1、例谈无机非金属材料的主角硅武汉外国语学校孟凡盛一掌握硅元素的单质及其重要化合物的化学性质1SiO2（熔点高、硬度大、不溶于水的固体）（1） 从分类来看，SiO2属于酸性氧化物，能与碱性氧化物、碱、盐反应。SiO2+CaO CaSiO3SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O（盛装NaOH溶液的试剂瓶若用玻璃塞，玻璃中的SiO2与NaOH反应生成的Na2SiO3把玻璃塞和玻璃瓶粘住了，无法取用药品，故应用橡皮塞）Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2（该反应不是在溶液中进行的，之所以能发生，是因为Na2SiO3的对热稳定性比Na2CO3强）CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2（Ca
2、SiO3的对热稳定性比Na2CO3强）（2） 从化合价来看，4价Si具有弱氧化性。SiO2+2CSi+2CO（工业制粗硅）（3） 从特性来看，可以与氢氟酸反应。4HF+ SiO2= SiF4+2H2O（刻蚀玻璃）例1由地壳中含量第一、第二的两种元素形成的化合物，不具有的性质是（）A 熔点高B 高温下可与生石灰发生化合反应C 高温下可与碳发生置换反应D 高温下可与水作用生成相应的酸解析：地壳中含量第一、第二的两种元素分别是氧和硅，形成的化合物是熔点高硬度大的SiO2，由上述SiO2的化学性质知，无论是高温还是常温SiO2都不能与水反应。答案选D。2H2SiO3（难溶于水的无机弱酸）生成H2SiO
3、3的反应主要有： Na2SiO3CO2H2ONa2CO3H2SiO3(硅酸的酸性比碳酸弱)；Na2SiO32CO22H2O2NaHCO3H2SiO3（CO2过量）；Na2SiO32HCl2NaClH2SiO3。例2利用下图实验装置探究酸性强弱顺序：HCl H2CO3 H2SiO3。回答下列问题：（1） 指出仪器A、B、C、D中的药品，A，B，C，D。（2） B中发生反应的离子方程式为。（3） C的作用是。（4） D中的现象是，化学方程式为。解析：A中盛有稀盐酸（或稀硝酸），B中为块状大理石，打开弹簧夹B中生成CO2：CaCO32HClCaCl2 CO2H2O；C中盛有饱和NaHCO3溶液，作用
4、是除去B中挥发出来的氯化氢气体，D中盛有硅酸钠溶液，通入CO2后会产生白色胶状沉淀：Na2SiO3CO2H2ONa2CO3H2SiO3。3硅酸盐三类硅酸盐产品比较（见下表）名称原料制法成分陶瓷黏土高温烧结硅酸盐玻璃纯碱、石灰石、石英玻璃窑中熔融Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2CaCO3+SiO2CaSiO3+CO2硅酸钠、硅酸钙、二氧化硅；大致组成为Na2OCaO6SiO2水泥黏土、石灰石、石膏回转窑中煅烧3CaOSiO2，2CaOSiO2，3CaOAl2O3。例3A、B、C为三种不溶于水，透明、坚硬的固体。A在氧气中完全燃烧只得到一种无色、无臭、密度为氧气密度的1.375倍（标准
5、状况）的气体。B的粉末易溶于热的苛性钠溶液，向此溶液中加入过量盐酸时，析出一种不溶于水，酸性比碳酸还弱的酸。将B与石灰石，纯碱按一定比例混合高温熔融后得C。C在高温下能软化，但无固定的熔点。根据以上事实回答：（1）A、B、C的名称：A B C （2）写出下列反应的化学方程式 B和苛性钠反应： 。 BC的主要反应： 。解析：A的燃烧产物的摩尔质量为：1.37532g/mol44g/mol，A的燃烧产物为CO2，A是碳元素形成的一种单质，结合A是不溶于水，透明、坚硬的固体知，A为金刚石；石英与热的NaOH溶液反应生成Na2SiO3，Na2SiO3溶液中加入盐酸析出硅酸沉淀，B为SiO2；SiO2与
6、石灰石，纯碱混合高温熔融制得玻璃，玻璃是混合物，没有固定熔点。高温高温答案：（1）金刚石、石英、玻璃 （2）SiO2+2NaOH Na2SiO3+H2O Na2CO3+SiO2 Na2SiO3+CO2 CaCO3+SiO2 CaSiO3+CO24硅单质（熔点高、硬度大、导电性介于绝缘体和导体之间）（1）与单质反应Si+O2SiO2Si+2F2=SiF4 Si+2Cl2SiCl4（用于粗硅的提纯）（2）与酸反应：Si+4HF=SiF4+2H2O（3）与碱反应：Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2例4以下各单质和化合物中所含元素均为前18号元素，它们之间存在如下图所示的转化关系，回答下
