第08講硅酸鹽材料硅模塊一硅酸鹽材料一、硅元素的“位——構——性”元素位置原子結構元素性質第三周期第IVA族既不簡潔得到也不簡潔失去電子，主要形成四價的共價化合物硅元素在地殼中含量僅次于氧，居其次位。硅有親氧性，在自然界中僅以________態存在，即硅酸鹽和氧化物的形式?！敬鸢浮炕隙?、硅酸鹽的概念、結構與特點1．概念：由硅元素、氧元素和金屬元素組成的化合物。2．結構：在硅酸鹽中，Si和O構成了硅氧四面體。每個Si結合4個O，Si在中心，O在四面體的4個頂角；很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、化學性質穩定、耐腐蝕等特點。三、傳統無機非金屬材料——陶瓷、玻璃、水泥陶瓷玻璃水泥主要原料黏土（主要成分為含水的鋁硅酸鹽）純堿、石灰石、石英砂（主要成分是SiO2）黏土、石灰石主要成分Al2O3·2SiO2·2H2ONa2CO3、CaCO3、SiO2硅酸二鈣、鋁酸三鈣等反應原理高溫燒結而成高溫下發生困難的物理和化學改變用途建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛生潔具等建筑材料、光學儀器和各種器皿、制造玻璃纖維用于高強度復合材料等制混凝土，大量用于建筑和水利工程制取玻璃的反應方程式為:____________________________________________________________________。【答案】SiO2+Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3+CO2↑SiO2+CaCO3eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3+CO2↑四、最簡潔的硅酸鹽——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。題型一：傳統無機非金屬材料【例1】下列物質中不含硅酸鹽的是（）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選項滿意題意；答案選D。【變1-3】2013年2月，俄羅斯境內有大量隕石墜落，經化學分析，隕石中游離態的鐵含量約為10%，此外還有橄欖石（Fe2SiO4）、亞硫酸鹽等成分，下列有關說法正確的是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、游離態的鐵的活性相同，故C錯誤；D、依據橄欖石的化學式Fe2SiO4可知：硅元素的化合價為+4價，氧元素為-2價，依據化合價的代數和為0，故鐵元素為+2價，故D正確；答案選D。模塊二硅一、硅單質的物理性質與用途1．物理性質：硅單質是帶有金屬光澤的灰黑色固體，其結構與金剛石類似，為空間網狀結構，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1．與非金屬單質反應（1）與F2：Si+2F2=SiF4；（2）與Cl2：Si+2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4；（3）與O2：Si+O2eq\o(=,\s\up7(高溫))SiO2；（4）與C：Si+Ceq\o(=,\s\up7(高溫))SiC2．與酸、堿反應（1）非金屬單質一般不與非氧化性酸反應，但Si能與HF反應：Si+4HF=SiF4↑+2H2↑；（2）硅與強堿溶液反應生成氫氣：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。三、硅的制備制備原理用焦炭還原石英砂，得到含少量雜質的粗硅，然后轉化為三氯硅烷，再經氫氣還原。制備流程反應方程式【答案】SiO2+2Ceq\o(=,\s\up7(1800~2000℃))Si+2CO↑Si+3HCleq\o(=,\s\up7(300℃))SiHCl3+H2SiHCl3+H2eq\o(=,\s\up7(1100℃))Si+3HCl題型二：硅的性質及應用【變3-2】硅及其化合物在材料領域中應用廣泛。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．硅的化學性質很穩定，因此硅在自然界中以游離態形式存在【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形式存在，D錯誤；故答案為A。題型三：硅的制備【變4-1】由SiO2制備高純度硅的工業流程如圖所示：下列說法錯誤的是A．SiO2與純硅都是硬度大、熔沸點高的晶體B．X為CO氣體C．反應②產生的H2與反應③產生的HCl可以循環運用D．反應①②③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①為SiO2+2CSi+2CO↑，可知X為CO氣體，B正確；C項、由生產高純硅的流程示意圖可知，H2和HCI既是反應物，又是生成物，所以可重復利用的物質是H2和HCl，C正確；D項、反應①為SiO2+2CSi+2CO↑，反應②Si(粗)+3HClSiHCI3+H2，反應③SiHCI3+H2Si(粗)+3HCI，三個方程式中元素的化合價均發生改變，均屬于氧化還原反應，D錯誤；故本題選D。【點睛】留意抓住SiO2制備高純度的硅的工業流程圖，記住并駕馭如下三個方程式：反應①為SiO2+2CSi+2CO↑，反應②Si(粗)+3HClSiHCI3+H2，反應③SiHCI3+H2Si(粗)+3HCI。【例5】硅單質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需先得到高純硅，三氯甲硅烷(SiHCl3)還原法是當前制備高純硅的主要方法，生產過程示意圖如下：(1)寫出由純SiHCl3制備高純硅的化學反應方程式___________；(2)整個制備過程必需嚴格限制無水無氧，SiHCl3遇水猛烈反應生成H2SiO3，HCl和另一種物質，寫出配平的化學反應方程式___________；H2還原SiHCl3過程中若混入O2，可能引起的后果是_________?！敬鸢浮?/p>

