第20講碳硅及其新型無機非金屬材料

知識體系

硅及其化合物

存在?主要以氧化物和硅酸鹽的形式存在，在地表中的含量列第二位.

,結構，與金剛石類似

物理性腐：灰黑色固體、熔點高、硬度大、有脆性，是艮好的半導體材料

化學性周：性度穩定

單質《常溫下?Si+2Fa-SIF4Si+2NaOH+H2O-Na3SiO3+2HJt

加熱時?Si+O2=SiO2St+2Cla=^S=SiC14

「用途?半導體材料，可作硅芯片、光電池等

（通稱豉石，有晶體和無定形兩類，石英、水晶、瑪瑙是二氧化硅的晶體

結構：晶體是Si和。以1：2組成的立體網狀結構

硅氧化學性質?性質穩定，不與水反應

化）常溫下：SQ+4HF-SF?t+2H2。SiO2+2NaOH—NajSiCh+HaO

硅加熱時：

SiOa+2C=^=St+COtSiOa+CaO-CaSiOj

ISiO2+Na2CO3=^^Na2SiO3+CO21CaCCh+SiOj^^CaSiOs+COjt

「性費?白色難溶的弱酸，受熱可分解HaSiOj^HjO+SiOa

制備：Na2s。3溶液與酸反應制得

硅酸4NaaS^+CCh+HaO-NajCOj+HjSiOjI

NajSiOs+iHCb-2NaCl+H2SiO3I

,用途?制作硅膠，硅膠可作干燥用或催化用的概體

,大多數硅酸鹽都難溶于不

硅硅酸納可溶于水形成水玻璃,是制備硅膠和木材防火用的原料

【酸?組成表示方法：活潑金疽氧化物?較活潑金蜃氧化物?二氧化硅?水

鹽「陶瓷?以站土為原料

〔硅酸鹽工業《普通玻璃：決崛、石灰石和石英為原料

〔水泥，以黏土和石灰石為原料

毒知識梳理一

一、二氧化硅和硅酸

1.硅在自然界中的存在

⑴含量：硅在地殼中的含量占第二位，僅次于氧。

(2)原子結構特點

硅的原子結構示意圖為GG)84，最外層有4個電子，和碳一樣，其原子既不易失去

電子也不易得到電子，主要形成四價的化合物。硅是無機界的主角，碳是有機界的主角。

⑶硅元素的存在

硅主要以熔點很高的氧化物及硅酸鹽的形式存在，它們占地殼質量的90%以上。在自然界中，

沒有游離態的硅，只有化合態的硅。

2.二氧化硅

⑴二氧化硅的存在

SiO2是硅最重要的化合物，其存在形態有結晶形和無定形兩大類，統稱硅石。石英晶體是結

晶的二氧化硅，其中無色透明的晶體叫水晶，具有彩色環帶狀或層狀的稱為瑪瑙。沙子中含

有小粒的石英晶體。

⑵二氧化硅的結構

Si5晶體有多種晶型，其基本結構單元如圖所示：

該結構為四面體結構，每個Si周圍有4個0,而每個。跟2個Si相結合，所以SiO2是由Si

和O按原子個數比為1：2所組成的具有立體網狀結構的晶體，如圖所示。

⑶物理性質

SiO2的網狀結構決定SiCh是不溶于水的固體，熔、沸點高，硬度大。

⑷化學性質

①SiO2是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，在一定條件下能與堿性氧化物和堿反應生成

鹽。SiO2是硅酸的酸酎，但不與水反應。

可以與強堿如等反應，方程式為：

a.NaOHSiO2+2NaOH=Na2SiO3+H20

特別提醒：

盛放NaOH(或其他堿性)溶液的試劑瓶不能用玻璃塞，要用橡膠塞，因玻璃的主要成分

之一是會與在常溫下反應生成特別是瓶頸的磨砂部分更易與

SiO2,NaOHNazSiCh,NaOH

反應。

b,與堿性氧化物反應，如域反應，化學方程式為：SiO：+域三=CaSiO3.

