高中化学 考点过关（下）考点14 非金属硅及其化合物（必修1）（通用）

考点过关（下）考点14 非金属硅及其化合物元素及其化合物知识内容多、涉及面广,在学习过程中不仅需要掌握各族金属元素、非金属元素及其化合物的物理性质和化学性质,还需要将所学知识与化学的基本理论联系在一起融会贯通,灵活运用所学知识解决实际问题,提高分析问题、解决问题的能力。硅及其化合物的知识是中学元素化合物内容的重点之一,从某种意义上讲“硅是无机非金属材料的主角”，没有硅也就没有现代社会,硅是一种重要的半导体材料，在电子工业中有广泛的用途，“硅是信息技术革命的催化剂”，许多高科技领域的新型无机非金属材料都与硅有关，传统的硅酸盐工业与国民经济和人民生活密切相关。硅及其化合物不仅涉及相关物质的性质和转化关系,而且还与物质结构知识密切相关,硅及其化合物的用途越来越受到人们的重视,许多高科技领域的新型无机非金属材料都与硅有关,因此近几年有关硅及其化合物的考题越来越多，已成为一个新的热点和考点。单质硅可分为晶体硅和无定形硅两种。晶体硅结构为具有正四面体形网状结构的晶体，与金刚石结构相似。晶体硅是一种带有金属光泽的灰黑色固体，根据其结构分析可知，晶体硅熔点高、硬度大、有脆性。晶体硅的导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。硅原子最外层有4个电子，得失电子都较难，化学性质不活泼。常温下，除与F2、HF和强碱溶液反应外，硅不与其他物质(如强酸和强氧化剂)反应。加热时，硅能与O2、Cl2、C发生化合反应。硅与氢氧化钠反应的化学方程式是Si + 2NaOH + H2O Na2SiO3 + 2H2，硅与氧气的化学方程式是Si + O2 SiO2。硅元素在地壳中的含量是26.3%，仅次于氧。硅元素在自然界中主要以氧化物及硅酸盐的形式存在，原因是硅是一种亲氧元素。由于自然界中没有单质硅的存在，因此我们使用的硅，都是从它的化合物中提取的。在工业上，用碳在高温下还原二氧化硅的方法可制得含有少量杂质的粗硅，将粗硅提纯后，可以得到半导体材料的高纯硅。制粗硅的化学方程式是SiO22C Si2CO，制高纯硅的化学方程式是 Si2Cl2SiCl4、SiCl42H2Si4HCl。硅可用来制造集成电路、太阳能电池、硅整流器等。硅合金可用来制造变压器铁芯，耐酸设备等。【例1】工业上用焦炭在电炉中(高温)还原二氧化硅制得含少量杂质的粗硅，同时生成一氧化碳气体。碳化硅(SiC)具有金刚石的结构，硬度大可用作砂纸、砂轮的磨料，工业上使用焦炭与二氧化硅在高温下反应制得碳化硅，同时生成一氧化碳气体。回答下列问题：(1)写出制取粗硅的化学反应方程式：_，在该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为_。(2)写出制取碳化硅的化学反应方程式：_，在该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为_。(3)在制取粗硅和碳化硅的工业生产中，从环境保护和废弃资源再利用的角度来看，可采取的比较理想的附加措施是_。【答案】(1)SiO22CSi2CO12(2)SiO23CSiC2CO12(3)收集反应生成的CO用作燃料或工业原料二氧化硅广泛存在于自然界中，与其他矿物共同构成了岩石，天然二氧化硅也叫硅石。砂子的主要成分就是二氧化硅，石英的主要成分也是二氧化硅，水晶是纯度较高的二氧化硅。二氧化硅晶体是由Si原子和O原子按12的比例所组成的立体网状结构的晶体，通常用SiO2 来表示二氧化硅的组成。二氧化硅晶体基本单元是SiO4的正四面体结构（左图），若干个四面体通过氧原子连接，形成空间网状结构的SiO2晶体（右图）。纯净的二氧化硅晶体呈无色，熔点高，硬度大，不溶于水，也不溶于其他一般的溶剂。二氧化硅与二氧化碳的物理性质差别很大，常温常压下二氧化碳是无色无味的气体，能溶于水，密度比空气大。