SiHCl3+H2Si+3HCl

SiHCl3+3H2O=H2SiO3↓+3HCl↑+H2↑

氧氣與氫氣混合，可能引起爆炸、氧氣可能會氧化SiHCl3【解析】【分析】(1)純SiHCl3與H2在1357K下反應產生Si單質和HCl，據此可書寫有關反應方程式；(2)SiHCl3遇水反應產生H2SiO3、HCl，然后依據反應前后元素守恒，分析另外一種物質的成分，并書寫相應的化學方程式；H2、O2的混合氣體遇明火會發生爆炸。【詳解】(1)純SiHCl3與H2在1357K下反應產生Si單質和HCl，該反應方程式為SiHCl3+H2Si+3HCl；(2)SiHCl3遇水反應產生H2SiO3、HCl等，然后依據反應前后元素守恒，分析另外一種物質的成分是H2，據此可得相應的化學方程式為SiHCl3+3H2O=H2SiO3↓+3HCl↑+H2↑；H2還原SiHCl3過程中若混入O2，H2、O2的混合氣體可能會發生爆炸，并且氧氣可能會氧化SiHCl3?！军c睛】本題考查了硅的單質的制取、提純過程的反應原理、操作過程可能引發的問題的處理方法等，駕馭元素守恒是本題解答的關鍵?！绢}1】下列關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．生產陶瓷的主要原料是黏土C．一般玻璃的主要成分只有SiO2D．一般硅酸鹽水泥的生產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．黏土經高溫燒結可以制得陶瓷，黏土是陶瓷是主要原料，B正確；C．一般玻璃的主要成分為硅酸鈣、硅酸鈉和二氧化硅，C錯誤；D．一般硅酸鹽水泥以石灰石和黏土為原料，二者與其他輔料混合、研磨再進行其他加工制得一般水泥，D正確；故答案選C?！绢}2】硅谷是世界上最知名的電子工業集中地，以硅芯片的設計與制造著稱于世。下列有關硅的說法正確的是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．硅的化學性質不活潑，在自然界中以游離態的形式存在D．在電子工業中，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，常溫下硅化學性質不活潑，但在反應、中作還原劑，A項錯誤；B．硅在地殼中的含量居其次位，B項錯誤；C．硅的化學性質不活潑，但硅屬于親氧元素，所以硅主要以化合態形式存在于自然界中，C項錯誤；D．硅屬于半導體材料，能夠導電，常用于電子工業中，故D正確；故選D?！绢}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高溫灼燒而成，屬于硅酸鹽產品。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”、“將來的石油”。(1)工業上生產純硅的工藝流程如下：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3.0gSiO2，則轉移電子的總數為_______________。(2)某試驗室利用SiHCl3(沸點33.0℃)與過量H2在1000℃～1100℃反應制得純硅。已知SiHCl3能與H2O猛烈反應，在空氣中易自燃。裝置如圖所示(熱源及夾持裝置略去)。①裝置B中的試劑是___________。裝置C中的燒瓶須要加熱，其目的是_________________。②反應一段時間后，裝置D中視察到的現象是______________________；裝置D中發生反應的化學方程式為___________________________________。③為檢驗產品硅中是否含微量鐵單質，將試樣用稀鹽酸溶解，取上層清液后須要加入的試劑有______(填字母)。a.碘水

