【大綱創(chuàng)新設計】高考化學一輪復習 第2節(jié) 硅及其化合物 無機非金屬材料 大綱人教

第二節(jié)硅及其化合物無機非金屬材料復習目標展示1.掌握Si、SiO2、Na2SiO3等物質的結構、性質、用途。2.了解硅酸鹽工業(yè)及新型無機非金屬材料的特征及應用。

知識點1問題1：硅及其化合物性質中的許多化學反應都是在什么條件下進行的？

硅及其化合物1．硅(Si)(1)存在硅在自然界中全部以

形式存在，地殼中含量僅次于

。

化合物O(2)單質的晶體結構單質硅有

和

兩種同素異形體，晶體硅是

形的空間網(wǎng)狀結構，屬于

晶體。無定形晶體正四面體原子(3)單質的物理性質晶體硅顏色：

色，熔、沸點：

，硬度

。導電性：良好的半導體材料。

灰黑很高很大(4)化學性質①概述：常溫下化學性質不活潑，不與

、

反應，只與

、

、

反應。

強酸強氧化劑F2HFNaOH②主要反應：

SiO2＋2CSi＋2CO↑(5)工業(yè)制法化學方程式為：

。

高溫(6)用途①半導體材料；②作變壓器鐵芯；③加入鐵中制耐酸設備。

2．二氧化硅(SiO2)

(1)自然界中的存在沙子和石英的主要成分是

，透明的石英俗稱

，它是

(寫化學式)晶體，熔點高和硬度大。SiO2水晶SiO2(2)晶體結構

①晶體類型：

。②原子結合方式：1個硅原子同時與

個氧原子結合，1個氧原子同時與

個硅原子結合，硅原子與氧原子個數(shù)比為

。

原子晶體421∶2(3)化學性質二氧化硅是一種

氧化物，能與堿、堿性氧化物及部分鹽反應：酸性(4)用途沙子用于建筑，石英用于制造玻璃，純SiO2用于制造電子部件、光學器材和光導纖維。3．硅酸(H2SiO3)及其鹽(1)硅酸：不溶于水，其酸性小于碳酸Na2SiO3＋CO2＋H2ONa2CO3＋H2SiO3↓，Na2SiO3＋2HCl2NaCl＋H2SiO3↓。

(2)硅酸鹽①常用的硅酸鹽是Na2SiO3，俗稱“泡花堿”，易溶于水，其水溶液叫水玻璃，是一種礦物膠，顯堿性，易吸收空氣中的CO2而生成硅酸，因而需密封保存。②硅酸鹽是構成地殼巖石的主要成分，種類很多，結構復雜，常用氧化物的形式來表示其組成。表示順序一般為活潑金屬氧化物、較活潑金屬氧化物、二氧化硅、水。例如：硅酸鈉Na2SiO3：Na2O·SiO2；鈣沸石CaAl2Si3O10·3H2O：CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O。思維延伸

知識點2無機非金屬材料問題2：傳統(tǒng)無機非金屬材料與新型無機非金屬材料的差別是什么？4．三種傳統(tǒng)硅酸鹽工業(yè)的比較類別水泥玻璃陶瓷主要原料石灰石、黏土、石膏純堿、石灰石石英(SiO2)黏土主要設備水泥回轉窯玻璃熔爐陶瓷窯生產(chǎn)過程原料生料熟料成品原料混合（按比例）熔化成型混合成型干燥燒結冷卻磨細煅燒石膏粉粉碎強熱加添加劑主要反應復雜物理、化學變化Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑復雜物理、化學變化主要成分3CaO·SiO2；2CaO·SiO2；3CaO·Al2O3普通玻璃：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2主要性能水硬性(不可逆過程)無固定熔、沸點，在一定溫度范圍內(nèi)軟化抗氧化、抗酸堿腐蝕，耐高溫種類不同標號普通玻璃、特種玻璃陶器、瓷器等高溫5.新形無機非金屬材料新開發(fā)利用的如氮化硅Si3N4、剛玉Al2O3等陶瓷，光導纖維等無機非金屬材料，這些材料具有特殊結構，特殊功能，如半導體材料，超硬耐高溫材料，發(fā)光材料等，都稱為新型無機非金屬材料。

