高考化学一轮复习 专题4_1 无极非金属材料的主角--硅（讲）（含解析）1

专题4.1 无极非金属材料的主角-硅1、掌握碳、硅及其化合物的性质、转化关系以及应用。2、了解硅酸盐工业、常见无机非金属材料的性质和用途，新型无机非金属材料的特性及其应用。3、以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用。一、碳、硅元素的存在及单质的性质和用途1、存在形态自然界中碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态。碳单质主要有金刚石、石墨、C60等同素异形体，硅单质主要有晶体硅和无定形硅两大类。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、铅笔芯晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池3、碳、硅单质的化学性质碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性。 (2)Si4、碳、硅元素的单质及其化合物的特殊性一般情况，非金属元素单质熔沸点低，硬度小，但硅、金刚石熔沸点高，硬度大，其中金刚石为硬度最大的物质。一般情况，非金属元素单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。一般情况，较强氧化剂较强还原剂=较弱氧化剂较弱还原剂，而碳却还原出比它更强的还原剂：SiO22C =Si2CO，FeOC = FeCO。硅为非金属，却可以和强碱反应，放出氢气：Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2。一般情况，较活泼金属酸=盐氢气，然而Si是非金属，却能与氢氟酸发生反应：Si4HF=SiF42H2。一般情况，碱性氧化物酸=盐水，SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸发生反应：SiO24HF=SiF42H2O。一般情况，非常活泼金属(Na、K等)才能够置换出H2O中的氢，但CH2O(g)=CO+ H2。一般情况，非金属氧化物与水反应生成相应的酸，如CO2H2O= H2CO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。5、硅与铝的相似性及区别（1）与强碱溶液反应时相似 Si、Al均与NaOH溶液反应生成盐和H2。 SiO2、Al2O3、H2SiO3、H3AlO3Al(OH)3均与NaOH溶液反应生成盐和水。 Na2SiO3、NaAlO2溶液通入过量CO2均生成白色沉淀。（2）区别 除氢氟酸外，Si、SiO2、H2SiO3不与其它酸反应。 Al2O3、Al(OH)3属两性化合物。 Na2SiO3溶液、NaAlO2溶液与过量盐酸反应时现象不同。【典型例题1】下列关于碳和硅的叙述中，不正确的是 （ ）A4价氧化物都能与氢氧化钠溶液反应B单质在加热时都能与氧气反应C氧化物都能溶于水生成相应的酸D碳和硅两种元素都有能导电的单质【答案】C考点：考查碳硅及其化合物的性质。【点评】碳、硅元素都位于第IVA族，硅及其化合物具有不同与其他非金属的特性，如硅在自然界的存在，SiO2作为酸性氧化物的特性等，复习时应重点掌握硅及其化合物的特性。【迁移训练1】【江西省上高二中2016届第三次月考】硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是()A硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料B粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应C反应：Si2NaOHH2O=Na2SiO32H2中，Si为还原剂，NaOH和H2O为氧化剂D硅能与氢氟酸反应，则硅可以与盐酸反应【答案】A考点：考查硅及其化合物的性质二、CO2和SiO2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 质与水反应不反应CO2H2OH2CO3与酸反应只与氢氟酸反应：SiO24HF=SiF42H2O不反应与碱反应SiO22NaOH=Na2SiO3H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)O2少量：CO22NaOH=Na2CO3H2O、CO2过量：CO2NaOH=NaHCO3与盐反应如与Na2CO3反应：SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2如与Na2SiO3反应：Na2SiO3H2OCO2(不足)=H2SiO3Na2CO3或Na2SiO32H2O2CO2(足量)=H2SiO32NaHCO3与碱性氧化物反应如与CaO反应：SiO2CaOCaSiO3如与Na2O反应：Na2OCO2=Na2CO3用途光导纤维、光学仪器、电子部件制饮料、制碳酸盐【典型例题2】指出下列反应中SiO2所表现的化学性质或作用，在AE选项中选择正确答案填入括号内。