《金新学案》高三化学一轮 第7章 碳族元素 无机非金属材料第二节 硅、二氧化硅 无机非金属材料 大纲人教

第二节硅、二氧化硅无机非金属材料1．掌握硅及其重要化合物的性质和用途。2．初步了解硅、SiO2晶体结构及性质关系。3．了解SiO2粉末对环境及人类健康的影响。4．了解硅酸盐工业及新型无机非金属材料的特征及应用。一、硅及其化合物1．硅硅全部以

形式存在于地壳中，是构成

的主要元素。(1)硅晶体的结构及主要物理性质结构：

原子晶体。主要物理性质：

晶体，有金属光泽、硬度

、熔、沸点

。化合态矿物和岩石正四面体型空间网状灰黑色大高(2)主要化学性质常温下与F2、HF、强碱反应，加热下与O2等反应，反应式分别为：

Si＋2F2===SiF4Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑(3)高纯硅的制取，反应式分别为：制粗硅：

提纯(与Cl2反应)：

还原(用H2还原)：

2．二氧化硅(1)晶体结构：空间网状结构的原子晶体，1个硅原子跟

个氧原子结合成

个共价键，每个氧原子跟

个硅原子相结合，晶体中硅、氧原子个数比为

，SiO2是化学式，并不是分子式，1molSiO2含有

molSi—O键。1∶24424(2)化学性质SiO2是不溶于水的

氧化物。可与HF作用(氢氟酸雕刻玻璃)：

与NaOH作用(盛放碱性溶液的试剂瓶不能用磨砂玻璃塞)：

高温下与Na2CO3、CaCO3反应：

酸性SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2OSiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O3．硅酸与硅酸盐(1)硅酸：不溶于水，其酸性小于碳酸Na2SiO3＋CO2＋H2O===

，Na2SiO3＋2HCl===

。Na2CO3＋H2SiO3↓2NaCl＋H2SiO3↓(2)硅酸盐①常用的硅酸盐是Na2SiO3，俗称“

”，易溶于水，其水溶液叫做水玻璃，是一种

胶，显碱性，易吸收空气中的CO2生成硅酸，因而需

保存。②硅酸盐是构成地壳岩石的主要成分，种类很多，结构复杂，常用氧化物的形式来表示其组成。表示顺序一般为活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水。例如：硅酸钠Na2SiO3：Na2O·SiO2；钙沸石CaAl2Si3O10·3H2O：

。泡花碱矿物密封CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O【自我检测】A、B、C、D、E代表单质或化合物，它们之间的相互转换关系如下图所示。A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质，其晶体结构与金刚石相似。请填空：(1)形成单质A的原子的结构示意图为__________，它的最高化合价为________。(2)B的化学式(分子式)为__________，B的晶体类型为________，B和碳反应生成A和E的化学方程式是___。(3)C的化学式(分子式)为________，D的化学式(分子式)为________。答案：

(1)

＋4价(2)SiO2原子晶体SiO2＋2CSi＋2CO↑

(3)CaSiO3

Na2SiO3

二、无机非金属材料1．硅酸盐工业以含硅物质为原料，

制成硅酸盐产品的工业叫做硅酸盐工业。它包括水泥、玻璃、陶瓷等常见材料。(1)水泥：普通水泥生产的主要原料：

。水泥的成分是：

。水泥具有

性，石膏作用是：

。含硅石灰石、黏土、石膏3CaO·SiO2,2CaO·SiO2,3CaO·Al2O3调节水泥的硬化速度水硬(2)玻璃普通玻璃的生产原料是：

。主要化学反应是：

普通玻璃的成分以氧化物形式表示为Na2O·CaO·6SiO2。普通玻璃的特点是加热后在一定温度范围内

，即无

熔、沸点。特种玻璃：钢化玻璃的成分同于

。蓝玻璃的成分是

加入普通玻璃。红玻璃的成分是

加入普通玻璃。石英玻璃的成分是

，不同于普通玻璃。纯碱、石灰石和石英熔化固定普通玻璃Co2O3Cu2OSiO2(3)陶瓷陶瓷生产的主要原料是

。我国的陶都是

，瓷都是

。黏土宜兴景德镇2．新型无机非金属材料(1)新型无机非金属材料的特点及用途特点用途耐

、强度．如氮化硅，制造气轮机叶片、轴承、永久性模具等具有

特性作半导体、导体、超导体，用于集成电路的基板具有

特性能透过可见光，能使红外线、雷达射线穿过具有

功能人造牙齿、人造骨骼高温高电学光学生物(2)种类①高温结构陶瓷：如

陶瓷、

陶瓷。②光导纤维：传导

的能力强。制取光导纤维的主要原料是

。氧化铝氮化硅光SiO2【自我检测】(1)矿泉水一般是由岩石风化后被地下水溶解其中一部分生成的。此处所指的风化作用是指矿物与水和CO2作用时的过程。例如，钾长石(KAlSi3O8)风化生成黏土[Al2Si2O5(OH)4]，此反应的离子方程式为2KAlSi3O8＋2H2CO3＋5H2O===2K＋＋

