（浙江选考）高考化学大一轮复习 第3讲 元素化学 考点16 含硅矿物与信息材料学案-人教版高三全册化学学案

考点16含硅矿物与信息材料知识条目必考要求加试要求1.硅在自然界的存在形式aa2.硅及其化合物(以SiO2和Na2SiO3为例)的重要性质ab3.工业制备高纯硅的方法ab4.三大硅酸盐产品：水泥，陶瓷，玻璃aa5.硅、二氧化硅在信息技术、材料科学等领域中的应用aa6.光导纤维的组成和作用a一、碳、硅单质的存在形态、物理性质及用途1．碳在自然界中既有游离态又有化合态，硅在地壳中的含量占第二位，仅次于氧，全部以化合态存在。碳的同素异形体有金刚石、石墨、无定形碳、C60等。单质硅有晶体和无定形硅两大类。2．单质的结构、物理性质与用途比较碳硅结构金刚石：空间网状结构石墨：层状结构晶体硅：与金刚石类似的空间网状结构物理性质金刚石熔点高、硬度大石墨熔点高、质软，有滑腻感晶体硅为灰黑色固体，有金属光泽、硬度大、熔点高用途金刚石用作切割刀具石墨用作电极、铅笔芯晶体硅是良好的半导体材料。用于制作半导体芯片和大规模集成电路，制造光电池二、碳、硅单质的化学性质碳、硅在参与化学反应时，一般表现为还原性。1．碳的化学性质(1)与O2反应(用化学方程式表示)：O2不足：2C＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))2CO；O2充足：C＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))CO2。(2)与氧化物反应(用化学方程式表示)：与CuO反应：2CuO＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2Cu＋CO2↑(可用于金属的冶炼)；与CO2反应：CO2＋Ceq\o(=,\s\up7(高温))2CO；与水蒸气反应：C＋H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))CO＋H2(制水煤气)。(3)与强氧化性酸反应(用化学方程式表示)：与浓硫酸反应：C＋2H2SO4(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2SO2↑＋2H2O；与浓硝酸反应：C＋4HNO3(浓)eq\o(=,\s\up7(△))CO2↑＋2NO2↑＋2H2O。2．硅的化学性质(1)与非金属单质反应(用化学方程式表示)：与O2反应：Si＋O2eq\o(=,\s\up7(△))SiO2；与F2反应：Si＋2F2=SiF4；与Cl2反应：Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(△))SiCl4。(2)与氢氟酸反应(用化学方程式表示)：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑。(3)与强碱反应(用化学方程式表示)：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑。【特别提醒】熟记硅及其化合物的特殊性质以及硅及其化合物的转化关系。a．硅单质的特殊性(1)非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。(2)非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，也不跟非氧化性酸作用。但Si既能与碱液作用放出H2：Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑，又能与HF作用放出H2：Si＋4HF=SiF4↑＋2H2↑。b．含硅化合物的特殊性(1)SiO2是H2SiO3的酸酐，但它却不溶于水，也不能直接与水作用制备H2SiO3；(2)酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2能跟HF作用：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O。c．硅及其化合物的转化关系图三、二氧化碳和二氧化硅的比较物质二氧化硅二氧化碳结构立体网状结构，不存在单个分子存在单个CO2分子主要物理性质硬度大，熔、沸点高，常温下为固体，不溶于水熔、沸点低，常温下为气体，微溶于水化学性质①与水反应不反应CO2＋H2OH2CO3②与酸反应只与氢氟酸反应：SiO2＋4HF=SiF4↑＋2H2O不反应③与碱(NaOH)反应SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O(盛碱液的试剂瓶不能用玻璃塞，应用橡胶塞)CO2少量：CO2＋2NaOH=Na2CO3＋H2O；CO2过量：CO2＋NaOH=NaHCO3④与盐反应如与Na2CO3反应：SiO2＋Na2CO3eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑如与Na2SiO3反应：Na2SiO3＋H2O＋CO2(不足)=H2SiO3↓＋Na2CO3或Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(足量)=H2SiO3↓＋2NaHCO3⑤与碱性氧化物反应如与CaO反应：SiO2＋CaOeq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3如与Na2O反应：Na2O＋CO2=Na2CO3用途光导纤维、光学仪器、电子部件制饮料、制碳酸盐四、硅酸和硅酸钠1．