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

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。‎