＋4H2SiO3＋Al2Si2O5(OH)4。①将上述复杂硅酸盐改写成氧化物形式：KAlSi3O8__________，Al2Si2O5(OH)4______。②这个反应能够发生的原因是__________。(2)用高岭土(主要成分是Al2O3·2SiO2·2H2O，并含有少量的CaO、Fe2O3)研制新型净水剂(铝的化合物)，其实验步骤如下：将土样和纯碱混匀，加热熔融。冷却后，用水浸取熔块，过滤，弃去残渣。滤液用盐酸酸化，经过滤，分别得到沉淀和溶液，溶液即为净水剂。①写出熔融时的主要成分与纯碱反应的化学方程式(Al2O3与纯碱反应和SiO2与纯碱的反应相似)：___________。②实验中常用的有瓷坩埚、氧化铝坩埚和铁坩埚，本实验在熔融土样时，应选用________坩埚。答案：

(1)①K2O·Al2O3·6SiO2

Al2O3·2SiO2·2H2O②碳酸的酸性比硅酸强，由较强的酸可制得较弱的酸(2)①SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑

Al2O3＋Na2CO32NaAlO2＋CO2↑

②铁(1)Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑(2)非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si却能放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑(3)非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑(4)非金属单质一般为非导体，但Si为半导体。(5)SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接将它与水作用制备H2SiO3。(6)非金属氧化物的熔、沸点一般较低，但SiO2的熔、沸点却很高。(7)酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(8)无机酸一般易溶于水，H2SiO3却难溶于水。(9)因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑也能发生。(10)Na2SiO3的水溶液俗称水玻璃，但它与玻璃的成分大不相同，硅酸钠又称泡花碱，但它却是盐，并不是碱。常见非金属置换出非金属的反应：2H2＋SiCl4Si＋4HClC＋H2O(g)CO＋H22C＋SiO2Si＋2CO↑Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑O2＋2H2S2S＋2H2O2F2＋2H2O===4HF＋O2Cl2＋2NaBr===2NaCl＋Br2Br2＋2KI===2KBr＋I2晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下：①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2③SiHCl3与过量H2在1000～1100℃反应制得纯硅已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题：(1)第①步制备粗硅的化学反应方程式为_______。(2)粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6℃)和HCl(沸点－84.7℃)，提纯SiHCl3采用的方法为___。(3)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下图所示(热源及夹持装置略去)：①装置B中的试剂是____________________。装置C中的烧瓶需要加热，其目的是________________________。②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是__________，装置D不能采用普通玻璃管的原因是_______，装置D中发生反应的化学方程式为________。③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及______________。④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂(填写字母代号)是________。a．碘水b．氯水c．NaOH溶液d．KSCN溶液e．Na2SO3溶液解析：本题是制取高纯硅的实验，反应原理是：Si＋3HClSiHCl3＋H2，SiHCl3＋H2Si＋3HCl。因此要先制取H2，由题中信息知，SiHCl3与H2O强烈反应，且在空气中自燃，因此实验中要除去H2O，故B装置为干燥装置，实验成功还得要排净装置中的空气，又由于SiHCl3与H2需要在1000～1100℃间的高温下反应，故D用耐高温的石英管，同时还要把SiHCl3和H2通入到D中，据题中信息SiHCl3的沸点较低，故C用热水加热可以使SiHCl3挥发到D中。答案：

