高中化学人教版 (2019)必修 第二册第五章 化工生产中的重要非金属元素第三节 无机非金属材料当堂达标检测题

一、硅元素的“位——构——性”

硅元素在地壳中含量仅次于氧，居第二位。硅有亲氧性，在自然界中仅以________态存在，即硅酸盐和氧化物的形式。

【答案】化合

二、硅酸盐的概念、结构与特点

1．概念：由硅元素、氧元素和金属元素组成的化合物。

2．结构：在硅酸盐中，Si和O构成了硅氧四面体。每个Si结合4个O，Si在中心，O在四面体的4个顶角；许多这样的四面体还可以通过顶角的O相互连接，每个O为两个四面体所共有，与2个Si相结合。

3．特点：硅酸盐材料大多具有硬度高、熔点高、难溶于水、化学性质稳定、耐腐蚀等特点。

三、传统无机非金属材料——陶瓷、玻璃、水泥

制取玻璃的反应方程式为:____________________________________________________________________。

【答案】SiO2 + Na2CO3  Na2SiO3 + CO2↑   SiO2 + CaCO3  CaSiO3 + CO2↑

四、最简单的硅酸盐——硅酸钠

1．Na2SiO3可溶于水，其水溶液俗称水玻璃，有黏性。

2．用途：黏合剂，防火剂，制备硅胶。

题型一：传统无机非金属材料

【例1】下列物质中不含硅酸盐的是( )

A．陶瓷 B．玻璃 C．水泥 D．生石灰

【答案】D

【解析】

【详解】

陶瓷、玻璃、水泥都属于传统无机非金属材料，主要成分都是硅酸盐；生石灰的主要成分为CaO，不属于硅酸盐，D选项满足题意；

答案选D。

【变1-3】2013年2月，俄罗斯境内有大量陨石坠落，经化学分析，陨石中游离态的铁含量约为10%，此外还有橄榄石(Fe2SiO4)、亚硫酸盐等成分，下列有关说法正确的是

A．此陨石是一种纯度较高的硅酸盐矿石

B．此陨石具有耐酸碱的特性

C．陨石中含有游离态的铁是因为在外太空中铁的活性比地球上铁的活性低

D．橄榄石中Fe为+2价

【答案】D

【解析】

【详解】

A、陨石的成分有游离态的铁含量约为10%，此外还有橄榄石(Fe2SiO4)、亚硫酸盐，故不是纯度较高的硅酸盐矿石，故A错误；

B、陨石中的铁、橄榄石和亚硫酸盐均能与酸反应，故不耐酸的腐蚀，故B错误；

C、游离态的铁的活性相同，故C错误；

D、根据橄榄石的化学式Fe2SiO4可知：硅元素的化合价为+4价，氧元素为-2价，根据化合价的代数和为0，故铁元素为+2价，故D正确；

答案选D。

一、硅单质的物理性质与用途

1．物理性质：硅单质是带有金属光泽的灰黑色固体，其结构与金刚石类似，为空间网状结构，所以晶体硅的硬度大、熔点高。

2．用途：硅在元素周期表中处于金属与非金属的交界处，晶体硅的导电性介于导体与绝缘体之间，是一种良好的_________材料，因此晶体硅常用于制作集成电路板(硅芯片)和太阳能电池极板。

【答案】半导体

二、硅的化学性质

1．与非金属单质反应

(1)与F2：Si + 2F2 === SiF4 ；

(2)与Cl2：Si + 2Cl2  SiCl4 ；

(3)与O2：Si + O2  SiO2 ；

(4)与C：Si + C  SiC

2．与酸、碱反应

(1)非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但Si能与HF反应：Si + 4HF === SiF4↑ + 2H2↑；

(2)硅与强碱溶液反应生成氢气：Si + 2NaOH + H2O === Na2SiO3 + 2H2↑。

三、硅的制备

【答案】SiO2 + 2C  Si + 2CO↑    Si + 3HCl  SiHCl3 + H2     SiHCl3 + H2  Si + 3HCl

题型二：硅的性质及应用

【变3-2】硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列叙述中，正确的是(　　)

