2018届一轮复习鲁科版硅无机非金属材料学案

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第4章　材料家族中的元素 第1节　硅　无机非金属材料 考纲定位 考情播报 ‎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。‎ ‎2016·全国甲卷T7/全国丙卷T7(D)‎ ‎2015·全国卷ⅠT26/全国卷ⅡT7(A)、T13(D)‎ ‎2014·全国卷 Ⅰ T8(A、C)、T13(D)/全国卷 Ⅱ T7(A、D)、T9(B)、T10(C)‎ ‎2013·全国卷ⅠT7(D)/全国卷ⅡT9(B)、T10(C)‎ ‎2012·全国卷T8(B、D)‎ 考点1| 硅单质的性质及应用　‎ ‎[基础知识自查]‎ ‎1．硅元素的存在 ‎(1)在地壳中含量为第二位，只以化合态形式存在。‎ ‎(2)在周期表中位于第3周期ⅣA族。‎ ‎2．硅单质 ‎(1)硅单质的结构、物理性质、用途 单质的结构 晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构 物理性质 晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、熔点高、硬度大，有脆性 用途 晶体硅用做半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池 ‎(2)化学性质 硅在参与化学反应时，一般表现还原性。‎ ‎ [应用体验]‎ ‎1．从元素周期表的位置看，碳和硅均为ⅣA族元素，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？‎ ‎[提示]　‎ 没有。因为硅有很强的亲氧性，在地壳形成时硅与氧易结合，难分离，因而硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。‎ ‎2．写出由SiO2制备纯硅的化学方程式。‎ ‎[提示]　SiO2＋‎2CSi(粗)＋2CO↑，‎ Si(粗)＋2Cl2SiCl4，‎ SiCl4＋2H2Si＋4HCl。‎ ‎[考点多维探究]‎ 角度1　硅的性质和应用 ‎1．(2017·济南模拟)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 D　[硅为亲氧元素，在自然界中不存在游离态的单质。]‎ ‎2．下列说法正确的是(　　)‎ A．单质氧化物酸或碱盐，碳或硅单质可以按上述关系进行转化 B．若a、b、c分别为Si、SiO2、H2SiO3，则可以通过一步反应实现转化：bc―→a C．太阳能电池板中的硅在元素周期表中处于金属元素与非金属元素的交界位置 D．单质硅常用于制造光导纤维 C　[A项，SiO2与H2O不反应；B项，SiO2不能一步生成H2SiO3；D项，SiO2制造光导纤维。]‎ 角度2　硅的制备 ‎3．(2014·天津高考改编)晶体硅(熔点1 ‎410 ℃‎)是良好的半导体材料。由粗硅制纯硅过程如下：‎ Si(粗)SiCl4SiCl4(纯)Si(纯)‎ ‎(1)工业上用焦炭与石英砂在高温下反应制取粗硅，其反应的化学方程式为 ‎______________________________________________________________，‎ 上述反应中的氧化剂是________。‎ ‎(2)粗硅与Cl2加热到‎460 ℃‎时发生反应，写出该反应的化学方程式_______。‎ ‎(3)在1 ‎100 ℃‎时，SiCl4被H2还原的化学方程式为_______________。‎ ‎[答案]　(1)‎2C＋SiO2Si(粗)＋2CO↑　SiO2‎ ‎(2)Si＋2Cl2SiCl4‎ ‎(3)SiCl4＋2H2Si＋4HCl Si单质特性理解误区 ‎(1)Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋‎2CSi＋2CO↑。‎ ‎(2)非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si与碱液作用却放出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。‎ 考点2| 二氧化碳与二氧化硅的比较 ‎[基础知识自查]中/华-资*源%库 ‎1.CO2与SiO2的性质比较 ‎2.CO2与SiO2的用途 CO2：制饮料、碳酸盐，干冰用作制冷剂，作灭火剂，干冰用作人工降雨。‎ SiO2：光导纤维、制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。‎ ‎[应用体验]‎ ‎1．(1)氢氟酸如何保存？能否用玻璃试剂瓶存放？为什么？‎ ‎(2)碱性溶液(如NaOH)如何保存？能否用带玻璃塞的试剂瓶保存？为什么？‎ ‎[提示]　(1)氢氟酸应保存在塑料瓶或铅皿中。不能用玻璃瓶存放，因为氢氟酸与玻璃中的SiO2反应生成气体SiF4，强烈腐蚀玻璃。‎ ‎(2)碱性溶液应保存在带有橡皮(胶)塞的玻璃试剂瓶中。不能用玻璃塞试剂瓶保存，因为玻璃塞为磨口，易与碱性物质反应生成黏性物质，使玻璃塞与瓶口黏结。中/华-资*源%库 ‎2．如何用SiO2制备H2SiO3?‎ ‎[提示]　SiO2SiOH2SiO3。‎ ‎[考点多维探究]‎ 角度1　SiO2和CO2的性质比较 ‎1．(2017·临沂模拟)据报道，科学家通过对稻壳进行控制性焚烧热解，从中提取一种叫做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。]‎ ‎2．(2017·菏泽质检)下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是________(填序号)。