1、第4章材料家族中的元素第1節硅無機非金屬材料考綱考情三年13考高考指數：1.了解硅單質及其重要化合物的主要性質及應用。2.了解硅單質及其重要化合物對環境質量的影響。3.了解常見無機非金屬材料的性質和用途。【知識梳理】一、硅1.硅元素在自然界中的存在：在地殼中的含量：_，自然界中存在形態：_，主要存在形式：_和硅酸鹽等。2.單質硅的性質：單質硅有_和_兩種，其晶體結構與_類似。居第二位化合態二氧化硅晶體硅無定形硅(非晶硅)金剛石(1)晶體硅的物理性質。色澤硬度熔沸點導電性_灰黑色、有金屬光澤大高介于導體與絕緣體之間(2)化學性質。與氫氟酸反應：_；與NaOH溶液反應：Si+2NaOH+H2O=N

2、a2SiO3+2H2；與O2反應：_。=Si+4HF=SiF4+2H2Si+O2 SiO2(3)工業制法： 用焦炭和二氧化硅在電爐中反應得到粗硅，反應的化學方程式為_。(4)主要用途：用做半導體材料、生產硅合金等。高溫=SiO2+2C Si+2CO【微點撥】(1)自然界中沒有游離態硅，工業上常用焦炭在電爐中還原SiO2得到粗硅。(2)Si的還原性強于C，但C能還原SiO2生成Si，且氧化產物為CO：2C+SiO2 Si+2CO，其原因是產物CO為氣體，它的放出降低了生成物濃度，促使反應向正反應方向進行。(3)非金屬單質跟堿溶液作用一般無H2產生，但Si能跟堿液作用放出H2：Si+2NaOH+H

3、2O=Na2SiO3+2H2。二、二氧化碳與二氧化硅的比較物質SiO2CO2物理性質硬度大，熔沸點高，常溫下為固體，不溶于水熔沸點低，常溫下為氣體，微溶于水化學性質與水反應不反應_與酸反應_不反應CO2+H2O H2CO3SiO2+4HF=SiF4+ 2H2O物質SiO2CO2化學性質與堿反應SiO2+2NaOH=_盛堿液的試劑瓶用橡皮塞CO2+2NaOH=_或CO2+NaOH=_與鹽反應SiO2+Na2CO3 _、SiO2+CaCO3 _Ca(ClO)2+CO2+H2O=_CO2+Na2CO3+H2O=_Na2SiO3+ H2ONa2CO3+H2ONaHCO3高溫=高溫=Na2SiO3+CO

4、2CaSiO3+CO2CaCO3+ 2HClO、2NaHCO3物質SiO2CO2化學性質與堿性氧化物反應SiO2+CaO _CO2+Na2O=_與碳反應_用途制光學儀器、石英玻璃、常用來制造通訊材料_化工原料、滅火劑。干冰用作_，人工降雨高溫=CaSiO3Na2CO3CO2+C 2COSiO2+2C Si+2CO高溫=高溫=光導纖維制冷劑【微點撥】(1)SiO2和CO2都是酸性氧化物，與堿反應生成鹽和水；CO2與水反應生成碳酸，但SiO2不溶于水，故不能用SiO2與水反應制備硅酸。(2)SiO2不能與鹽酸、硝酸、硫酸等酸反應，但能與氫氟酸反應。(3)不能依據反應SiO2+Na2CO3 Na2S

5、iO3+CO2來說明SiO2水化物(即H2SiO3)的酸性比H2CO3強。三、硅酸和硅酸鹽1.硅酸：難碳酸Na2CO3+H2SiO3=H2SiO3 SiO2+H2ONa2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaCl2.硅酸鹽：(1)Na2SiO3水溶液俗稱_，常用于制作黏合劑、防腐劑和耐火材料。(2)硅酸鈉溶液在空氣中易變質，反應的化學方程式為_。(3)硅酸鹽組成的表示：通常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示硅酸鹽的組成：如硅酸鈉(Na2SiO3)可表示為_，石棉(CaMg3Si4O12)可表示為_。水玻璃Na2SiO3+H2O+CO2=Na2CO3+H2SiO3Na2OSiO2CaO3Mg

