【大纲创新设计】高考化学一轮复习 第2节 硅及其化合物 无机非金属材料 大纲人教

第二节硅及其化合物无机非金属材料复习目标展示1.掌握Si、SiO2、Na2SiO3等物质的结构、性质、用途。2.了解硅酸盐工业及新型无机非金属材料的特征及应用。

知识点1问题1：硅及其化合物性质中的许多化学反应都是在什么条件下进行的？

硅及其化合物1．硅(Si)(1)存在硅在自然界中全部以

形式存在，地壳中含量仅次于

。

化合物O(2)单质的晶体结构单质硅有

和

两种同素异形体，晶体硅是

形的空间网状结构，属于

晶体。无定形晶体正四面体原子(3)单质的物理性质晶体硅颜色：

色，熔、沸点：

，硬度

。导电性：良好的半导体材料。

灰黑很高很大(4)化学性质①概述：常温下化学性质不活泼，不与

、

反应，只与

、

、

反应。

强酸强氧化剂F2HFNaOH②主要反应：

SiO2＋2CSi＋2CO↑(5)工业制法化学方程式为：

。

高温(6)用途①半导体材料；②作变压器铁芯；③加入铁中制耐酸设备。

2．二氧化硅(SiO2)

(1)自然界中的存在沙子和石英的主要成分是

，透明的石英俗称

，它是

(写化学式)晶体，熔点高和硬度大。SiO2水晶SiO2(2)晶体结构

①晶体类型：

。②原子结合方式：1个硅原子同时与

个氧原子结合，1个氧原子同时与

个硅原子结合，硅原子与氧原子个数比为

。

原子晶体421∶2(3)化学性质二氧化硅是一种

氧化物，能与碱、碱性氧化物及部分盐反应：酸性(4)用途沙子用于建筑，石英用于制造玻璃，纯SiO2用于制造电子部件、光学器材和光导纤维。3．硅酸(H2SiO3)及其盐(1)硅酸：不溶于水，其酸性小于碳酸Na2SiO3＋CO2＋H2ONa2CO3＋H2SiO3↓，Na2SiO3＋2HCl2NaCl＋H2SiO3↓。

(2)硅酸盐①常用的硅酸盐是Na2SiO3，俗称“泡花碱”，易溶于水，其水溶液叫水玻璃，是一种矿物胶，显碱性，易吸收空气中的CO2而生成硅酸，因而需密封保存。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：CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O。思维延伸

知识点2无机非金属材料问题2：传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的差别是什么？4．三种传统硅酸盐工业的比较类别水泥玻璃陶瓷主要原料石灰石、黏土、石膏纯碱、石灰石石英(SiO2)黏土主要设备水泥回转窑玻璃熔炉陶瓷窑生产过程原料生料熟料成品原料混合（按比例）熔化成型混合成型干燥烧结冷却磨细煅烧石膏粉粉碎强热加添加剂主要反应复杂物理、化学变化Na2CO3＋SiO2

Na2SiO3＋CO2↑CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑复杂物理、化学变化主要成分3CaO·SiO2；2CaO·SiO2；3CaO·Al2O3普通玻璃：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2主要性能水硬性(不可逆过程)无固定熔、沸点，在一定温度范围内软化抗氧化、抗酸碱腐蚀，耐高温种类不同标号普通玻璃、特种玻璃陶器、瓷器等高温5.新形无机非金属材料新开发利用的如氮化硅Si3N4、刚玉Al2O3等陶瓷，光导纤维等无机非金属材料，这些材料具有特殊结构，特殊功能，如半导体材料，超硬耐高温材料，发光材料等，都称为新型无机非金属材料。