思維延伸(1)傳統(tǒng)無機非金屬材料是指水泥、玻璃、陶瓷等，其優(yōu)點是抗腐蝕、耐高溫等，但也有質脆，經(jīng)不起熱沖擊等弱點。(2)鋼化玻璃與普通玻璃的成分相同。考點1硅及其化合物的特殊性1．硅的還原性比碳強，但在高溫下，碳能從二氧化硅中還原出硅。SiO2＋2CSi＋2CO↑高溫這可從化學平衡的角度理解，由于產(chǎn)物CO為氣體，它的放出促使反應向正反應方向進行。2．碳酸的酸性比硅酸強，在水溶液中可發(fā)生反應如Na2SiO3＋CO2＋H2OH2SiO3↓＋Na2CO3。但高溫下，可發(fā)生反應Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。這是因為該反應不是在水溶液中，而是在高溫條件下發(fā)生的。高溫高溫3．常溫條件下，非金屬單質一般不與強堿溶液反應而Si單質可與強堿溶液反應，Si＋2NaOH＋H2ONa2SiO3＋2H2↑。4．非金屬單質一般不跟非氧化性酸作用，但Si能跟氫氟酸作用：Si＋4HFSiF4↑＋2H2↑。5．非金屬氧化物一般為分子晶體，但SiO2為原子晶體。6．酸性氧化物一般不與酸作用，但SiO2能與氫氟酸作用。7．無機酸一般易溶于水，但H2SiO3和H4SiO4均難溶于水。8．硅酸鈉水溶液俗稱泡花堿或水玻璃，但卻是鹽溶液。9．SiO2雖是硅酸的酸酐，但卻不能用SiO2和水反應制備硅酸，只能用可溶性硅酸鹽溶液跟酸作用來制取。10．SiO2是熔點最高的非金屬氧化物，H2SiO3是常溫下呈固態(tài)的酸。要點深化Si及SiO2的特性，常常作為推斷題的突破口和解題關鍵。因此要熟練掌握好Si及SiO2的特性。應用時，還要注意能與NaOH溶液(除活潑金屬外)反應產(chǎn)生H2的除Si外還有Al?！纠?】

(2009·全國高考題改編題)在下列物質的轉化關系中，A是一種固體單質，E是一種白色沉淀，據(jù)此填寫下列空白：SiO2＋2OH－SiO－＋H2O(1)B的化學式是________。(2)B和a溶液反應的離子方程式是___________________________。(3)G和鹽酸溶液反應的化學方程式是

。解析：G與過量HCl反應生成白色沉淀E，G可能是AgNO3或Na2SiO3，E是AgCl或H2SiO3；再結合E加熱生成氧化物B，判斷E為H2SiO3，B為SiO2、D為H2O、A為Si、G是Na2SiO3、F是H2、H是NaCl。SiO2Na2SiO3＋2HCl2NaCl＋H2SiO3↓

