【大綱創(chuàng)新設(shè)計(jì)】高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 第2節(jié) 硅及其化合物 無機(jī)非金屬材料 大綱人教

第二節(jié)硅及其化合物無機(jī)非金屬材料復(fù)習(xí)目標(biāo)展示1.掌握Si、SiO2、Na2SiO3等物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途。2.了解硅酸鹽工業(yè)及新型無機(jī)非金屬材料的特征及應(yīng)用。

知識(shí)點(diǎn)1問題1：硅及其化合物性質(zhì)中的許多化學(xué)反應(yīng)都是在什么條件下進(jìn)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(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)單質(zhì)硅有

和

兩種同素異形體，晶體硅是

形的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，屬于

晶體。無定形晶體正四面體原子(3)單質(zhì)的物理性質(zhì)晶體硅顏色：

色，熔、沸點(diǎn)：

，硬度

。導(dǎo)電性：良好的半導(dǎo)體材料。

灰黑很高很大(4)化學(xué)性質(zhì)①概述：常溫下化學(xué)性質(zhì)不活潑，不與

、

反應(yīng)，只與

、

、

反應(yīng)。

強(qiáng)酸強(qiáng)氧化劑F2HFNaOH②主要反應(yīng)：

SiO2＋2CSi＋2CO↑(5)工業(yè)制法化學(xué)方程式為：

。

高溫(6)用途①半導(dǎo)體材料；②作變壓器鐵芯；③加入鐵中制耐酸設(shè)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(xué)式)晶體，熔點(diǎn)高和硬度大。SiO2水晶SiO2(2)晶體結(jié)構(gòu)

①晶體類型：

。②原子結(jié)合方式：1個(gè)硅原子同時(shí)與

個(gè)氧原子結(jié)合，1個(gè)氧原子同時(shí)與

個(gè)硅原子結(jié)合，硅原子與氧原子個(gè)數(shù)比為

。

原子晶體421∶2(3)化學(xué)性質(zhì)二氧化硅是一種

氧化物，能與堿、堿性氧化物及部分鹽反應(yīng)：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(xué)器材和光導(dǎo)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(gòu)成地殼巖石的主要成分，種類很多，結(jié)構(gòu)復(fù)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(shí)點(diǎn)2無機(jī)非金屬材料問題2：傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料與新型無機(jī)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(shè)備水泥回轉(zhuǎn)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(jié)冷卻磨細(xì)煅燒石膏粉粉碎強(qiáng)熱加添加劑主要反應(yīng)復(fù)雜物理、化學(xué)變化Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑復(fù)雜物理、化學(xué)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(diǎn)，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(biāo)號(hào)普通玻璃、特種玻璃陶器、瓷器等高溫5.新形無機(jī)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(dǎo)纖維等無機(jī)非金屬材料，這些材料具有特殊結(jié)構(gòu)，特殊功能，如半導(dǎo)體材料，超硬耐高溫材料，發(fā)光材料等，都稱為新型無機(jī)非金屬材料。

思維延伸(1)傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料是指水泥、玻璃、陶瓷等，其優(yōu)點(diǎn)是抗腐蝕、耐高溫等，但也有質(zhì)脆，經(jīng)不起熱沖擊等弱點(diǎn)。(2)鋼化玻璃與普通玻璃的成分相同?？键c(diǎn)1硅及其化合物的特殊性1．硅的還原性比碳強(qiáng)，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(xué)平衡的角度理解，由于產(chǎn)物CO為氣體，它的放出促使反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行。2．碳酸的酸性比硅酸強(qiáng)，在水溶液中可發(fā)生反應(yīng)如Na2SiO3＋CO2＋H2OH2SiO3↓＋Na2CO3。但高溫下，可發(fā)生反應(yīng)Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。這是因?yàn)樵摲磻?yīng)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(zhì)一般不與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)而Si單質(zhì)可與強(qiáng)堿溶液反應(yīng)，Si＋2NaOH＋H2ONa2SiO3＋2H2↑。4．非金屬單質(zhì)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(jī)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(yīng)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(diǎn)最高的非金屬氧化物，H2SiO3是常溫下呈固態(tài)的酸。要點(diǎn)深化Si及SiO2的特性，常常作為推斷題的突破口和解題關(guān)鍵。因此要熟練掌握好Si及SiO2的特性。應(yīng)用時(shí)，還要注意能與NaOH溶液(除活潑金屬外)反應(yīng)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(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系中，A是一種固體單質(zhì)，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(xué)式是________。(2)B和a溶液反應(yīng)的離子方程式是___________________________。(3)G和鹽酸溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式是