(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑

(2)分馏(蒸馏)(3)①浓H2SO4使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化②有固体物质生成在反应温度下普通玻璃会软化SiHCl3＋H2Si＋3HCl③排尽装置中的空气④bd[变式训练]1.(2011·江苏徐州)我国目前制备多晶硅主要采用三氯氢硅氢还原法、硅烷热解法和四氯化硅氢还原法。由于三氯氢硅氢还原法具有一定优点，被广泛应用。其简化的工艺流程如下图所示：(1)制备三氯氢硅的反应为：Si(s)＋3HCl(g)===SiHCl3(g)＋H2(g)；ΔH＝－210kJ·mol－1。伴随的副反应有：Si(s)＋4HCl(g)===SiCl4(g)＋2H2(g)；ΔH＝－241kJ·mol－1。SiCl4在一定条件下与H2反应可转化为SiHCl3，反应的热化学方程式为SiCl4(g)＋H2(g)===SiHCl3(g)＋HCl(g)；ΔH＝________。(2)由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式为_____________。该生产工艺中可以循环使用的物质是________________(至少写出两种)。(3)由于SiH4具有易提纯的特点，因此硅烷热分解法是制备高纯硅很有发展潜力的方法。工业上广泛采用的合成硅烷方法是让硅化镁和固体氯化铵在液氨介质中反应得到硅烷，化学方程式是________________________；整个制备过程必须严格控制无水，否则反应将不能生成硅烷，而是生成硅酸和氢气等，其化学方程式为________________________________________________________________________；整个系统还必须与氧隔绝，其原因是________________________________。解析：

(1)根据盖斯定律，将第二个热化学方程式跟第一个相减(左减左、右减右、ΔH2减ΔH1)即得。(2)、(3)涉及化学方程式书写，较为容易。把握好整个过程的还原意识、守恒原则、环保理念。答案：

(1)＋31kJ·mol－1(2)SiHCl3＋H2

Si＋3HCl

HCl、H2、SiHCl3、SiCl4等(3)Mg2Si＋4NH4Cl===SiH4↑＋2MgCl2＋4NH3↑

Mg2Si＋4NH4Cl＋3H2O===2MgCl2＋H2SiO3＋4NH3↑＋4H2↑由于硅烷在空气中易燃，浓度高时容易发生爆炸(或其他合理答案)(1)传统硅酸盐工业简介(2)两种新型无机非金属材料①高温结构陶瓷a．高温结构陶瓷的优点：能经受高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等。b．高温结构陶瓷的种类氧化铝陶瓷：又称人造刚玉，具有熔点很高、硬度高的优点。可用于作坩埚、高温炉管、球磨机、高压钠灯的灯管等。氮化硅陶瓷：具有硬度极高、耐磨损、抗腐蚀和抗氧化能力等优点。可用于制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环、永久性模具、发动机部件等。碳化硼陶瓷：具有熔点高、硬度大的优点。广泛应用于工农业生产、原子能工业、宇航工业等。②光导纤维(光纤)a．光导纤维的特点：传导光的能力非常强，抗干扰性能好，不发生电辐射等。b．光导纤维的应用：通讯、医疗、信息处理、传能传像、遥测遥控、照明等。实验室中硅酸盐材料仪器问题(1)盛碱性溶液的试剂瓶不能用磨口玻璃塞(SiO2与OH－反应生成把瓶口与瓶塞粘结)；(2)氢氟酸用塑料容器贮存不能用玻璃容器(SiO2与HF反应)；(3)氢气燃烧火焰呈淡蓝色，可是H2在普通玻璃管口燃烧火焰为黄色(Na＋焰色反应所致)；(4)瓷坩埚不能用于加热碱性物质。(2010·江苏)下列有关物质的性质或应用的说法不正确的是(

)A．二氧化硅是生产光纤制品的基本原料B．水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂C．盐析可提纯蛋白质并保持其生理活性D．石油分馏可获得乙烯、丙烯和丁二烯解析：

光纤制品的主要原料是SiO2，A正确，水玻璃硬化过程中析出的硅酸凝胶，具有很强的黏附性，且耐高温，B正确。盐析是利用物理变化降低蛋白质的溶解度，C正确。乙烯、丙烯和丁烯是通过石油裂解得到的，D错误。答案：

D[变式训练]2.(2009·四川理综)开发新材料是现代科技发展的方向之一。下列有关材料的说法正确的是(

)A．氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料B．C60属于原子晶体，用于制造纳米材料C．纤维素乙酸酯属于天然高分子材料D．单晶硅常用于制造光导纤维解析：

B项，C60属于分子晶体；C项，纤维素乙酸酯不是天然高分子材料；D项，二氧化硅常用于制造光导纤维。答案：

A硅是无机非金属材料的主角，所以硅、二氧化硅的性质、用途是本节的重点。在高考中主要涉及晶体硅、二氧化硅的结构和性质比较，传统无机非金属材料、新型无机非金属材料等方面的知识。题型有选择题、实验题及推断题。以硅为载体，反映新材料、新技术的知识将被移植到命题范围内，主要考查学生接受新信息的能力。1．(2010·山东)下列推断正确的是(