c.高溫條件下，S10：可與帆CO八Ca電等鹽反應。

+SiO；==^=Na；SiO,+CO；t

他

SiO2+CaC03=CaSiO3+CO；f

②特性

與氫氟酸(HF)反應一一HF是唯一可以與Si(h發生反應的酸。

Si02化學性質很不活潑，除氫氟酸外不與其他酸反應，Si02與HF反應的化學方程式為：

故氫氟酸可用于刻蝕玻璃。

SiO2+4HF=SiF4f+2H2O,

特別提醒：

因為Si02是玻璃的主要成分之一，所以氫氟酸能腐蝕玻璃，因此，氫氟酸在保存時不能盛

放于玻璃瓶里，可以存在于塑料瓶里。

③弱氧化性

Si02中硅元素的化合價為+4價，是硅元素的最高價，因此Si02具有一定的氧化性，高溫時

可被C還原。

,高提

Si02+2CSi+2C0f

⑸二氧化硅的用途

①以Si02為主要成分的沙子仍是基本的建筑材料；

②制備實驗室使用的石英生煙；

③是信息調整公路的骨架一光導纖維的主要成分；

④用石英、瑪瑙制作工藝飾品；

⑤電子工業的重要部件、光學儀器。

3碓酸

⑴硅酸的性質：硅酸是一種很弱的酸，其酸性比碳酸還弱，溶解度很小。

①不穩定性。

受熟或在干燥空氣中易分解，化學方程式為H:SiO,=^=SiO;+HjOO

②弱酸性

硅酸是弱酸，酸性比碳酸弱。Na:SiO3+C02+H:0=Na￡0,+

⑵硅酸的制備

二氧化硅是硅酸的酸酎，因Si02不溶于水，所以硅酸只能通過可溶性硅酸鹽與其他酸反應

制得。

在飽和NazSiCh溶液中，滴加酚醐溶液呈紅色。逐滴加入稀鹽酸，有透明

現象

的凝膠產生，溶液紅色逐漸變淺最后完全褪色。

硅酸鈉水溶液呈堿性，在飽和NazSiOs溶液中，滴加稀鹽酸，生成硅酸凝

結論

膠。

化學方程式Na2SiO3+2HCI=H2SiO31+2NaCI

離子方程式SiO32—+2H+=H2SiO31

特別提醒：硅酸制備過程中利用了復分解反應的一般規律：酸性較強的酸可制取酸性較弱的

酸。將純凈的二氧化碳氣體通入硅酸鈉溶液中，可看到有硅酸膠體生成，證明碳酸的酸性比

硅酸強?？衫萌缦聦嶒炑b置進行實驗，同時能證明酸性：鹽酸〉碳酸〉硅酸。

A

飽和碳霰復的涔液

⑶用途

硅酸容易聚合形成硅酸溶膠，硅酸濃度較大時,則形成軟而透明的、膠凍狀的硅酸凝膠。硅酸

凝膠經干燥脫水就形成硅酸干凝膠，稱為“硅膠”。硅膠常用作食品等干燥劑,也可用作催化

劑的載體。

經典典例

1.某物質由原子序數依次增大的短周期元素X、Y、Z組成，其中Y、Z為金屬元素，X、Y、

Z簡單離子的核外電子排布相同，由X、Y、Z形成的物質的結構式如圖所示，下列說法不正

A.Y在周期表中的位置是第三周期第IA族

B.X、Y、Z簡單離子的半徑大小Y+>Z3+>X-

C.Y最高價氧化物水化物和Z的最高價氧化物水化物之間能發生反應

D.X的氫化物可以用來雕刻玻璃

【答案】B

【分析】X、Y、Z為原子序數依次增大的短周期元素，Y、Z為金屬元素，X、Y、Z簡單離子

的核外電子排布相同，則Y和Z為第三周期金屬元素，X為第二周期非金屬元素，Y能形成

Y+,則Y為Na,X和Z共用一對電子達到穩定結構，則X最外層有7個電子，X為F、Z為

AL

【詳解】A.Y為鈉元素，在周期表中的位置是第三周期第IA族，故A正確；

B.X、Y、Z簡單離子的核外電子排布相同，原子序數越大，離子半徑越小，所以離子半徑

大小順序為X>Y+>Z3+，故B錯誤；

C.Y為鈉元素，Z為鋁元素，鈉的最高價氧化物的水化物為氫氧化鈉，鋁的最高價氧化物的

水化物為氫氧化鋁，氫氧化鈉和氫氧化鋁反應的離子方程式為AI（OH）3+OH-=[AI（OH）J,

故C正確；

D.X為氟元素，其氫化物可以和玻璃的成分二氧化硅反應，所以可以用來雕刻玻璃，故D

正確；

故答案為：Bo

2.工業上以石英砂（SQ2）為原料制取單質硅，其工藝流程如圖所示。下列說法正確的是

①②③

「ClH,

石英砂(粗)入fSiJF-Si(純)