硅酸(1)物理性质：硅酸是不溶于水的白色沉淀。(2)化学性质：①弱酸性：其酸性比碳酸弱，硅酸不能使紫色石蕊溶液变红色。但硅酸能与碱溶液反应，如与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH=Na2SiO3＋2H2O。②不稳定性：H2SiO3eq\o(=,\s\up7(△))SiO2＋H2O。(3)用途：硅酸在水中易聚合形成胶体。硅胶吸附水分能力强，常用作干燥剂。2．硅酸钠(Na2SiO3)(1)物理性质：白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。(2)化学性质：与酸反应(常用此方法来制取硅酸)：与盐酸反应：Na2SiO3＋2HCl=2NaCl＋H2SiO3↓。与CO2水溶液反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O=H2SiO3↓＋Na2CO3。(3)用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。五、硅酸盐及无机非金属材料1．硅酸盐的表示方法：与大多数盐不同，硅酸盐的组成相当复杂，通常用氧化物的形式表示它们的组成，如硅酸钠(Na2SiO3)写成Na2O·SiO2，青石棉Na2Fe5Si8O22(OH)2写成Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O。2．传统无机非金属材料(水泥、玻璃、陶瓷)硅酸盐工业水泥普通玻璃陶瓷原料黏土、石灰石纯碱、石灰石、石英黏土反应原理高温下发生复杂的物理、化学变化Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))CaSiO3＋CO2↑烧结时发生复杂的物理、化学变化反应条件高温高温高温主要成分硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙Na2O·CaO·6SiO2硅酸盐特性水硬性：无论在水中还是在空气中均能硬化(不可逆)非晶体，透明，无固定熔点，可在一定温度范围内软化抗氧化，抗酸碱腐蚀，耐高温，绝缘种类不同标号普通玻璃、特种玻璃土器、陶器、瓷器等用途建筑材料化学仪器、光学仪器通信器材、窗玻璃等制坩埚、制砖瓦、电器中的绝缘瓷等典型设备回转瓷玻璃熔炉3.新型无机非金属材料新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。六、工业制备高纯硅SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高温))Si＋2CO↑(制粗硅)Si＋2Cl2eq\o(=,\s\up7(高温))SiCl4(分离、提纯)SiCl4＋2H2eq\o(=,\s\up7(高温))Si＋4HCl(制纯硅)【例1】常温下，下列不发生反应的一组物质是()①硅与NaOH溶液②硅与盐酸③硅与氢氟酸④二氧化硅与碳酸钠⑤二氧化硅与NaOH溶液⑥二氧化硅与浓硝酸A．①②④B．③④⑥C．②④⑥D．②⑤⑥【解析】根据Si的化学性质可知：①硅与NaOH溶液可反应生成硅酸钠和氢气；②⑥硅与盐酸、浓硝酸均不反应；③硅与氢氟酸可反应生成SiF4和H2；④二氧化硅与碳酸钠在高温条件下可反应生成硅酸钠和二氧化碳；⑤二氧化硅与NaOH溶液可反应生成硅酸钠和水。【答案】C【提炼】本题主要考查了硅单质和二氧化硅的化学性质，两者都可以与强碱和HF反应，其他酸不反应。【例2】下列说法不正确的是()A．利用高纯硅可以制成光电池，将光能直接转化为电能B．高纯度的单质硅可用于制作计算机芯片C．SiO2可用于制光导纤维，干冰可用于人工降雨D．陶瓷、砖瓦、玻璃、水泥等都是硅酸盐产品，所有的硅酸盐都难溶于水【解析】A、B、C正确，D中硅酸钠可溶解。【答案】D【提炼】本题主要考查了硅、二氧化硅以及硅酸盐在信息技术、材料科学等领域中的应用。正确辨别含硅物质的用途，如硅可用于制作计算机芯片，可用于制成光电池；二氧化硅可制作光导纤维等通信行业。大多数的硅酸盐难溶，但是硅酸钠是可溶的。【例3】下列有关硅及硅酸盐材料的说法正确的是()A．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠可以保存在磨口玻璃塞试剂瓶中B．