（新）必修二化工生产中的重要非金属元素 无机非金属材料 微课

第四章非金属及其化合物第一节无机非金属材料的主角——硅

考向一硅及其化合物的特殊性质【通考点·融会贯通】1.单质硅的特性非金属的一般规律硅的特性硅还原性强于碳2C+SiO2Si+2CO↑非金属与强碱溶液反应一般不产生H2硅可与强碱溶液反应产生H2:Si+2NaOH+H2O====Na2SiO3+2H2↑非金属一般不与非氧化性酸反应Si+4HF====SiF4↑+2H2↑一般非金属单质为绝缘体硅为半导体,常用于电子部件高温====2.二氧化硅的特性一般规律SiO2的特性酸性氧化物一般与水反应生成相应酸SiO2不溶于水,不与水反应酸性氧化物一般不与酸发生复分解反应SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O一般规律SiO2的特性“较强酸制较弱酸”是复分解反应的一般规律,H2CO3酸性强于H2SiO3,Na2SiO3+CO2+H2O====Na2CO3+H2SiO3↓以下反应不能说明酸性的强弱Na2CO3+SiO2

Na2SiO3+CO2↑CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2↑高温====高温====【通考题·触类旁通】

角度1单质硅的特殊性质及应用1.常温下,下列物质不与晶体硅反应的是 (

)A.F2

B.HF

C.KOH溶液D.稀盐酸【解析】选D。常温下Si与F2、HF、KOH溶液的反应分别为Si+2F2====SiF4、Si+4HF====SiF4↑+2H2↑、Si+2KOH+H2O====K2SiO3+2H2↑,但常温下Si与盐酸不反应。2.(2019·衡阳模拟)由铝、硅两种物质组成的试样11g,均匀地分成等质量的两份,一份与足量的盐酸接触可产生气体aL,一份与足量的NaOH溶液接触产生同样的气体bL,则此试样中铝与硅的质量比为 (

)【解析】选B。铝和盐酸反应,硅和盐酸不反应,根据2Al～3H2,Al的质量为mol××27g·mol-1=g,铝和硅都和氢氧化钠反应,由于等量的铝和酸碱反应产生的氢气相同,所以硅产生的氢气的体积为(b-a)L,根据Si～2H2,硅的质量为

mol××28g·mol-1=g,二者质量比为。角度2二氧化硅的特殊性质及应用3.下列叙述正确的是 (

)A.因为Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑,所以硅酸的酸性比碳酸强B.碳和硅都是ⅣA族的元素,所以二氧化碳和二氧化硅的物理性质相似高温====C.二氧化硅既溶于氢氧化钠溶液又溶于氢氟酸,所以二氧化硅是两性氧化物D.二氧化硅和二氧化碳都是酸性氧化物,但二氧化硅不能和水反应生成硅酸【解析】选D。高温下,二氧化硅能和碳酸钠反应,不能说明碳酸酸性小于硅酸,要根据常温下,强酸制取弱酸进行判断,A错误;二氧化碳与二氧化硅属于不同的晶体类型,所以二氧化碳与二氧化硅的物理性质相差很大,B错误;二氧化硅与氢氟酸反应生成氟化硅和水,氟化硅不属于盐,二氧化硅不属于两性氧化物,C错误;二氧化硅和二氧化碳都能够与碱反应生成盐和水,属于酸性氧化物,但是二氧化硅难溶于水,不能与水反应生成相应的酸,D正确。4.(新题预测)下列有关说法正确的是 (

)A.因为HF与SiO2反应,故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记B.下列转化在一定条件下能够实现:SiO2SiCl4SiC.SiO2为酸性氧化物,与强碱、弱碱均能反应D.Si和SiO2都用于制造光导纤维【解析】选A。A.HF与SiO2反应,SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O,故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记,故A正确;B.SiO2只溶于HF,不溶于盐酸,故B错误;C.SiO2只能与强碱反应,与弱碱(如NH3·H2O)不反应,故C错误;D.Si用于制造晶体管,SiO2用于制造光导纤维,故D错误。5.二氧化硅广泛存在于自然界中,在日常生活、生产、科研及新型材料等方面有着重要的用途。a～e是对①～⑤反应中SiO2所表现的化学性质或作用进行的判断,其中正确的是 (