‎ ‎①CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐(酸性氧化物)，均能与NaOH反应 ‎②SiO2为酸性氧化物，不与任何酸反应 ‎③光导纤维的主要成分是SiO2，能导电 ‎④SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O体现了SiO2为酸性氧化物的性质 ‎⑤Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→SiO均能一步转化 ‎⑥SiO2＋‎3CSiC＋2CO↑中SiO2作氧化剂 ‎⑦CO2和SiO2常温下都是由相应的分子构成 ‎⑧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反应 ‎[解析]　②SiO2与氢氟酸反应；③光导纤维能传输光，不导电；⑤SiO2→H2SiO3‎ 不能一步转化；⑥SiO2既不作氧化剂也不作还原剂；⑦SiO2是由原子构成的晶体，不是由分子构成。‎ ‎[答案]　①④⑧‎ SiO2的特性及原理 ‎(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＋H2OH2CO3，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＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑(原理是：难挥发性物质制备易挥发性物质)。‎ 角度2　SiO2的性质及应用 ‎3．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。 ‎ ‎①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(　　)‎ ‎②SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑(　　)‎ ‎③SiO2＋‎2CSi＋2CO↑(　　)‎ ‎④SiO2＋‎3CSiC＋2CO↑(　　)‎ ‎⑤SiO2＋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 ‎[答案]　①C　②D　③B　④E　⑤A ‎4．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，则对应答案栏可不填写)。‎ 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WWW.ziyuanku.com 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)‎ SiO2(NaHCO3)‎ ‎(3)‎ SiO2(Fe2O3)‎ ‎(4)‎ SiO2(H2SiO3)‎ ‎[解析]　(1)利用SiO2与NaOH溶液反应生成可溶性的Na2SiO3，而CaCO3与NaOH不反应。‎ ‎(2)利用NaHCO3溶于水而SiO2不溶，加水后过滤可除去SiO2中的NaHCO3。‎ ‎(3)Fe2O3能溶于盐酸而SiO2不溶，用盐酸溶解后过滤可得SiO2。‎ ‎(4)H2SiO3加强热能分解得到SiO2。‎ ‎[答案]　‎ ‎(1)‎ B ‎④‎ WWW.ziyuanku.com(2)‎ D ‎④‎ ‎(3)‎ A ‎④‎ ‎(4)‎ ‎③‎ 考点3| 硅酸及其盐和无机非金属材料 ‎[基础知识自查]‎ ‎1．硅酸的性质、制备与应用 ‎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，常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)——又称泡花碱 ‎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与较强的酸反应生成硅酸。‎ ‎③用途：黏合剂、耐火阻燃材料。‎ ‎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。‎ ‎[应用体验]‎ ‎1．硅酸制备硅胶的原理是什么？‎ ‎[提示]　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．写出水玻璃在空气中变质的化学方程式。‎ ‎[提示]　Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。‎ ‎[考点多维探究]‎ 角度1　硅酸及其盐和无机非金属材料 ‎1．下列关于硅酸及其盐的说法正确的是(　　)‎ A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中 B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都能发生 C．硅酸可以用SiO2与H2O反应制备 D．将CO2通入水玻璃中有白色沉淀生成 D　[A项，Na2SiO3溶液本身能黏结玻璃；B项，不矛盾，二者的反应条件和环境不同；C项，SiO2与H2O不反应。]‎ ‎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(　　) ‎ 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，Si元素以盐的形式存在，不含有SiO2晶体。]‎ ‎3．(2017·合肥一检)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$来&源：ziyuanku.com 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 C　[A.水晶的主要成分是SiO2不是硅酸盐，错误；B.水玻璃是Na2SiO3溶液，具有黏性，因此可以作黏合剂，由于其不能燃烧，故也是防火剂，错误；C.