2023年新版高中化學 同步講義（必修第二冊） 第08講 硅酸鹽材料 硅 含解析

第08講硅酸鹽材料硅

θ知識導航

概念、結(jié)構(gòu)與特點

模塊一硅酸鹽材料

知識精講

一、硅元素的“位——構(gòu)—性”

元素位置原子結(jié)構(gòu)元素性質(zhì)

第三周期既不容易得到也不容易失去電子，主要形成四價的共價

第IVA族砌化合物

硅元素在地殼中含量僅次于氧，居第二位。硅有親氧性，在自然界中僅以態(tài)存在,

即硅酸鹽和氧化物的形式。?

【答案】化合

二、硅酸鹽的概念、結(jié)構(gòu)與特點

1.概念：由硅元素、氧元素和金屬元素組成的化合物。-

2.結(jié)構(gòu)：在硅酸鹽中，Si和O構(gòu)成了硅氧四面體。每個Si結(jié)合4個O,Si在中心，O在

四面體的4個頂角；許多這樣的四面體還可以通過頂角的O相互連接，每個O為兩個四面

體所共有，與2個Si相結(jié)合。

3.特點：硅酸鹽材料大多具有硬度高、熔點高、難溶于水、化學性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等特點。

三、傳統(tǒng)無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥

陶瓷玻璃水泥

主要原黏土（主要成分為含水的鋁純堿、石灰石、石英砂（主

黏土、石灰石

料硅酸鹽）要成分是SiO2）-

主要成

Al2O3?2SiO2?2H2ONa2CO3^CaCO3>SiO2硅酸二鈣、鋁酸三鈣等

分

反應原

高溫燒結(jié)而成高溫下發(fā)生復雜的物理和化學變化

理

建筑材料、光學儀器和各

建筑材料、絕緣材料、日用制混凝土，大量用于建

用途種器皿、制造玻璃纖維用

器皿、衛(wèi)生潔具等筑和水利工程

于高強度復合材料等

制取玻璃的反應方程式

為:。

【答案】i

SiO2+Na2CO3=≤≡=Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3=≡=CaSiO3+CO2t

四、最簡單的硅酸鹽一一硅酸鈉

1.Na2SiO3可溶于水，其水溶液俗稱水玻璃，有黏性。.

2.用途：黏合劑，防火劑，制備硅膠。

叁典例題

小題型一：傳統(tǒng)無機非金屬材料

［例1］下列物質(zhì)中不含硅酸鹽的是()

A.陶瓷B.玻璃C.水泥D.生石灰

【答案】D

【解析】

【詳解】

陶瓷、玻璃、水泥都屬于傳統(tǒng)無機非金屬材料，主要成分都是硅酸鹽；生石灰的主要成分為

CaO,不屬于硅酸鹽，D選項滿足題意；

答案選D。

【變1-3】2013年2月，俄羅斯境內(nèi)有大量隕石墜落，經(jīng)化學分析，隕石中游離態(tài)的鐵含量

約為10%,此外還有橄欖石(FezSiCU),亞硫酸鹽等成分，下列有關(guān)說法正確的是

A.此隕石是一種純度較高的硅酸鹽礦石

B.此隕石具有耐酸堿的特性?

C.隕石中含有游離態(tài)的鐵是因為在外太空中鐵的活性比地球上鐵的活性低

D.橄欖石中Fe為+2價

【答案】D

【解析】

【詳解】

A、隕石的成分有游離態(tài)的鐵含量約為10%,此外還有橄欖石(Fe2SiO4)?亞硫酸鹽，故不

是純度較高的硅酸鹽礦石，故A錯誤；

B、隕石中的鐵、橄欖石和亞硫酸鹽均能與酸反應，故不耐酸的腐蝕，故B錯誤；

C、游離態(tài)的鐵的活性相同，故C錯誤；

D、根據(jù)橄欖石的化學式Fe2SiO4可知：硅元素的化合價為+4價，氧元素為-2價，根據(jù)化

合價的代數(shù)和為0,故鐵元素為+2價，故D正確；

答案選D。

口模塊二硅

戰(zhàn)而射精講

一、硅單質(zhì)的物理性質(zhì)與用途

I.物理性質(zhì)：硅單質(zhì)是帶有金屬光澤的灰黑色固體，其結(jié)構(gòu)與金剛石類似，為空間網(wǎng)狀結(jié)

構(gòu)，所以晶體硅的硬度大、熔點高。

2.用途：硅在元素周期表中處于金屬與非金屬的交界處，晶體硅的導電性介于導體與絕緣

體之間，是一種良好的材料，因此晶體硅常用于制作集成電路板(硅芯片)和太陽

能電池極板。.