思维延伸(1)传统无机非金属材料是指水泥、玻璃、陶瓷等，其优点是抗腐蚀、耐高温等，但也有质脆，经不起热冲击等弱点。(2)钢化玻璃与普通玻璃的成分相同。考点1硅及其化合物的特殊性1．硅的还原性比碳强，但在高温下，碳能从二氧化硅中还原出硅。SiO2＋2CSi＋2CO↑高温这可从化学平衡的角度理解，由于产物CO为气体，它的放出促使反应向正反应方向进行。2．碳酸的酸性比硅酸强，在水溶液中可发生反应如Na2SiO3＋CO2＋H2OH2SiO3↓＋Na2CO3。但高温下，可发生反应Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。这是因为该反应不是在水溶液中，而是在高温条件下发生的。高温高温3．常温条件下，非金属单质一般不与强碱溶液反应而Si单质可与强碱溶液反应，Si＋2NaOH＋H2ONa2SiO3＋2H2↑。4．非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能跟氢氟酸作用：Si＋4HFSiF4↑＋2H2↑。5．非金属氧化物一般为分子晶体，但SiO2为原子晶体。6．酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能与氢氟酸作用。7．无机酸一般易溶于水，但H2SiO3和H4SiO4均难溶于水。8．硅酸钠水溶液俗称泡花碱或水玻璃，但却是盐溶液。9．SiO2虽是硅酸的酸酐，但却不能用SiO2和水反应制备硅酸，只能用可溶性硅酸盐溶液跟酸作用来制取。10．SiO2是熔点最高的非金属氧化物，H2SiO3是常温下呈固态的酸。要点深化Si及SiO2的特性，常常作为推断题的突破口和解题关键。因此要熟练掌握好Si及SiO2的特性。应用时，还要注意能与NaOH溶液(除活泼金属外)反应产生H2的除Si外还有Al。【例1】

(2009·全国高考题改编题)在下列物质的转化关系中，A是一种固体单质，E是一种白色沉淀，据此填写下列空白：SiO2＋2OH－SiO－＋H2O(1)B的化学式是________。(2)B和a溶液反应的离子方程式是___________________________。(3)G和盐酸溶液反应的化学方程式是

。解析：G与过量HCl反应生成白色沉淀E，G可能是AgNO3或Na2SiO3，E是AgCl或H2SiO3；再结合E加热生成氧化物B，判断E为H2SiO3，B为SiO2、D为H2O、A为Si、G是Na2SiO3、F是H2、H是NaCl。SiO2Na2SiO3＋2HCl2NaCl＋H2SiO3↓

变式训练1．(2010·湖北部分重点中学联考)2009年10月6日瑞典皇家科学院宣布，英国华裔科学家高锟以及两名美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯获得2009年诺贝尔物理学奖，以奖励他们在光纤和半导体领域上的开创性研究。下列有关光导纤维和半导体的说法中错误的是()A．二氧化硅是制备光导纤维的主要原料，光导纤维遇强碱会“断路”B．作半导体材料的硅位于周期表中第三周期ⅣA族C．工业上，利用二氧化硅热分解法冶炼硅D．二氧化硅和硅的晶体类型相同解析：因为SiO2可与强碱反应生成硅酸盐和水，所以光导纤维遇强碱会“断路”，A项叙述正确；工业上用SiO2与C反应制取粗硅，然后以粗硅、Cl2、H2为原料再制取精硅，显然C项叙述不正确；B、D两项叙述正确。答案：C考点2材料及新材料新型无机非金属材料：主要指高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷等。新型无机非金属材料除继承传统无机非金属材料的许多优点、克服某些弱点外，还具有如下特性：(1)耐高温、强度高。如氮化硅陶瓷在1200℃左右的高温下，仍具有很高的硬度，可用来制造气轮机的叶片、轴承、永久模具等。(2)具有电学特性。如氧化锡陶瓷，可用作集成电路中的半导体。(3)具有光学特性。如光导纤维，用于光缆通讯、医疗、信息处理等。(4)具有生物功能。如磷酸钙系陶瓷，可用于制造人造骨骼等。要点深化今后无机非金属材料的发展趋势(1)新型能源转换和储能材料。(2)新型光电子材料及器件。(3)生物医用材料。(4)信息功能材料。(5)轻质高强材料。(6)纳米无机材料。【例2】(2009·四川理综，6)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：本题考查材料的类别、性质等，意在考查考生对化学在生产、生活中应用的了解。B项，C60属于分子晶体，可用于制造纳米材料；C项，纤维素乙酸酯属于合成高分子材料；C项，制造光导纤维的原料是高纯石英粉（SiO2)。答案：A变式训练2．(2010·模拟题)碳化钛(TiC)、碳化硼(B4C3)、氮化硅(Si3N4)等非氧化物陶瓷是新型无机非金属材料研究的重要方向，合