A.①②③均屬于氧化還原反應

B.石英砂和C高溫條件下還可以生成金剛砂(SiC)和CO,該反應中氧化產物和還原產物

的物質的量之比為1：2

C.二氧化硅為良好的半導體材料，可用于制造芯片

D.石灰石、純堿、石英砂是生產玻璃的原料，玻璃是一種新型無機非金屬材料

【答案】A

【分析】石英砂與碳在高溫條件下反應生成粗硅和CO,粗硅與氯氣在加熱條件下反應生成

四氯化硅，四氯化硅與氫氣在高溫條件下反應生成純硅和氯化氫；

【詳解】A.①中碳、硅元素化合價發生變化，②中硅、氯元素化合價發生變化，③中硅、

氫元素化合價發生變化，均屬于氧化還原反應，選項A正確；

高溫

B.石英砂和C高溫條件下還可以生成金剛砂(SiC)和CO,則反應為SiO?+3C‘二SiC+2cO，

該反應中氧化產物CO和還原產物SiC的物質的量之比為2：1,選項B錯誤；

C.硅的導電性介于導體與絕緣體之間是良好的半導體材料，所以晶體硅可以用于制造計算

機芯片和太陽能電池，而不是二氧化硅，選項c錯誤；

D.石灰石、純堿、石英砂是生產玻璃的原料，玻璃是一種傳統無機非金屬材料，選項D錯

誤；

答案選A。

3.由粗$92制備純的Si。?流程如圖所示，下列說法不正確的是

酈兩*溶液國號曳回警網

A.X具有黏結力強、耐高溫等特性，可用作黏合劑和防火劑

B.步驟I的反應是NazSiOs+HzSOauHzSQ(+Na2s

C.步驟n中的稀硫酸可用co2替代

D.若在實驗室中完成步驟m,一般在蒸發皿中進行

【答案】D

【分析】由流程可知，粗Si02溶于氫氧化鈉溶液得到X為硅酸鈉的水溶液，加入稀硫酸得

到Y為硅酸沉淀，過濾后灼燒硅酸分解生成二氧化硅。

【詳解】A.由分析可知，X為硅酸鈉溶液，具有不燃不爆耐高溫的性質，可用作木材防火

劑，有黏性可作黏合劑，故A正確；

B.根據強酸制弱酸原理，步驟n的反應是NazSiCh+H2so4=H2SiO3j+Na2so4,故B正確；

C.碳酸的酸性比硅酸強，故步驟II中的稀硫酸可用C02替代，故C正確；

D.步驟ID是灼燒硅酸固體的過程，若在實驗室中完成，一般在生煙中進行，故D錯誤；

答案選D。

4.固體X由四種元素組成，可用來治療胃酸過多，其成分屬于硅酸形成的復鹽；為探究M

的具體組成，設計下列實驗流程。

已知：K常用作高溫耐火材料。

下列說法正確的是

A.生成L的離子方程式為2[A1(OH)]4+CO2=2A1(OH)3+COj+H2O

B.固體J和K都能溶于強酸和強堿

C.洗滌和灼燒過程中都要用到玻璃棒和燒杯

D.固體X的化學式為MgALSiOe

【答案】D

【詳解】A.向溶液Z中加入足量NaOH溶液得到溶液N,再向溶液N中通入足量C02能生

成白色沉淀L,說明溶液N為Na[Al(OH)L溶液，通入足量C0?生成Al^H%,反應的離子

方程式為[A1(OH)]4+C02—Al(OH)3+HC0-,故A錯誤；

B.白色沉淀M應為堿，加熱分解生成的氧化物能做耐火材料，則固體K為MgO,固體J

為A12C>3,MgO為堿性氧化物，不與強堿反應，故B錯誤；

C.灼燒需要用到用煙、玻璃棒和酒精燈，用不到燒杯，故c錯誤；

D.膠狀沉淀為H^SiOs，則固體Y為Si。?，固體X中含Si的物質的量

"(Si)=J=。。5moi；同理，"A1)-°]x2=O.lmol；

60g?mol102g-mol

"(Mg)=2ao05mol,固體中含。的質量

40g-mol

m(O)=10.1g—0.05molx28g?mol-1—0.Imolx27g?mol-1—0.05molx24g?mol-1=4.8g,故

/7(O)==0.3mol,故H(A1):,?(Si):〃(O)=0.05:0.1:0.05:03=1:2:1:6,

故X的化學式為MgALSiOe,故D正確；

故選Do

■知識梳理二

二、硅酸鹽

1.硅酸鹽

⑴概念：硅酸鹽是由硅、氧和金屬組成的化合物的總稱。

⑵性質

硅酸鹽是一大類結構復雜的固態物質，熔點較高，大多不溶于水，化學性質很穩定。

⑶存在

硅酸鹽是構成地殼中巖石的主要成分，自然界中存在各種天然硅酸鹽礦物，約占地殼質量的

95%。

⑷硅酸鹽組成的表示

①規律：硅酸鹽結構復雜，常以氧化物形式表示(但不能認為它們的成分就是氧化物)。硅酸

鹽中的Si元素，以SiO2的形式表示，金屬元素如Na、K、Mg、Al、Ca等，以它們常見的氧

化物形式表示，H元素以比0的形式表示。氧化物的書寫順序一般是：較活潑金屬氧化物一

較不活潑金屬氧化物一二氧化硅一水。例如：

硅酸鈉：Na2O?SiO2

石棉：CaO?3MgO?4SiO2

鉀長石：K2O?AI2O3?6SiO2

普通玻璃：Na2O?CaO?6SiO2

②注意事項：氧化物化學式之間以“?”隔開；系數配置出現分數時應化為整數。

特別提醒：硅酸鹽的組成與結構很復雜，氧化物形式只是一種表達方式，并不代表其真實的

組成。

2.最簡的硅酸鹽——硅酸鈉(NazSiCh)

(1)物理性質

NazSiCh是白色固體，俗稱泡花堿，易溶于水，其水溶液俗稱水玻璃，是無色黏稠狀的液體,

是一種很好的黏合劑，所以盛放水玻璃的試劑瓶不能用玻璃塞，而要用橡膠塞。

(2)化學性質

①有很強的熱穩定性，即能耐高溫。

實蛉操作實險現象結論

蒸憎水浸過的濾紙，

水浸過的木材

當水分蒸發后就燃

不防火

***K,燒起來

皿屏1JC

飽和Na-SiO,溶液浸用Ha；SiO：水

過的濾紙條,水分蒸溶液浸泡物質

飽和

干后并不燃燒可防火

Na；SiO,溶液

②與比硅酸酸性強的一些酸反應，生成難溶于水的硅酸。

反應物或實驗操化學方程式離子方程式

作

（2-2_

少量CO2通入Na2SiO3+CO2+H2O=Na2CO3+H2SiO3SiO3+CO2+H2O=CO3+H2SiO3

溶液中（膠體）

Na2SiO31（膠體）

過量通入2_-

co2Na2SiO3+2CO2+2H2O=SiO3+2CO2+2H2O=2HCO3+

溶液中

Na2SiO32NaHCO3+H2SiO3IH2SiO3J

（膠體）（膠體）

鹽酸與硅酸鈉2-+（膠體）

Na2SiO3+2HCI=2NaCI+H2SiO3ISiO3+2H=H2SiO3l

溶液的反應（膠體）

⑶用途：水玻璃是制備硅膠和木材防火劑等的原料。

3.三種常見的硅酸鹽產品

人類創造出的三大傳統硅酸鹽產品有陶瓷、玻璃、水泥。它們是使用量最大的無機非金屬材

料。

,L品名稱生產原料主要設備反應條件或主要反應

陶姿黏土—高溫燒結

純堿、高;0

Na￡O,+SiO------NaSiO,+C0f

玻璃石灰石、玻璃窯::