【答案】半導體

二、硅的化學性質(zhì)

1.與非金屬單質(zhì)反應

(I)與F2：Si+2F2=SiF4;

(2)與Cb:Si+2C12=^==SiCl4;

(3)與O2：Si+O2=^=SiO2；>

⑷與C：Si+CJ≡=SiC

2.與酸、堿反應

(I)非金屬單質(zhì)一般不與非氧化性酸反應但Si能與HF反應Si+4HF=SiF4↑+2H2t:

(2)硅與強堿溶液反應生成氫氣：Si+2Na0H+H2O=Na2SiO3+2H2↑?■

三、硅的制備

制備原用焦炭還原石英砂，得到含少量雜質(zhì)的粗硅，然后轉(zhuǎn)化為三氯硅烷，再經(jīng)氫氣還

理原。

制備流--------------1∣<>m2∣κ?xt1-------------1>1?11IIKMKI--------------

?I~T--Hrt------------------------------s'hγi-l-?-d-^c-i

程

反應方■

程式

【答案】SiO+2C吧三Si+2C0t

2Si+3HC1=_SiHCl3+H2SiHCl3+H2

空上Si+3HC1

經(jīng)典例題

。題型二：硅的性質(zhì)及應用

【變3-2】硅及其化合物在材料領(lǐng)域中應用廣泛。下列敘述中，正確的是(>

A.如圖是常見于汽車中的小擺件“蘋果花”，它的動力是以Si為原料制作的太陽能電池

B.晶體硅主要用途是制造光導纖維

C.硅是地殼中含量最多的元素

D.硅的化學性質(zhì)很穩(wěn)定，因此硅在自然界中以游離態(tài)形式存在

【答案】A

【解析】

【詳解】

A.晶體硅是良好的半導體材料，主要用途是制作太陽能電池、集成電路，故A正確；

B.晶體硅主要用途是制作太陽能電池、集成電路等，制造光導纖維的是二氧化硅，故B錯

誤：

C.氧是地殼中含量最多的元素，故C錯誤；

D.硅是親氧元素，在自然界中以化合態(tài)形式存在，D錯誤；

故答案為A。

題型三：硅的制備

【變4-1】由SiCh制備高純度硅的工業(yè)流程如圖所示:

下列說法錯誤的是

A.SiCh與純硅都是硬度大、熔沸點高的晶體?

