2021版高考化学鲁科版一轮教师用书：第4章第1节　硅　无机非金属材料

第1节　硅　无机非金属材料

Si、SiO2的性质及应用

(对应学生用书第1页)

1．硅的简介

2.硅的化学性质

(1)与氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。

(2)与NaOH溶液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。

(3)与O2反应：Si＋O2SiO2。

[补短板]    硅的工业制备与提纯

(1)流程：石英砂Si(粗)SiCl4Si(纯)。

(2)原理：①Si(粗)制备：SiO2＋2CSi＋2CO↑。

②Si(粗)提纯：Si(粗)＋2Cl2SiCl4；

SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl。

3．二氧化硅

(1)化学性质

(2)用途

光导纤维、制光学仪器、电子部件，水晶可制作饰品。

[补短板]

(1)一般情况，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，SiO2是酸性氧化物，却能与氢氟酸发生反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。但SiO2不是两性氧化物。

(2)一般情况，较强酸＋较弱酸盐―→较弱酸＋较强酸盐。虽然酸性：H2CO3>H2SiO3，却能发生反应：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑。其原理为难挥发性物质制备易挥发性物质。

(3)一般情况，非金属氧化物与水反应生成相应的酸，如CO2＋H2OH2CO3，但SiO2不溶于水，不与水反应。

(4)Si的还原性强于C，但C能还原SiO2生成Si，且氧化产物为CO：2C＋SiO2Si＋2CO↑，其原因是产物CO为气体，它的放出降低了生成物浓度，促使反应向正反应方向进行。

[知识应用]

用化学方程式回答下列问题：

(1)保存烧碱溶液不能用磨口玻璃塞的理由_________________。

(2)氢氟酸可用于在玻璃器皿上雕刻花纹的理由

_____________________________________________________。

(3)SiO2制备H2SiO3的反应方程式______________________。

[答案]　(1)2NaOH＋SiO2===Na2SiO3＋H2O

(2)4HF＋SiO2===SiF4↑＋2H2O

(3)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O、

Na2SiO3＋2HCl===H2SiO3↓＋2NaCl

◎命题点1　硅及其氧化物的性质及应用

1．(2019·南昌月考)下列关于硅元素及其化合物的有关说法正确的是(　　)

A．由沙子制备光伏材料的反应之一为SiO2＋CSi＋CO2↑

B．高温下SiO2能与Na2CO3固体反应生成Na2SiO3和CO2，说明硅酸酸性强于碳酸

C．因为玻璃中含有SiO2，所以不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛装碱性溶液

D．Si→SiO2→H2SiO3→SiO2→SiO均能一步转化

C　[A项，反应产物不是CO2而是CO；B项，碳酸比硅酸酸性强；D项，SiO2不能一步转化为H2SiO3。]

2．下列说法中正确的是(　　)

A．单质氧化物酸或碱盐，碳、硅单质均可以按上述关系进行转化

B．若a、b、c分别为Si、SiO2、H2SiO3，则可以通过一步反应实现如图所示的转化关系

C．二氧化碳和二氧化硅都可溶解在NaOH溶液中

D．向Na2SiO3溶液、Na[Al(OH)4]溶液、Ca(OH)2溶液中分别通入过量CO2，溶液均有白色沉淀

C　[A项，SiO2与H2O不反应；B项，SiO2不能直接转化为H2SiO3，H2SiO3也不能转化为Si；D项，Ca(OH)2溶液中通入过量CO2，无沉淀生成。]

3．(2019·湖南六校联考)多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅芯片的主要原料。已知第三代工业制取多晶硅流程如图所示：

下列说法错误的是(　　)

A．Y、Z分别为H2、Cl2

B．制取粗硅的过程中焦炭与石英会发生副反应生成碳化硅，在该副反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1

C．SiHCl3极易水解，其完全水解的产物为H2SiO3、H2、HCl，据此推测SiHCl3中硅元素的化合价为＋4

D．Y与SiHCl3制备多晶硅的反应属于置换反应

B　[B项中的反应为3C＋SiO2SiC＋2CO↑，氧化剂与还原剂均为C，二者之比为1∶2。]