變式訓練1．(2010·湖北部分重點中學聯(lián)考)2009年10月6日瑞典皇家科學院宣布，英國華裔科學家高錕以及兩名美國科學家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯獲得2009年諾貝爾物理學獎，以獎勵他們在光纖和半導體領域上的開創(chuàng)性研究。下列有關光導纖維和半導體的說法中錯誤的是()A．二氧化硅是制備光導纖維的主要原料，光導纖維遇強堿會“斷路”B．作半導體材料的硅位于周期表中第三周期ⅣA族C．工業(yè)上，利用二氧化硅熱分解法冶煉硅D．二氧化硅和硅的晶體類型相同解析：因為SiO2可與強堿反應生成硅酸鹽和水，所以光導纖維遇強堿會“斷路”，A項敘述正確；工業(yè)上用SiO2與C反應制取粗硅，然后以粗硅、Cl2、H2為原料再制取精硅，顯然C項敘述不正確；B、D兩項敘述正確。答案：C考點2材料及新材料新型無機非金屬材料：主要指高溫結構陶瓷、光導纖維、生物陶瓷等。新型無機非金屬材料除繼承傳統(tǒng)無機非金屬材料的許多優(yōu)點、克服某些弱點外，還具有如下特性：(1)耐高溫、強度高。如氮化硅陶瓷在1200℃左右的高溫下，仍具有很高的硬度，可用來制造氣輪機的葉片、軸承、永久模具等。(2)具有電學特性。如氧化錫陶瓷，可用作集成電路中的半導體。(3)具有光學特性。如光導纖維，用于光纜通訊、醫(yī)療、信息處理等。(4)具有生物功能。如磷酸鈣系陶瓷，可用于制造人造骨骼等。要點深化今后無機非金屬材料的發(fā)展趨勢(1)新型能源轉換和儲能材料。(2)新型光電子材料及器件。(3)生物醫(yī)用材料。(4)信息功能材料。(5)輕質高強材料。(6)納米無機材料。【例2】(2009·四川理綜，6)開發(fā)新材料是現(xiàn)代科技發(fā)展的方向之一。下列有關材料的說法正確的是()A．氮化硅陶瓷是新型無機非金屬材料B．C60屬于原子晶體，用于制造納米材料

C．纖維素乙酸酯屬于天然高分子材料D．單晶硅常用于制造光導纖維解析：本題考查材料的類別、性質等，意在考查考生對化學在生產(chǎn)、生活中應用的了解。B項，C60屬于分子晶體，可用于制造納米材料；C項，纖維素乙酸酯屬于合成高分子材料；C項，制造光導纖維的原料是高純石英粉（SiO2)。答案：A變式訓練2．(2010·模擬題)碳化鈦(TiC)、碳化硼(B4C3)、氮化硅(Si3N4)等非氧化物陶瓷是新型無機非金屬材料研究的重要方向，合

成這些物質需在高溫條件下進行，在合成它們的過程中必須注意()

A．通入足量氧氣B.避免與氧氣接觸

C．通入少量氯氣D．通入少量氧氣

解析：“C”與“Si”均在高溫條件易與O2反應生成氧化

物，所以在合成TiC、B4C3、Si3N2時要避免與氧氣接觸。

答案：B客觀題以考查硅元素的特殊性，現(xiàn)代新材料及與傳統(tǒng)材料的差異為主。

【考題一】(2009·重慶理綜，6)材料與化學密切相關，表中對應關系錯誤的是()選項材料主要化學成分A剛玉、金剛石三氧化二鋁B大理石、石灰石碳酸鈣C普通水泥、普通玻璃硅酸鹽D沙子、石英二氧化硅審題視點：材料的學名、俗名與其主要成分的關系。審題視點：材料的學名、俗名與其主要成分的關系。思維導圖標準答案：A高分解密

不能正確選出A項，主要原因是對材料的組成記不熟。常見新型無機非金屬材料有：(1)高溫結構陶瓷：主要指利用其強度、硬度、韌性等機械性能制成的各種材料。如氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷等，在工業(yè)、國防上有重要的價值。(2)光導纖維：簡稱光纖，是一種能高質量傳導光的玻璃纖維。用于通訊、醫(yī)療、信息處理、遙測遙控、照明等。(光纖主要成分是SiO2)。(3)材料按其組成可分為三類：金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料。金屬材料主要指各種合金等。無機非金屬材料又分為傳統(tǒng)無機非金屬材料和新型無機非金屬材料。有機高分子材料又包括塑料、橡膠、纖維等。(4)復合材料：由金屬材料、陶瓷材料、高分子材料復合而成，其強度、韌性和耐腐蝕等性能比單一材料更好，是一類具有廣闊發(fā)展前景的新型材料。主觀題

