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11非金属硅
第四章非金属及其化合物
第一节无机非金属材料的主角---硅
考点一:
碳、硅单质的存在与性质
1.C、Si单质的存在形态、物理性质及用途
碳
硅
存在
常见单质
晶体硅和无定形硅
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
晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池
2.碳、硅单质的化学性质
(2)Si
碳、硅在参与化学反应时,一般表现还原性。
典型例题:
例1:
下列关于硅的说法中,不正确的是( )
A.硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B.硅的导电性能介于金属和绝缘体之间,是良好的半导体材料
C.硅的化学性质不活泼,常温下不与任何物质反应
D.加热到一定温度时,硅能与氯气、氧气等非金属反应
例2:
有些科学家提出硅是“21世纪的能源”,这主要是由于作为半导体材料的硅在太阳能发电过程中具有重要的作用。
下列有关硅的说法中,不正确的是( )
A.高纯度的硅广泛用于制作计算机芯片
B.硅可由二氧化硅还原制得
C.低温时,硅与水、空气和酸不反应,但能与氢氟酸反应
D.自然界中硅的储量丰富,自然界中存在大量的单质硅
例3:
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:
①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;
②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3(Si+3HCl
SiHCl3+H2);
③SiHCl3与过量的H2在1100~1200℃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)第一步制取粗硅的化学反应方程式为______________________________。
(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):
①装置B中的试剂是________,装置C中的烧杯需要加热,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__________________________________。
③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__________________________________________________。
考点二:
碳、硅的氧化物
1.一氧化碳
(1)物理性质:
____色气体,____毒,____溶于水。
(2)化学性质
①燃烧:
②还原CuO:
2.二氧化碳和二氧化硅的比较
物质
二氧化硅
二氧化碳
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+H2O=H2CO3
②与酸反应
只与氢氟酸反应:
SiO2+4HF===SiF4↑+2H2O
不反应
③与碱反应
SiO2+2NaOH===Na2SiO3+H2O(盛碱液的试剂瓶用橡胶塞)
CO2少量:
CO2+2NaOH===Na2CO3+H2O、
CO2过量:
CO2+NaOH===NaHCO3
④与盐反应
如与Na2CO3反应:
如与Na2SiO3反应:
⑤与碱性氧化物反应
如与CaO反应:
SiO2+CaO
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
典型例题:
例1:
下列说法正确的是( )
A.SiO2是酸性氧化物,它可以与强碱反应,不能与任何酸反应
B.根据SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑的反应,可推知硅酸的酸性比碳酸的强
C.CO2气体通入到Na2SiO3溶液中可以制得硅酸
D.SiO2可以与水反应生成相对应的酸--硅酸
例2:
下列说法中,不正确的是( )
A.光导纤维是以二氧化硅为主要原料制成的
B.二氧化硅溶于水生成硅酸
C.NaOH溶液不能存放在磨口玻璃塞的试剂瓶中
D.二氧化硅是一种熔沸点很高、硬度很大的氧化物
随堂练习:
1、下列说法中不正确的是( )
A.因SiO2不溶于水,故H2SiO3不是SiO2对应的酸,或者说SiO2不是H2SiO3的酸酐
B.CO2通入硅酸钠溶液可以得到硅酸胶状沉淀
C.SiO2是一种空间立体网状结构的晶体,熔点高、硬度大
D.氢氟酸能够雕刻玻璃,故不能用玻璃瓶来盛装氢氟酸
2、下列叙述正确的是( )
A.工业上用过量的碳还原二氧化硅而得到作为半导体材料的硅
B.晶体硅和石英中均有四面体结构
C.水玻璃中加少量硝酸出现白色沉淀,硝酸过量时,沉淀溶解
D.SiO2是H2SiO3的酸酐,溶于水后即生成H2SiO3
考点三:
硅酸及硅酸盐
1.硅酸
硅酸____溶于水,其酸性比碳酸____,硅酸________(填“能”或“不能”)使紫色石蕊试液变红色。
(1)硅酸不稳定,受热易分解:
________________________________________________________________________。
(2)硅酸能与碱溶液反应,如与NaOH溶液反应的化学方程式为
________________________________________________________________________。
(3)硅酸在水中易聚合形成胶体。
硅胶吸附水分能力强,常用作__________。
2.硅酸盐
(1)概念:
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。
(2)表示方法:
硅酸盐矿物的成分复杂,多用氧化物的形式表示它们的组成,如硅酸钠(Na2SiO3)写成____________,钾云母(KH2Al3Si3O12)写成________________________。