成这些物质需在高温条件下进行，在合成它们的过程中必须注意()

A．通入足量氧气B.避免与氧气接触

C．通入少量氯气D．通入少量氧气

解析：“C”与“Si”均在高温条件易与O2反应生成氧化

物，所以在合成TiC、B4C3、Si3N2时要避免与氧气接触。

答案：B客观题以考查硅元素的特殊性，现代新材料及与传统材料的差异为主。

【考题一】(2009·重庆理综，6)材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是()选项材料主要化学成分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、石英二氧化硅审题视点：材料的学名、俗名与其主要成分的关系。审题视点：材料的学名、俗名与其主要成分的关系。思维导图标准答案：A高分解密

不能正确选出A项，主要原因是对材料的组成记不熟。常见新型无机非金属材料有：(1)高温结构陶瓷：主要指利用其强度、硬度、韧性等机械性能制成的各种材料。如氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷等，在工业、国防上有重要的价值。(2)光导纤维：简称光纤，是一种能高质量传导光的玻璃纤维。用于通讯、医疗、信息处理、遥测遥控、照明等。(光纤主要成分是SiO2)。(3)材料按其组成可分为三类：金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料。金属材料主要指各种合金等。无机非金属材料又分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料。有机高分子材料又包括塑料、橡胶、纤维等。(4)复合材料：由金属材料、陶瓷材料、高分子材料复合而成，其强度、韧性和耐腐蚀等性能比单一材料更好，是一类具有广阔发展前景的新型材料。主观题

以考查硅元素单质及其化合物的转化、制备新材料等内容为主。【考题二】

单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质)，粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度50～500℃)，四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。相关信息如下：a．四氯化硅遇水极易水解；b．硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物；c．有关物质的物理常数见下表：物质SiCl4BCl3AlCl3FeCl3PCl5沸点/℃57.712.8－315－熔点/℃－70.0－107.2－－－升华温度/℃－－180300162请回答下列问题：(1)写出装置A中发生反应的离子方程式MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O。(2)装置A中g管的作用是________；装置C中的试剂是________；装置E中的h瓶需要冷却的理由是_________________________。(3)装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏(类似多次蒸馏)得到高纯度四氯化硅，精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是

（填写元素符号)。(4)为了分析残留物中铁元素的含量，先将残留物预处理，使铁元素还原成Fe2＋，再用KMnO4标准溶液在酸性条件下进行氧化还原滴定，反应的离子方程式是：5Fe2＋＋MnO＋8H＋5Fe3＋＋Mn2＋＋4H2O平衡压强浓硫酸使SiCl4冷凝Al、P、Cl①滴定前是否要滴加指示剂？________(填“是”或“否”)，请说明理由__________________________________________。②某同学称取5.000g残留物，经预处理后在容量瓶中配制成100mL溶液，移取25.00mL试样溶液，用1.000×10－2mol·L－1KMnO4标准溶液滴定。达到滴定终点时，消耗标准溶液20.00mL，则残留物中铁元素的质量分数是________。思路点拨：制四氯化硅是由粗硅与Cl2反应得到的，所以必须先制得Cl2，因SiCl4极易水解，所以Cl2须干燥，再根据表格数据分析提纯SiCl4的方法。(1)书写的是离子方程式，B装置中盛放饱和食盐水除去HCl，C装置中用浓H2SO4除水以制得干燥纯净的Cl2；否KMnO4溶液自身可作指示剂4.480%(2)A中用恒压分液漏斗平衡压强，使液体顺利流下；h瓶用冷却液冷却主要目的是得到SiCl4；(3)精馏粗产物得到SiCl4，温度应控制在57.7℃，此时BCl3变为气体，但AlCl3、FeCl3、PCl5均残留在瓶中，所以残留杂质元素是Fe、Al、P、Cl，(4)中①滴定时MnO