7、列问题：(1)写出丙的化学式。(2)若A为非金属，则晶体A的主要物理性质为；A与NaOH溶液反应的化学方程式为；图中化合物乙转化为化合物丁的离子方程式。(3) 若A为金属，甲的化学式为；写出A与NaOH溶液反应的离子方程式为；写出甲与NaOH溶液反应的化学方程式；图中化合物乙转化为化合物丁的离子方程式。解析：本题考查了硅、铝两元素的单质及其重要化合物之间的相互转化关系。当A为非金属时，A是硅，甲、乙、丙、丁分别是SiO2、Na2SiO3、H2O、H2SiO3；当A为金属时，A是铝，甲、乙、丙、丁分别是Al2O3、NaAlO2、H2O、Al(OH)3。答案：（1）H2O（2）熔点高、硬度大、导电
8、性介于绝缘体和导体之间；Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2；SiO322CO22H2O=H2SiO32HCO3。（3）Al2O3；2Al2OH2H2O2AlO23H2；Al2O32NaOH=2NaAlO2H2O；AlO2CO22H2O= Al(OH)3HCO3。二了解硅、二氧化硅及其他含硅物质的重要用途1硅的用途（1）良好的半导体材料。（2）硅芯片。（3）光电池（硅是将太阳能转化为电能的常用材料）。2二氧化硅的存在和用途存在用途沙子作建筑材料，如水泥沙浆。石英制石英玻璃、石英电子表、石英钟、饰物和工艺品。水晶制光学仪器、眼镜片等。玛瑙制作饰物和工艺品。纯净的SiO2是现代光学及光
9、纤制品的基本原料。3其他含硅物质的用途硅胶：作干燥剂、作催化剂的载体；水玻璃（硅酸钠溶液）：木材防火剂；碳化硅（SiC,俗称金刚砂）:硬度大，用作砂纸、砂轮的磨料；含4%硅的硅钢：有很高的导磁性，用作变压器的铁芯；硅橡胶：既耐高温又耐低温，用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料；分子筛（铝硅酸盐）：用作吸附剂和催化剂。例5用地壳中某主要元素生产的多种产品在现代高科技中占重要位置，足见化学对现代物质文明的重要作用。例如：(1)计算机的芯片的主要成分是 ；(2)光导纤维的主要成分是；(3)目前应用最多的太阳能电池的光电转化材料是 ；(4)用作吸附剂、干燥剂、催化剂或催化剂的载体的人造分子筛大多是
10、一类称为的化合物。解析：本题主要考查硅及其化合物在高科技产品中的具体应用。计算机芯片的主要成分是硅，光导纤维的主要成分为SiO2，应用于太阳能电池中的光电转化的材料是高纯单质硅，用作吸附剂、干燥剂、催化剂或催化剂的载体的人造分子筛大多是一类称为铝硅酸盐的化合物。答案：（1）硅。（2）SiO2。（3）硅。（4）铝硅酸盐三掌握工业制粗硅及粗硅提纯的方法1工业制粗硅的原理：SiO2+2CSi（粗）+2CO2粗硅提纯的方法（1）蒸馏提纯SiCl4法第一步，粗硅与氯气在高温下反应：Si（粗）+2Cl2SiCl4（粗硅中的杂质硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物）。第二步，利用BCl3
11、、AlCl3、FeCl3、PCl3和SiCl4的沸点不同，通过蒸馏得到纯净的SiCl4。第三步，高温时用H2还原纯净的SiCl4制得纯硅：SiCl42H2Si（纯）4HCl。（2）蒸馏提纯SiHCl3法第一步，粗硅与干燥HCl气体反应：Si3HClSiHCl3H2（产生少量SiCl4）第二步，利用SiHCl3、SiCl4和HCl的沸点不同，采用蒸馏的方法得到纯净的SiHCl3；第三步，高温时用H2还原纯净的SiHCl3制得纯硅：SiHCl3H2Si3HCl。例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：高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si（粗
12、）3HClSiHCl3H2SiHCl3与过量H2在10001100反应制得纯硅已知SiHCl3，能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题：（1）第步制备粗硅的化学反应方程式为 。（2）粗硅与HCl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）用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下（热源及夹持装置略去）：ABCD装置B中的试剂是 。装置C中的烧瓶需要加热，其目的是 。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为