二氧化硅与二氧化碳的物理性质差异较大的原因是物质晶体结构不同。二氧化硅稳定性强，与水不反应，一般不与酸反应，常温下与氢氟酸反应，二氧化硅与氢氟酸反应的化学方程式是SiO24HFSiF42H2O，氢氟酸能腐蚀玻璃这一特殊性质可应用于雕刻玻璃，氢氟酸应保存在塑料瓶中，其有关反应在铅皿中进行。二氧化硅是酸性氧化物，常温时可以与碱溶液缓慢反应生成盐和水，二氧化硅与碱溶液反应的化学方程式是SiO2+ 2NaOH Na2SiO3 + H2O，因为SiO2易与强碱溶液反应，生成硅酸钠使试剂瓶受腐蚀，同时生成的硅酸钠溶液是一种矿物胶，具有良好的粘结性，易使瓶塞粘在一起而难以开启，实验室盛装NaOH溶液的试剂瓶为什么要用橡皮塞而不用玻璃塞。硅的亲氧性大，常温下SiO2的化学性质稳定，在加热的条件下，SiO2才能与碱性氧化物起反应，二氧化硅与碱性氧化物氧化钙反应的化学方程式是SiO2CaO CaSiO3。二氧化硅中的硅为4价，具有弱的氧化性，如在高温时，二氧化硅中的硅可以被碳置换出来，反应的化学方程式是SiO22C Si2CO。石英可用于制作石英表和石英玻璃，石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料，水晶常用来制造电子部件、光学仪器、工艺品和眼镜片等，玛瑙用于制造精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品，SiO2被用于制造高性能的现代通讯材料光导纤维。【例2】高纯二氧化硅可用来制造光纤。某稻壳灰的成分为组分SiO2CNa2OK2OAl2O3Fe2O3质量分数59.2038.800.250.500.640.61通过如下流程可由稻壳灰制备较纯净的二氧化硅。请回答下列问题：(1)根据氧化物的性质进行分类，稻壳灰中涉及的氧化物最多有_类。(2)步骤中涉及SiO2的离子反应方程式为_。(3)滤渣A的成分有_(填化学式)。(4)步骤反应的化学方程式为_。(5)实验室进行步骤用到的仪器有坩埚钳、酒精灯、三脚架、_和_。C与氧化铁均不反应，所以滤渣A的成分是C、Fe2O3。(4)滤液A中含有硅酸根离子、偏铝酸根离子，加入过量稀盐酸，则偏铝酸根离子与过量的稀盐酸反应生成铝离子，而硅酸根离子与过量的稀盐酸反应生成硅酸沉淀，过滤得到硅酸，煅烧生成二氧化硅和水，化学方程式是H2SiO3SiO2H2O。(5)煅烧固体时，需要将固体放在坩埚中，坩埚放在泥三角上，泥三角放在三脚架上，用酒精灯加热，用坩埚钳取下坩埚，所以还需要坩埚和泥三角。【答案】(1)3(2)SiO22OH=SiOH2O(3)C、Fe2O3(4)H2SiO3SiO2H2O(5)坩埚泥三角SiO2不溶于水，所以硅酸只能通过可溶性的硅酸盐与其他酸反应制得，制备原理为强酸制弱酸，硅酸是一种比H2CO3还要弱的酸，向硅酸钠溶液中通入二氧化碳气体，有白色胶状沉淀物生成，反应的化学方程式是Na2SiO3CO2H2ONa2CO3H2SiO3，硅酸结构复杂，常用H2SiO3表示，硅酸是一种白色胶状物质，不溶于水，在干燥的空气中易失水变成硅酸。硅酸在加热条件下会进一步失水得到二氧化硅，反应的化学方程式是H2SiO3H2O +SiO2，硅酸容易聚合形成硅酸溶胶，硅酸浓度较大时，则形成软而透明的、胶冻状的硅酸凝胶。硅酸凝胶经干燥脱水就形成硅酸干凝胶，称为“硅胶”。硅胶常用作食品等的干燥剂，也可用作催化剂的载体。硅酸盐是构成地壳中岩石的主要成分，自然界中存在的各种天然硅酸盐矿石，约占地壳的5，粘土的主要成分也是硅酸盐。粘土的种类很多，常见的有高岭土和一般粘土，前者含杂质较少，后者含杂质较多。硅酸盐的种类很多，结构复杂，无论是天然的还是人工制成的硅酸盐，其组成的表示方法有两种。用氧化物的形式表示硅酸盐的组成时，各氧化物的排列顺序为：较活泼金属氧化物较不活泼金属氧化物二氧化硅水。