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专题14 氮及其化合物【复习目标】1.了解Si和SiO2的主要性质，了解CO2和SiO2物理性质差异的主要原因。2.了解硅酸及常见硅酸盐的性质。3.了解硅酸盐工业及新型无机非金属材料的性质与应用。【考情分析】硅及其化合物的用途越来越受到人们的重视，许多高科技领域的新型无机非金属材料都与硅有关，因此近几年有关硅及其化合物的考题越来越多，已成为现在高考的新热点。近几年高考对硅及其化合物的考查，主要集中在三个方面硅、二氧化硅的用途；硅及其化合物的性质；硅及其化合物的制备。常见的题型有选择题和实验题。今后高考命题方向之一是综合试题，以硅及其化合物知识为载体，结合基本概念、基本理论、化学计算并联系其他元素及化合物知识进行综合性命题，以考查学生的思维能力。【考点过关】考点一 硅和二氧化硅1.硅自然界存在硅在地壳中的含量仅次于氧，全部以化合态存在。主要单质有晶体硅和无定性硅两大类物理性质晶体硅为原子晶体，灰黑色、有金属光泽、硬度大而脆、熔沸点高。导电性介于导体和绝缘体之间，是常用的半导体材料化学性质常温跟F2反应：Si2F2SiF4常温跟HF反应：Si4HFSiF42H2常温跟NaOH溶液反应：Si2NaOHH2ONa2SiO32H2高温跟O2反应：SiO2SiO2高温跟Cl2反应：Si2Cl2SiCl4与碳比较C、Si同属IVA族，还原性是Si大于C，而C却能将Si从SiO2中还原出来（条件是高温），原因是产物CO气体迅速从反应体系中逸出工业制法自然界中无游离态的硅，工业上用C在高温下还原SiO2可制得粗硅，有关反应的化学方程式： SiO22CSi(粗)2COSi(粗)2Cl2SiCl4SiCl42H2Si(纯)4HCl用途晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池2.二氧化硅空间结构SiO2晶体是立体网状结构。在SiO2晶体里，每个Si周围结合四个O，同时每个O与两个Si相结合，在SiO2晶体中原子个数比为12，因此用“SiO2”这个式子表示二氧化硅晶体的组成。SiO2直接由原子构成不存在单个SiO2分子物理性质二氧化硅熔点高，硬度大，不溶于水化学性质与强碱反应：SiO22NaOHNa2SiO3H2O（SiO2能与强碱溶液生成的硅酸钠具有粘性，所以不能用带磨口玻璃塞试剂瓶存放碱性溶液，避免Na2SiO3将瓶塞和试剂瓶粘住，打不开，碱性溶液存放应用橡皮塞）与氢氟酸反应：SiO24HFSiF4+2H2O（氢氟酸能刻蚀玻璃；氢氟酸不能用玻璃试剂瓶存放，应用塑料瓶）与碱性氧化物反应：SiO2CaOCaSiO3与某些盐类反应：SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2 SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2用途石英可用于制作石英表和石英玻璃；石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料；水晶常用来制造电子部件、光学仪器、工艺品和眼镜片等；玛瑙用于制造精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品；SiO2被用于制造高性能的现代通讯材料光导纤维3.二氧化碳和二氧化硅的比较【考点演练】下列说法正确的是 。因为HF与SiO2反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记下列转化在一定条件下能够实现：SiO2SiCl4Si石英砂可用于生产单晶硅用NaOH溶液不能分离氧化铁中混有的二氧化硅Si和SiO2都可用于制造光导纤维SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸的离子方程式：Na2SiO3+2H+=H2SiO3+2Na+SiC与SiO2的熔点均与所含化学键的键能有关碳和硅均为A族元素，自然界中有碳和硅的多种单质存在在粗硅的制取中发生2CSiO22COSi，硅被还原，所以碳的还原性大于硅的还原性二氧化碳和二氧化硅都可溶解在NaOH溶液中用盐酸可除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙答案：考点二 硅酸与硅酸盐1.硅酸物理性质硅酸是不溶于水的白色胶状物，能形成硅胶，硅胶吸附水分能力强化学性质H2SiO3是一种弱酸，酸性比碳酸弱，硅酸不能使紫色石蕊溶液变红色硅酸不稳定，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制法不能直接由SiO2溶于水制得，而用可溶性硅酸盐与酸反应制取：Na2SiO32HCl2NaClH2SiO3或Na2SiO3CO2H2OH2SiO3Na2CO3（此方程式证明酸性：H2SiO3H2CO3）2.硅酸盐定义硅酸盐是由硅、氧、金属元素组成的化合物的总称。硅酸盐种类很多，大多数难溶于水，最常见的可溶性硅酸盐是Na2SiO3书写方法盐化学式法,如硅酸钠Na2SiO3、硅酸钙CaSiO3等。此法一般用于组成较简单的硅酸盐氧化物法：氧化物的顺序为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是除氧元素外,其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数；硅酸盐用氧化物的形式表示时,遵循各元素化合价不变的原则。