（浙江選考）2020版高考化學(xué)大一輪復(fù)習(xí) 第3講 元素化學(xué) 考點(diǎn)16 含硅礦物與信息材料學(xué)案.docx

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考點(diǎn)16　含硅礦物與信息材料 知識(shí)條目 必考要求 加試要求 1.硅在自然界的存在形式 a a 2.硅及其化合物(以SiO2和Na2SiO3為例)的重要性質(zhì) a b 3.工業(yè)制備高純硅的方法 a b 4.三大硅酸鹽產(chǎn)品：水泥，陶瓷，玻璃 a a 5.硅、二氧化硅在信息技術(shù)、材料科學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用 a a 6.光導(dǎo)纖維的組成和作用 a 一、碳、硅單質(zhì)的存在形態(tài)、物理性質(zhì)及用途 1．碳在自然界中既有游離態(tài)又有化合態(tài)，硅在地殼中的含量占第二位，僅次于氧，全部以化合態(tài)存在。碳的同素異形體有金剛石、石墨、無(wú)定形碳、C60等。單質(zhì)硅有晶體和無(wú)定形硅兩大類(lèi)。 2．單質(zhì)的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)與用途比較 碳 硅 結(jié)構(gòu) 金剛石：空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 石墨：層狀結(jié)構(gòu) 晶體硅：與金剛石類(lèi)似的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 物理性質(zhì) 金剛石熔點(diǎn)高、硬度大 石墨熔點(diǎn)高、質(zhì)軟，有滑膩感 晶體硅為灰黑色固體，有金屬光澤、硬度大、熔點(diǎn)高 用途 金剛石用作切割刀具 石墨用作電極、鉛筆芯 晶體硅是良好的半導(dǎo)體材料。用于制作半導(dǎo)體芯片和大規(guī)模集成電路，制造光電池 二、碳、硅單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì) 碳、硅在參與化學(xué)反應(yīng)時(shí)，一般表現(xiàn)為還原性。 1．碳的化學(xué)性質(zhì) (1)與O2反應(yīng)(用化學(xué)方程式表示)： O2不足：2C＋O22CO；O2充足：C＋O2CO2。 (2)與氧化物反應(yīng)(用化學(xué)方程式表示)： 與CuO反應(yīng)：2CuO＋C2Cu＋CO2↑(可用于金屬的冶煉)； 與CO2反應(yīng)：CO2＋C2CO； 與水蒸氣反應(yīng)：C＋H2O(g)CO＋H2(制水煤氣)。 (3)與強(qiáng)氧化性酸反應(yīng)(用化學(xué)方程式表示)： 與濃硫酸反應(yīng)：C＋2H2SO4(濃)CO2↑＋2SO2↑＋2H2O； 與濃硝酸反應(yīng)：C＋4HNO3(濃)CO2↑＋2NO2↑＋2H2O。 2．硅的化學(xué)性質(zhì) (1)與非金屬單質(zhì)反應(yīng)(用化學(xué)方程式表示)： 與O2反應(yīng)：Si＋O2SiO2； 與F2反應(yīng)：Si＋2F2===SiF4； 與Cl2反應(yīng)：Si＋2Cl2SiCl4。 (2)與氫氟酸反應(yīng)(用化學(xué)方程式表示)： Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。 (3)與強(qiáng)堿反應(yīng)(用化學(xué)方程式表示)： Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 【特別提醒】熟記硅及其化合物的特殊性質(zhì)以及硅及其化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系。 a．硅單質(zhì)的特殊性 (1)非金屬單質(zhì)大多為非導(dǎo)體，但Si為半導(dǎo)體。 (2)非金屬單質(zhì)跟堿液作用一般無(wú)H2放出，也不跟非氧化性酸作用。但Si既能與堿液作用放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑，又能與HF作用放出H2：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。 