最简单的硅酸盐是硅酸钠，硅酸钠的水溶液俗称水玻璃，它是一种矿物胶，具有粘合性。用水玻璃浸泡过的木材或织物可防火。硅酸盐产品有着广泛的应用，大家熟悉的玻璃、水泥和陶瓷是常见的硅酸盐产品，也是使用量最大的无机非金属材料。玻璃、水泥、陶瓷生产的共同点是在高温下，发生了复杂的物理和化学变化。玻璃生产过程中发生的化学反应可用化学方程式表示为Na2CO3+ SiO2Na2SiO3 + CO2、CaCO3 + SiO2CaSiO3 + CO2。常见的新型无机非金属材料有高温结构陶瓷、生物陶瓷和压电陶瓷等。【例3】为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如下图所示的实验装置，一次实验即可达到目的(不必选其他酸性物质)。请据此回答：(1)锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为_。(2)装置B所盛试剂是_，其作用是_。(3)装置C所盛试剂是_，C中反应的离子方程式是_。(4)由此得到的结论：酸性_。【解析】根据强酸弱酸盐弱酸强酸盐分析可知，分液漏斗中盛装盐酸，A中盛放Na2CO3，根据Na2CO32HCl=2NaClH2OCO2可以知道酸性HCl强于H2CO3，然后将生成的CO2通入Na2SiO3【答案】(1)盐酸(2)饱和NaHCO3溶液吸收HCl气体(3)Na2SiO3溶液SiOCO2H2O=H2SiO3CO(或SiO2CO22H2O=2HCOH2SiO3)(4)HClH2CO3H2SiO3【考点练习】1制备硅单质时，主要化学反应如下：SiO2(石英砂)2C(焦炭)Si(粗硅)2CO，Si(粗硅)2Cl2SiCl4，SiCl42H2Si(纯硅)4HCl，下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是()A为置换反应B均为氧化还原反应C为化合反应D三个反应的反应物中硅元素均被还原2.下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.酸性：H2SiO3H2CO3C.硅胶吸水后可重复再生D.图中所示转化反应都是氧化还原反应3.能证明硅酸的酸性弱于碳酸酸性的实验事实是()A.CO2是气体，SiO2是固体B.二氧化硅的熔点比二氧化碳高C.根据反应SiO2CaCO3CaSiO3CO2，可推知硅酸的酸性比碳酸的酸性强D.CO2通入Na2SiO3稀溶液中析出硅酸沉淀，所生成的H2SiO3逐渐聚合而形成硅酸溶胶4.下列关于硅和硅的化合物的叙述，不正确的是()二氧化硅的晶体结构与金刚石相似，都是立体网状结构硅是地壳中含量最多的非金属元素晶体硅是良好的半导体材料二氧化硅是制造光导纤维的重要原料SiO2分子是由两个氧原子和一个硅原子组成的SiO2是酸性氧化物，它可溶于水生成硅酸ABC D5工业上常用SiO2与C在高温下发生反应制造粗硅，粗硅中含有SiC，其中Si和SiC的物质的量之比为11。下列说法正确的是()ASiC是一种新型无机非金属材料，任何条件下都不可能在空气中燃烧B制造粗硅时的反应：2SiO25CSiSiC4COCSi、SiO2能用NaOH溶液分离D纯净的SiO2只能用于制造光导纤维6.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：高温下用过量的碳还原二氧化硅制得粗硅，同时得到一种可燃性气体；粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3(Si3HClSiHCl3H2)；SiHCl3与过量的H2在1 1001 200 的温度下反应制得纯硅，已知SiHCl3能与水剧烈反应，在空气中易自燃。请回答：(1)第一步制取粗硅反应的化学方程式为_。