如:高岭土Al2O32SiO22H2O、石棉CaO3MgO4SiO2。硅酸钠硅酸钠溶于水，其水溶液俗称“水玻璃”，是一种矿物胶。盛水玻璃的试剂瓶要使用橡胶塞。能与酸性较强的酸反应：Na2SiO3 + 2HCl H2SiO3(白)+ 2NaCl；Na2SiO3 + CO2 + H2O H2SiO3+ Na2CO3硅酸盐材料硅酸盐材料是传统的无机非金属材料，玻璃、水泥、各种陶瓷等都是以黏土、石英和长石等为原料生产的硅酸盐制品；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【考点演练】下列说法正确的是 。硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维玻璃瓶不能盛放氢氟酸SiO2与水反应可制取硅酸CO2通入水玻璃可以得到硅酸沉淀水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品玻璃是一种纯净物陶瓷、玻璃、水泥都用到石灰石作原料水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质烧碱溶液存放在带橡胶塞的玻璃瓶中答案：【过关练习】1(宣城2017届模拟)下列叙述正确的是 ()A红宝石、珍珠、水晶、钻石等装饰的主要成分都是硅酸盐B硅酸钠的水溶液俗名为水玻璃，可用于制备硅胶和木材防火剂C制造玻璃是复杂的物理过程，玻璃的组成不同，性能不同D金刚石是自然界中硬度最大的物质，不可能与氧气发生反应解析：红宝石的主要成分为Al2O3，珍珠的主要成分为CaCO3，水晶的主要成分为SiO2，钻石为碳单质，A选项错误；制造玻璃包含复杂的物理变化和化学变化，C选项错误；金刚石是碳单质，具有碳单质的化学性质，D选项错误。答案：B 2.(临沂2017届模拟)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的强D水晶是比较纯净的二氧化硅，沙子的主要成分是硅酸盐解析：二氧化硅为酸性氧化物，但其不溶于水；硅酸的酸性比碳酸的弱；沙子的主要成分是二氧化硅。答案：B3(合肥2017届高三质检)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、玻璃都属于硅酸盐产品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K2OAl2O36SiO2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解析：水晶的主要成分是SiO2不是硅酸盐，A错误；水玻璃是Na2SiO3溶液，属于混合物，B错误；高纯度的SiO2用于制光导纤维，高纯度的Si用于制太阳能电池，D错误。答案：C4(天津2017届高三质检)下列说法正确的是 ()ASiO2和CO2都是酸性氧化物，都是共价化合物B为防止月饼等富脂食品氧化变质，可在包装袋中放入硅胶CNaHCO3溶液中含有Na2SiO3杂质，可通入少量CO2后过滤DSiO2中含Al2O3杂质，可加入足量NaOH溶液然后过滤除去 5. (广州2016届模拟)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解析：由粗硅制备单晶硅的过程一般为SiSiCl4SiHCl，都是氧化还原反应，B项错误；Si与烧碱溶液反应时，H2O是氧化剂，C项错误；硅不能与盐酸反应，D项错误。答案：A6. (樟树2016届一模)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H2SiO3的酸酐B.由SiO22CSi2CO，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H2CO3H2SiO3D.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 7. (伊犁2016届质检)寿山石主要成分为叶蜡石，叶蜡石组成为Al2O34SiO2H2O，下列观点不正确的是()A.寿山石雕刻作品要避免与酸、碱接触B.寿山石颜色丰富多彩是因为含有不同形态的金属氧化物C.潮湿的空气可能导致寿山石作品表面溶解变质D.久置于干燥空气中可能会导致寿山石作品脱水变质解析：根据寿山石的主要成分，可知其能与酸或碱发生反应，A正确；寿山石中含有不同形态的Al2O3，造成其色彩丰富，B正确；其中的氧化物Al2O3和SiO2不溶于水也不和水反应，在潮湿的空气中不会溶解变质，C项错误；久置于干燥空气中，会失去其中的结晶水变质，D正确。答案：C8. (鄂豫晋冀陕五省2017届联考)某实验小组设计了如下装置对焦炭还原二氧化硅的气体产物的成分进行探究。已知：PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为COPdCl2H2O=CO22HClPd(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。(1)实验时要通入足够长时间的N2，其原因是 。(2)装置B的作用是 。(3)装置C、D中所盛试剂分别为 、 ，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为 。(4)该装置的缺点是 。(5)资料表明，上述反应在焦炭过量时会生成副产物SiC。