(3)硅酸钠(Na2SiO3)
①白色、可溶于水的粉末状固体,其水溶液俗称________,有黏性,水溶液显碱性。
②它能与酸性较硅酸强的酸反应,化学方程式分别为与盐酸反应:
________________________________________________________________________。
与CO2水溶液反应:
_____________________________
___________________________________________。
③用途:
黏合剂(矿物胶),耐火阻燃材料。
3.无机非金属材料
(1)传统无机非金属材料,如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸盐材料。
常见硅酸盐材料
水泥
玻璃
陶瓷
生产原料
石灰石、黏土
纯碱、石灰石、石英
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃熔炉
陶瓷窑
如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等。
(2)新型无机非金属材料,如____________、__________、__________、________等。
典型例题;
例1:
下列关于硅酸的说法正确的是( )
A.硅酸可以通过SiO2和水的化合反应制得
B.用反应Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3(胶体)制取硅酸是利用了可溶性酸制难溶性酸的原理
C.硅酸难溶于水,不能与NaOH溶液反应
D.硅胶可用作袋装食品的干燥剂
例2:
为确认盐酸、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱,某学生设计了如图所示的实验装置,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)锥形瓶中盛装某可溶性正盐溶液,分液漏斗中所盛试剂应为________。
(2)装置B中所盛的试剂是______________,其作用是______________________。
(3)装置C中所盛试剂是______________,C中反应的离子方程式______________________。
(4)由此得到的结论是酸性:
________>______>________。
例3:
有下列四个变化:
①Na2CO3→Na2SiO3,,②SiO2→H2SiO3,③Na2SiO3→Na2CO3,④Ca(NO3)2→CaSiO3,其中不能通过一步反应实现的是( )
A.①② B.②④ C.③④ D.只有②
随堂练习:
1、下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是()
A这是一种矿物胶,既不燃烧也不受腐蚀
B在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料
C木材、织物浸过水玻璃后具有防腐蚀性且不易燃烧
D水玻璃的化学性质稳定,在空气中不易变质
2、下列试剂的贮存方法正确的是( )
A.氢氟酸用玻璃瓶密封贮存
B.NaOH溶液用磨口玻璃瓶加玻璃塞封存
C.水玻璃用塑料桶盛装并敞口放置
D.纯碱溶液可用带橡胶塞的玻璃瓶封存
3、近年来科学家才得知大多数古瓷中所用颜料为硅酸盐,如蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2Ox,铜元素为+2价)。
下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是( )
A.可用氧化物形式表示为BaO·CuO·2SiO2
B.性质稳定,不易脱色
C.易溶于强酸和强碱
D.x等于6
4、某科研小组用高岭土(主要成分是Al2O3·2SiO2·2H2O,含少量CaO、Fe2O3)研制新型净水剂(铝的化合物)。
其步骤如下:
将土样和纯碱混匀,高温熔融,冷却后用水浸取熔块,过滤,弃去残渣。
滤液用过量盐酸酸化,经过滤,分别得到沉淀和溶液,溶液即为净水剂。
(1)熔融时主要成分与纯碱反应的化学方程式(Al2O3与纯碱反应和SiO2与纯碱反应相似)为_____________________________________。
(2)最后沉淀物是________,生成该沉淀的离子方程式为________________________。
(3)净水剂的净水原理是。
(4)实验室常用的坩埚有瓷坩埚、铁坩埚和刚玉坩埚,本实验在熔融土样时应选用________坩埚。
考点四:
硅的制备
有关方程式:
2C+SiO2
Si(粗硅)+2CO↑
Si+2Cl2
SiCl4
SiCl4+2H2
Si(纯硅)+4HCl
典型例题:
例1:
下列有关硅的叙述中,正确的是 ( )
A.工业上通常以SiO2为原料,用氧化剂与其反应制备单质硅
B.硅是构成矿物和岩石的主要元素,硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位
C.硅的化学性质不活泼,在自然界中可以以游离态存在
D.在电子工业中晶体硅是重要的半导体材料
例2:
下列有关硅及其化合物的说法中正确的是( )
A.在粗硅的制取中发生反应2C+SiO2
2CO↑+Si,硅被还原,所以碳的还原性强于硅
B.硅酸钠属于盐,不属于碱,所以硅酸钠可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C.用SiO2制取硅酸,可先使二氧化硅与氢氧化钠溶液反应,然后通入CO2
D.由Na2CO3+SiO2
CO2↑+Na2SiO3可知硅酸的酸性强于碳酸
例3:
硅单质及其化合物的应用范围很广。
请回答下列问题:
(1)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制备高纯硅反应的化学方程式:
.