(2)粗硅与HCl气体反应完全后，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)实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅装置如图所示(加热和夹持装置略去)：装置B中的试剂是_，装置C中的烧杯需要加热，目的是_。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是_。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_。7.某实验小组设计了如下装置对焦炭还原二氧化硅的气体产物的成分进行探究。已知：PdCl2溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为CO PdCl2 H2O=CO22HCl Pd(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。(1)实验时要通入足够长时间的N2，其原因是_。(2)装置B的作用是_。(3)装置C、D中所盛试剂分别为_、_，若装置C、D中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为_。(4)该装置的缺点是_。(5)资料表明，上述反应在焦炭过量时会生成副产物SiC。取18 g SiO2和8.4 g焦炭充分反应后收集到标准状况下的气体为13.44 L，假定气体产物只有CO，固体产物只有Si和SiC，则Si和SiC的物质的量之比为_。(6)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强：_。8.从铝土矿(主要成分是Al2O3，含SiO2、Fe2O3、MgO等杂质)中提取氧化铝的两种工艺流程如下，请回答下列问题：(1)流程甲加入盐酸后生成Al3的离子方程式为_。(2)流程乙加入烧碱后生成SiO的离子方程式为_。(3)验证滤液B含Fe3，可取少量滤液并加入_(填试剂名称)。(4)滤液E、K中溶质的主要成分是_(填化学式)，写出该溶质的一种用途：_。参考答案1.【解析】三个反应中元素的化合价发生了变化，都是氧化还原反应，其中(1)和(3)为置换反应，(2)为化合反应，在反应(2)中，硅元素被氧化。【答案】D2.【解析】SiO2是酸性氧化物；酸性：H2CO3H2SiO3；图中有的转化反应不是氧化还原反应，如SiO2与NaOH溶液的反应。【答案】C3.【解析】酸性强弱与这种酸的氧化物的状态和物理性质无关，A、B均不正确；C项反应只有在高温条件下才能进行，由于CO2是气体，生成后脱离反应体系使反应得以继续进行，但这不能说明硅酸的酸性比碳酸的酸性强；D项属于较强的酸制取较弱的酸，能够证明硅酸的酸性弱于碳酸的酸性。【答案】D4.【解析】地壳中含量最多的非金属元素为氧；SiO2只是晶体二氧化硅的表示式，表示晶体中硅原子与氧原子个数比为12；SiO2不溶于水。【答案】D5.【解析】根据SiC中元素的价态可知，SiC具有还原性，高温下能在空气中燃烧生成SiO2和CO2，A项错误。粗硅中含有SiC，其中Si和SiC的物质的量之比为11，根据原子守恒，可将题述信息转化为如下反应：2SiO25CSiSiC4CO，B项正确。Si、SiO2均能与NaOH溶液反应，C项错误。纯净的SiO2还可用于制造光学玻璃等，D项错误。【答案】B【答案】(1)SiO22CSi2CO(2)分馏(或蒸馏)(3)浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化有固体物质生成在题给反应温度下(1 1001 200 )，普通的玻璃会软化SiHCl3H2Si3HCl排尽装置中的空气7.【解析】(1)碳与二氧化硅反应要在高温下进行，而高温下碳与空气中氧气反应，所以实验时要将装置中的空气排尽，故实验时要通入足够长时间的N2。(2)根据装置图可知，