取18 g SiO2和8.4 g焦炭充分反应后收集到标准状况下的气体13.44 L，假定气体产物只有CO，固体产物只有Si和SiC，则Si和SiC的物质的量之比为 。(6)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强： 。的量为0.7 mol，充分反应后收集到标准状况下13.44 L CO的物质的量为0.6 mol，则参与形成SiC的碳的物质的量为0.1 mol，若固体产物只有Si和SiC，则有：SiO22C2COSi0.3 mol 0.6 mol 0.6 mol 0.3 mol则剩余C的物质的量为n(C)0.7 mol0.6 mol0.1 mol，SiCSiC0.1 mol 0.1 mol 0.1 mol故得到Si和SiC的物质的量之比为(0.3 mol0.1 mol)0.1 mol21。(6)验证碳酸、硅酸的酸性强弱可利用强酸制弱酸的原理，产生的CO2气体先通过饱和的碳酸氢钠溶液除去混有的杂质气体，然后再通入硅酸钠溶液，若产生白色沉淀，说明酸性H2CO3H2SiO3。答案：(1)要用氮气将装置中的空气排尽，避免空气中的氧气、二氧化碳、水蒸气对实验产生干扰(2)作安全瓶，防止倒吸(3)澄清石灰水PdCl2溶液3SiO24C2CO22CO3Si(4)没有尾气处理装置将CO吸收(5)21(6)向硅酸钠溶液中通入二氧化碳气体，溶液变浑浊，证明碳酸酸性大于硅酸9.(临清三中2017届检测)硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。(1)硅在元素周期表中的位置是_。(2)工业上生产粗硅的反应有：SiO22CSi(粗)2CO；SiO23CSiC2CO。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为11，则参加反应的C和SiO2的物质的量之比为_。(3)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅：若反应为Si(粗)3HClSiHCl3H2，则反应的化学方程式为_。整个制备过程中必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出该反应的化学方程式：_。假设每一轮次制备1 mol纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应I中HCl的利用率为90%，反应中H2的利用率为93.75%，则在第二轮次的生产中，补充投入HCl和H2的物质的量之比是_。 10. (渭南2016届二模)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：Si3HClSiHCl3H2；.SiHCl3与过量H2在1 100 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图(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是_(填字母)。a.碘水 b.氯水c.NaOH溶液 d.KSCN溶液e.Na2SO3溶液答案：(1)SiO22CSi2CO(2)蒸馏(3)浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3气化有固体物质生成SiHCl3H2Si3HCl排尽装置中的空气bd 11. (衡阳2016届联考)硅是带来人类文明的重要元素之一，在传统材料发展到信息材料的过程中创造了一个又一个奇迹。(1)新型陶瓷Si3N4的熔点高、硬度大、化学性质稳定。工业上可以采用化学气相沉积法，在H2的作用下，使SiCl4与N2反应生成Si3N4沉积在石墨表面，该反应的化学方程式为_。(2)一种用工业硅(含少量铁、铜的单质及化合物)和氮气(含少量氧气)合成氮化硅的工艺主要流程如下：已知硅的熔点是1 420 ，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。N2净化时，铜屑的作用是：_；硅胶的作用是_。在氮化炉中反应为3Si(s)2N2(g)=Si3N4(s)H727.5 kJ/mol，开始时须严格控制氮气的流速以控制温度的原因是_。X可能是_(选填“盐酸”、“硝酸”、“硫酸”或“氢氟酸”)。(3)工业上可以通过如下图所示的流程制取纯硅：整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应，该反应的化学方程式为_。假设每一轮次制备1 mol纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应中HCl的利用率为90%，反应中H2的利用率为93.75%。则在第二轮次的生产中，补充投入HCl和H2的物质的量之比是_。第二轮次生成中，需补充HCl物质的量为3 mol/90%3 mol，需补充H2物质的量为1 mol/93.75% 1 mol，则n(HCl)n(H2)(3 mol/90% 3 mol)(1 mol/93.75% 1 mol)51。答案：(1)3SiCl42N26H2=Si3N412HCl(2)除去原料气中的氧气除去水蒸气这是放热反应，防止局部过热，导致硅熔化熔合成团，阻碍与N2的充分接触硝酸(3)SiHCl33H2O=H2SiO33HClH251
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