A．如图是常见于汽车中的小摆件“苹果花”，它的动力是以Si为原料制作的太阳能电池

B．晶体硅主要用途是制造光导纤维

C．硅是地壳中含量最多的元素

D．硅的化学性质很稳定，因此硅在自然界中以游离态形式存在

【答案】A

【解析】

【详解】

A. 晶体硅是良好的半导体材料，主要用途是制作太阳能电池、集成电路，故A正确；

B. 晶体硅主要用途是制作太阳能电池、集成电路等，制造光导纤维的是二氧化硅，故B错误；

C. 氧是地壳中含量最多的元素，故C错误；

D. 硅是亲氧元素，在自然界中以化合态形式存在，D错误；

故答案为A。

题型三：硅的制备

【变4-1】由SiO2制备高纯度硅的工业流程如图所示：

下列说法错误的是

A．SiO2与纯硅都是硬度大、熔沸点高的晶体

B．X为CO气体

C．反应②产生的H2与反应③产生的HCl可以循环使用

D．反应①②③均为在高温条件下的非氧化还原反应

【答案】D

【解析】

【详解】

A项、SiO2和Si都是原子晶体，硬度大、熔沸点高，A正确；

B项、反应①为SiO2+2CSi+2CO↑，可知X为CO气体，B正确；

C项、由生产高纯硅的流程示意图可知，H2和HCI既是反应物，又是生成物，所以可重复利用的物质是H2和HCl，C正确；

D项、反应①为SiO2+2CSi+2CO↑，反应②Si(粗)+3HCl SiHCI3+H2，反应③SiHCI3+H2 Si(粗)+3HCI，三个方程式中元素的化合价均发生变化，均属于氧化还原反应，D错误；

故本题选D。

【点睛】

注意抓住SiO2制备高纯度的硅的工业流程图，记住并掌握如下三个方程式：反应①为SiO2+2CSi+2CO↑，反应②Si(粗)+3HCl SiHCI3+H2，反应③SiHCI3+H2 Si(粗)+3HCI。

【例5】硅单质及其化合物应用范围很广，请回答下列问题：

制备硅半导体材料必须先得到高纯硅，三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：

(1)写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式___________；

(2)整个制备过程必须严格控制无水无氧，SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3，HCl和另一种物质，写出配平的化学反应方程式___________； H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是_________。

【答案】     SiHCl3+H2Si+3HCl     SiHCl3+3H2O=H2SiO3↓+3HCl↑+H2↑     氧气与氢气混合，可能引起爆炸、氧气可能会氧化SiHCl3

【解析】

【分析】

(1)纯SiHCl3与H2在1357K下反应产生Si单质和HCl，据此可书写有关反应方程式；

(2)SiHCl3遇水反应产生H2SiO3、HCl，然后根据反应前后元素守恒，分析另外一种物质的成分，并书写相应的化学方程式；H2、O2的混合气体遇明火会发生爆炸。

【详解】

(1)纯SiHCl3与H2在1357K下反应产生Si单质和HCl，该反应方程式为SiHCl3+H2Si+3HCl；

(2)SiHCl3遇水反应产生H2SiO3、HCl等，然后根据反应前后元素守恒，分析另外一种物质的成分是H2，据此可得相应的化学方程式为SiHCl3+3H2O=H2SiO3↓+3HCl↑+H2↑；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，H2、O2的混合气体可能会发生爆炸，并且氧气可能会氧化SiHCl3。

【点睛】

本题考查了硅的单质的制取、提纯过程的反应原理、操作过程可能引发的问题的处理方法等，掌握元素守恒是本题解答的关键。

【题1】下列关于硅酸盐材料的说法错误的是

A．生活中常见的硅酸盐材料有玻璃、水泥、陶瓷

B．生产陶瓷的主要原料是黏土

C．普通玻璃的主要成分只有SiO2

D．普通硅酸盐水泥的生产以石灰石和黏土为主要原料

【答案】C

【解析】

【详解】

A．玻璃、水泥、陶瓷中的主要成分含有硅酸盐，是生活中常见的硅酸盐材料，A正确；

B．黏土经高温烧结可以制得陶瓷，黏土是陶瓷是主要原料，B正确；

C．普通玻璃的主要成分为硅酸钙、硅酸钠和二氧化硅，C错误；

D．普通硅酸盐水泥以石灰石和黏土为原料，二者与其他辅料混合、研磨再进行其他加工制得普通水泥，D正确；

故答案选C。

【题2】硅谷是世界上最知名的电子工业集中地，以硅芯片的设计与制造著称于世。下列有关硅的说法正确的是

A．硅既不易失去电子又不易得到电子，所以既不能作氧化剂，又不能作还原剂

B．硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量居第一位

C．硅的化学性质不活泼，在自然界中以游离态的形式存在

D．在电子工业中，硅是最重要的半导体材料

【答案】D

【解析】

【详解】

A．硅原子最外层电子数为4，因此既不易失去电子又不易得到电子，常温下硅化学性质不活泼，但在反应、中作还原剂，A项错误；

B．硅在地壳中的含量居第二位，B项错误；

C．硅的化学性质不活泼，但硅属于亲氧元素，所以硅主要以化合态形式存在于自然界中，C项错误；

D．硅属于半导体材料，能够导电，常用于电子工业中，故D正确；

故选D。

【题3】唐三彩、秦兵马俑制品的主要材料在成分上属于(            )