石英高H

CaCO,+SiO:------CaSiO,+CO：f

水泥黏土、水泥回轉復雜的物理、化學變化

石灰石窯

4.新型含硅物質

物質名稱性能主要用途

碳化硅（SiC,具有金剛石結構，硬度很大可用作砂紙、砂輪的磨料

俗稱金剛砂）

硅鋼含硅4%的鋼，具有很［Wj的導磁性主要用作變壓器鐵芯

是目前最好的既耐高溫又耐低溫的橡用于制造火箭、導彈、飛機的零件

硅橡膠膠，在-60?250℃仍能保持良好的彈性和絕緣材料等

分子篩人工制造的分子篩是一種具有均勻微主要用作吸附劑和催化劑等

孔結構的鋁硅酸鹽

5.新型陶瓷的性能及用途

品種主要性能主要用途

高溫結構①耐高溫；②耐氧化；耐高溫材料，可用于洲際導彈的端頭、火箭

陶瓷③耐磨蝕發動機的尾管及燃燒室等，也是汽車發動機、

噴氣發動機的理想材料

壓電陶瓷能實現機械能與電能的相互轉可用于電波濾波器、通話器、聲納探傷器、

化點火器等

透明陶瓷①優異的光學性能；可用于制高壓鈉燈的燈管、防彈“玻璃”

②耐高溫；③絕緣性好

超導陶瓷超導性超導材料

6.硅酸鹽的豐富性和多樣性

A1與Si在元素周期表中位置相鄰，粒子大小相近，AF+置換硅酸鹽中部分+4價的Si,并

引入其他正離子使化合物保持電中性，從而形成復雜多樣的硅酸鹽。

硅酸鹽品種的多樣性和結構的復雜性，決定了其應用的選擇性。例如，土壤膠體粒子因其

表面積巨大且帶負電，能吸附NH4+、K+等數多種生物所需的營養離子，所以土壤具有保肥能

力。

經典典例

1.SiO2是一種化工原料，可以制備一系列物質。下列說法正確的是

Si（單晶硅）

HC1

A.圖中所有反應都不屬于氧化還原反應

B.硅酸鹽的化學性質穩定，常用于制作光導纖維

C.可用鹽酸除去石英砂（主要成分為SiO2）中少量的碳酸鈣

D.普通玻璃是由純堿、石灰石和石英制成的，其熔點是固定的

【答案】C

【分析】Si6與C在高溫下反應產生Si、CO；Si與CI2在高溫下反應產生SiCL,得到的粗硅

中的雜質與CI2反應產生相應的氯化物，它們的沸點不同，采用分儲方法分離得到純凈SiCl4,

然后用H2還原得到Si單質；SiCh是酸性氧化物，能夠與堿性氧化物CaO在高溫下反應產生

CaSiO3；SiOz與鹽CaCO3、Na2cO3在高溫下反應產生CaSiCh、NazSiCh及82,CaSiO3>Na2SiO3

都是硅酸鹽產品。

【詳解】A.SiCh與C在高溫下反應產生Si、CO,反應過程中元素化合價發生變化，故反應

屬于氧化還原反應；Si與CI2在高溫下反應產生SiCl4,及SiCl4與H2反應產生Si、HCI的反應

中元素化合價發生了變化，因此這些反應也都是氧化還原反應，A錯誤；

B.Si5能夠使光線發生全反射，故可以作光導纖維，因此Si02是光導纖維的主要成分，B

錯誤；

C.SiC）2是酸性氧化物，與HCI不能反應，也不溶于水，以固體形式存在，而其中的雜質CaCO3

能夠與HCI發生反應產生可溶性CaCL及出0、C02,從而使雜質與被提純的Si5得到分離，

C正確；

D.玻璃中含有多種成分，屬于混合物，沒有固定的熔點，D錯誤;

故合理選項是是Co

2.水玻璃（NazSiCl,溶液）是一種重要的工業原料。下圖是用稻殼灰（Si。?：65%?70%、C：

30%?35%）制取水玻璃的工藝流程，下列說法正確的是

A.操作A與操作B完全相同

B.該流程中硅元素的化合價發生改變

C.原材料稻殼灰價格低廉，且副產品活性炭有較高的經濟價值

D.反應器中發生的復分解反應為SiO?+2NaOH=Na2SiO3+H2O

【答案】C

【詳解】A.操作A為過濾，操作B為蒸發濃縮，是兩種不同的操作，故A錯誤；

B.二氧化硅中硅元素的化合價是+4價，硅酸鈉中硅元素的化合價也是+4價，所以該流

程中硅元素的化合價沒有發生改變，故B錯誤；

C.稻殼灰來源廣泛價格低廉，活性炭具有吸附性，有較高的經濟價值，故C正確；

D.反應器中發生的反應為SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2。，不屬于復分解反應，故D錯誤。