（1）SiO22NaOH=Na2SiO3H2O()（2）SiO2Na2CO3Na2SiO3CO2()（3）SiO22CSi2CO()（4）SiO23CSiC2CO()（5）SiO24HF=SiF42H2O()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】（1）C（2）D（3）B（4）E（5）A【点评】二氧化碳与二氧化硅都是酸性氧化物，但二者结构不同，物理性质与 化学性质都有较大的差别，应对比记忆，掌握每种物质的特性。【迁移训练2】【内蒙古巴彦淖尔一中2016届9月月考】在1.00L 1mol/L氢氧化钠溶液中通入16.8L标准状况下的CO2气体，所得的溶液中含有的溶质是 （ ）ANa2CO3 BNaHCO3 CNa2CO3和NaHCO3 DNaOH、Na2CO3和NaHCO3【答案】C【解析】试题分析：1.00L 1mol/L氢氧化钠溶液中氢氧化钠的物质的量是1mol，CO2的物质的量是16.8L22.4L/mol0.75mol。设生成的碳酸钠和碳酸氢钠的物质的量分别是xmol、ymol，则根据原子守恒可知x+y0.75、2x+y1，解得x0.25，y0.5，这说明生成物既有碳酸钠，也有碳酸氢钠，答案选C。考点：考查CO2与氢氧化钠溶液反应的有关判断三、硅酸和硅酸盐、传统无机非金属材料1、硅酸（1）溶解性：溶解度很小。（2）化学性质弱酸性：酸性比碳酸还弱。Na2SiO3CO2+H2O=Na2CO3H2SiO3 。硅酸不稳定，受热易分解：H2SiO3SiO2H2O。硅酸能与碱溶液反应，如与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO32NaOH=Na2SiO32H2O。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。（3）制备：可用硅酸钠与盐酸反应制得：Na2SiO32HCl=2NaClH2SiO32、硅酸盐（1）硅酸盐：是由 硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的重要成分。（2）硅酸钠：硅酸钠的水溶液俗称 水玻璃，是制备硅胶和木材防火剂等的原料。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。它能与酸性比硅酸强的酸反应，分别写出以下化学方程式：与盐酸反应：Na2SiO32HCl=2NaClH2SiO3。与CO2水溶液反应：Na2SiO3CO2H2O=H2SiO3Na2CO3。用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。（3）硅酸盐组成的表示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 Na2OSiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为：K2OAl2O36SiO2 。注意事项：氧化物的顺序：活泼金属氧化物较活泼金属氧化物二氧化硅水。氧化物前系数配置原则：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。氧化物之间以“”隔开；系数配置出现分数应化为整数。例如：长石：KAlSi3O8不能写成 K2OAl2O33SiO2，应写成K2OAl2O36SiO2。3、无机非金属材料传统无机非金属材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。（1）普通玻璃 主要原料： 纯碱、石灰石、石英。主要设备： 玻璃熔炉 主要成分： Na2SiO3 、CaSiO3 、 SiO2 。玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3SiO2Na2SiO3CO2；CaCO3SiO2CaSiO3CO2。（2）普通硅酸盐水泥主要原料： 石灰石 、 黏土 。主要设备： 水泥回转窑主要成分（写出名称和化学式）： 硅酸三钙(3CaOSiO2)、硅酸二钙(2CaOSiO2)、铝酸三钙(3CaOAl2O3)（3）陶瓷 主要原料： 黏土主要设备： 陶瓷窑（4）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。【典型例题3】【百强校2016届吉林一中第六次月考】下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是 ()硅酸盐Na2Fe2Si3O10用氧化物的形式表示为：Na2O2FeO3SiO2水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维 单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料A B C D【答案】D【考点定位】本题主要是考查硅元素的化合物的性质及用途判断【点评】该题的难点是氧化物形式表示硅酸盐，硅酸盐改写成氧化物形式需要注意以下几点：（1）氧化物的顺序：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。