A．氧化铝 B．二氧化硅 C．硅酸盐 D．合金

【答案】C

【解析】

【详解】

唐三彩、秦兵马俑制品由粘土经高温灼烧而成，属于硅酸盐产品。

故选C。

【题4】晶体硅是一种重要的非金属材料，有科学家认为硅是“21世纪的能源”、“未来的石油”。

(1)工业上生产纯硅的工艺流程如下：

石英砂的主要成分是SiO2，在制备粗硅时，焦炭的作用是__________(填“氧化剂”或“还原剂”)；在该反应中，若消耗了3.0 g SiO2 ，则转移电子的总数为_______________。

(2)某实验室利用SiHCl3(沸点33.0 ℃)与过量H2在1 000 ℃～1 100 ℃反应制得纯硅。已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。装置如图所示(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中发生反应的化学方程式为___________________________________。

③为检验产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需要加入的试剂有______(填字母)。

a.碘水                 b.氯水　          c.Na2SO3溶液　     d.KSCN溶液

【答案】     还原剂     1.204×1023或0.2NA     浓硫酸     使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化     有固体物质生成     SiHCl3＋H2Si＋3HCl     bd

【解析】

【分析】

(1)根据工艺流程写出化学方程式，从化合价的变化判断焦炭的作用，根据化学方程式和质量关系求出转移的电子数；

(2) ①A生成的氢气经过干燥，进入D与从C中汽化的SiHCl3反应制粗硅，B是干燥装置，②氢气和SiHCl3发生置换反应，写出化学方程式；

③选择检验亚铁离子的试剂；

【详解】

(1)根据流程可知，化学方程式为SiO2+2CSi+2CO，碳的化合价升高，做还原剂， 1mol SiO2参加反应转移的电子数为4mol，反应中消耗了3.0 g SiO2 ，n==0.05 mol，转移电子为0.2 mol，即1.204×1023或0.2NA；

(2)SiHCl3能与H2O强烈反应，需要用浓硫酸干燥氢气，反应需要的温度比较高，在D中反应，SiHCl3的沸点较低，C中的烧瓶需要加热是为了使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化；   

②装置D中有硅单质生成，即有固体物质生成 。此反应为 SiHCl3＋H2Si＋3HCl；

③亚铁离子的检验通常用的方法是：先向溶液中加入KSCN，溶液不变红色，再加入氯水溶液变红色，即可却确定有亚铁离子，答案为bd。

【题5】某实验小组设计了如图所示装置对焦炭还原二氧化硅的气体产物进行探究。

已知：溶液可用于检验CO，反应的化学方程式为 (产生黑色金属钯，使溶液变浑浊)。

(1)实验时要长时间通入，其目的是__________________________________________________。

(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__________________________________________________。

【答案】     排尽装置内的空气，避免空气中的、，水蒸气对实验产生干扰     作安全瓶，防止倒吸     澄清石灰水     溶液          无尾气吸收装置

【解析】

【分析】

在高温条件下，焦炭能与二氧化硅发生置换反应，生成粗硅和一氧化碳，但由于装置内的空气能与焦炭、硅、一氧化碳等发生反应，所以反应开始前，需排尽装置内的空气；为防倒吸，需设置防倒吸装置；检验产物CO2，需通入澄清石灰水中；检验CO，可通入PdCl2溶液中。

【详解】

(1)焦炭与二氧化硅的反应要在高温条件下进行，而高温条件下焦炭会与空气中的氧气、、水蒸气发生反应，所以实验时要长时间通入以将装置中的空气排尽。答案为：排尽装置内的空气，避免空气中的、，水蒸气对实验产生干扰；

(2)根据题图可知，装置B可以作安全瓶，防止倒吸。答案为：作安全瓶，防止倒吸；

(3)根据元素守恒，碳与二氧化硅反应可能生成一氧化碳，也可能生成二氧化碳，且溶液与CO反应有生成，所以装置C用来检验有没有二氧化碳，装置D用来检验有没有一氧化碳，装C、D中所盛试剂分别为澄清石灰水、溶液；若装置C、D中溶液均变浑浊，说明气体产物中既有二氧化碳又有一氧化碳，又经检测两气体产物的物质的量相等，根据元素守恒可知反应的化学方程式。答案为：澄清石灰水；溶液；；