綜上所述，答案為C。

3.開發和利用礦物資源有重要的意義。某廠用無機礦物資源生產部分材料，其產品流程示

意圖如下，下列有關說法正確的是

—鋁土礦——>除雜——>AIO^SLAI

礦23

OLCu2s蠱*Cu（粗）里鴛Cu（精）

一黃銅礦蜂也問遍

物問血」FeO+SC）2+廢渣

一石英會*Si（粗Si（純）

資

天”天純堿、石英"T而

源---石灰石----百遍---A玻璃

A.在制粗硅的反應中，還原劑與氧化劑的物質的量之比為1：1

B.生產鋁、銅、高純硅及玻璃的過程中都涉及氧化還原反應

C.黃銅礦冶煉鋼時，產生的SO?可用于生產硫酸，產生的FeO可用作冶煉鐵的原料

D.黃銅（CuFeSz）與。2反應產生的C^S、SO?均是還原產物

【答案】C

高溫

【詳解】A.制粗硅的反應為：SiO2+2C^Si+2CO個，該反應中C是還原劑、Si02是氧化劑,

還原劑與氧化劑的物質的量之比為2：1,故A錯誤；

高溫

B.生產玻璃涉及到的反應有SiO2+Na2CO3^NazSiCh+COz個和

高溫

SiO2+CaCO3^CaSiO3+CO2個，反應中沒有化合價變化，不屬于氧化還原反應，故B錯誤；

C.黃銅礦冶煉鋼時，產生的S02可用于生產硫酸，產生的FeO可用作冶煉鐵的原料，故C

正確；

D.黃銅（CuFeSz）與。2反應產生Cu?S、SO?的過程中Cu、。元素化合價降低，S元素化合價

上升，C%s是還原產物，so2既是氧化產物又是還原產物，故D錯誤；

故選Co

壽知識梳理三

三、硅單質

1.硅單質的種類及結構

與碳相似，硅單質也有晶體和無定形兩種，晶體硅的結構與金剛石類似，都是空間網狀結構。

2.晶體硅的物理性質

晶體硅是有金屬光澤的灰黑色固體，熔點高、硬度大、有脆性。晶體硅的導電性介于導體和

絕緣體之間，是良好的半導體材料。

3.化學性質

⑴在常溫下，硅的化學性質不活潑，不易與。2、Cl2、H2SO4>HN03等發生反應，但能與F2、

HF和強堿反應。例如：Si+2NaOH+HzO=Na2SiO3+2H2t；Si+2F2=SiF4；Si+4HF=SiF4

t+2H2t。

(2)在加熱時，純硅能與某些非金屬單質發生反應。如加熱時研細的硅能在氧氣中燃燒：

Si+03=^=SiO.

4.硅的制備

由于自然界中沒有單質硅的存在，因此我們使用的硅，都是從它的化合物中提取的。在工業

上，用碳在高溫下還原二氧化硅的方法可制得含有少量雜質的粗硅，將粗硅提純后，可以得

到高純硅。

制粗桂：SiO:+2CSi+2COf

制高純硅：Si+2C1:===SiCl,SiCl,+2H-=^=Si+4HCl

5.硅的用途

⑴用作半導體材料，如制硅芯片促進信息技術革命。

⑵硅合金可用來制造變壓器鐵芯，耐酸設備等。

⑶制造光電池，將光能直接轉換為電能，可用作計算器、人造衛星、火星探測器、

太陽能電動車等的動力，是極有發展前景的新型能源。

拓展點一：碳、硅單質及其氧化物性質的比較

碳、硅兩種元素均為非金屬元素，其原子的電子層數不同，但最外層電子數均為4,所以它

們的單質和化合物的性質既有相似性又有差異性。

1.單質碳和單質硅的比較

碳51

物理性質金剛石為無色透明晶體，溶、沸點

高，硬度大，是自然界中最硬的物晶體睢是灰黑色、有金屬光

助石墨為深灰色、有金屬光澤、澤、硬而脆的固體，是良好

不透明的細磷片狀固體，質軟、熔、的半導體材料

沸點高，能導電

△

Si+0—SiO；

與非金屬單質反應.雌:

C+0：=co；

Si+2Cl:=^=SiCl4

Si+2F；=SiF4

單

C+2CuO=^COf+2Cu

質與氧化物反應2

的

2C+SiO=^=2COf+Si

化:

學■

C+4HN0：（濃）=^=C0f+4N0；t

性2不與HNO：、H；SO$反應，但能與

質與氧化性酸反應+2HQHF反應：

■Si+4HF=SiF,t+2H；t

C+2H：S0,（濃）=^=C0:f+2S0；f

+2HQ

與水或堿溶液反應3：-aSi+2NaOH+HJO=Na:SiO5+2H:f

C+HQ（g）—^-CO+H；

2.二氧化碳和二氧化硅的比較

二氧化碳二氧化一

化學式的SiO不能表示二氧化武的分子組成，

意義CO1可表示二氧化碳的分子組成僅表示二氧化武中讓原子和氧原子

的個數比為1：2

存在空氣中巖石中，石英'水晶'睢演土中都

含SiO；

物理性質熔'沸點低，常溫時是氣體，可溶堅硬難熔的固體，不溶于水。

于水

與碳高品高注

co：-+c----2C0SiO；+2C——Si+2COt

與水不反應

HO+COSHCO

化22=23

學

與酸不反應SiO;+4HF=SiF/+2H；0

性

與NaOHC0：（少量）+2NaOH=Na42O：WSiO+2NaOH=Na；SiO+HQ

質;5

溶液

與CaO

C0;-K：a0=CaC0;