)A．SiO2是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应B．Na2O、Na2O2组成元素相同，与CO2反应产物也相同C．CO、NO、NO2都是大气污染气体，在空气中都能稳定存在D．新制氯水显酸性，向其中滴加少量紫色石蕊试液，充分振荡后溶液呈红色解析：

A项，SiO2是酸性氧化物，对应的酸是硅酸，SiO2与NaOH反应生成Na2SiO3和H2O；B项，Na2O与CO2反应生成Na2CO3，Na2O2与CO2反应生成Na2CO3和氧气；C项，CO、NO、NO2都有毒，都是大气污染物，NO和空气中的O2反应生成NO2，不能稳定存在；D项，新制氯水显酸性，有强氧化性，向其中滴加少量石蕊试液，先变红(因为酸性)后褪色(因为氯水的强氧化性)。答案：

A2．(2010·广东)碳酸锂广泛应用于陶瓷和医药等领域，以β－锂辉石(主要成分为Li2O·Al2O3·4SiO2)为原料制备Li2CO3的工艺流程如下：已知：Fe3＋、Al3＋、Fe2＋和Mg2＋以氢氧化物形式完全沉淀时，溶液的pH分别为3.2、5.2、9.7和12.4；Li2SO4、LiOH和Li2CO3在303K下的溶解度分别为34.2g、12.7g和1.3g。(1)步骤Ⅰ前，β－锂辉石要粉碎成细颗粒的目的是____________。(2)步骤Ⅰ中，酸浸后得到的酸性溶液中含有Li＋、，另含有Al3＋、Fe3＋、Fe2＋、Mg2＋、Ca2＋、Na＋等杂质，需在搅拌下加入________(填“石灰石”、“氯化钙”或“稀硫酸”)以调节溶液的pH到6.0～6.5，沉淀部分杂质离子，然后分离得到浸出液。(3)步骤Ⅱ中，将适量的H2O2溶液、石灰乳和Na2CO3溶液依次加入浸出液中，可除去的杂质金属离子有______________。(4)步骤Ⅲ中，生成沉淀的离子方程式为________。(5)从母液中可回收的主要物质是________。解析：本题主要涉及离子除杂问题。(2)把酸性溶液的pH调节到6.0～6.5，需要加入能与H＋反应的物质，故选石灰石。(3)在步骤Ⅰ中调节溶液的pH到6.0～6.5时，可除去Fe3＋、Al3＋。步骤Ⅱ中，加适量H2O2溶液，可把Fe2＋氧化为Fe3＋；加适量石灰乳可除去Fe3＋、Mg2＋；加Na2CO3溶液可除去Ca2＋；故步骤Ⅱ中可除去的杂质金属离子有Fe2＋、Mg2＋、Ca2＋。(4)步骤Ⅲ蒸发浓缩后的溶液中主要是Li2SO4，加入饱和碳酸钠溶液发生反应：2Li＋＋===Li2CO3↓。(5)母液的主要成分是Na2SO4，故可回收的主要物质是Na2SO4。答案：

(1)增大固液接触面积，加快浸出反应速率，提高浸出率(2)石灰石(3)Fe2＋、Mg2＋、Ca2＋

(4)2Li＋＋===Li2CO3↓

(5)Na2SO41．(2008·全国Ⅱ理综)对于ⅣA族元素，下列叙述中不正确的是(

)A．SiO2和CO2中，Si和O、C和O之间都是共价键B．C、Si和Ge的最外层电子数都是4，次外层电子数都是8C．CO2和SiO2都是酸性氧化物，在一定条件下都能和氧化钙反应D．该族元素的主要化合价是＋4和＋2解析：

A项中SiO2、CO2均为共价化合物，原子间以共价键结合；B项中C、Ge的次外层电子数分别为2、18；C项CO2、SiO2均可和CaO反应生成对应的盐。答案：

B2．(2009·重庆理综)材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是(

)材料主要化学成分A刚玉、金刚石三氧化二铝B大理石、石灰石碳酸钙C普通水泥、普通玻璃硅酸盐D沙子、石英二氧化硅解析：

A项，刚玉的主要化学成分为三氧化二铝，而金刚石的主要化学成分为碳。答案：

A3．(2007·广东)下列说法正确的是(

)A．硅材料广泛应用于光纤通讯B．工艺师利用盐酸刻蚀石英制作艺术品C．水晶项链和餐桌上的瓷盘都是硅酸