硅酸盐可以用盐的形式表示，也可以用氧化物的形式表示，在表示时各种元素的原子个数比不变，所以某硅酸盐的化学式为KAlSi3O8，可用K2O·Al2O3·6SiO2，正确；D.高纯度的SiO2用于制造光纤，高纯度的Si用于制造太阳能电池，错误。]‎ 硅酸盐氧化物形成的表示方法 ‎(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。‎ 角度2　硅及其化合物的转化 ‎4．下列变化中，不能一步实现的是(　　)‎ A．Na2SiO3→H2SiO3‎ B．H2SiO3→SiO2‎ C．H2SiO3→Si D．SiO2→Na2SiO3‎ C　[A项，Na2SiO3H2SiO3；B项，H2SiO3SiO2；C项，H2SiO3SiO2→Si；D项，SiO2Na2SiO3。]‎ ‎5．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]　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↓‎ 硅及其化合物之间的常见转化关系 ‎[课堂小结·反馈达标1＋1]　　　　　　全新理念　探究高考　明确考向　　　‎ ‎1．一组判断，展示高考易误点 ‎(1)(2016·全国丙卷)HF与SiO2反应实际应用是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记。(　　)‎ ‎(2)(2015·全国卷Ⅱ)硅胶可用作食品干燥剂。(　　)‎ ‎(3)(2015·江苏高考)下列物质间转化均能一步实现：粗硅SiCl4Si。(　　)‎ ‎(4)(2014·重庆高考)氢氟酸刻蚀玻璃不涉及化学变化。(　　)‎ ‎(5)(2012·全国卷)单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料。(　　)‎ ‎(6)(2012·全国卷)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料。(　　)‎ ‎(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)(2013·广东高考)因为SiO2可与HF反应，所以氢氟酸不能保存在玻璃瓶中。(　　)‎ ‎[答案]　(1)√　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√　(6)×　(7)×　(8)√‎ ‎2．一题串知，覆盖高考考什么 ‎(2013·海南高考改编)高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有多种技术路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下：‎ ‎　　　　　 ‎ ‎(1)制硅的工艺流程中，在电弧炉中发生反应的化学方程式为___________。‎ ‎[考查粗硅的制备原理]‎ ‎(2)用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生成金刚砂(SiC)。试写出该反应的化学方程式__________________________________。‎ 并指出氧化剂________、还原剂________。[考查氧化还原反应的基础知识]‎ ‎(3)在流化床反应器中，加热到‎250 ℃‎～‎300 ℃‎，粗硅和HCl发生反应的化学方程式为__________________________________。[考查硅的化学性质]‎ ‎ (4)在还原炉中，加热到1 ‎100 ℃‎～1 ‎200 ℃‎时，SiHCl3被H2还原的化学方程式为_____________________。[考查氧化还原方程式的书写]‎ ‎ (5)石英砂的主要成分是________，石英既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，石英________(填“是”或“不是”)两性氧化物；试分别写出它与NaOH溶液，氢氟酸发生反应的化学方程式_______________________。‎ ‎[考查SiO2的性质]‎ ‎(6)中学化学中能与NaOH溶液反应生成H2的单质有________；试分别写出反应的化学方程式________________________________。[考查铝、硅的化学性质]‎ ‎(7)陶瓷、水泥、玻璃是常用的硅酸盐材料，其中，生产普通玻璃的主要原料是________。[考查硅酸盐产品制备]‎ ‎(8)在流化床反应器的产物中，SiHCl3大约占80%，还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等，有关物质的沸点数据如下表，提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降，冷凝和________。‎ 物质 Si SiCl4‎ SiHCl3‎ SiH2Cl2‎ SiH3Cl HCl SiH4‎ 沸点/℃‎ ‎2 355‎ ‎57.6‎ ‎31.8‎ ‎8.2‎ ‎－30.4‎ ‎－84.9‎ ‎－111.9‎ ‎[考查混合物的分离与提纯]‎ ‎[答案]　(1)SiO2＋‎2CSi＋2CO↑‎ ‎(2)SiO2＋‎3CSiC＋2CO↑　C　C ‎(3)Si＋3HClSiHCl3＋H2‎ ‎(4)SiHCl3＋H2Si＋3HCl ‎(5)SiO2　不是　SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O ‎(6)Al和Si　2Al＋2NaOH＋6H2O===2Na[Al(OH)4]＋3H2↑，Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑‎ ‎(7)石英砂、纯碱和石灰石 ‎(8)精馏(或蒸馏)‎