)①SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O②SiO2+2CSi+2CO↑高温====③SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O④Na2CO3+SiO2

Na2SiO3+CO2↑⑤SiO2+3CSiC+2CO↑高温====高温====a.反应①中SiO2作为玻璃的成分被消耗,用于刻蚀玻璃b.反应②中SiO2表现出氧化性c.反应③中SiO2表现了酸性氧化物的通性d.反应④符合用难挥发性的物质制取易挥发性的物质e.反应⑤中SiO2未参加氧化还原反应A.ace

B.bde

C.cde

D.ab【解析】选B。通常用氢氟酸来刻蚀玻璃,与之对应的反应是③,因此a、c判断错误;反应②是一个置换反应,其中二氧化硅被还原,表现出氧化性,b判断正确;反应④是一个复分解反应,用难挥发的二氧化硅制取易挥发的二氧化碳,d判断正确;反应⑤中碳的化合价由0价变为-4和+2价,硅的化合价和氧的化合价都没有改变,因此二氧化硅没有参加氧化还原反应,e判断也正确。【加固训练】1.由下列实验事实得出的结论正确的是 (

)A.由SiO2不能与水反应生成H2SiO3可知,SiO2不是H2SiO3的酸酐B.由SiO2+2CSi+2CO↑可知,碳的非金属性大于硅高温====C.由CO2通入Na2SiO3溶液产生白色沉淀可知,酸性H2CO3>H2SiO3D.SiO2为酸性氧化物,只能与碱反应【解析】选C。SiO2是H2SiO3的酸酐,A项错误;该反应中C作还原剂,反应能发生是因为生成的CO气体逸出,反应正向进行,B项错误;SiO2可与氢氟酸反应,D项错误。2.实验室进行熔融NaOH固体的实验,以下材质的坩埚可以选择的有 (

)①铁坩埚②石墨坩埚③石英坩埚④陶瓷坩埚⑤氧化铝坩埚A.2种B.3种C.4种D.5种【解析】选A。铁坩埚、石墨坩埚的主要成分Fe、C与NaOH在高温不反应,而石英坩埚、陶瓷坩埚的主要成分SiO2、氧化铝坩埚的主要成分Al2O3都能与NaOH反应。考向二含硅物质间的转化及硅的制备【通考点·融会贯通】

硅及其化合物的转化(1)硅的价类图(2)硅的转化图【通考法·一通百通】

1.含硅物质的转化反应发生反应的化学方程式为①Si+O2SiO2②SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O③CO2+H2O+Na2SiO3====Na2CO3+H2SiO3↓④H2SiO3SiO2+H2O⑤SiO2+2CSi+2CO↑△====△====高温====2.单质硅的制备方法(1)四氯化硅还原法。①工艺流程。②反应原理。Si(粗)+2Cl2SiCl4SiCl4+2H2Si(纯)+4HCl(2)三氯甲硅烷还原法制备高纯度硅(常用方法)。①工艺流程。△====高温====②反应原理。SiO2+2CSi+2CO↑,Si+3HClSiHCl3+H2,SiHCl3+H2Si+3HCl。高温====【通考题·触类旁通】

角度1硅及其化合物的转化1.下列转化关系中,不能通过一步反应实现的是

(

)①SiO2→Na2SiO3②Si→Na2SiO3③SiO2→H2SiO3 ④CuO→Cu(OH)2⑤Na2O→Na2CO3A.①和② B.③和④C.②③④ D.②③④⑤【解析】选B。①中SiO2可与NaOH反应生成Na2SiO3;②中Si与NaOH溶液反应可生成Na2SiO3;③中SiO2不能与水反应,所以不能由SiO2一步制得H2SiO3;④中氧化铜不能与水反应生成氢氧化铜;⑤中将氧化钠与CO2反应可得到碳酸钠。2.如图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程,下列说法正确的是 (