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。
(2)下列有关硅材料的说法正确的是(填字母)。
A.碳化硅化学性质稳定,可用于生产耐高温水泥
B.氮化硅硬度大、熔点高,可用于制作高温陶瓷和轴承
C.高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料——光导纤维
D.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的,其熔点很高
E.盐酸可以与硅反应,故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
综合练习:
1、下列有关物质用途的说法中,不正确的是( )
A.Fe2O3俗称铁红,常用作红色油漆和涂料
B.硅是良好的半导体材料
C.二氧化硅可用于制造光导纤维
D.煤炭是清洁能源,直接燃烧不会造成环境污染
2、下列关于硅及其化合物的说法不正确的是( )
A.单质硅常用作半导体材料
B.硅酸钠是制备木材防火剂的原料
C.二氧化硅是制备光导纤维的基本原料
D.硅酸可由二氧化硅与水直接反应制得
3、下列有关说法正确的是( )
A.硅相对于氢气便于运输、贮存,从安全角度考虑,硅是有开发价值的燃料
B.硅在地壳中含量居第二位,在地球上有丰富的硅资源,如石英、水晶、玛瑙的主要成分都是单质硅
C.存放NaOH溶液的试剂瓶应用玻璃塞
D.二氧化硅是一种良好的半导体材料
4、硅及其化合物的应用范围很广。
下列说法中正确的是( )
A.硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B.由粗硅制备单晶硅的过程不涉及氧化还原反应
C.反应:
Si+2NaOH+H2O
Na2SiO3+2H2↑中,Si为还原剂,NaOH和H2O为氧化剂
D.盐酸可以与硅反应,故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
5、下列生产生活中常见物质的主要成分与化学式相对应的是( )
A.光导纤维——Si
B.铝土矿——Al(OH)3
C.水泥——Na2SiO3
D.明矾——KAl(SO4)2·12H2O
6、下列说法不正确的是( )
A.生铁、不锈钢和黄铜都属于合金
B.水泥、玻璃、陶瓷均属于无机非金属材料
C.氧化钙、氧化镁、氧化铝都属于碱性氧化物
D.溶液、胶体、浊液都属于分散系
7、下列叙述正确的是( )
A.水晶、陶瓷、水泥都属于硅酸盐产品
B.制玻璃、水泥的原料中都有二氧化硅
C.KAlSi3O8可表示为K2O·Al2O3·6SiO2
D.酸性:
H2SiO3>H2CO3
8、化学与环境、材料、信息、能源关系密切,下列说法正确的是( )
A.绿色化学的核心是应用化学原理对环境污染进行治理
B.开发高效氢能、太阳能等新型电动汽车,以解决城市机动车尾气排放问题
C.PM2.5是指大气中直径接近2.5×10-6m的颗粒物,分散在空气中形成胶体
D.半导体行业中有一句话:
“从沙滩到用户”,计算机芯片的材料是二氧化硅
9、某校化学兴趣小组对以下三种品牌牙膏中摩擦剂成分进行了调查,结果如下表。
牙膏品牌
两面针儿童牙膏
珍珠防臭牙膏
中华透明牙膏
摩擦剂
氢氧化铝
碳酸钙
二氧化硅
试回答下列问题:
(1)上述三种摩擦剂中属于酸性氧化物的是________(填化学式,下同);既能与强酸反应又能与强碱反应的是________。
(2)两面针儿童牙膏中的摩擦剂成分与NaOH溶液反应的离子方程式是_________________。
(3)从摩擦剂成分考虑,向珍珠防臭牙膏样品中滴加少量稀盐酸,可观察到的现象是______________,该反应的离子方程式为____________________________。
(4)中华透明牙膏摩擦剂SiO2是工业制备晶体硅的原料,其反应原理是_______________(用化学反应方程式表示)。
(5)若制取珍珠防臭牙膏的原料碳酸钙中混入了少量铝粉,应加入试剂____________进行除杂,反应的离子方程式为________________________________。
10、在半导体工业中有这样一句话:
“从沙滩到用户”。
其中由粗硅制纯硅的常用方法为Si(粗)+2Cl2
SiCl4、SiCl4+2H2
Si(纯)+4HCl。
若在25℃、101kPa条件下反应生成HCl气体49L(注:
25℃、101kPa条件下气体摩尔体积为24.5L/mol),则:
(1)反应生成HCl气体的质量为________,转移电子的个数为________。
(2)反应生成的HCl气体溶于127mL水中,得到密度为1.20g/mL的盐酸,此盐酸的物质的量浓度为________。
(3)“从沙滩到用户”涉及多个反应,其中制取粗硅的反应方程式为_____________________;石英砂与烧碱溶液反应可以制得水玻璃,反应的离子方程式为 。
(4)普通玻璃若以氧化物形式表示其组成为(质量分数):
Na2O13%,CaO11.7%,SiO2 75.3%。
现以石灰石、纯碱和石英砂为原料生产这种玻璃10t,石灰石的利用率为80%,纯碱和石英砂的利用率均为95%,至少需要上述原料的质量是________t(结果保留两位小数)。
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