SiO+CaO------CaSiO,

與某些Na；SiO：+HQ+C0;（不足）=H；SiO：

SiO+NaCOf^NaSiO+COt

鹽|+Na￡0：:::3:

NajCO4-H434-CO=2NaHCO

3;J■汨

SiO：+CaCO:fecaSiO,+CO：f

特別提醒：SiO2同C02一樣為酸性氧化物，與堿反應是酸性氧化物的通性，而與氫氟酸反應

只是SiO2特性。

拓展點二：硅及其化合物的特性

l.Si的還原性大于C,但C卻能在高溫下還原出Si：SiO2+2C==Si+2cOt。

2.非金屬單質跟堿溶液作用一般無出放出，但Si卻放出H2：

Si+2NaOH+H20=Na2SiO3+2H2t0

3.非金屬單質一般不跟非氧化性酸作用，但Si能與HF作用：Si+4HF=SiF4t+2H2t。

4.非金屬單質一般為非導體，但Si為半導體。

5.SiCh是H2SQ3的酸酊，但SiCh不溶于水，不能直接將SiO2與水作用制備H2SiC)3。

6.非金屬氧化物的熔、沸點一般較低，但SiCh的卻很高。

7.酸性氧化物一般不與酸作用，但Si性能跟HF作用:SiO2+4HF=SiF4t+2H2O

8.無機酸一般易溶于水，H2SQ3卻難溶于水。

9.因H2CO3的酸性大于H2SQ3,所以在NazSiCh溶液中通入少量的CO2能發生下列反應:

Na2SiO3+CO2+H20=H2SiO3I+NazCCh,若通入過量的82則發生下列反應:Na2SiC>3+2CO2+

2H2。=H2SiO3I+2NaHCO3,但在高溫下NazCCh+SQ==Na2SiO3+CO2t也能發生,原因：

在高溫下反應，生成的C02是氣體，其生成后離開反應體系使反應向右進行到底。

10.硅酸鹽大多數難溶于水，常見的可溶性硅酸鹽為NazSiCh,其水溶液俗稱水玻璃，可用做

黏膠劑和木材防火劑。

經典典例

1.隨著科技的發展，對硅的純度要求日益提高。某實驗室利用區域熔煉技術制高純硅的裝

置剖面圖如圖1,將含微量雜質硼的硅晶棒裝入石英保溫管中，利用加熱環自左向右緩慢移

動對其進行加熱熔煉，已知雜質硼在不同狀態的硅中含量分布如圖2所示。

A.混有雜質硼的硅晶棒熔點低于純硅

B.熔煉前，石英保溫管中應排凈空氣后充入氤氣

C.熔煉時，加熱環移動速度過快可能導致雜質硼分離不徹底

D.熔煉后，硅晶棒純度右端高于左端

【答案】D

【詳解】A.混有雜質硼的硅晶棒是混合物，熔點低于純硅，A正確；

B.為避免高溫下與氧氣反應，熔煉前，石英保溫管中應排凈空氣后充入筑氣，B正確；

C.熔煉時，若加熱環移動速度過快可能導致硅晶棒未充分熔融，雜質硼分離不徹底，C正

確；

D.熔煉時，加熱環自左向右緩慢移動對其進行加熱熔煉，熔融態的硅在左側再凝區凝固,

故熔煉后，硅晶棒純度左端高于右端，D錯誤;

故選D。

2.云南合盛硅業有限公司水電硅循環經濟項目在昭通市昭陽區小龍洞鄉韭菜海子落地生根。

建成后，有機硅和工業硅年產達80萬噸。下列說法正確的是

A.SiO2是目前最常用的半導體材料

B.硼硅玻璃耐高溫、硬度大，屬于傳統無機非金屬材料

C.光伏電池是以硅為基底的硅太陽能電池，將光能直接轉化為電能

高溫

D.粗硅的制取原理為Sio,+c—CO?+Si

【答案】C

【詳解】A.晶體硅是良好的半導體材料，二氧化硅不具有此性質，故A錯誤；

B.硼硅玻璃耐高溫、硬度大，屬于新型無機非金屬材料，故B錯誤；

C.晶體硅是良好的半導體材料，光伏電池是以硅為基底的硅太陽能電池，能將光能直接轉

化為電能，故C正確；

高溫小

D.粗硅的制取原理為SQ+2C—2coT+Si,故D錯誤;