)A.SiO2属于两性氧化物B.盛放Na2CO3溶液的试剂瓶用玻璃塞C.硅胶吸水后可重复再生D.图中所示的转化都是氧化还原反应【解析】选C。SiO2是酸性氧化物,A错误;Na2CO3溶液呈碱性,试剂瓶不能用玻璃塞,B错误;题图中有的转化不是氧化还原反应,例如SiO2与NaOH溶液的反应,D错误。角度2单质硅的制备3.高纯度晶硅是典型的无机非金属材料,又称“半导体”材料,它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备:下列有关说法正确的是 (

)A.步骤①的化学方程式为SiO2+CSi+CO2↑B.步骤①②③中生成或消耗1molSi,转移2mol电子C.二氧化硅能与氢氟酸反应,而硅不能与氢氟酸反应D.SiHCl3(沸点33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸点67.6℃),可通过蒸馏提纯SiHCl3高温====【解析】选D。A项,高温下SiO2与C反应生成Si和CO气体,即步骤①的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑,错误;B项,步骤①中生成1molSi,转移4mol电子,步骤②中生成1molSiHCl3,消耗1molSi,转移2mol电子,步骤③中生成1molSi,转移2mol电子,错误;C项,硅能与氢氟酸反应生成SiF4和氢气,错误;D项,SiHCl3和SiCl4的沸点相差较大,可以采用蒸馏的方法分离,正确。高温====4.(新题预测)科学家最新研制的利用氯化氢和氢气生产高纯硅的工艺流程如图所示:容器Ⅰ中进行的反应为①Si(粗)+3HCl(g)====SiHCl3(l)+H2(g);容器Ⅱ中进行的反应为②SiHCl3+H2====Si(纯)+3HCl。下列有关说法正确的是 (

)A.该工艺流程的优点是部分反应物可循环使用B.最好用分液的方法分离Si和SiHCl3C.反应①和②中HCl均作氧化剂D.反应①和②属于可逆反应【解析】选A。该工艺流程中HCl和H2两种气体可循环使用;分离Si与SiHCl3可用过滤的方法;反应②中HCl是生成物,是氧化产物;反应①、②不在同一条件下进行,不是可逆反应。5.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:ⅰ.高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅ⅱ.粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3:Si+3HClSiHCl3+H2ⅲ.SiHCl3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ⅰ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(热源及夹持装置略去):①装置D中g管的作用是________________;装置B中的试剂是________________;装置C中的烧瓶加热的目的是________________。

②装置A中发生反应的化学方程式为__________________________________________________________。③操作时应先打开装置________(填“C”或“D”)中分液漏斗的旋塞,理由是______________________。

(4)请设计实验证明产品硅中是否含微量铁单质:将产品用稀盐酸溶解,取上层清液后________________________________________。

【解析】(1)高温下,用过量的碳还原SiO2,制得粗硅,碳作还原剂时生成CO,即2C+SiO2Si+2CO↑。(2)SiCl4与SiHCl3的沸点不同,分离沸点不同的液体采用的方法是蒸馏。高温====(3)①装置D中g管的作用是平衡压强,使分液漏斗中液体能顺利滴下;装置B中的试剂为浓硫酸,用于干燥氢气;装置C中的烧瓶加热的目的是使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化。②装置A中SiHCl3、H2发生置换反应,制得纯硅。③因为SiHCl3容易在空气中自燃,故操作时应先打开装置D中分液漏斗的旋塞,使生成的H2排尽装置中的空气。(4)用盐酸溶解后,可以检验上层清液中是否含有Fe2+来证明产品硅中是否含微量铁单质。答案:(1)SiO2+2CSi+2CO↑(2)蒸馏(3)①平衡压强(其他合理答案均可)浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化②SiHCl3+H2Si+3HCl高温====③D

SiHCl3容易在空气中自燃,实验中要注意先通一段时间H2排尽装置中的空气(4)先滴加氯水,再滴加硫氰化钾溶液,溶液显红色(或加入氢氧化钠溶液,出现白色沉淀后变灰绿色最后变红褐色,答案合理均可)则可证明产品硅中含微量铁单质【加固训练】1.半导体工业中,有一句行话:“从沙滩到用户”,即由SiO2制取Si。制取过程中不涉及的化学反应是