（3）氧化物之间以“”隔开；系数配置出现分数应化为整数。【迁移训练3】【黑龙江大庆实验中学2016届第一次月考】下列叙述中正确的是 （ ）A向含有CaCO3沉淀的水中通入CO2至沉淀恰好溶解，再向溶液中加入NaHCO3饱和溶液，又有CaCO3沉淀生成B向Na2CO3溶液中逐滴加入等物质的量的稀盐酸，生成的CO2与原Na2CO3的物质的量之比为1：2C等质量的NaHCO3和Na2CO3分别与足量盐酸反应，在同温同压下，生成的CO2体积相同D向Na2CO3饱和溶液中通入CO2，有NaHCO3结晶析出【答案】D考点：考查碳酸钙、碳酸钠以及碳酸氢钠的性质以及有关转化的判断。考点一：硅的性质及高纯硅的制备方法1、硅的性质 硅的性质在考查要注意的是其性质稳定，但能与发生一些比较特别的反应，如Si2、高纯硅在信息产业中的应用越来越广泛，故其制取也就成了热点题型。其制取过程一般为：SiO2粗硅SiCl4高纯硅【典型例题4】单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅（含铁、铝、硼、磷等杂质），粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度为450500)，四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置图：相关信息如下：四氯化硅遇水极易水解硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物有关物质的物理常数见下表：物质SiCl4BCl3AlCl3FeCl3PCl5沸点/57.712.8315熔点/-70.0-107.2升华温度/180300162请回答下列问题：（1）装置A中g管的作用是 ；装置C中的试剂是 。（2）甲方案：f接装置；乙方案：f接装置。但是装置、都有不足之处，请你评价后填写下表。方案优点缺点甲乙（3）在上述（2）的评价基础上，请你设计一个合理方案并用文字表述： 。（4）SiCl4与H2反应的化学方程式为 。【答案】（1）平衡压强，使液体从分液漏斗中顺利流下浓硫酸（2）方案优点缺点甲收集产品的导管粗，不会堵塞导管冷凝产品，减少产品损失空气中的水蒸气进入产品收集装置，使SiCl4水解尾气没有处理，污染环境乙有尾气处理装置，注重环保避免空气中的水蒸气进入装置产品易堵塞导管没有冷凝装置，产品易损失（3）在装置的i处接干燥管j（4）SiCl4+2H2=Si+4HCl【点评】与新能源有关的多晶硅会成为今后命题的热点。教材只在习题中简单介绍了粗硅及高纯硅制备的反应原理，而高考命题者却把这一知识点迁移到高纯硅制备的工艺流程之中。制备过程中，往往涉及氯气的制备、气体的净化及物质的分离提纯等操作，有时还会用化学平衡理论解释实验过程中遇到的具体问题，在考查元素化合物的同时，渗透了对化学基本理论的考查。【迁移训练4】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：高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si+3HClSiHCl3+H2SiHCl3与过量H2在10001100反应制得纯硅已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题：（1）第步制备粗硅的化学反应方程式为_。（2）粗硅与HCl反应完全后,经冷凝得到的SiHCl3（沸点33.0）中含有少量SiCl4（沸点57.6）和HCl（沸点-84.7），提纯SiHCl3采用的方法为_。（3）用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下（热源及夹持装置略去）：装置B中的试剂是_。装置C中的烧瓶需要水浴加热，其目的是_。反应一段时间后，装置D中观察到的现象是_，装置D不能采用普通玻璃管的原因是_，装置D中发生反应的化学方程式为_。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_。为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂（填写字母代号）是_。a.碘水 b氯水 cNaOH溶液 dKSCN溶液 eNa2SO3溶液【答案】（1）SiO2+2CSi+2CO （2分） （2）分馏（或蒸馏） （2分）（3）浓硫酸（1分） 使滴入烧瓶中的SiHCl3气化 （2分）有固体物质生成（1分） 在高温下，普通玻璃会软化（1分）SiHCl3+H2Si+3HCl （2分）排尽装置中的空气 （1分） bd（2分）考点：考查硅制备实验设计与探究。考点二：CO2的相关性质1、二氧化碳与弱酸盐溶液反应（强酸制弱酸）碳酸酸性比硅酸、次氯酸、苯酚、偏铝酸等强，将CO2气体通入Na2SiO3、NaClO、NaAlO2盐溶液中，均能发生反应而生成相应的弱酸和碳酸(氢)盐，这是“强酸制弱酸”原理的应用。