2020届浙江学考一轮复习考点精讲通用版考点16含硅矿物与信息材料学案

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文档介绍

2020届浙江学考一轮复习考点精讲通用版考点16含硅矿物与信息材料学案

考点16 含硅矿物与信息材料 知识条目 必考要求 加试要求 ‎1.硅在自然界的存在形式 a a ‎2.硅及其化合物(以SiO2和Na2SiO3为例)的重要性质 a b ‎3.工业制备高纯硅的方法 a b ‎4.三大硅酸盐产品:水泥,陶瓷,玻璃 a a ‎5.硅、二氧化硅在信息技术、材料科学等领域中的应用 a a ‎6.光导纤维的组成和作用 a 一、碳、硅单质的存在形态、物理性质及用途 ‎1.碳在自然界中既有游离态又有化合态,硅在地壳中的含量占第二位,仅次于氧,全部以化合态存在。碳的同素异形体有金刚石、石墨、无定形碳、C60等。单质硅有晶体和无定形硅两大类。‎ ‎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 晶体硅是良好的半导体材料。用于制作半导体芯片和大规模集成电路,制造光电池 二、碳、硅单质的化学性质 碳、硅在参与化学反应时,一般表现为还原性。‎ ‎1.碳的化学性质 ‎(1)与O2反应(用化学方程式表示):‎ O2不足:2C+O22CO;O2充足:C+O2CO2。‎ ‎(2)与氧化物反应(用化学方程式表示):‎ 与CuO反应:2CuO+C2Cu+CO2↑(可用于金属的冶炼);‎ 与CO2反应:CO2+C2CO;‎ 与水蒸气反应:C+H2O(g)CO+H2(制水煤气)。‎ ‎(3)与强氧化性酸反应(用化学方程式表示):‎ 与浓硫酸反应:C+2H2SO4(浓)CO2↑+2SO2↑+2H2O;‎ 与浓硝酸反应:C+4HNO3(浓)CO2↑+2NO2↑+2H2O。‎ ‎2.硅的化学性质 ‎(1)与非金属单质反应(用化学方程式表示):‎ 与O2反应:Si+O2SiO2;‎ 与F2反应:Si+2F2===SiF4;‎ 与Cl2反应:Si+2Cl2SiCl4。‎ ‎(2)与氢氟酸反应(用化学方程式表示):‎ Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。‎ ‎(3)与强碱反应(用化学方程式表示):‎ Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑。‎ ‎【特别提醒】熟记硅及其化合物的特殊性质以及硅及其化合物的转化关系。‎ a.硅单质的特殊性 ‎(1)非金属单质大多为非导体,但Si为半导体。‎ ‎(2)非金属单质跟碱液作用一般无H2放出,也不跟非氧化性酸作用。但Si既能与碱液作用放出H2:Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑,又能与HF作用放出H2:Si+4HF===SiF4↑+2H2↑。‎ b.含硅化合物的特殊性 ‎(1)SiO2是H2SiO3的酸酐,但它却不溶于水,也不能直接与水作用制备H2SiO3;‎ ‎(2)酸性氧化物一般不与酸反应,但SiO2能跟HF作用:SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O。‎ c.硅及其化合物的转化关系图 三、二氧化碳和二氧化硅的比较 物质 二氧化硅 二氧化碳 结构 立体网状结构,不存在单个分子 存在单个CO2分子 主要物理性质 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 ‎①与水反应 不反应 CO2+H2OH2CO3‎ ‎②与酸反应 只与氢氟酸反应:SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O 不反应 ‎③与碱(NaOH)反应 SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶不能用玻璃塞,应用橡胶塞)‎ CO2少量:CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O;‎ CO2过量:CO2+NaOH===NaHCO3‎ ‎④与盐反应 如与Na2CO3反应:SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑‎ 如与Na2SiO3反应:Na2SiO3+H2O+CO2(不足)===H2SiO3↓+Na2CO3或Na2SiO3+2H2O+2CO2(足量)===H2SiO3↓+2NaHCO3‎ ‎⑤与碱性氧化物反应 如与CaO反应:SiO2+CaOCaSiO3‎ 如与Na2O反应:Na2O+CO2===Na2CO3‎ 用途 光导纤维、光学仪器、电子部件 制饮料、制碳酸盐 四、硅酸和硅酸钠 ‎1.