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2↑‎ B．步骤①②③中生成或消耗1 mol Si，转移2 mol电子 C．二氧化硅能与氢氟酸反应，而硅不能与氢氟酸反应 D．SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸点67.6 ℃)，可通过蒸馏提纯SiHCl3‎ 解析：选D　A项，高温下SiO2与C反应生成Si和CO气体，即步骤①的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，错误；B项，步骤①中生成1 mol Si，转移4 mol电子，步骤②中生成1 mol SiHCl3，消耗1 mol Si，转移2 mol电子，步骤③中生成1 mol Si，转移2 mol电子，错误；C项，硅能与氢氟酸反应生成SiF4和氢气，错误；D项，SiHCl3和SiCl4的沸点相差较大，可以采用蒸馏的方法分离，正确。‎ 考点二　硅酸、硅酸盐及无机非金属材料 ‎1．硅酸 ‎2．硅酸盐 ‎(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。‎ ‎(2)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，不同氧化物间以“·”隔开。‎ ‎②各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。‎ ‎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。‎ ‎3．无机非金属材料 ‎(1)传统无机非金属材料 ‎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、石英 黏土 主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑 ‎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 材料类别 主要特性 示例 用途 高温结构陶瓷 能承受高温，强度高 氮化硅陶瓷 汽轮机叶片、轴承、永久性模具等 半导体陶瓷 具有电学特性 二氧化锡陶瓷 集成电路中的半导体 光学材料 具有光学特性 光导纤维 光缆通讯、医疗、照明等 生物陶瓷 具有生物功能 氧化铝陶瓷 人造骨骼、人造关节、接骨螺钉 ‎[题点全练]‎ 题点(一)　硅酸盐、无机非金属材料 ‎1．大多数物质的俗名是根据其特殊的物理性质或用途得来的。下列物质的俗名与化学式或用途不相符的一组是(　　)‎ 选项 俗名 主要成分(化学式)‎ 用途 A 石英 SiO2‎ 集成电路 B 纯碱 Na2CO3‎ 制备玻璃 C 水玻璃 Na2SiO3‎ 制备硅胶 D 铁红 Fe2O3‎ 用作油漆和涂料 解析：选A　石英主要用于生产玻璃和光导纤维等，晶体硅才用于制作集成电路。‎ ‎2．硅是构成无机非金属材料的一种主要元素，下列有关硅的化合物的叙述错误的是(　　)‎ A．氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料，其化学式为Si3N4‎ B．碳化硅(SiC)的硬度大，熔点高，可用于制作高温结构陶瓷和轴承 C．光导纤维是一种新型无机非金属材料，其主要成分为SiO2‎ D．二氧化硅为立体网状结构，其晶体中硅原子和硅氧单键个数之比为1∶2‎ 解析：选D　二氧化硅晶体中，1个Si原子连接4个O原子，1个O原子连接2个Si原子，晶体中Si原子与Si—O键个数之比为1∶4。‎ ‎3．(2018·洛阳模拟)胃舒平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 题点(二)　硅及其化合物之间的相互转化 ‎4．下列变化中，不能一步实现的是(　　)‎ A．Na2SiO3―→H2SiO3　　 B．H2SiO3―→SiO2‎ C．SiO2―→H2SiO3 D．SiO2―→Na2SiO3‎ 解析：选C　Na2SiO3H2SiO3；H2SiO3△,SiO2，SiO2NaOH,Na2SiO3，SiO2不与H2O反应，故不能一步转化为H2SiO3。‎ ‎5．如图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程，下列说法正确的是(　　)‎ A．SiO2属于两性氧化物 B．盛放Na2CO3溶液的试剂瓶用玻璃塞 C．硅胶吸水后可重复再生 D．图中所示的转化都是氧化还原反应 解析：选C　SiO2是酸性氧化物，A错误；Na2CO3溶液呈碱性，试剂瓶不能用玻璃塞，B错误；题图中有的转化不是氧化还原反应，例如SiO2与NaOH溶液的反应，D错误。‎ ‎[综合演练提能]　 ‎ ‎ [课堂真题练]‎ ‎1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。‎ ‎(1)(2017·江苏高考)由于SiO2硬度大，故可用于制造光导纤维(×)‎ ‎(2)(2017·江苏高考)下列转化能一步实现：‎ CaCO3CaOCaSiO3(√)‎ ‎(3)(2016·全国卷Ⅲ)因为HF与SiO2反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记(√)‎ ‎(4)(2016·江苏高考)下列转化在一定条件下能够实现：‎ SiO2SiCl4Si(×)‎ ‎(5)(2016·海南高考)石英砂可用于生产单晶硅(√)‎ ‎(6)(2016·上海高考)用NaOH溶液不能分离氧化铁中混有的二氧化硅(×)‎ ‎(7)(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(√)‎ ‎(8)(2016·四川高考)pH＝2的溶液中可能大量存在Na＋、NH、SiO(×)‎ ‎(9)(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＋(×)‎ ‎(10)(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(×)‎ ‎(11)(2015·重庆高考)烧结黏土制陶瓷，不涉及化学反应(×)‎ ‎2．(2015·海南高考)‎ 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________。‎ ‎(3)Z、X中共价键的类型分别是________、________。‎ 解析：Z为半导体单质，则Z是Si元素；Si可与氢氟酸反应，其氧化物为二氧化硅，根据反应的流程图可知，二氧化硅与Mg反应生成Mg2Si，Mg2Si与盐酸反应生成的Y为氢化物，则Y的分子式是SiH4，加热分解可得到Si单质。其余问题可解。