(

)A.2C+SiO2Si+2CO↑B.SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O高温====C.Si+2Cl2SiCl4D.SiCl4+2H2Si+4HCl高温====△====【解析】选B。工业制取纯硅的工艺流程为SiO2

粗硅SiCl4

纯硅,该工艺流程中不涉及SiO2与NaOH溶液的反应。2.(2019·济宁模拟)下列反应的离子方程式中,不正确的是 (

)A.二氧化硅和氢氟酸反应:SiO2+4H+====Si4++2H2OB.二氧化硅和氢氧化钾溶液反应:SiO2+2OH-====Si+H2OC.水玻璃中滴入盐酸:Si+2H+====H2SiO3↓D.碳酸钡滴加稀硝酸:BaCO3+2H+====Ba2++H2O+CO2↑【解析】选A。A项氢氟酸为弱酸,书写离子方程式应写分子式,正确的离子方程式为SiO2+4HF====SiF4↑+2H2O;B、C、D项均符合反应原理及离子方程式书写要求。3.A、B、C、D、E五种物质中均含有同一种非金属元素,它们能发生如图所示的转化关系,该元素(用R表示)的单质能与NaOH溶液反应生成盐(Na2RO3)和氢气。请回答下列问题:(1)写出各物质的化学式:A______;B________;

C________;D________;E________。

(2)写出反应①的化学方程式:

________________,

该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为_____。

(3)写出反应④的离子方程式:_______________________________________________________________________。

(4)写出反应⑤的离子方程式:________________________________________。

(5)H2CO3的酸性强于E的,请用离子方程式予以证明:

__________________________。

【解析】解答本题的“突破口1”是非金属元素R的单质能与NaOH溶液反应生成盐(Na2RO3)和氢气,说明是硅及其化合物之间的转化。“突破口2”是反应条件“高温”,A在高温条件下,能与焦炭、CaCO3发生反应,则A为SiO2。从而顺藤摸瓜推知B为CaSiO3,D为Si,E为H2SiO3。答案:(1)SiO2

CaSiO3

Na2SiO3

Si

H2SiO3(2)SiO2+2CSi+2CO↑

1∶2(3)Si+2OH-+H2O====Si+2H2↑(4)Si+Ca2+====CaSiO3↓(5)Si+CO2+H2O====H2SiO3↓+C高温====考向三硅酸盐及无机非金属材料【通考点·融会贯通】

1.特殊功能的含硅物质(1)碳化硅具有金刚石结构,可用作磨料。(2)含硅元素4%的硅钢具有导磁性。(3)硅橡胶具有既耐高温又耐低温的性质。2.新型无机非金属材料材料类别主要特性示例用途高温结构陶瓷能承受高温,强度高氮化硅陶瓷汽轮机叶片、轴承、永久性模具等半导体陶瓷具有电学特性二氧化锡陶瓷集成电路中的半导体光学材料具有光学特性光导纤维光缆通讯、医疗、照明等生物陶瓷具有生物功能氧化铝陶瓷人造骨骼、人造关节、接骨螺钉【通考题·触类旁通】

硅酸盐改写成氧化物形式的方法

(1)氧化物的书写顺序:活泼金属氧化物→较活泼金属氧化物→二氧化硅→水,不同氧化物间用“·”隔开。(2)各元素的化合价保持不变,且满足化合价代数和为零,各元素原子个数比符合原来的组成。

(3)当计量数配置出现分数时应化为整数。如长石:KAlSi3O8不能写成K2O·Al2O3·3SiO2,应写成K2O·Al2O3·6SiO2。角度1硅酸盐的组成1.月球的矿产资源极为丰富,仅月球表层5cm厚的沙土就含铁单质有上亿吨,月球上的主要矿物有辉石(CaMgSi2O6)、斜长石(KAlSi3O8)和橄榄石(Mg2SiO4或Fe2SiO4)等,下列说法或分析不正确的是 (