硅酸 ‎(1)物理性质:硅酸是不溶于水的白色沉淀。‎ ‎(2)化学性质:‎ ‎①弱酸性:其酸性比碳酸弱,硅酸不能使紫色石蕊溶液变红色。但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。‎ ‎②不稳定性:H2SiO3SiO2+H2O。‎ ‎(3)用途: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.硅酸钠(Na2SiO3)‎ ‎(1)物理性质: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)化学性质:‎ 与酸反应(常用此方法来制取硅酸):‎ 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。‎ 五、硅酸盐及无机非金属材料 ‎1.硅酸盐的表示方法:与大多数盐不同,硅酸盐的组成相当复杂,通常用氧化物的形式表示它们的组成,如硅酸钠(Na2SiO3)写成Na2O·SiO2,青石棉Na2Fe5Si8O22(OH)2写成Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O。‎ ‎2.传统无机非金属材料(水泥、玻璃、陶瓷)‎ 硅酸盐工业 水泥 普通玻璃 陶瓷 原料 黏土、石灰石 纯碱、石灰石、石英 黏土 反应原理 高温下发生复杂的物理、化学变化 Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑;CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑‎ 烧结时发生复杂的物理、化学变化 反应条件 高温 高温 高温 主要成分 硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙 Na2O·CaO·6SiO2‎ 硅酸盐 特性 水硬性:无论在水中还是在空气中均能硬化(不可逆)‎ 非晶体,透明,无固定熔点,可在一定温度范围内软化 抗氧化,抗酸碱腐蚀,耐高温,绝缘 种类 不同标号 普通玻璃、特种玻璃 土器、陶器、瓷器等 用途 建筑材料 化学仪器、光学仪器通信器材、窗玻璃等 制坩埚、制砖瓦、电器中的绝缘瓷等 典型设备 回转瓷 玻璃熔炉 ‎3.新型无机非金属材料 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。‎ 六、工业制备高纯硅 SiO2+2CSi+2CO↑(制粗硅)‎ Si+2Cl2SiCl4(分离、提纯)‎ SiCl4+2H2Si+4HCl(制纯硅)‎ ‎【例1】 常温下,下列不发生反应的一组物质是(  )‎ ‎①硅与NaOH溶液 ②硅与盐酸 ③硅与氢氟酸 ④二氧化硅与碳酸钠 ⑤二氧化硅与NaOH溶液 ⑥二氧化硅与浓硝酸 A.①②④ B.③④⑥ C.②④⑥ D.②⑤⑥‎ ‎【解析】 根据Si的化学性质可知:①硅与NaOH溶液可反应生成硅酸钠和氢气;②⑥硅与盐酸、浓硝酸均不反应;③硅与氢氟酸可反应生成SiF4和H2;④二氧化硅与碳酸钠在高温条件下可反应生成硅酸钠和二氧化碳;⑤二氧化硅与NaOH溶液可反应生成硅酸钠和水。‎ ‎【答案】 C ‎【提炼】 本题主要考查了硅单质和二氧化硅的化学性质,两者都可以与强碱和HF反应,其他酸不反应。‎ ‎【例2】 下列说法不正确的是(  )‎ A.利用高纯硅可以制成光电池,将光能直接转化为电能 B.高纯度的单质硅可用于制作计算机芯片 C.SiO2可用于制光导纤维,干冰可用于人工降雨 D.陶瓷、砖瓦、玻璃、水泥等都是硅酸盐产品,所有的硅酸盐都难溶于水 ‎【解析】 A、B、C正确,D中硅酸钠可溶解。‎ ‎【答案】 D ‎【提炼】 本题主要考查了硅、二氧化硅以及硅酸盐在信息技术、材料科学等领域中的应用。正确辨别含硅物质的用途,如硅可用于制作计算机芯片,可用于制成光电池;二氧化硅可制作光导纤维等通信行业。大多数的硅酸盐难溶,但是硅酸钠是可溶的。‎ ‎【例3】 下列有关硅及硅酸盐材料的说法正确的是(  )‎ 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,不可能都发生 C.普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料 D.钾云母的主要成分为KH2Al3Si3O12,用氧化物形式表示为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O ‎【解析】 A.硅酸钠属于盐,不属于碱,正确,硅酸钠能将磨口玻璃塞黏住,故应该用橡皮塞;B.反应①是溶液中的离子反应,利用的是强酸制弱酸原理;反应②‎ 是高温条件下固体间的反应,CO2是气体,逸出反应体系,促使反应发生,故不矛盾,都可以发生;C.