B.X為CO氣體

C.反應□產(chǎn)生的H2與反應「產(chǎn)生的HCl可以循環(huán)使用

D.反應□□□均為在高溫條件下的非氧化還原反應

【答案】D

【解析】

【詳解】

A項、SiO2和Si都是原子晶體，硬度大、熔沸點高，A正確；

B項、反應二為SiCb+2CSi+2C0T,可知X為Co氣體，B正確；

C項、由生產(chǎn)高純硅的流程示意圖可知，H2和HCl既是反應物，又是生成物，所以可重復

利用的物質(zhì)是H?和HCl,C正確；

D項、反應為SiCM~2C"油Si+2C0T,反應Si（粗）+3HCl三絲LSiHCI3+H2,反應

SiHCb+H?138WSi?h+3HCI,三個方程式中元素的化合價均發(fā)生變化，均屬于氧

化還原反應，D錯誤；

故本題選D。

【點睛】

注意抓住SiCh制備高純度的硅的工業(yè)流程圖，記住并掌握如下三個方程式：反應「為

SiQ7+2C"'Si+2CO↑,反應口Si(粗)+3HCl%03KSiHCh+H,,反應□SiHCI3+H2

138OKsi(??+3HCL

【例5】硅單質(zhì)及其化合物應用范圍很廣，請回答下列問題：

制備硅半導體材料必須先得到高純硅，三氯甲硅烷(SiHCb)還原法是當前制備高純硅的主要

方法，生產(chǎn)過程示意圖如下：

ZWWq≡%羋匕SUKMM)I片叫SHHM純)~r?r[7兩

(1)寫出由純SiHCI3制備高純硅的化學反應方程式；

(2)整個制備過程必須嚴格控制無水無氧，SiHCb遇水劇烈反應生成H2SiO3,HCl和另一種

物質(zhì)，寫出配平的化學反應方程式；H2還原SiHCb過程中若混入。2,可能引

起的后果是.-

【答案】SiHCh+HU357KSi+3HC1SiHCl3+3H2O=H2SiO3∣+3HCl↑+H2↑氧氣與氫氣

混合，可能引起爆炸、氧氣可能會氧化SiHCb

【解析】

【分析】

(1)純SiHeb與1七在1357K下反應產(chǎn)生Si單質(zhì)和HCl,據(jù)此可書寫有關(guān)反應方程式；

(2)SiHCb遇水反應產(chǎn)生HzSiCh、HCl,然后根據(jù)反應前后元素守恒，分析另外一種物質(zhì)的成

分，并書寫相應的化學方程式；H2、02的混合氣體遇明火會發(fā)生爆炸。

【詳解】

(1)純SiHCb與H?在1357K下反應產(chǎn)生Si單質(zhì)和HCl,該反應方程式為SiHCh+Hj1357K

Si+3HCI;

(2)SiHCb遇水反應產(chǎn)生H2SQ3、HCI等，然后根據(jù)反應前后元素守恒，分析另外一種物質(zhì)

的成分是H2,據(jù)此可得相應的化學方程式為SiHCb+3H2O=H2SiO3J+3HCl↑+H2T;H2還原

SiHCb過程中若混入。2,H2、Ch的混合氣體可能會發(fā)生爆炸，并且氧氣可能會氧化SiHCho

【點睛】

本題考查了硅的單質(zhì)的制取、提純過程的反應原理、操作過程可能引發(fā)的問題的處理方法等,

掌握元素守恒是本題解答的關(guān)鍵。

[提分特訓

【題1】下列關(guān)于硅酸鹽材料的說法錯誤的是

A.生活中常見的硅酸鹽材料有玻璃、水泥、陶瓷

B.生產(chǎn)陶瓷的主要原料是黏土

C.普通玻璃的主要成分只有SiCh

D.普通硅酸鹽水泥的生產(chǎn)以石灰石和黏土為主要原料

【答案】C

【解析】

【詳解】

A.玻璃、水泥、陶瓷中的主要成分含有硅酸鹽，是生活中常見的硅酸鹽材料，A正確；

B.黏土經(jīng)高溫燒結(jié)可以制得陶瓷，黏土是陶瓷是主要原料，B正確；

C.普通玻璃的主要成分為硅酸鈣、硅酸鈉和二氧化硅，C錯誤；

D.普通硅酸鹽水泥以石灰石和黏土為原料，二者與其他輔料混合、研磨再進行其他加J：制

得普通水泥，D正確；

故答案選C。

【題2】硅谷是世界上最知名的電子工業(yè)集中地，以硅芯片的設計與制造著稱于世。下列有

關(guān)硅的說法正確的是

A.硅既不易失去電子又不易得到電子，所以既不能作氧化劑，又不能作還原劑

B.硅是構(gòu)成礦物和巖石的主要元素，硅在地殼中的含量居第一位

C.硅的化學性質(zhì)不活潑，在自然界中以游離態(tài)的形式存在?