。解析：G與過量HCl反應(yīng)生成白色沉淀E，G可能是AgNO3或Na2SiO3，E是AgCl或H2SiO3；再結(jié)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(xùn)練1．(2010·湖北部分重點(diǎn)中學(xué)聯(lián)考)2009年10月6日瑞典皇家科學(xué)院宣布，英國華裔科學(xué)家高錕以及兩名美國科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)诠饫w和半導(dǎo)體領(lǐng)域上的開創(chuàng)性研究。下列有關(guān)光導(dǎo)纖維和半導(dǎo)體的說法中錯(cuò)誤的是()A．二氧化硅是制備光導(dǎo)纖維的主要原料，光導(dǎo)纖維遇強(qiáng)堿會(huì)“斷路”B．作半導(dǎo)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?yàn)镾iO2可與強(qiáng)堿反應(yīng)生成硅酸鹽和水，所以光導(dǎo)纖維遇強(qiáng)堿會(huì)“斷路”，A項(xiàng)敘述正確；工業(yè)上用SiO2與C反應(yīng)制取粗硅，然后以粗硅、Cl2、H2為原料再制取精硅，顯然C項(xiàng)敘述不正確；B、D兩項(xiàng)敘述正確。答案：C考點(diǎn)2材料及新材料新型無機(jī)非金屬材料：主要指高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、光導(dǎo)纖維、生物陶瓷等。新型無機(jī)非金屬材料除繼承傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料的許多優(yōu)點(diǎn)、克服某些弱點(diǎn)外，還具有如下特性：(1)耐高溫、強(qiáng)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(jī)的葉片、軸承、永久模具等。(2)具有電學(xué)特性。如氧化錫陶瓷，可用作集成電路中的半導(dǎo)體。(3)具有光學(xué)特性。如光導(dǎo)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(diǎn)深化今后無機(jī)非金屬材料的發(fā)展趨勢(1)新型能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)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(zhì)高強(qiáng)材料。(6)納米無機(jī)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(guān)材料的說法正確的是()A．氮化硅陶瓷是新型無機(jī)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(dǎo)纖維解析：本題考查材料的類別、性質(zhì)等，意在考查考生對(duì)化學(xué)在生產(chǎn)、生活中應(yīng)用的了解。B項(xiàng)，C60屬于分子晶體，可用于制造納米材料；C項(xiàng)，纖維素乙酸酯屬于合成高分子材料；C項(xiàng)，制造光導(dǎo)纖維的原料是高純石英粉（SiO2)。答案：A變式訓(xùn)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(jī)非金屬材料研究的重要方向，合

成這些物質(zhì)需在高溫條件下進(jìn)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(yīng)生成氧化

物，所以在合成TiC、B4C3、Si3N2時(shí)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(xué)密切相關(guān)，表中對(duì)應(yīng)關(guān)系錯(cuò)誤的是()選項(xiàng)材料主要化學(xué)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(diǎn)：材料的學(xué)名、俗名與其主要成分的關(guān)系。審題視點(diǎn)：材料的學(xué)名、俗名與其主要成分的關(guān)系。思維導(dǎo)圖標(biāo)準(zhǔn)答案：A高分解密

不能正確選出A項(xiàng)，主要原因是對(duì)材料的組成記不熟。常見新型無機(jī)非金屬材料有：(1)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷：主要指利用其強(qiáng)度、硬度、韌性等機(jī)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(jià)值。(2)光導(dǎo)纖維：簡稱光纖，是一種能高質(zhì)量傳導(dǎo)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(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料。金屬材料主要指各種合金等。無機(jī)非金屬材料又分為傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料和新型無機(jī)非金屬材料。有機(jī)高分子材料又包括塑料、橡膠、纖維等。(4)復(fù)合材料：由金屬材料、陶瓷材料、高分子材料復(fù)合而成，其強(qiáng)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(zhì)及其化合物的轉(zhuǎn)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(chǔ)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(zhì))，粗硅與氯氣反應(yīng)生成四氯化硅(反應(yīng)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(shí)驗(yàn)室制備四氯化硅的裝置示意圖。相關(guān)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(yīng)生成相應(yīng)的氯化物；c．有關(guān)物質(zhì)的物理常數(shù)見下表：物質(zhì)SiCl4BCl3AlCl3FeCl3PCl5沸點(diǎn)/℃57.712.8－315－熔點(diǎn)/℃－70.0－107.2－－－升華溫度/℃－－180300162請(qǐng)回答下列問題：(1)寫出裝置A中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O。(2)裝置A中g(shù)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(zhì)元素是