故答案為：Co

3.實驗室用H?還原SiHCh（沸點：31.85℃）制備高純硅的裝置如圖所示（夾持裝置和尾氣處

理裝置略去），下列說法正確的是

A.裝置n、田中依次盛裝的是濃硫酸、冰水

B.實驗時，應先加熱管式爐，再打開活塞K

C.為鑒定制得硅中是否含有微量鐵單質，需要用到的試劑為鹽酸、雙氧水、KSCN溶液

D.該實驗中制備氫氣的裝置也可用于硫酸與Na2SO3反應制備S02

【答案】C

【分析】I為氫氣的發生裝置，n為干燥裝置，濃硫酸是常用的干燥劑，裝置m需水浴加熱,

目的是加快反應的速率，且保持穩定恒定；裝置IV不能采用普通玻璃管的原因是溫度太高，

普通玻璃管易熔化；保證實驗成功的關鍵是：裝置要嚴密；控制好溫度等，以此解答該題。

【詳解】A.本題制備高純硅，反應H2+SiHCb"="si+3HCI應在裝置IV中進行，裝置工的目的

是制備氫氣，氫氣中含有水蒸氣，對后續實驗產生干擾，必須除去，因此裝置n的作用是除

去氫氣中的水蒸氣，即裝置n中盛放濃硫酸，裝置ID的作用是提供SiHCb氣體，因此在水浴

中加熱，不能使用冰水，故A錯誤；

B.實驗時應先通入氫氣，目的是排出裝置中的空氣，防止氫氣不純，在加熱時爆炸，故B

錯誤；

C.鐵與鹽酸反應生成Fe2+,Fe2+被H2O2氧化成Fe3+,Fe3+與KSCN溶液反應，溶液變紅色，

可以鑒定是否含有鐵單質，故C正確；

D.Na2s易溶于水，不能用啟普發生器發生反應，因此不能用于硫酸與Na2sO3反應制備

SO2,故D錯誤。

答案選C。

4.近日，清華大學等重點高校為解決中國"芯"一一半導體芯片，成立了“芯片學院"。某小組

擬在實驗室制造硅，其流程如下圖。

已知：Mg2si+4HC1=2Mge%+SiH”T。

下列說法中錯誤的是

A.點燃鎂條引發反應的過程中，涉及兩種晶體類型的變化

B.CO?氛圍是為了阻止Si被二次氧化和SiH,自燃

C.操作2為用去離子水洗滌并烘干

D.Imol鎂粉生成Mg。和Mg?Si的混合物，轉移2moi電子

【答案】A

【詳解】A.根據分析，點燃鎂條引發反應的過程中發生的反應為：2Mg+SiO2—2MgO+Si,

高溫

2Mg+Si-Mg2Si,涉及到金屬晶體、共價晶體、分子晶體類型的變化，A錯誤；

B.CO?氛圍是為了阻止Si被二次氧化和SiH』自燃，B正確；

C.根據分析，操作2為用去離子水洗滌并烘干，C正確；

D.Imol鎂粉生成MgO和Mg?Si的混合物，Mg由0價全部變為+2價，轉移2moi電子，D

正確；

故選A。

5.部分含Si物質的分類與相應化合價關系如圖所示。下列說法不正確的是

+4

+3

+2

+O1

氫化物單質氧化物氧化物鈉鹽

對應的

水化物

A.化合物c是現代信息技術的基礎材料

B.工業制取單質b時同時產生氧化產物CO

C.向溶液中通入CO?,可以實現efd的轉化

D.化合物a的熱穩定性大于甲烷

【答案】D

【分析】根據價類二維圖，a、b、c、d、e分別為SiH4、Si、SiO2>H2SiO3>Na2SiO3；

【詳解】A.Si02是光導纖維的主要成份，是現代信息技術的基礎材料，A正確；

B.工業制取單質b時同時產生氧化產物CO,SiO2+2C=Si+2CO,B正確；

C.碳酸酸性大于硅酸，可以強酸制弱酸，C正確；

D.Sil和CH4,非金屬性越強，對應氣態氫化物越穩定，所以穩定性；SiH4<CH4,D錯誤;

故選Do

型知識梳理四

四、新型無機非金屬材料

1.壓電材料

受到壓力作用時會在兩端面間出現電壓的晶體材料。把重物放在石英晶體上，晶體某些表面

會產生電荷，電荷量與壓力成比例。這一現象被稱為壓電效應。壓電材料受壓力作用形變時

兩端面會出現異號電荷。利用壓電材料的這些特性可實現機械振動(聲波)和交流電的互相

轉換。因而壓電材料廣泛用于傳感器元件中，例如地震傳感器，力、速度和加速度的測量元

件以及電聲傳感器等。這類材料被廣泛運用，舉一個很生活化的例子，打火機的火花即運用

此技術。BaTiO,是一種具有代表性的壓電材料

2.激光材料

激光材料是把各種激發能量(電、光、射線)或泵浦能量轉換成激光的材料，即激光器的工作

物質。激光材料主要是凝聚態物質，又以固體物質為最主要，其具有激活離子濃度高，振蕩

頻帶寬并能產生譜線窄的光脈沖，而且具有良好的力學性能和穩定的化學性能。固體激光材

料分為兩類。一類是以電激勵為主的半導體激光材料，一般采用異質結構，由半導體薄膜組

成，用外延方法和氣相沉積方法制得。另一類是通過分立發光中心吸收光泵能量后轉換成激

光輸出的發光材料。這類材料以固體電介質為基質，分為單晶體、玻璃以及近些年發展起來

的透明多晶陶瓷三種。鋁(Y)作為稀土元素之一，在激光材料和超導材料方面有著重要的應

用。

3.氮化硼(BN)

氮化硼具有抗化學侵蝕性質，不被無機酸和水侵蝕。在熱濃堿中硼氮鍵被斷開。1200℃以上

開始在空氣中氧化。真空時約2700℃開始分解。微溶于熱酸，不溶于冷水，相對密度2.29。

壓縮強度為170MPa。在氧化氣氛下最高使用溫度為900℃,而在非活性還原氣氛下可達

2800℃,但在常溫下潤滑性能較差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更優。對于六方氮化硼：

摩擦系數很低、高溫穩定性很好、耐熱震性很好、強度很高、導熱系數很高、膨脹系數較低、

電阻率很大、耐腐蝕、可透微波或透紅外線。

4.氮化鋁(AIN)