13、 。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 。为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂（填写字母代号）是 。a碘水 b氯水 cNaOH溶液 dKSCN溶液 eNa2SO3溶液解析：本题考查了工业制粗硅的原理及粗硅的提纯方法。粗硅提纯的关键步骤，是利用SiHCl3、SiCl4和HCl的沸点不同，采用蒸馏的方法得到纯净的SiHCl3，在D中用纯净的H2与纯净的SiHCl3在高温下反应（SiHCl3H2Si3HCl），留下熔点高的纯硅（其他物质在高温下均为气体）。答案：（1）SiO22CSi2CO（2）分馏（或蒸馏）（3）
14、浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3气化有固体物质生成 在反应温度下，普通玻璃会软化 SiHCl3H2Si3HCl排尽装置中的空气bd四巩固与提高1材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是材料主要化学成分A刚玉、金刚石三氧化二铝B大理石、石灰石碳酸钙C普通水泥、普通玻璃硅酸盐D沙子、石英二氧化硅2硅单质及其化合物应用范围很广。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：写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式。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
15、种物质，写出配平的化学反应方程式；H2还原SiHCl3过程中若混O2，可能引起的后果是 。（2）下列有头硅材料的详法正确的是 （填字母）。A.碳化硅化学性质稳定，可用于生产耐高温水混B.氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承C.普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高D.盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅(3)硅酸钠水溶液俗称水玻璃。取少量硅酸钠溶液于试管中，逐滴加入稀盐酸，振荡。写出实验现象并用离子方程式解释。3氧化物A单 质 B氧化物C单 质 D化合物 I单 质 H单 质 G化合物F单 质 E 高温 反应 高温 反应 燃烧 反应 高温 反应如上图，已知： 单质
16、E可作为半导体材料；化合物F是不能生成盐的氧化物；化合物I能溶于水呈酸性，它能够跟氧化物A起反应；氟气（F2）能与水发生置换反应。据此，请填空：化合物F是 。化合物I 是 。反应的化学方程式是 反应的化学方程式是 4单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用炭在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质)，粗硅与氯气反应生成四氯化硅（反应温度450500），四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。相关信息如下：四氯化硅遇水极易水解；硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物；有关物质的物理常数见下表：物质SiCl4BCl3AlCl3FeC
17、l3PCl5沸点/57.712.8315熔点/70.0107.2升华温度/180300162请回答下列问题：（1）写出装置A中发生反应的离子方程式_。（2）装置A中g管的作用是_；装置C中的试剂是_；装置E中的h瓶需要冷却的理由是_。（3）装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏（类似多次蒸馏）得到高纯度四氯化硅，精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是_（填写元素符号）。参考答案：1A2(1) SiHCl3H2Si3HCl3SiHCl3+3H2O=H2SiO3+H2+3HCl；高温下，H2遇O2发生爆炸。(2)ABCD(3)生成白色胶状沉淀；SiO32- + 2 H4+ =H2SiO3。3CO（一氧化碳） HF（氟化氢） 2H2+O2=2H2O 2F2+2H2O=4HF+O24（1）MnO24H2ClMn2Cl22H2O；（2）平衡压强，使液体顺利流出并防止漏气；浓硫酸；产物SiCl4沸点低，需要冷凝收集；（3）Al、P、Cl；