)A.辉石、斜长石及橄榄石均属于硅酸盐矿B.斜长石的氧化物形式可表示为K2O·Al2O3·3SiO2C.月球表层沙土中有游离态铁是因为月球的表面几乎没有氧气D.橄榄石中铁为+2价【解析】选B。斜长石的氧化物形式应为K2O·Al2O3·6SiO2。角度2无机非金属材料2.(新题预测)《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无砂粘土而为之”“凡坯既成,干燥之后,则堆积窖中燃薪举火”“浇水转釉(主要为青色),与造砖同法”。下列有关说法错误的是 (

)A.沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐B.“燃薪举火”使黏土发生复杂的物理化学变化C.烧制后自然冷却成红瓦,浇水冷却成青瓦D.黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料【解析】选A。A.沙子的主要成分为二氧化硅,二氧化硅是氧化物,不属于硅酸盐,A错误;B.黏土烧制成瓦的过程为复杂的物理化学变化过程,黏土发生复杂的物理化学变化,B正确;C.青瓦和红瓦是在冷却时区分的:自然冷却的是红瓦,水冷却的是青瓦,C正确;D.由“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无砂粘土而为之”可知黏土是制作砖瓦和陶瓷的主要原料,D正确。【加固训练】1.《天工开物》第七卷《陶埏(陶瓷)》中记载“水火既济而土合……后世方土效灵,人工表异,陶成雅器,有素肌、玉骨之象焉”,以上所述的“陶成雅器”的主要原料是 (

)A.黏土B.纯碱、石灰石、石英砂C.黏土、石灰石 D.二氧化硅、硅酸钙、硅酸铝【解析】选A。陶瓷的传统概念是指所有以黏土等无机非金属矿物为原材料,经过高温烧制而成的产品,题干中陶成雅器,水火既济而土合为陶器的生产工艺,所以所述的“陶成雅器”的主要原料是黏土。2.(2019·荆州模拟)“一带一路”贸易使国外的特色产品走入百姓的日常生活,下列商品的主要成分所对应的材料类型不正确的是 (

)商品材料类型A

金属材料B

天然高分子材料C

合成高分子材料D

无机非金属材料【解析】选C。A.银为金属单质,所以银饰品属于金属材料,故A正确;B.棉制品的主要成分是纤维素,纤维素是天然的有机高分子化合物,故B正确;C.水晶的主要成分是二氧化硅,不是合成高分子材料,故C错误;D.陶瓷是硅酸盐产品,属于无机非金属材料,故D正确。3.X是一种新型无机非金属材料,具有耐磨、耐腐蚀、抗冷热冲击性。有关生产过程如下:为了确定C的组成,某同学进行了以下的探究过程。已知F、G都是难溶于水和稀硝酸的白色沉淀,I可用于制造光导纤维。按要求回答下列问题:(1)C的化学式为________;X的化学式为________。

(2)写出下列方程式反应①的化学方程式:________________;

反应⑦的离子方程式:________________。

【解析】本题可从I入手推断,I可用于制造光导纤维,故其为二氧化硅,F为硅酸,H为硅酸钠。E为HCl,C为四氯化硅,X为Si3N4。反应①为Si与Cl2反应生成SiCl4,反应⑦为硅酸钠与过量的二氧化碳反应生成硅酸和碳酸氢钠。答案:(1)SiCl4

Si3N4(2)Si+2Cl2SiCl4

Si+2H2O+2CO2====H2SiO3↓+2HC

△====4.(2017·全国卷Ⅱ)水泥是重要的建筑材料。水泥熟料的主要成分为CaO、SiO2,并含有一定量的铁、铝和镁等金属的氧化物。实验室测定水泥样品中钙含量的过程如图所示:回答下列问题:(1)在分解水泥样品过程中,以盐酸为溶剂,氯化铵为助溶剂,还需加入几滴硝酸。加入硝酸的目的是____________________________,还可使用____________________________代替硝酸。

(2)沉淀A的主要成分是____________________________,其不溶于强酸但可与一种弱酸反应,该反应的化学方程式为________。

(3)加氨水过程中加热的目的是________________________。沉淀B的主要成分为____________________________、__________________(写化学式)。

(4)草酸钙沉淀经稀H2SO4处理后,用KMnO4标准溶液滴定,通过测定草酸的量可间接获知钙的含量,滴定反应为Mn+H++H2C2O4Mn2++CO2+H2