硅酸、硅酸盐和无机非金属材料

1．硅酸的性质、制备与应用(写出有关的化学方程式)

注意：硅胶的形成过程及应用

①硅酸在水中易聚合形成硅酸凝胶，经干燥脱水后得到多孔的硅酸干凝胶，称为硅胶；

②硅胶可用作实验室和袋装食品、瓶装药品等的干燥剂，也可用作催化剂的载体。

2．硅酸盐

由硅、氧和金属组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。

(1)硅酸盐的组成表示方法

通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示硅酸盐的组成，如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(K2Al2Si6O16)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。

注意：①氧化物形式只表示硅酸盐的组成而不表示其结构，切不可认为硅酸盐是由氧化物混合而成的；

②硅酸盐大多难溶于水。

(2)硅酸钠(Na2SiO3)——俗称泡花碱

①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与较强的酸反应生成硅酸：如Na2SiO3溶液与稀硫酸反应：Na2SiO3＋H2SO4===H2SiO3↓＋Na2SO4；与SO2水溶液反应：Na2SiO3＋SO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2SO3。

③用途：黏合剂、耐火阻燃材料。

3．无机非金属材料

(1)传统无机非金属材料

注意：玻璃没有固定的熔点，是混合物，在某一温度范围内逐渐软化，可吹成各种形状的制品。不是晶体，称为玻璃态物质。

(2)新型无机非金属材料

①高温结构陶瓷：如氮化硅陶瓷具有较高的硬度和耐磨性、较强的抗化学侵蚀性和电绝缘性等。

②生物陶瓷：对机体无排异反应，不会引起代谢作用异常。

③压电陶瓷：具有压电效应。

④光导纤维：主要成分为SiO2，导光、制作光缆。

[基础判断]

(1)硅酸的酸酐为SiO2，故SiO2与H2O反应可制硅酸。 (　　)

(2)同浓度的Na2SiO3与Na2CO3溶液的pH，前者大。 (　　)

(3)Mg2＋、H＋、SiO、SO在水溶液中能大量共存。 (　　)

(4)传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐。 (　　)

(5)KAlSi3O8可写成K2O·Al2O3·3SiO2。 (　　)

(6)硅酸在干燥的空气中形成硅胶，可以作食品的干燥剂。 (　　)

(7)水泥、玻璃、陶瓷的生产原料均有石灰石。 (　　)

[答案]　(1)×　(2)√　(3)×　(4)×　(5)×　(6)√　(7)×

◎命题点1　硅酸及其盐和无机非金属材料

1．下列说法正确的是 (　　)

A．向含K＋、Na＋、Br－、SiO的溶液中通入CO2后仍能大量共存

B．合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料

C．NaHCO3溶液中含有Na2SiO3杂质，可通入少量CO2后过滤

D．SiO2中含Al2O3杂质，可加入足量稀盐酸溶液，然后过滤除去

D　[A项，SiO会生成H2SiO3沉淀而减少，错误；B项，合成纤维为有机材料，错误；C项，通少量CO2，生成Na2CO3，引入新杂质，错误；D项，Al2O3溶于盐酸而SiO2不溶于盐酸，正确。]

2．青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是(　　)

A．青石棉是一种硅酸盐产品

B．青石棉中含有一定量的石英晶体

C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O

D．1 mol青石棉能使1 mol HNO3被还原

B　[硅酸盐指的是硅、氧与其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)结合而成的化合物的总称，故青石棉是一种硅酸盐产品；虽然青石棉可用氧化物形式来表示，但不代表含有一定量的石英晶体；1 mol Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O跟足量硝酸反应时，失去3 mol电子，而还原产物只有NO，故能使1 mol HNO3被还原。]

3．世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：“中国至少在距今3 000年以前，就已经使用玻璃了。”下列有关玻璃的说法不正确的是(　　)