是自身指示剂，终点时变为紫红色且30s内不变即可读数；②中5Fe2＋～MnO1xnn＝1.000×10－2mol·L－1×20mL×10－3L·mL－1＝2.000×10－4molx＝1.000×10－3mol，从100mL中取出25mL，原溶液中n(Fe2＋)＝4.000×10－3mol，w＝=4.480%。

高分解密

本题以硅的制取及提纯为知识平台，同时考查了氯气的制备、净化。实验条件的控制，实验事故的预防。对实验数据的处理能力，对物质性质在实验条件选择中的应用分析能力。解答时一定要仔细阅读题干内容(给出了制高纯度硅的原理和仪器)和问题内容[如(2)中“装置E中的h瓶需冷却的理由—根据SiCl4的沸点就可分析出为了使SiCl4(g)―→SiCl4(l)”]，认真分析每种仪器作用，盛放试剂及发生的反应，联想到实验过程中每一操作细节。知识支持制取高纯硅的化学反应(1)SiO2＋2C2CO＋Si(得到粗硅)。高温(2)Si＋2Cl2

SiCl4(只是粗硅中的硅反应，剩余了杂质，得到SiCl4是纯净物)。450。C~500。C(3)SiCl4＋2H2Si＋4HCl↑(得到高纯硅)。(利用了物质在不同温度下的状态不同，结合平衡移动原理来制取高纯硅。)1．(5分)(2010·原创题)2009年10月诺贝尔物理奖诞生了，其中拥有英国和美国双重国籍的华人高锟，又被称为“光纤之父”是

获此殊荣的三人之一。下列有关光纤的说法错误的是()A．“光纤”是光导纤维的简称，是只传输光不导电的一种材料B．光纤的主要成分是硅，可溶于NaOH溶液中C．光纤的主要成分是二氧化硅，可溶于氟化氢溶液中D．光纤、石英、水晶的主要成分均相同

答案：B2．(5分)(2010·模拟题)下列表述正确的是()①人造刚玉熔点很高，可用作高级耐火材料，主要成分是

二氧化硅②化学家采用玛瑙研钵摩擦固体反应物进行无溶剂合成，玛瑙的主要成分是硅酸盐③提前建成的三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料④夏天到了，游客佩戴由添加化亚铜的二氧化硅玻璃制作的变色眼镜来保护眼睛⑤太阳能电池可采用硅材料制作，其应用有利于环保、节能A．①②③B.②④C.③④⑤D.③⑤解析：本题主要考查硅及其化合物的具体应用。刚玉的主要成分为Al2O3；玛瑙的主要成分是SiO2；玻璃的主要成分为NaSiO3、CaSiO3、SiO2；水泥的主要成分为3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3等，为硅酸盐材料；Cu2O虽然是红色的，但它不能变色，也不能吸收有害光线；硅材料不会产生对环境有害的物质。答案：D3．(5分)(2010·徐州市一中期中考题)石棉是一类价格低廉的硅酸盐材料，但是有毒，能使人患肺癌。一种叫矿青石棉的化学式

为：Na2Fe5Si8O22(OH)2，用稀硝酸溶液处理时，还原产物只有

NO，下列说法正确的是()A．该物质中Fe元素的化合价为＋2价，它属于硅酸盐B．该物质的化学组成可表示为：Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2OC．1mol该物质能和18molHNO3反应，也能与18mol盐酸反应

D．这种石棉属于新型无机非金属材料解析：选项A，根据化合价代数和等于零的原则，设Fe元素的价态为＋n价，则有2＋5n＋32－44－2＝0，n＝2.4，故该物质中Fe元素的化合价为＋2和＋3价。根据硅酸盐改写成氧化物形式的规则可知选项B正确；1molNa2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O与HNO3反应生成NaNO3、Fe(NO3)3，起酸性作用的硝酸是17mol，起氧化剂作用的是1mol，所以共需18molHNO3，但该物质只能与14mol盐酸反应；选项D，石棉属于传统无机非金属材料。答案：B4．(5分)(2010·模拟题)氮化硅(Si3N4)是一种新型陶瓷材料，它可由石英与焦炭在高温的氮气流中，通过以下反应制得：