反应①Na2SiO3＋H2O＋CO2=Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都发生C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均属于硅酸盐材料D．钾云母的主要成分为KH2Al3Si3O12，用氧化物形式表示为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O【解析】A．硅酸钠属于盐，不属于碱，正确，硅酸钠能将磨口玻璃塞黏住，故应该用橡皮塞；B.反应①是溶液中的离子反应，利用的是强酸制弱酸原理；反应②是高温条件下固体间的反应，CO2是气体，逸出反应体系，促使反应发生，故不矛盾，都可以发生；C.普通玻璃和水泥属于硅酸盐材料，而石英玻璃的主要成分为SiO2，故错误。【答案】D【提炼】本题主要考查硅及硅酸盐材料的相关性质。正确辨别常见材料的主要化学成分：普通水泥、普通玻璃和陶瓷都是硅酸盐，石英玻璃的主要化学成分为SiO2；水晶、玛瑙的主要化学成分是二氧化硅；刚玉的主要化学成分是氧化铝；珍珠的主要化学成分是碳酸钙。复杂硅酸盐的书写顺序：较活泼的金属氧化物－较不活泼的金属氧化物－SiO2－水。注意各元素的化合价保持不变，各元素原子个数比不变。【例4】在下列物质的转化关系中，A是一种固体单质，且常作半导体材料，E是一种白色沉淀，F是最轻的气体单质。据此填写：(1)B的化学式是________，目前在现代通讯方面B已被用作______________的主要原料。(2)B和a溶液反应的离子方程式是________________________________________________________________________。(3)A和a溶液反应的离子方程式是________________________________________________________________________。(4)C和过量盐酸反应的离子方程式是________________________________________________________________________。【解析】根据A是固体单质是半导体材料可知A为Si，B即为SiO2，是一种光导纤维的主要材料；根据E是一种白色沉淀，可知E为H2SiO3，C为硅酸盐(含SiOeq\o\al(2－,3))，F为H2；那么B(SiO2)与强碱反应同样可以得到C硅酸盐(含SiOeq\o\al(2－,3))和D(H2O)，同时E(H2SiO3)加热分解可得B(SiO2)和D(H2O)。【答案】(1)SiO2制光导纤维(2)SiO2＋2OH－=SiOeq\o\al(2－,3)＋H2O(3)Si＋2OH－＋H2O=SiOeq\o\al(2－,3)＋2H2↑(4)SiOeq\o\al(2－,3)＋2H＋=H2SiO3↓【提炼】本题主要考查硅元素之间的相互转化。结合单质硅、二氧化硅、硅酸盐的性质、用途以及一些特殊现象，综合解题。【例5】晶体硅(熔点1410℃)是良好的半导体材料。由粗硅制纯硅的过程如下：Si(粗)eq\o(→,\s\up7(Cl2),\s\do5(460℃))SiCl4蒸馏,SiCl4(纯)eq\o(→,\s\up7(H2),\s\do5(1100℃))Si(纯)(1)工业上用焦炭与石英砂在高温下反应制取粗硅，其反应的化学方程式为________________________________________________________________________。上述反应中的氧化剂是________，还原剂是________。(2)用焦炭和石英砂制取粗硅为什么要隔绝空气进行？________________________________________________________________________。(3)粗硅与Cl2加热到460℃时发生反应，写出该反应的化学方程式________________________________________________________________________。(4)在1100℃时，SiCl4被H2还原的化学方程式为________________________________________________________________________。(5)如何通过实验除去SiO2中混有的少量CaCO3杂质？________________________________________________________________________。(6)石英既能与NaOH溶液反应，又能与氢氟酸反应，它是两性氧化物吗？试分别写出它与NaOH溶液、氢氟酸发生反应的化学方程式_______________________________________________________________