(4)一氧化碳有毒，不能排放到空气中，题给装置没有尾气吸收装置。答案为：无尾气吸收装置。

【点睛】

通常情况下，广口瓶中进气管与出气管的管口都短，此装置常为防倒吸装置。

【练1】下列叙述错误的是

A．硅在自然界中主要以单质形式存在 B．硅是应用最为广泛的半导体材料

C．高纯度的硅可用于制造计算机芯片 D．二氧化硅可用于生产玻璃

【答案】A

【详解】

A．硅在自然界中主要以二氧化硅、硅酸盐形式存在，自然界没有游离态的硅，A错误；

B． 硅的导电性介于导体和绝缘体之间，良好的半导体材料，是应用最为广泛的半导体材料，B正确；

C．硅是良好的半导体材料，高纯度的硅可用于制造计算机芯片，C正确；       

D． 二氧化硅、纯碱和石灰石可用于生产玻璃，D正确；

答案选A。

【练2】制备硅单质时，主要化学反应如下：

(1)SiO2+2CSi+2CO↑

(2)Si+2Cl2SiCl4

(3)SiCl4+2H2Si+4HCl

下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是

A．(1)(3)为置换反应 B．(1)(2)(3)均为氧化还原反应

C．(2)为化合反应 D．三个反应的反应物中硅元素均被还原

【答案】D

【解析】

【详解】

A．一种单质和一种化合物生成另一种单质和另一种化合物的反应是置换反应，(1)(3)为置换反应，A正确；

B．反应(1)(2)(3)中均有化合价的升高和降低，都是氧化还原反应，B正确；

C．化合反应是两种或者两种以上的物质生成一种物质的反应，(2)为化合反应，C正确；

D．反应(1) (3)中硅元素的化合价降低，被还原；(2)中硅元素的化合价升高，被氧化，D错误；

答案选D。

【练3】下列关于硅的说法正确的是(       )

A．单质硅的导电性介于导体和绝缘体之间

B．单质硅是制造光导纤维的材料

C．硅为非金属，熔点低，但有金属光泽

D．晶体硅为非金属，属于绝缘体

【答案】A

【解析】

【详解】

A．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料，故A正确；

B．常用作制造光导纤维的材料是二氧化硅，故B错误；

C．硅单质为原子型晶体，熔点较高，故C错误；

D．晶体硅为半导体材料，导电性能介于导体和绝缘体之间，故D错误；

故答案为：A。

【练4】晶体硅是信息科学和能源科学中的一种重要材料，可用于制芯片和太阳能电池等。如图所示流程是工业上制取纯硅的一种方法。

请回答下列问题：

(1)在上述生产过程中，属于置换反应的有______(填标号)。

(2)写出反应①的化学方程式：______。

(3)化合物W的用途很广，可用于制备硅胶和木材防火剂等，可作肥皂的填充剂，是天然水的软化剂。将石英砂和纯碱按一定比例混合加热至反应，可生成化合物W，其化学方程式是______。

(4)A、B、C三种气体在“节能减排”中作为减排目标的一种气体是______(填化学式，下同)；分别通入W溶液中能得到白色沉淀的气体是______。

【答案】     ①②③                    、

【解析】

【分析】

根据流程中物质之间的反应，利用原子和电子守恒写出方程式，根据置换反应特点，单质和化合物反应生成单质和化合物进行判断反应类型。二氧化碳是温室效应的主要气体，也是节能减排的目标气体。

【详解】

(1)反应①为石英砂和焦炭生成粗硅和一氧化碳的反应：，属于置换反应；反应②是 ，属于置换反应；反应③是，属于置换反应；反应④为特定条件下的反应，反应物中没有单质，不属于置换反应。故属于置换反应的有：①②③。

(2)反应①为石英砂和焦炭生成粗硅和一氧化碳的反应： 。

(3)石英砂和纯碱按一定比例混合加热至反应，石英砂是二氧化硅，纯碱是碳酸钠，反应为：。

(4)气体A、B、C分别为、、，其中是温室气体，是减排的目标气体；和通入W(硅酸钠)溶液中能够生成白色沉淀(硅酸)。

【点睛】

此题主要是考查反应方程式，注意氧化还原反应方程式一般利用化合价的升降守恒进行配平，对于非氧化还原反应需要判断出反应机理。