（填寫元素符號(hào))。(4)為了分析殘留物中鐵元素的含量，先將殘留物預(yù)處理，使鐵元素還原成Fe2＋，再用KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液在酸性條件下進(jìn)行氧化還原滴定，反應(yīng)的離子方程式是：5Fe2＋＋MnO＋8H＋5Fe3＋＋Mn2＋＋4H2O平衡壓強(qiáng)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(qǐng)說明理由__________________________________________。②某同學(xué)稱取5.000g殘留物，經(jīng)預(yù)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(biāo)準(zhǔn)溶液滴定。達(dá)到滴定終點(diǎn)時(shí)，消耗標(biāo)準(zhǔn)溶液20.00mL，則殘留物中鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是________。思路點(diǎn)撥：制四氯化硅是由粗硅與Cl2反應(yīng)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(qiáng)，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(yīng)控制在57.7℃，此時(shí)BCl3變?yōu)闅怏w，但AlCl3、FeCl3、PCl5均殘留在瓶中，所以殘留雜質(zhì)元素是Fe、Al、P、Cl，(4)中①滴定時(shí)MnO

是自身指示劑，終點(diǎn)時(shí)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(shí)平臺(tái)，同時(shí)考查了氯氣的制備、凈化。實(shí)驗(yàn)條件的控制，實(shí)驗(yàn)事故的預(yù)防。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力，對(duì)物質(zhì)性質(zhì)在實(shí)驗(yàn)條件選擇中的應(yīng)用分析能力。解答時(shí)一定要仔細(xì)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(diǎn)就可分析出為了使SiCl4(g)―→SiCl4(l)”]，認(rèn)真分析每種儀器作用，盛放試劑及發(fā)生的反應(yīng)，聯(lián)想到實(shí)驗(yàn)過程中每一操作細(xì)節(jié)。知識(shí)支持制取高純硅的化學(xué)反應(yīng)(1)SiO2＋2C2CO＋Si(得到粗硅)。高溫(2)Si＋2Cl2

SiCl4(只是粗硅中的硅反應(yīng)，剩余了雜質(zhì)，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(zhì)在不同溫度下的狀態(tài)不同，結(jié)合平衡移動(dòng)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(jiǎng)?wù)Q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(guān)光纖的說法錯(cuò)誤的是()A．“光纖”是光導(dǎo)纖維的簡稱，是只傳輸光不導(dǎo)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(diǎn)很高，可用作高級(jí)耐火材料，主要成分是

二氧化硅②化學(xué)家采用瑪瑙研缽摩擦固體反應(yīng)物進(jìn)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(hù)眼睛⑤太陽能電池可采用硅材料制作，其應(yīng)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(yīng)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(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)。答案：D3．(5分)(2010·徐州市一中期中考題)石棉是一類價(jià)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(xué)式

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

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

D．這種石棉屬于新型無機(jī)非金屬材料解析：選項(xiàng)A，根據(jù)化合價(jià)代數(shù)和等于零的原則，設(shè)Fe元素的價(jià)態(tài)為＋n價(jià)，則有2＋5n＋32－44－2＝0，n＝2.4，故該物質(zhì)中Fe元素的化合價(jià)為＋2和＋3價(jià)。根據(jù)硅酸鹽改寫成氧化物形式的規(guī)則可知選項(xiàng)B正確；1molNa2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O與HNO3反應(yīng)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(zhì)只能與14mol鹽酸反應(yīng)；選項(xiàng)D，石棉屬于傳統(tǒng)無機(jī)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?dú)饬髦校ㄟ^以下反應(yīng)制得：