6、O4SiO23.常見無機非金屬材料：(1)傳統無機非金屬材料。水泥玻璃陶瓷生產原料_主要設備_陶瓷窯生產條件高溫石灰石、黏土純堿、石灰石和石英黏土水泥回轉窯玻璃窯(2)特殊功能的含硅物質。碳化硅具有金剛石結構，可用作磨料。含硅元素4%的硅鋼具有導磁性。硅橡膠具有既耐高溫又耐低溫的性質。【微點撥】(1)氧化物形式只表示硅酸鹽的組成而不表示其結構，切不可認為硅酸鹽是由氧化物混合而成的。(2)玻璃中含有二氧化硅，因此氫氟酸可用于雕刻玻璃，盛放氫氟酸不用玻璃瓶而用塑料瓶。(3)NaOH溶液可以用玻璃瓶盛放，但不能用帶磨口玻璃塞的玻璃瓶。【小題快練】1.【思考辨析】(1)(2014江蘇高考)晶體硅熔點高

7、、硬度大，所以可用于制作半導體材料。( )【分析】硅是原子晶體，熔點高、硬度大，硅可用作半導體材料，但二者沒有因果關系。(2)SiO2既可與NaOH溶液反應又可與氫氟酸反應，因此SiO2是兩性氧化物。( )【分析】SiO2屬于酸性氧化物，不是兩性氧化物。(3)CO2和SiO2都是酸性氧化物，在一定條件下都能和氧化鈣反應。( )【分析】CO2與CaO反應可生成CaCO3，SiO2與CaO可反應生成CaSiO3。(4)硅常溫下可與NaOH溶液、F2、Cl2等物質反應。( )【分析】硅常溫下不能與Cl2反應，硅與氯氣在高溫條件下才能反應。(5)(2013廣東高考)高溫下用焦炭還原SiO2制取粗硅。(

8、 )【分析】焦炭在高溫下與SiO2反應生成硅和一氧化碳。2.【教材研習】(1)(LK必修1P114)下列關于硅單質及其化合物的說法正確的是()硅是構成一些巖石和礦物的基本元素水泥、玻璃、水晶飾物都是硅酸鹽制品高純度的硅單質廣泛用于制作光導纖維陶瓷是人類應用最早的硅酸鹽材料A.B.C.D.【解析】選C。水泥、玻璃是硅酸鹽制品，水晶的主要成分是二氧化硅，錯；光導纖維的主要成分是二氧化硅，錯。(2)(RJ必修1P81)坩堝是實驗室用于灼燒或熔融固體物質的常用儀器，材質種類很多，實驗時應根據物質的性質加以選擇。熔融燒堿時，應選用下列哪種材質的坩堝()A.玻璃坩堝 B.石英坩堝C.陶瓷坩堝 D.鐵坩堝【

9、解析】選D。二氧化硅能與氫氧化鈉反應，因此熔融燒堿的坩堝中不能含有二氧化硅，A、B、C中都含有二氧化硅。(3)(LK必修1P114)單晶硅是制作電子集成電路的基礎材料，對硅的純度要求很高。用化學方法可制得高純度硅，其化學方程式為SiO2+2C Si+2COSi+2Cl2 SiCl4SiCl4+2H2 Si+4HCl。下列對上述三個反應的敘述不正確的是()A.為置換反應B.為化合反應C.均為氧化還原反應D.三個反應的反應物中硅元素均被還原【解析】選D。反應為置換反應，反應為化合反應，三個反應均有元素化合價變化，均屬于氧化還原反應，其中反應和中硅元素被還原，反應中硅元素被氧化。(4)(RJ必修1P

10、81)下列關于碳、硅的敘述正確的是()A.碳、硅都是A族元素，它們在自然界中都以化合態形式存在B.二氧化碳、二氧化硅的物理性質相似C.二氧化碳、二氧化硅都是酸性氧化物，能與NaOH溶液反應生成相應的鹽D.高純度的二氧化硅用于制造半導體材料【解析】選C。自然界中含有單質碳(如金剛石、石墨)，A錯誤；二氧化碳、二氧化硅的物理性質(如熔沸點)差別很大，B錯誤；高純度的晶體硅用于制造半導體材料。【速記卡片】1.牢記兩種物質的重要用途：(1)晶體硅：作半導體材料、制芯片、制太陽能電池。(2)二氧化硅：制光導纖維。2.牢記4個特性：(1)硅是非金屬單質，但能與氫氧化鈉溶液反應產生氫氣；(2)硅是非金屬單質

11、，但能與非氧化性酸HF反應；(3)二氧化硅是酸性氧化物，但能與HF反應；(4)無機酸一般易溶于水，但硅酸難溶于水。3.熟記5個化學反應方程式：(1)Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2(2)Si+4HF=SiF4+2H2(3)SiO2+4HF=SiF4+2H2O(4)SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O(5)Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3考點一硅及其化合物的特殊性質【自主訓練】(2015聊城模擬)下列說法正確的是()單質硅是將太陽能轉變為電能的常用材料。合成纖維和光導纖維都是新型無機非金屬材料。盛放NaOH溶液時，使用帶磨口玻璃塞的玻璃瓶。Mg2

