1、1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 a a2.硅及其化合物(以 SiO2和 Na2SiO3为例)的重要性质 a b3.工业制备高纯硅的方法 a b4.三大硅酸盐产品：水泥，陶瓷，玻璃 a a5.硅、二氧化硅在信息技术、材料科学等领域中的应用 a a6.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、C 60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
2、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)：2O2不足：2CO 2 2CO；O 2充足：CO 2 CO2。= = = = =点 燃 = = = = =点 燃 (2)与氧化物反应(用化学方程式表示)：与 CuO 反应：2CuOC 2CuCO 2(可用于金属的冶炼)
3、；= = = = =高 温 与 CO2反应：CO 2C 2CO；= = = = =高 温 与水蒸气反应：CH 2O(g) COH 2(制水煤气)。= = = = =高 温 (3)与强氧化性酸反应(用化学方程式表示)：与浓硫酸反应：C2H 2SO4(浓) CO22SO 22H 2O；= = = = = 与浓硝酸反应：C4HNO 3(浓) CO22NO 22H 2O。= = = = = 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：SiO 2 SiO2；= = = = = 与 F2反应：Si2F 2=SiF4；与 Cl2反应：Si2Cl 2 SiCl4。= = = = =
4、 (2)与氢氟酸反应(用化学方程式表示)：Si4HF= =SiF42H 2。(3)与强碱反应(用化学方程式表示)：Si2NaOHH 2O=Na2SiO32H 2。【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：Si2NaOHH 2O=Na2SiO32H 2，又能与 HF 作用放出H2：Si4HF= =SiF42H 2 。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
5、制备 H2SiO3；(2)酸性氧化物一般不与酸反应，但 SiO2能跟 HF 作用：SiO 24HF= =SiF42H 2O。c硅及其化合物的转化关系图3三、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，微溶于水与水反应 不反应 CO2H 2O H2CO3与酸反应只与氢氟酸反应：SiO24HF= =SiF42H 2O不反应与碱(NaOH)反应SiO22NaOH= =Na2SiO3H 2O(盛碱液的试剂瓶不能用玻璃塞，应用橡胶塞)CO2少量：CO22NaOH= =N
6、a2CO3H 2O；CO2过量：CO 2NaOH= =NaHCO3与盐反应如与 Na2CO3反应：SiO 2Na 2CO3Na2SiO3CO 2= = = = =高 温 如与 Na2SiO3反应：Na2SiO3H 2OCO 2(不足)=H2SiO3Na 2CO3或Na2SiO32H 2O2CO 2(足量)=H2SiO32NaHCO 3化学性质与碱性氧化物反应如与 CaO 反应：SiO 2CaOCaSiO3= = = = =高 温 如与 Na2O 反应：Na2OCO 2=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。(
7、2)化学性质：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 H2SiO32NaOH= =Na2SiO32H 2O。不稳定性：H 2SiO3 SiO2H 2O。= = = = = (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。42硅酸钠(Na 2SiO3)(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：Na 2SiO32HCl= =2NaClH 2SiO3。与 CO2水溶液反应：Na 2SiO3CO 2
8、H 2O=H2SiO3Na 2CO3。(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(Na 2SiO3)写成 Na2OSiO2，青石棉 Na2Fe5Si8O22(OH)2写成Na2O3FeOFe2O38SiO2H2O。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Na2CO3SiO 2Na2SiO= = = = =高 温 3CO 2；CaCO 3SiO 2CaSiO
9、3= = = = =高 温 CO 2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 Na2OCaO6SiO2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5SiO22C Si2CO(制粗硅)=
10、 = = = =高 温 Si2Cl 2 SiCl4(分离、提纯)= = = = =高 温 SiCl42H 2 Si4HCl(制纯硅)= = = = =高 温 【例 1】 常温下，下列不发生反应的一组物质是( )硅与 NaOH 溶液 硅与盐酸 硅与氢氟酸 二氧化硅与碳酸钠 二氧化硅与NaOH 溶液 二氧化硅与浓硝酸ABCD【解析】 根据 Si 的化学性质可知：硅与 NaOH 溶液可反应生成硅酸钠和氢气；硅与盐酸、浓硝酸均不反应；硅与氢氟酸可反应生成 SiF4和 H2；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；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
11、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CSiO 2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。
12、【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Na 2SiO3H 2OCO 2=Na2CO3H 2SiO3，反应Na 2CO3SiO 2Na2SiO3CO 2，两反应是相互矛盾的，不可能都发生= = = = =高 温 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 K2O3Al2O36SiO22H2O6【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.反应是溶液中的离子反应，利用的是强酸制弱酸原理；反应是高温条件下固
13、体间的反应，CO 2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SiO 2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
14、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 SiO )，F 为23H2；那么 B(SiO2)与强碱反应同样可以得到 C 硅酸盐(含 SiO )和 D(H2O)，同时 E(H2SiO3)23加热分解可得 B
15、(SiO2)和 D(H2O)。【答案】 (1)SiO 2 制光导纤维 (2)SiO 22OH =SiO H 2O (3)23Si2OH H 2O=SiO 2H 2 (4)SiO 2H =H2SiO323 23【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：7Si(粗) SiCl4蒸馏,SiCl 4(纯) Si(纯) Cl2 460 H2 1100(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_。
16、(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，SiCl 4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_。【解析】 工业上制备硅单质原理为：SiO 22C Si2CO(制粗硅)= = = = =高 温 Si2Cl 2 SiCl4(分离、提纯)= = = = =高 温 SiCl 42H 2 Si4HCl(制纯硅)=
17、 = = = =高 温 三个反应都属于氧化还原反应，第个反应中，氧化剂是 SiO2，还原剂为 C；焦炭作为还原剂还原 SiO2，若有空气存在就会有一部分焦炭与氧气反应而损失原料；SiO 2(CaCO3)利用 SiO2不溶于酸而 CaCO3溶于酸原理进行除杂，除杂原理原则是不增不减易分离；两性氧化物的概念是既可以与酸反应生成盐和水，又可以与碱反应生成盐和水，SiO 2不符合。【答案】 (1)SiO 22C 高温,Si2CO SiO 2 C(2)焦炭能与空气中的氧气发生反应(3)Si2Cl 2460,SiCl 4(4)2H2SiCl 41100,Si4HCl(5)加入盐酸后过滤(6)不是。SiO 22NaOH= =Na2SiO3H 2O；SiO 24HF= =SiF42H 2O(7)石英砂、纯碱和石灰石【提炼】 本题主要考查硅单质的制备原理以及工艺流程，能正确理解氧化还原反应概念与相关知识点，明晰两性氧化物的概念。8