普通玻璃和水泥属于硅酸盐材料,而石英玻璃的主要成分为SiO2,故错误。‎ ‎【答案】 D ‎【提炼】 本题主要考查硅及硅酸盐材料的相关性质。正确辨别常见材料的主要化学成分:普通水泥、普通玻璃和陶瓷都是硅酸盐,石英玻璃的主要化学成分为SiO2;水晶、玛瑙的主要化学成分是二氧化硅;刚玉的主要化学成分是氧化铝;珍珠的主要化学成分是碳酸钙。复杂硅酸盐的书写顺序:较活泼的金属氧化物-较不活泼的金属氧化物-SiO2-水。注意各元素的化合价保持不变,各元素原子个数比不变。‎ ‎【例4】 在下列物质的转化关系中,A是一种固体单质,且常作半导体材料,E是一种白色沉淀,F是最轻的气体单质。‎ 据此填写:‎ ‎(1)B的化学式是________,目前在现代通讯方面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和过量盐酸反应的离子方程式是________________________________________________________________________。‎ ‎【解析】 根据A是固体单质是半导体材料可知A为Si,B即为SiO2,是一种光导纤维的主要材料;根据E是一种白色沉淀,可知E为H2SiO3,C为硅酸盐(含SiO),F为H2;那么B(SiO2)与强碱反应同样可以得到C硅酸盐(含SiO)和D(H2O),同时E(H2SiO3)加热分解可得B(SiO2)和D(H2O)。‎ ‎【答案】 (1)SiO2 制光导纤维 (2)SiO2+2OH-===SiO+H2O (3)Si+2OH-+H2O===SiO+2H2↑ (4)SiO+2H+===H2SiO3↓‎ ‎【提炼】 本题主要考查硅元素之间的相互转化。结合单质硅、二氧化硅、硅酸盐的性质、用途以及一些特殊现象,综合解题。‎ ‎【例5】 晶体硅(熔点1 410 ℃)是良好的半导体材料。由粗硅制纯硅的过程如下:‎ Si(粗)SiCl4蒸馏,SiCl4(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________,还原剂是________。‎ ‎(2)用焦炭和石英砂制取粗硅为什么要隔绝空气进行?‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)粗硅与Cl2加热到460 ℃时发生反应,写出该反应的化学方程式________________________________________________________________________。‎ ‎(4)在1 100 ℃时,SiCl4被H2还原的化学方程式为________________________________________________________________________。‎ ‎(5)如何通过实验除去SiO2中混有的少量CaCO3杂质?________________________________________________________________________。‎ ‎(6)石英既能与NaOH溶液反应,又能与氢氟酸反应,它是两性氧化物吗?试分别写出它与NaOH溶液、氢氟酸发生反应的化学方程式________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎【解析】 工业上制备硅单质原理为:①SiO2+2CSi+2CO↑(制粗硅)‎ ‎②Si+2Cl2SiCl4(分离、提纯)‎ ‎③SiCl4+2H2Si+4HCl(制纯硅)‎ 三个反应都属于氧化还原反应,第①个反应中,氧化剂是SiO2,还原剂为C;焦炭作为还原剂还原SiO2,若有空气存在就会有一部分焦炭与氧气反应而损失原料;SiO2(CaCO3)利用SiO2不溶于酸而CaCO3溶于酸原理进行除杂,除杂原理原则是不增不减易分离;两性氧化物的概念是既可以与酸反应生成盐和水,又可以与碱反应生成盐和水,SiO2不符合。‎ ‎【答案】 (1)SiO2+2C高温,Si+2CO↑ SiO2 C ‎(2)焦炭能与空气中的氧气发生反应 ‎(3)Si+2Cl2460 ℃,SiCl4‎ ‎(4)2H2+SiCl41 100 ℃,Si+4HCl ‎(5)加入盐酸后过滤 ‎(6)不是。SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O;SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O ‎(7)石英砂、纯碱和石灰石 ‎【提炼】 本题主要考查硅单质的制备原理以及工艺流程,能正确理解氧化还原反应概念与相关知识点,明晰两性氧化物的概念。‎
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