b.氯水

c.Na2SO3溶液

d.KSCN溶液【答案】

還原劑

1.204×1023或0.2NA

濃硫酸

使滴入燒瓶中的SiHCl3汽化

有固體物質生成

SiHCl3＋H2Si＋3HCl

bd【解析】【分析】(1)依據工藝流程寫出化學方程式，從化合價的改變推斷焦炭的作用，依據化學方程式和質量關系求出轉移的電子數；(2)①A生成的氫氣經過干燥，進入D與從C中汽化的SiHCl3反應制粗硅，B是干燥裝置，②氫氣和SiHCl3發生置換反應，寫出化學方程式；③選擇檢驗亞鐵離子的試劑；【詳解】(1)依據流程可知，化學方程式為SiO2+2CSi+2CO，碳的化合價上升，做還原劑，1molSiO2參與反應轉移的電子數為4mol，反應中消耗了3.0gSiO2，n==0.05mol，轉移電子為0.2mol，即1.204×1023或0.2NA；(2)SiHCl3能與H2O猛烈反應，須要用濃硫酸干燥氫氣，反應須要的溫度比較高，在D中反應，SiHCl3的沸點較低，C中的燒瓶須要加熱是為了使滴入燒瓶中的SiHCl3汽化；

②裝置D中有硅單質生成，即有固體物質生成。此反應為SiHCl3＋H2Si＋3HCl；③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?！绢}5】某試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物進行探究。已知：溶液可用于檢驗CO，反應的化學方程式為（產生黑色金屬鈀，使溶液變渾濁）。(1)試驗時要長時間通入，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，且經檢測兩氣體產物的物質的量相等，則該反應的化學方程式為__________________________。(4)該裝置的缺點是__________________________________________________。【答案】

排盡裝置內的空氣，避開空氣中的、，水蒸氣對試驗產生干擾

作平安瓶，防止倒吸

澄清石灰水

溶液

無尾氣汲取裝置【解析】【分析】在高溫條件下，焦炭能與二氧化硅發生置換反應，生成粗硅和一氧化碳，但由于裝置內的空氣能與焦炭、硅、一氧化碳等發生反應，所以反應起先前，需排盡裝置內的空氣；為防倒吸，需設置防倒吸裝置；檢驗產物CO2，需通入澄清石灰水中；檢驗CO，可通入PdCl2溶液中?！驹斀狻?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、、水蒸氣發生反應，所以試驗時要長時間通入以將裝置中的空氣排盡。答案為：排盡裝置內的空氣，避開空氣中的、，水蒸氣對試驗產生干擾；(2)依據題圖可知，裝置B可以作平安瓶，防止倒吸。答案為：作平安瓶，防止倒吸；(3)依據元素守恒，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，且溶液與CO反應有生成，所以裝置C用來檢驗有沒有二氧化碳，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、溶液；若裝置C、D中溶液均變渾濁，說明氣體產物中既有二氧化碳又有一氧化碳，又經檢測兩氣體產物的物質的量相等，依據元素守恒可知反應的化學方程式。答案為：澄清石灰水；溶液；；(4)一氧化碳有毒，不能排放到空氣中，題給裝置沒有尾氣汲取裝置。答案為：無尾氣汲取裝置。【點睛】通常狀況下，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。【練1】下列敘述錯誤的是A．硅在自然界中主要以單質形式存在 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玻璃，D正確；答案選A。【練2】制備硅單質時，主要化學反應如下：(1)SiO2+2CSi+2CO↑(2)Si+2Cl2SiCl4(3)SiCl4+2H2Si+4HCl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．一種單質和一種化合物生成另一種單質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(1)(2)(3)中均有化合價的上升和降低，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生成一種物質的反應，(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)中硅元素的化合價上升，被氧化，D錯誤；答案選D?！揪?】下列關于硅的說法正確的是（

）A．單質硅的導電性介于導體和絕緣體之間B．單質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．