A．制普通玻璃的原料主要是石灰石和黏土

B．玻璃在加热熔化时没有固定的熔点

C．普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅

D．盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起

A　[普通玻璃的原料为石灰石、纯碱和石英砂，A错误。]

◎命题点2　硅及其常见化合物的转化

4．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如图所示)。下列说法错误的是 (　　)

A．高炉炼铁时，加入石灰石将铁矿石中的脉石(主要成分为SiO2)转化为炉渣

B．纯净的二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要基础材料

C．用盐酸可除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙

D．图中所含反应都不属于氧化还原反应

D　[Si的制备和提纯过程涉及氧化还原反应，D错误。]

5．已知A是灰黑色的、有金属光泽的固体单质。根据如图所示的物质之间的转化关系，回答下列有关问题。

(1)写出B、C两物质的名称：B________、C________。

(2)写出D→B的化学方程式为__________________________。

(3)写出B→C的离子方程式为__________________________。

(4)D不溶于强酸但可与一种弱酸反应，该反应的化学方程式为

_____________________________________________________。

[解析]　由题意知：A为Si，B为Na2SiO3，C为H2SiO3，D为SiO2。

[答案]　(1)硅酸钠　硅酸　(2)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　(3)SiO＋H2O＋CO2===CO＋H2SiO3↓

(4)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

[一题串知，落实考法]

(2015·海南高考改编)单质Z是一种常见的半导体材料，可由X通过如下图所示的路线制备。其中X为Z的氧化物；Y为氢化物，分子结构与甲烷相似。回答下列问题：

(1)能与X发生化学反应的酸是________，化学方程式为

_____________________________________________________，该反应在生活中的应用是______________________________。[考查SiO2的性质、用途]

(2)由X制备Mg2Z的化学方程式为______________________。[考查SiO2性质的拓展应用]

(3)由Mg2Z生成Y的化学式为_________________________，Y分子的电子式为___________________________________________。[考查含硅化合物的性质、结构]

(4)Z、X中共价键的类型分别是_________________________。[考查Si、SiO2的结构]

(5)X与烧碱溶液反应的离子方程式为___________________。[考查SiO2酸性氧化物的性质]

[答案]　(1)氢氟酸(HF)　SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O　刻蚀玻璃

(2)SiO2＋4MgMg2Si＋2MgO

(3)Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑　

(4)非极性键　极性键

(5)SiO2＋2OH－===SiO＋H2O

[真题体验，感悟考向]

1．(2019·全国卷Ⅰ，T7)陶瓷是火与土的结晶，是中华文明的象征之一，其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错误的是(　　)

A．“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色，来自氧化铁

B．闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成

C．陶瓷是应用较早的人造材料，主要化学成分是硅酸盐

D．陶瓷化学性质稳定，具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点

A　[氧化铁的颜色为红棕色，不是青色，A项错误；秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成；陶瓷的主要成分是硅酸盐；具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点；B、C、D项正确。]

2．(1)下列说法不正确的是________(填序号)。

①(2019·全国卷Ⅲ)高纯硅可用于制作光感电池。

②(2019·全国卷Ⅲ)活性炭具有除异味和杀菌作用。

③(2016·全国卷Ⅲ)HF与SiO2反应实际应用是氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记

④(2015·全国卷Ⅱ)硅胶可用作食品干燥剂

⑤(2014·全国卷Ⅰ)如图：a中为浓硝酸，b中为Na2CO3，c中为Na2SiO3溶液，可证明酸性：硝酸＞碳酸＞硅酸

⑥(2016·全国卷Ⅱ)燃料燃烧产物CO2是温室气体之一

(2)(2018·全国卷Ⅲ，T28(1))SiHCl3在常温常压下为易挥发的无色透明液体，遇潮气时发烟生成(HSiO)2O等，写出该反应的化学方程式______________________________________________________。

[答案]　(1)②⑤　(2)2SiHCl3＋3H2O===(HSiO)2O＋6HCl