12、+、H+、Si 、 在水溶液中能大量共存。向含K+、Na+、Br-、Si 的溶液中通入CO2后仍能大量共存。SiO2與酸、堿均不反應。SiO2不與任何酸反應，可用石英制造耐酸容器。SiO2是酸性氧化物，能與NaOH溶液反應。SiSiO2H2SiO3均能一步轉化。水玻璃可用于生產黏合劑和防火劑。A. B.C. D.【解析】選B。單質硅常用于制太陽能電池，正確；合成纖維是有機材料，不是無機非金屬材料，錯誤；NaOH能與玻璃中的SiO2反應：2NaOH+SiO2=Na2SiO3+H2O，錯誤；H+、Si 可結合生成難溶于水的硅酸，錯誤；溶液中通入CO2后，發生反應：CO2+H2O+Si =H2SiO

13、3+ ，錯誤；SiO2與堿、氫氟酸均可反應，錯誤、錯誤、正確；SiO2不能一步轉化為H2SiO3，因SiO2與H2O不反應，錯誤；水玻璃俗稱“泡花堿”，可作黏合劑與防火劑，正確。【歸納總結】硅及其化合物的特性物質一般規律硅及其化合物的特性Si硅的還原性比碳強SiO2+2C Si+2CO非金屬單質與強堿反應一般不生成氫氣Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2非金屬單質一般不與非氧化性酸反應Si+4HF=SiF4+2H2一般非金屬單質為絕緣體硅為半導體高溫 =物質一般規律硅及其化合物的特性SiO2酸性氧化物一般與水反應生成相應的酸SiO2不溶于水，不與水反應酸性氧化物一般不與酸發生復分解

14、反應SiO2+4HF=SiF4+2H2O“較強酸制較弱酸”是復分解反應的一般規律，碳酸酸性大于硅酸Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3+Na2CO3，但在高溫下Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2H2SiO3無機酸一般易溶于水硅酸和原硅酸難溶于水高溫 =【針對訓練】(2015安慶模擬)化學家Seidel指出Si與NaOH溶液的反應，首先是Si與OH-反應，生成Si ，然后Si 迅速水解生成H4SiO4，下列有關說法正確的是()A.原硅酸鈉(Na4SiO4)能迅速水解，且水解后呈堿性，故Na4SiO4為弱電解質B.石英玻璃、普通玻璃、陶瓷及水泥均屬于硅酸鹽產品C.2HCl+Na

15、2SiO3=H2SiO3+2NaCl說明Cl的非金屬性大于SiD.半導體工業所說的“從沙灘到家庭”是指將二氧化硅制成晶體硅【解析】選D。Na4SiO4是強堿弱酸鹽，為強電解質，Si 迅速水解導致溶液呈堿性，故A錯誤；石英玻璃的主要成分是二氧化硅，所以石英玻璃不屬于硅酸鹽，普通玻璃、陶瓷、水泥的主要成分都是硅酸鹽，這三種物質屬于傳統硅酸鹽產品，故B錯誤；該反應說明HCl的酸性大于H2SiO3，但HCl不是氯元素的最高價氧化物對應的水化物，所以該反應不能說明Cl的非金屬性大于Si，故C錯誤；沙子的主要成分是二氧化硅，硅芯片的主要成分是硅，二氧化硅被焦炭還原生成粗硅，粗硅再提純得到純硅，所以半導體工

16、業所說的“從沙灘到家庭”是指將二氧化硅制成晶體硅，故D正確。【加固訓練】1.(2014唐山模擬)下列物質：氫氟酸；濃硫酸；燒堿溶液；Na2CO3固體；氧化鈣；濃硝酸。其中在一定條件下能與SiO2反應的有()A.B.C.D.全部【解析】選C。SiO2可與燒堿溶液、氧化鈣反應，表現出酸性氧化物的性質；SiO2可以與氫氟酸反應；在制玻璃過程中SiO2與Na2CO3固體反應；SiO2不能與濃硫酸和濃硝酸反應。2.(2015大連模擬)下列說法中，正確的是()A.粗硅制備單晶硅不涉及氧化還原反應B.工藝師利用鹽酸刻蝕石英制作藝術品C.水晶項鏈和餐桌上的瓷盤都是硅酸鹽制品D.硅是目前人類將太陽能轉變為電能的