‎ 答案：(1)氢氟酸　SiO2＋4Mg2MgO＋Mg2Si ‎(2)Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑　‎ ‎(3)非极性键　极性键 ‎[课下提能练]‎ ‎1．下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是(　　)‎ A．CO2、SiO2都能与碱及碱性氧化物反应 B．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸 C．SiO2可用来制作干燥剂，因SiO2可与水反应 D．CO2和SiO2都是由相应的分子构成的 解析：选A　CO2、SiO2都是酸性氧化物，都能与碱及碱性氧化物反应，故A正确；SiO2不溶于水，也不能和水反应生成硅酸，B不正确；硅胶可用作干燥剂，但SiO2不与水反应，C不正确；CO2是由分子构成的，SiO2是由Si、O原子直接构成的，D不正确。‎ ‎2．二氧化硅广泛存在于自然界中，在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。a～e是对①～⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行的判断，其中正确的是(　　)‎ ‎①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O ‎②SiO2＋2CSi＋2CO↑‎ ‎③SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O ‎④Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑‎ ‎⑤SiO2＋3CSiC＋2CO↑‎ a．反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗，用于刻蚀玻璃 b．反应②中SiO2表现出氧化性 c．反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性 d．反应④符合用难挥发性的酸酐制取易挥发性的酸酐的道理 e．反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应 A．ace　　　　　　　　　 B．bde C．cde D．ab 解析：选B　通常用氢氟酸来刻蚀玻璃，与之对应的反应是③，因此a、c判断错误；反应②是一个置换反应，其中SiO2被还原，表现出氧化性，b判断正确；反应④是一个复分解反应，用难挥发的SiO2制取易挥发的CO2，d判断正确；反应⑤中碳的化合价由0价变为－4和＋2价，硅的化合价和氧的化合价都没有改变，因此SiO2没有参加氧化还原反应，e判断正确。‎ ‎3．由下列实验事实得出的结论正确的是(　　)‎ A．由SiO2不能与水反应生成H2SiO3，可知SiO2不是酸性氧化物 B．由SiO2＋2CSi＋2CO↑，可知碳的非金属性大于硅 C．CO2通入Na2SiO3溶液产生白色沉淀，可知酸性H2CO3>H2SiO3‎ D．SiO2可与NaOH溶液反应，也可与氢氟酸反应，可知SiO2为两性氧化物 解析：选C　由Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，可知酸性：H2CO3>H2SiO3(强酸制弱酸)。‎ ‎4．(2018·邢台质检)将足量CO2气体通入水玻璃中，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．Na2SiO3　　　　　　 B．Na2CO3、Na2SiO3‎ C．Na2CO3、SiO2 D．SiO2‎ 解析：选A　将足量CO2气体通入水玻璃中，发生反应：2CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3，然后加热蒸干，高温灼烧时发生反应：H2SiO3H2O＋SiO2、2NaHCO3△,Na2CO3＋CO2↑＋H2O和Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，所以最后所得固体物质是Na2SiO3。‎ ‎5．(2018·漳州模拟)C、Si、S都是自然界中含量丰富的非金属元素，下列有关说法中正确的是(　　)‎ A．三种元素在自然界中既有游离态又有化合态 B．元素的＋4价氧化物都属于酸性氧化物，都能与碱反应而不能与任何酸反应 C．最低价的气态氢化物都具有还原性，易与O2发生反应 D．其最高价氧化物对应的水化物的酸性强弱：H2SO4>H2SiO3>H2CO3‎ 解析：选C　A项，硅元素在自然界中无游离态，错误；B项，SiO2‎ 能与氢氟酸反应，错误；C项，C、Si、S三种元素低价态气态氢化物分别为CH4、SiH4、H2S，都具有还原性，易与O2发生反应，正确；D项，酸性强弱顺序为：H2SO4>H2CO3>H2SiO3，错误。‎ ‎6．月球的矿产资源极为丰富，仅月球表层5 cm厚的沙土就含铁单质有上亿吨，月球上的主要矿物有辉石CaMgSi2O6、斜长石KAlSi3O8和橄榄石(Mg或Fe)2SiO4等，下列说法或分析不正确的是(　　)‎ A．辉石、斜长石及橄榄石均属于硅酸盐矿 B．斜长石的氧化物形式可表示为K2O·Al2O3·3SiO2‎ C．月球表层沙土中有游离态铁是因为月球的表面几乎没有氧气 D．橄榄石中铁为＋2价 解析：选B　斜长石的氧化物形式应为K2O·Al2O3·6SiO2。‎ ‎7．(2018·宿州模拟)下列叙述中正确的是(　　)‎ A．因为Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸强 B．碳和硅都是第ⅣA族的元素，所以二氧化碳和二氧化硅的物理性质相似 C．高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维 D．SiO2和CO2都是酸性氧化物，但SiO2不能与水反应生成硅酸 解析：选D　A项，该反应在高温下进行，且反应生成的产物中有气体，反应正向移动，促使反应能够顺利进行，故不能通过此反应判断H2CO3与H2SiO3的酸性强弱，错误；CO2和SiO2的物理性质差异较大，B错误；光导纤维的主要成分是SiO2，C错误；SiO2和CO2都是酸性氧化物，SiO2不溶于水，所以不能与水反应生成硅酸，D正确。‎ ‎8．已知：碳、硅、锗、锡、铅为第ⅣA族元素，其原子序数依次增大，碳、硅、锗、锡的＋4价化合物是稳定的，而铅的＋2价化合物是稳定的。根据元素周期律的知识分析下列关于锗、锡、铅的推断不正确的是(　　)‎ A．SnCl2具有较强的还原性，PbO2具有较强的氧化性 B．若锗、锡在空气中不反应，铅有可能与氧气反应 C．若锗与盐酸不反应，锡、铅也不能与盐酸反应 D．三种元素的＋4价氢氧化物的碱性由弱到强的顺序：Ge(OH)4

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