以考查硅元素單質及其化合物的轉化、制備新材料等內(nèi)容為主?！究碱}二】

單晶硅是信息產(chǎn)業(yè)中重要的基礎材料。通常用碳在高溫下還原二氧化硅制得粗硅(含鐵、鋁、硼、磷等雜質)，粗硅與氯氣反應生成四氯化硅(反應溫度50～500℃)，四氯化硅經(jīng)提純后用氫氣還原可得高純硅。以下是實驗室制備四氯化硅的裝置示意圖。相關信息如下：a．四氯化硅遇水極易水解；b．硼、鋁、鐵、磷在高溫下均能與氯氣直接反應生成相應的氯化物；c．有關物質的物理常數(shù)見下表：物質SiCl4BCl3AlCl3FeCl3PCl5沸點/℃57.712.8－315－熔點/℃－70.0－107.2－－－升華溫度/℃－－180300162請回答下列問題：(1)寫出裝置A中發(fā)生反應的離子方程式MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O。(2)裝置A中g管的作用是________；裝置C中的試劑是________；裝置E中的h瓶需要冷卻的理由是_________________________。(3)裝置E中h瓶收集到的粗產(chǎn)物可通過精餾(類似多次蒸餾)得到高純度四氯化硅，精餾后的殘留物中，除鐵元素外可能還含有的雜質元素是

（填寫元素符號)。(4)為了分析殘留物中鐵元素的含量，先將殘留物預處理，使鐵元素還原成Fe2＋，再用KMnO4標準溶液在酸性條件下進行氧化還原滴定，反應的離子方程式是：5Fe2＋＋MnO＋8H＋5Fe3＋＋Mn2＋＋4H2O平衡壓強濃硫酸使SiCl4冷凝Al、P、Cl①滴定前是否要滴加指示劑？________(填“是”或“否”)，請說明理由__________________________________________。②某同學稱取5.000g殘留物，經(jīng)預處理后在容量瓶中配制成100mL溶液，移取25.00mL試樣溶液，用1.000×10－2mol·L－1KMnO4標準溶液滴定。達到滴定終點時，消耗標準溶液20.00mL，則殘留物中鐵元素的質量分數(shù)是________。思路點撥：制四氯化硅是由粗硅與Cl2反應得到的，所以必須先制得Cl2，因SiCl4極易水解，所以Cl2須干燥，再根據(jù)表格數(shù)據(jù)分析提純SiCl4的方法。(1)書寫的是離子方程式，B裝置中盛放飽和食鹽水除去HCl，C裝置中用濃H2SO4除水以制得干燥純凈的Cl2；否KMnO4溶液自身可作指示劑4.480%(2)A中用恒壓分液漏斗平衡壓強，使液體順利流下；h瓶用冷卻液冷卻主要目的是得到SiCl4；(3)精餾粗產(chǎn)物得到SiCl4，溫度應控制在57.7℃，此時BCl3變?yōu)闅怏w，但AlCl3、FeCl3、PCl5均殘留在瓶中，所以殘留雜質元素是Fe、Al、P、Cl，(4)中①滴定時MnO

是自身指示劑，終點時變?yōu)樽霞t色且30s內(nèi)不變即可讀數(shù)；②中5Fe2＋～MnO1xnn＝1.000×10－2mol·L－1×20mL×10－3L·mL－1＝2.000×10－4molx＝1.000×10－3mol，從100mL中取出25mL，原溶液中n(Fe2＋)＝4.000×10－3mol，w＝=4.480%。