17、重要材料【解析】選D。粗硅制備單晶硅的反應都是氧化還原反應，A錯誤；工藝師利用氫氟酸刻蝕石英制作藝術品，B錯誤；水晶的主要成分為SiO2，C錯誤。考點二硅的制備及化合物的轉化1.硅的制備：(1)四氯化硅還原法。工藝流程。反應原理。(2)三氯甲硅烷還原法制備高純度硅(常用方法)。工藝流程。反應原理。2.硅及其化合物的轉化：發生反應的化學方程式為Si + O2 SiO2SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OCO2+H2O+Na2SiO3=Na2CO3+H2SiO3H2SiO3 SiO2+H2OSiO2+2C Si+2CO【高考警示】(1)硅在加熱條件下能與O2發生反應，粗硅制備時，用焦炭在電

18、爐中隔絕空氣還原SiO2，生成CO，而不是CO2。(2)粗硅中雜質不是碳單質，而是SiC，因為發生反應C+Si SiC。(3)制備純硅時，石英管不能更換為玻璃管，因為高溫條件下玻璃會軟化。【典題】(2015南昌模擬)單晶硅是信息產業中重要的基礎材料。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450500)，四氯化硅經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見下表：物質SiCl4BCl3Al

19、Cl3FeCl3PCl5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中發生反應的離子方程式 。(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，除鐵元素外還可能含有的元素是(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+ +8H+=5Fe3+Mn2+4H2O滴定前是

20、否要滴加指示劑？(填“是”或“否”)，請說明理由 。某同學稱取5.000 g殘留物，經預處理后在容量瓶中配制成100 mL溶液，移取25.00 mL試樣溶液，用1.00010-2molL-1KMnO4標準溶液滴定。達到滴定終點時，消耗標準溶液20.00 mL，則殘留物中鐵元素的質量分數是。【解析】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，再根據表格數據分析提純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裝置中用濃硫酸除水以制得干燥純凈的Cl2；(2)A中g管作用為平衡壓強，使液體順利流下；h瓶用冷卻液

21、冷卻的主要目的是得到SiCl4；(3)精餾粗產物得到SiCl4，溫度應控制在57.7，此時BCl3變為氣體，但AlCl3、FeCl3、PCl5均殘留在瓶中，所以殘留的元素是Fe、Al、P、Cl；(4)滴定時 自身是指示劑，終點時變為紫紅色且30 s內不變即可讀數；高錳酸鉀的物質的量為1.00010-2molL-120 mL10-3LmL-1=2.00010-4mol，由5Fe2+ 知，25.00 mL試樣中Fe2+的物質的量為1.00010-3mol，原溶液中n(Fe2+)=4.00010-3mol，則w= =4.480%。答案：(1)MnO2+4H+2Cl- Mn2+Cl2+2H2O(2)平

22、衡壓強濃硫酸使SiCl4冷凝(3)Al、P、Cl(4)否KMnO4溶液自身可作指示劑4.480%【加固訓練】1.(2015濟寧模擬)下列反應的離子方程式中，不正確的是()A.二氧化硅和氫氟酸反應：SiO2+4H+=Si4+2H2OB.二氧化硅和氫氧化鉀溶液反應：SiO2+2OH-= +H2OC.水玻璃中滴入鹽酸： +2H+=H2SiO3D.碳酸鋇滴加稀硝酸：BaCO3+2H+=Ba2+H2O+CO2【解析】選A。A項氫氟酸為弱酸，書寫離子方程式應寫分子式，正確的離子方程式為SiO2+4HF=SiF4+2H2O；B、C、D項均符合反應原理及離子方程式書寫要求。2.二氧化硅(SiO2)又稱硅石，是制備硅及其化合物的重要原料。硅及其化合物的轉化如圖。下列說法正確的是()A.SiO2既能與HF反應，又能與NaOH反應，屬于兩性氧化物B.SiO2和Si都是光導纖維材料C.在硅膠中加入CoCl2可顯示硅膠吸水是否失效D.圖中所示轉化反應都是非氧化還原反應【解析】選C。兩性氧化物是指與酸和堿反應均生成鹽和水的氧化物，SiO2與HF反應得到的SiF4不屬于鹽類，A項錯誤；SiO2是光導纖維材料，Si為半導體材料，B項錯誤；CoCl2在吸水和失水狀態下顯示不同的顏色，C項正確；制取Si的過程中涉及氧化還原反應，D項錯誤。3.硅單質及其化合物應用范圍很廣。請回答下列問題：(1)制備硅半導體材