D.在電子工業(yè)中，硅是最重要的半導體材料

【答案】D

【解析】

【詳解】

A.硅原子最外層電子數(shù)為4,因此既不易失去電子又不易得到電子，常溫下硅化學性質(zhì)不

活潑，但在反應Si+2月一Si耳、Si+。?篤i<?中Si作還原劑，A項錯誤；

B.硅在地殼中的含量居第二位，B項錯誤；

C.硅的化學性質(zhì)不活潑，但硅屬于親氧元素，所以硅主要以化合態(tài)形式存在于自然界中，

C項錯誤；

D.硅屬于半導體材料，能夠?qū)щ姡Ｓ糜陔娮庸I(yè)中，故D正確；

故選D。

【題3】唐三彩、秦兵馬俑制品的主要材料在成分上屬于（）

A.氧化鋁B.二氧化硅C.硅酸鹽D,合金

【答案】C

【解析】

【詳解】

唐三彩、秦兵馬俑制品由粘土經(jīng)高溫灼燒而成，屬于硅酸鹽產(chǎn)品。

故選C。

【題4】晶體硅是一種重要的非金屬材料，有科學家認為硅是“21世紀的能源”、“未來的石

油”。

（1）工業(yè)上生產(chǎn)純硅的工藝流程如下：

[—石―央I焦砂炭H--粗---硅---氯—*氣四氯…化硅--氫--氣--JNi純硅

石英砂的主要成分是SiO2,在制備粗硅時,焦炭的作用是（填“氧化劑''或"還原劑”）；

在該反應中，若消耗了3.0gSQ,則轉(zhuǎn)移電子的總數(shù)為0

（2）某實驗室利用SiHeb（沸點33.0口）與過量氏在1OOO□-l100□反應制得純硅。己知

SiHCl3能與H2O強烈反應，在空氣中易自燃。裝置如圖所示（熱源及夾持裝置略去）。

稀硫酸

SiHCl3

尾氣處理

裝置略去

ABCD

裝置B中的試劑是。裝置C中的燒瓶需要加熱,其目的是。

口反應一段時間后，裝置D中觀察到的現(xiàn)象是；裝置D中發(fā)生反

應的化學方程式為0

口為檢驗產(chǎn)品硅中是否含微量鐵單質(zhì)，將試樣用稀鹽酸溶解，取上層清液后需要加入的試劑

有(填字母)。

a.碘水b.氯水c.Na2SO3溶液d.KSCN溶液

【答案】還原劑1.204x1023或02NA濃硫酸使滴入燒瓶中的SiHCb汽化有

固體物質(zhì)生成....................Si+3HC1bd

【解析】

【分析】

(1)根據(jù)工藝流程寫出化學方程式，從化合價的變化判斷焦炭的作用，根據(jù)化學方程式和質(zhì)

量關(guān)系求出轉(zhuǎn)移的電子數(shù)；

(2)□A生成的氫氣經(jīng)過干燥，進入D與從C中汽化的SiHCb反應制粗硅，B是干燥裝置，

氣氣和SiHCl3發(fā)生置換反應，寫出化學方程式；

口選擇檢驗亞鐵離子的試劑；

【詳解】

(1)根據(jù)流程可知，化學方程式為SiCh+2C高溫Si+2CO,碳的化合價升高，做還原劑，Imol

SiCh參加反應轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為4mol,反應中消耗了3.0gSiO2,11=黑=目17=0.05mol,

M60g∕mol

轉(zhuǎn)移電子為0.2mol,即1.204x1023或O.2NA;

(2)SiHCb能與H2O強烈反應，需要用濃硫酸干燥氫氣，反應需要的溫度比較高，在D中反

應，SiHCl3的沸點較低，C中的燒瓶需要加熱是為了使滴入燒瓶中的SiHCI3汽化；

I裝置D中有硅單質(zhì)生成，即有固體物質(zhì)生成........Si+3HC1;