如：CO2CO2Na2SiO3H2O=Na2CO3H2SiO3(或CO2Na2SiO32H2O=H4SiO4Na2CO3)CO2Ca(ClO)2H2O=CaCO32HClOCO2H2ONaHCO3CO2(过量)NaAlO22H2O=Al(OH)3NaHCO3CO2(少量)2NaAlO23H2O=2Al(OH)3Na2CO3易错警示：CO2通入CaCl2或BaCl2溶液不会产生白色沉淀，因为碳酸的酸性弱于盐酸。2、二氧化碳反应先后关系当有多种组分与一种物质反应时，判断反应顺序的方法：先假设与其中的一种组分反应，若产物还能与另一种组分反应，则假设错误。如将CO2通入KOH、Ba(OH)2混合溶液中，假设CO2先与KOH反应，则生成的K2CO3会与Ba(OH)2继续反应生成BaCO3，故假设错误，应该是CO2先与Ba(OH)2反应。3、CO2与碱反应产物的定量判断CO2通入NaOH、Ca(OH)2等强碱溶液的反应与CO2气体的通入量有关，当CO2通入少量时生成碳酸盐，当CO2通入过量时生成碳酸氢盐；当CO2的通入量介于两者之间时，既有正盐又有酸式盐生成，因此推断时一定要注意CO2与碱之间量的关系。以CO2与NaOH溶液反应为例：CO22NaOH=Na2CO3H2OCO2NaOH=NaHCO3当n(OH)n(CO2)的值不同时产物如下：【典型例题5】【黑龙江牡丹江第一中学2016届9月月考】将足量的CO2不断通入KOH、Ba(OH)2、KAlO2的混合溶液中，生成沉淀的物质的量与所通入CO2的体积关系如图所示。下列关于整个反应过程中的叙述错误的是 （ ）AOa段反应的化学方程式是Ba(OH)2CO2 =BaCO3H2OBbc段与cd段所消耗CO2的体积相同Cbc段反应的离子方程式是2AlO2-3H2OCO2 = 2Al(OH)3CO32-Dde段沉淀减少是由于BaCO3固体的消失【答案】B【考点定位】考查混合溶液中物质发生反应与反应的现象及物质的量关系的应用的知识。【点评】向含有多种成分的混合物中通入或加入某一种物质时，物质发生反应有先后，有时加入的物质的物质的量多少不同，反应现象不同，要掌握物质的化学性质、物理性质及物质的量对反应的影响，然后相应的实验现象作出合理的分析与判断。常见的与物质的量有关的反应如CO2与Ca(OH)2溶液的反应、HCl与Na2CO3溶液的反应、AlCl3与NaOH溶液的反应、AgNO3溶液与氨水的反应、Zn与浓硫酸的反应、Cl2与FeBr2溶液的反应、Cu与浓硝酸的反应等。【迁移训练5】【2016届辽宁省沈阳铁路实验中学高三上学期第一次月考】在下列各溶液中逐渐通入CO2气体直至过量，会出现先沉淀后消失现象的是 （ ）饱和Na2CO3溶液 澄清石灰水 Ca（ClO）2溶液CaCl2溶液 Na2SiO3溶液 NaAlO2溶液A只有 B只有 C除 D全部【答案】A考点：无机反应考点三：碳、硅及其化合物之间综合转化关系1、知识网络（1）碳及其化合物的转化关系图（2）硅及其化合物的转化关系图2、推断中常用题眼解答硅及其化合物的推断题，高温反应条件、特征反应、单质与碱反应、盐溶液与过量盐酸反应产生白色沉淀等往往是推断题的“突破口”。【典型例题6】【吉林省实验中学2016届第一次月考】某新型无机非金属材料K由两种非金属元素组成，它是一种超硬物质，具有耐磨、耐腐蚀、抗冷热冲击、抗氧化的特性。它是以中学化学中常见物质为原料来生产的，图中C、M、K均含A元素，M的分子式为A(NH2)4；E为不含A 元素的氢化物，在空气中易形成白雾；G、F均为难溶于水的白色沉淀，H为氧化物，J为气体；其余物质均为中学化学中常见物质。（提示：NH3和H2O的化学性质在某些方面相似）请回答下列问题：（1）写出指定物质的化学式：A ，C ，F 。（2）K的化学式为 。（3）写出图中下列序号的化学方程式： 反应 ； 反应 。（4）写出图中反应的离子方程式： 。【答案】（1）Si；SiCl4 ； H2SiO3 (H4SiO4) ； （2）Si3N4 （3）Si2NaOH H2ONa2SiO32H2 SiO22NaOHNa2SiO3H2O （4）SiO322CO22H2OH2SiO32HCO3 【考点定位】考查了物质转化关系和判断、物质化学式、化学方程式和离子方程式的书写的知识。【点评】本题是无机元素及化合物的推断题，全面考查了元素及化合物的性质及应用，要掌握元素及化合物的结构、性质、应用，同时把反应现象和题干信息充分结合，与材料及制取方法结合，注意物质的量的多少对反应及产物的影响。本题考查的非金属元素N、Cl、Si元素及其化合物的性质和应用的知识。从物质之间的转化关系中找准突破口，问题就会各个击破，迎仍而解。【迁移训练6】【江西师大附中2016届上期中】下图为由短周期元素形成的物质之间的转化关系，其中A、D、L为单质，其它为化合物。其中化合物I、J、K中含有两种相同的元素，G和I的反应是一种重要化工生产中的主要反应之一。B常温下为液态化合物，F是中学化学中常见的气体，其固体易升华，可用于人工降雨。试回答下列有关问题：（1）以上7个化学反应属于氧化还原反应的是 (用编号填写)（2）G、J、H中含有的相同的元素是_；（3）J的水溶液和F (填”能”或”不能”)发生化学反应 （4）反应的化学方程式是 。【答案】（1）（2）钠（3）能（4）SiO2+Na2CO3 Na2SiO3+CO2考点： 无机物的推断