氮化鋁是一種以共價鍵相連的物質，它有六角晶體結構，與硫化鋅、纖維鋅礦同形。要以熱

壓及焊接式才可制造出工業級的物料。物質在惰性的高溫環境中非常穩定。在空氣中，溫度

高于700℃時，物質表面會發生氧化作用。在室溫下，物質表面仍能探測到5-10納米厚的

氧化物薄膜。直至1370℃,氧化物薄膜仍可保護物質。但當溫度高于1370℃時，便會發生

大量氧化作用。直至980℃,氮化鋁在氫氣及二氧化碳中仍相當穩定。礦物酸通過侵襲粒狀

物質的界限使它慢慢溶解，而強堿則通過侵襲粒狀氮化鋁使它溶解。物質在水中會慢慢水解。

氮化鋁可以抵抗大部分融解的鹽的侵襲，包括氯化物及冰晶石〔即六氟鋁酸鈉）。

5.磁性材料

能對磁場作出某種方式反應的材料稱為磁性材料。按照物質在外磁場中表現出來磁性的強

弱，可將其分為抗磁性物質、順磁性物質、鐵磁性物質、反鐵磁性物質和亞鐵磁性物質。大

多數材料是抗磁性或順磁性的，它們對外磁場反應較弱。鐵磁性物質和亞鐵磁性物質是強磁

性物質，通常所說的磁性材料即指強磁性材料。鐵磁性材料一般是Fe,Co,Ni元素及其合

金，稀土元素及其合金，以及一些Mn的化合物。磁性材料按照其磁化的難易程度，一般分

為軟磁材料及硬磁材料。

經典典例

1.高純碳酸銃廣泛應用于電子工業，是制備高性能磁性材料的原料。某化學小組在實驗室

模擬用軟錦礦粉（主要成分為Mn。?）制備MnCOs?；卮鹣铝袉栴}:

（1）制備MnSO,溶液：將力圾軟錦礦粉經除雜后制得MnO2濁液，向MnO?濁液中通入SO2,

制得MnSO,溶液，實驗裝置如圖所示（夾持和加熱裝置略）。

①通過裝置A可觀察通入SO2與N2的快慢，則A中加入的最佳試劑是，

②MnO2轉化為MI?+的離子方程式為。

煨燒制a-Fe2O3

⑵將所得鐵黃晶體洗凈后煨燒，得a-FezCh,下圖為其他條件相同時不同煨燒溫度對產品中

FezS質量分數的影響。當燃燒溫度高于800℃時，產品中FezS質量分數降低，鐵元素質量

⑶燃燒FeCO?也能生成a-FezCh實驗室以100mL0.1mol.L」FeSO4溶液為原料制備高產率、較

純凈的a-Fe2O3,已知：Fe（OH）2開始沉淀的pH=6.5,請補充完整實驗方案：在攪拌

下，將固體干燥，得到純凈的FeCOs放入管式爐內燃燒2h,獲得產品a-Fe2O3.（必

須使用的試劑：O.lmobUNHRCOs溶液、2moi鹽酸、BaCl?溶液、蒸儲水）。

2+

【答案】（1）飽和NaHSCb溶液Mn02+S02=Mn+SO^

（2）部分Fe2O3分解生成Fe3O4或FeO

⑶向lOOmLO.lmohl/iFeSCU溶液中緩慢滴加約200mL0.1mol-L"NH4HC03溶液，靜置后過濾，

所得沉淀用蒸儲水洗滌2?3次：取最后一次洗滌后的濾液，滴入2moi七1鹽酸酸化后再滴

加BaCb溶液，無渾濁

【分析】A中通過氣體的氣泡的快慢來調節氣體的通入速率，故該試劑不能和二氧化硫反應,

為使S02盡可能轉化完全，就是要使裝置中的二氧化硫全部進入燒瓶中，MnCh和二氧化硫

反應生成硫酸鎬，實驗中若將N2換成空氣，則空氣中的氧氣可以將二氧化硫氧化生成硫酸

根離子；

【詳解】（1）①A中通過氣體的氣泡的快慢來調節氣體的通入速率，故該試劑不能和二氧

化硫反應，故A中加入的最佳試劑是飽和NaHSCb溶液；

②MnCh和二氧化硫反應生成硫酸鎰，反應的離子方程式為MnO2+SO2=Mn2++SO：；

（2）當燃燒溫度高于800℃時，產品中Fe20質量分數降低，鐵元素質量分數升高，則表明

FezCh轉化為其它的鐵的氧化物，同時生成。2,其可能原因是：部分FezQ分解生成Fe3O4

或FeO,故答案為：部分Fez2分解生成FesCU或FeO；

(3)FeSC>4生成FeCCh,顯然需要加入NH4HCO3,要得到純凈的FeCCh,需要對沉淀進行洗

滌、檢驗最后一次洗滌液中是否含有SO〉需要加入鹽酸酸化的BaCb溶液，所以完整實驗

方案：在攪拌下向100mL0.1mol-15FeSC)4溶液中緩慢滴加約2000mL0.1mol-LUNH4HC03溶液,

靜置后過濾，所得沉淀用蒸儲水洗滌2?3次：取最后一次洗滌后的濾液，滴入2moi七】鹽

酸酸化后再滴加BaCb溶液，無渾濁，將固體干燥，得到純凈的FeCCh放入管式爐內燃燒2h,

獲得產品a-Fe2C)3,故答案為：向lOOmLO.lmol-l/iFeSCU溶液中緩慢滴加約

200mL0.1mol-LUNH4