亞鐵離子的檢驗通常用的方法是：先向溶液中加入KSCN,溶液不變紅色，再加入氯水溶

液變紅色，即可卻確定有亞鐵離子，答案為bd。

【題5】某實驗小組設計了如圖所示裝置對焦炭還原二氧化硅的氣體產(chǎn)物進行探究。

已知：PdCI2溶液可用于檢驗CO,反應的化學方程式為CO+Pd5+Hq=CO2+2HCl+PdJ

(產(chǎn)生黑色金屬杷，使溶液變渾濁)。

(1)實驗時要長時間通入Nz,其目的是

(2)裝置B的作用是。

(3)裝置C、D中所盛試劑分別為、,若裝置C,D中溶液均變

渾濁，且經(jīng)檢測兩氣體產(chǎn)物的物質(zhì)的量相等，則該反應的化學方程式為

(4)該裝置的缺點是o

【答案】排盡裝置內(nèi)的‘空氣，避免空氣中的0〉CO”水蒸，I對實驗產(chǎn)生干擾作安

全瓶，防止倒吸澄清石灰水PdCl2溶液3SiO2+4C2CO2↑+2C0↑+3Si無

尾氣吸收裝置

【解析】

【分析】

在高溫條件下，焦炭能與二氧化硅發(fā)生置換反應，生成粗硅和一氧化碳，但由于裝置內(nèi)的空

氣能與焦炭、硅、一氧化碳等發(fā)生反應，所以反應開始前，需排盡裝置內(nèi)的空氣；為防倒吸，

需設置防倒吸裝置；檢驗產(chǎn)物C02,需通入澄清石灰水中；檢驗CO,可通入PdCl2溶液中。

【詳解】

(1)焦炭與二氧化硅的反應要在高溫條件下進行，而高溫條件下焦炭會與空氣中的氧氣、CO2,

水蒸氣發(fā)生反應，所以實驗時要長時間通入N,以將裝置中的空氣排盡。答案為：排盡裝置

內(nèi)的空氣，避免空氣中的0〉CO2,水蒸氣對實驗產(chǎn)生干擾；

(2)根據(jù)題圖可知，裝置B可以作安全瓶，防止倒吸。答案為：作安全瓶，防止倒吸；

(3)根據(jù)元素守恒，碳與二氧化硅反應可能生成一氧化碳，也可能生成二氧化碳，且Pdel2溶

液與Co反應有CO?生成，所以裝置C用來檢驗有沒有：氧化碳，裝置D用來檢驗有沒有

一氧化碳，裝C、D中所盛試劑分別為澄清石灰水、PdCI2溶液；若裝置C、D中溶液均變

渾濁，說明氣體產(chǎn)物中既有二氧化碳又有一氧化碳，又經(jīng)檢測兩氣體產(chǎn)物的物質(zhì)的量相等，

根據(jù)元素守恒可知反應的化學方程式3SiO2+4c5^2CC)2T+2COT+3Si。答案為：澄清

石灰水；PdCl2溶液；3SiO2+4C=≡^=2CO2↑+2C0↑+3Si：

(4)一氧化碳有毒，不能排放到空氣中，題給裝置沒有尾氣吸收裝置。答案為：無尾氣吸收

裝置。

【點睛】

通常情況下，廣口瓶中進氣管與出氣管的管口都短，此裝置常為防倒吸裝置。

M提分作業(yè)

【練1】下列敘述錯誤的是

A.硅在自然界中主要以單質(zhì)形式存在B.硅是應用最為廣泛的半導體材料?

C.高純度的硅可用于制造計算機芯片D.二氧化硅可用于生產(chǎn)玻璃

【答案】A

【詳解】

A.硅在自然界中主要以二氧化硅、硅酸鹽形式存在，自然界沒有游離態(tài)的硅，A錯誤；

B.硅的導電性介于導體和絕緣體之間，良好的半導體材料，是應用最為廣泛的半導體材

料，B正確；

C.硅是良好的半導體材料，高純度的硅可用于制造計算機芯片，C正確；

D.二氧化硅、純堿和石灰石可用于生產(chǎn)玻璃，D正確；

答案選A。

【練2】制備硅單質(zhì)時，主要化學反應如下：

(1)SiCh+2C高溫Si+2C0T

(2)Si+2Cl2ΔSiCl4

⑶SiCl4+2H2高溫Si+4HC1

下列對上述三個反應的敘述中，不正確的是

A.(1)(3)為置換反應B.(1)(2)(3)均為氧化還原反應

C.(2)為化合反應D.三個反應的反應物中硅元素均被還原

【答案】D

【解析】

【詳解】

A.一種單質(zhì)和一種化合物生成另一種單質(zhì)和另一種化合物的反應是置換反應，(1)(3)為置

換反應，A正確：

B.反應(I)(2)(3)中均有化合價的升高和降低，都是氧化還原反應，B正確；

C.化合反應是兩種或者兩種以上的物質(zhì)生成一種物質(zhì)的反應，(2)為化合反應，C正確；

D.反應(1)(3)中硅元素的化合價降低，被還原；(2)中硅元素的化合價升高，被氧化，D錯

誤；

答案選D。

【練3】下列關(guān)于硅的說法正確的是()

A.單質(zhì)硅的導電性介于導體和絕緣體之間

B.單質(zhì)硅是制造光導纖維的材料

C.硅為非金屬，熔點低，但有金屬光澤

D.晶體硅為非金屬，屬于絕緣體

【答案】A

【解析】

【詳解】

A.硅的導電性能介于導體和絕緣體之間，是良好的半導體材料，故A正確；

B.常用作制造光導纖維的材料是二氧化硅，故B錯誤；

C.硅單質(zhì)為原子型晶體，熔點較高，故C錯誤；

D.晶體硅為半導體材料?,導電性能介于導體和絕緣體之間，故D錯誤；

故答案為：Ao

【練4】晶體硅是信息科學和能源科學中的一種重要材料，可用于制芯片和太陽能電池等。

如圖所示流程是工業(yè)上制取純硅的一種方法。

,一向正IHCI,573K純凈SiHCbr氣體C

H2,1373K

2073-(沸點空S

反應③純硅

2273KLlI

反應①

周。,催化劑,

L*55A}1073K

焦反應④

炭

請回答下列問題：

(1)在上述生產(chǎn)過程中，屬于置換