高分解密

本題以硅的制取及提純?yōu)橹R平臺，同時考查了氯氣的制備、凈化。實驗條件的控制，實驗事故的預防。對實驗數(shù)據(jù)的處理能力，對物質性質在實驗條件選擇中的應用分析能力。解答時一定要仔細閱讀題干內(nèi)容(給出了制高純度硅的原理和儀器)和問題內(nèi)容[如(2)中“裝置E中的h瓶需冷卻的理由—根據(jù)SiCl4的沸點就可分析出為了使SiCl4(g)―→SiCl4(l)”]，認真分析每種儀器作用，盛放試劑及發(fā)生的反應，聯(lián)想到實驗過程中每一操作細節(jié)。知識支持制取高純硅的化學反應(1)SiO2＋2C2CO＋Si(得到粗硅)。高溫(2)Si＋2Cl2

SiCl4(只是粗硅中的硅反應，剩余了雜質，得到SiCl4是純凈物)。450。C~500。C(3)SiCl4＋2H2Si＋4HCl↑(得到高純硅)。(利用了物質在不同溫度下的狀態(tài)不同，結合平衡移動原理來制取高純硅。)1．(5分)(2010·原創(chuàng)題)2009年10月諾貝爾物理獎誕生了，其中擁有英國和美國雙重國籍的華人高錕，又被稱為“光纖之父”是

獲此殊榮的三人之一。下列有關光纖的說法錯誤的是()A．“光纖”是光導纖維的簡稱，是只傳輸光不導電的一種材料B．光纖的主要成分是硅，可溶于NaOH溶液中C．光纖的主要成分是二氧化硅，可溶于氟化氫溶液中D．光纖、石英、水晶的主要成分均相同

答案：B2．(5分)(2010·模擬題)下列表述正確的是()①人造剛玉熔點很高，可用作高級耐火材料，主要成分是

二氧化硅②化學家采用瑪瑙研缽摩擦固體反應物進行無溶劑合成，瑪瑙的主要成分是硅酸鹽③提前建成的三峽大壩使用了大量水泥，水泥是硅酸鹽材料④夏天到了，游客佩戴由添加化亞銅的二氧化硅玻璃制作的變色眼鏡來保護眼睛⑤太陽能電池可采用硅材料制作，其應用有利于環(huán)保、節(jié)能A．①②③B.②④C.③④⑤D.③⑤解析：本題主要考查硅及其化合物的具體應用。剛玉的主要成分為Al2O3；瑪瑙的主要成分是SiO2；玻璃的主要成分為NaSiO3、CaSiO3、SiO2；水泥的主要成分為3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3等，為硅酸鹽材料；Cu2O雖然是紅色的，但它不能變色，也不能吸收有害光線；硅材料不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的物質。答案：D3．(5分)(2010·徐州市一中期中考題)石棉是一類價格低廉的硅酸鹽材料，但是有毒，能使人患肺癌。一種叫礦青石棉的化學式

為：Na2Fe5Si8O22(OH)2，用稀硝酸溶液處理時，還原產(chǎn)物只有

NO，下列說法正確的是()A．該物質中Fe元素的化合價為＋2價，它屬于硅酸鹽B．該物質的化學組成可表示為：Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2OC．1mol該物質能和18molHNO3反應，也能與18mol鹽酸反應

D．這種石棉屬于新型無機非金屬材料解析：選項A，根據(jù)化合價代數(shù)和等于零的原則，設Fe元素的價態(tài)為＋n價，則有2＋5n＋32－44－2＝0，n＝2.4，故該物質中Fe元素的化合價為＋2和＋3價。根據(jù)硅酸鹽改寫成氧化物形式的規(guī)則可知選項B正確；1molNa2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O與HNO3反應生成NaNO3、Fe(NO3)3，起酸性作用的硝酸是17mol，起氧化劑作用的是1mol，所以共需18molHNO3，但該物質只能與14mol鹽酸反應；選項D，石棉屬于傳統(tǒng)無機非金屬材料。答案：B4．(5分)(2010·模擬題)氮化硅(Si3N4)是一種新型陶瓷材料，它可由石英與焦炭在高溫的氮氣流中，通過以下反應制得：