b．含硅化合物的特殊性 (1)SiO2是H2SiO3的酸酐，但它卻不溶于水，也不能直接與水作用制備H2SiO3； (2)酸性氧化物一般不與酸反應(yīng)，但SiO2能跟HF作用：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。 c．硅及其化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系圖 三、二氧化碳和二氧化硅的比較 物質(zhì) 二氧化硅 二氧化碳 結(jié)構(gòu) 立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不存在單個(gè)分子 存在單個(gè)CO2分子 主要物理性質(zhì) 硬度大，熔、沸點(diǎn)高，常溫下為固體，不溶于水 熔、沸點(diǎn)低，常溫下為氣體，微溶于水 化學(xué)性質(zhì) ①與水反應(yīng) 不反應(yīng) CO2＋H2OH2CO3 ②與酸反應(yīng) 只與氫氟酸反應(yīng)：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O 不反應(yīng) ③與堿(NaOH)反應(yīng) SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O(盛堿液的試劑瓶不能用玻璃塞，應(yīng)用橡膠塞) CO2少量：CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O； CO2過(guò)量：CO2＋NaOH===NaHCO3 ④與鹽反應(yīng) 如與Na2CO3反應(yīng)：SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑ 如與Na2SiO3反應(yīng)：Na2SiO3＋H2O＋CO2(不足)===H2SiO3↓＋Na2CO3或Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(足量)===H2SiO3↓＋2NaHCO3 ⑤與堿性氧化物反應(yīng) 如與CaO反應(yīng)：SiO2＋CaOCaSiO3 如與Na2O反應(yīng)：Na2O＋CO2===Na2CO3 用途 光導(dǎo)纖維、光學(xué)儀器、電子部件 制飲料、制碳酸鹽 四、硅酸和硅酸鈉 1．硅酸 (1)物理性質(zhì)：硅酸是不溶于水的白色沉淀。 (2)化學(xué)性質(zhì)： ①弱酸性：其酸性比碳酸弱，硅酸不能使紫色石蕊溶液變紅色。但硅酸能與堿溶液反應(yīng)，如與NaOH溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。 ②不穩(wěn)定性：H2SiO3SiO2＋H2O。 (3)用途：硅酸在水中易聚合形成膠體。硅膠吸附水分能力強(qiáng)，常用作干燥劑。 2．硅酸鈉(Na2SiO3) (1)物理性質(zhì)：白色、可溶于水的粉末狀固體，其水溶液俗稱(chēng)水玻璃，有黏性，水溶液顯堿性。 (2)化學(xué)性質(zhì)： 與酸反應(yīng)(常用此方法來(lái)制取硅酸)： 與鹽酸反應(yīng)：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。 與CO2水溶液反應(yīng)：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。 (3)用途：黏合劑(礦物膠)，耐火阻燃材料。 五、硅酸鹽及無(wú)機(jī)非金屬材料 1．硅酸鹽的表示方法：與大多數(shù)鹽不同，硅酸鹽的組成相當(dāng)復(fù)雜，通常用氧化物的形式表示它們的組成，如硅酸鈉(Na2SiO3)寫(xiě)成Na2OSiO2，青石棉Na2Fe5Si8O22(OH)2寫(xiě)成Na2O3FeOFe2O38SiO2H2O。 2．傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料(水泥、玻璃、陶瓷) 硅酸鹽工業(yè) 水泥 普通玻璃 陶瓷 原料 黏土、石灰石 純堿、石灰石、石英 黏土 反應(yīng)原理 高溫下發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化 Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑ 燒結(jié)時(shí)發(fā)生復(fù)雜的物理、化學(xué)變化 反應(yīng)條件 高溫 高溫 高溫 主要成分 硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣 Na2OCaO6SiO2 硅酸鹽 特性 水硬性：無(wú)論在水中還是在空氣中均能硬化(不可逆) 非晶體，透明，無(wú)固定熔點(diǎn)，可在一定溫度范圍內(nèi)軟化 抗氧化，抗酸堿腐蝕，耐高溫，絕緣 種類(lèi) 不同標(biāo)號(hào) 普通玻璃、特種玻璃 土器、陶器、瓷器等 用途 建筑材料 化學(xué)儀器、光學(xué)儀器通信器材、窗玻璃等 制坩堝、制磚瓦、電器中的絕緣瓷等 典型設(shè)備 回轉(zhuǎn)瓷 玻璃熔爐 3.新型無(wú)機(jī)非金屬材料 新型無(wú)機(jī)非金屬材料，如高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、光導(dǎo)纖維、生物陶瓷、壓電陶瓷等。 六、工業(yè)制備高純硅 SiO2＋2CSi＋2CO↑(制粗硅) Si＋2Cl2SiCl4(分離、提純) SiCl4＋2H2Si＋4HCl(制純硅) 【例1】　常溫下，下列不發(fā)生反應(yīng)的一組物質(zhì)是(　　) ①硅與NaOH溶液?、诠枧c鹽酸　③硅與氫氟酸?、芏趸枧c碳酸鈉　⑤二氧化硅與NaOH溶液?、薅趸枧c濃硝酸 A．①②④B．③④⑥C．②④⑥D(zhuǎn)．②⑤⑥ 【解析】　根據(jù)Si的化學(xué)性質(zhì)可知：①硅與NaOH溶液可反應(yīng)生成硅酸鈉和氫氣；②⑥硅與鹽酸、濃硝酸均不反應(yīng)；③硅與氫氟酸可反應(yīng)生成SiF4和H2；④二氧化硅與碳酸鈉在高溫條件下可反應(yīng)生成硅酸鈉和二氧化碳；⑤二氧化硅與NaOH溶液可反應(yīng)生成硅酸鈉和水。 【答案】　C 【提煉】　本題主要考查了硅單質(zhì)和二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)，兩者都可以與強(qiáng)堿和HF反應(yīng)，其他酸不反應(yīng)。 【例2】　下列說(shuō)法不正確的是(　　) A．利用高純硅可以制成光電池，將光能直接轉(zhuǎn)化為電能 B．高純度的單質(zhì)硅可用于制作計(jì)算機(jī)芯片 C．SiO2可用于制光導(dǎo)纖維，干冰可用于人工降雨 D．陶瓷、磚瓦、玻璃、水泥等都是硅酸鹽產(chǎn)品，所有的硅酸鹽都難溶于水 【解析】　A、B、C正確，D中硅酸鈉可溶解。 【答案】　D 【提煉】　本題主要考查了硅、二氧化硅以及硅酸鹽在信息技術(shù)、材料科學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用。正確辨別含硅物質(zhì)的用途，如硅可用于制作計(jì)算機(jī)芯片，可用于制成光電池；二氧化硅可制作光導(dǎo)纖維等通信行業(yè)。大多數(shù)的硅酸鹽難溶，但是硅酸鈉是可溶的。 【例3】　下列有關(guān)硅及硅酸鹽材料的說(shuō)法正確的是(　　) A．硅酸鈉屬于鹽，不屬于堿，所以硅酸鈉可以保存在磨口玻璃塞試劑瓶中 B．反應(yīng)①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反應(yīng)②Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，兩反應(yīng)是相互矛盾的，不可能都發(fā)生 C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均屬于硅酸鹽材料 D．鉀云母的主要成分為KH2Al3Si3O12，用氧化物形式表示為K2O3Al2O36SiO22H2O 【解析】　A．硅酸鈉屬于鹽，不屬于堿，正確，硅酸鈉能將磨口玻璃塞黏住，故應(yīng)該用橡皮塞；B.反應(yīng)①是溶液中的離子反應(yīng)，利用的是強(qiáng)酸制弱酸原理；反應(yīng)②是高溫條件下固體間的反應(yīng)，CO2是氣體，逸出反應(yīng)體系，促使反應(yīng)發(fā)生，故不矛盾，都可以發(fā)生；C.普通玻璃和水泥屬于硅酸鹽材料，而石英玻璃的主要成分為SiO2，故錯(cuò)誤。 【答案】　D 【提煉】　本題主要考查硅及硅酸鹽材料的相關(guān)性質(zhì)。正確辨別常見(jiàn)材料的主要化學(xué)成分：普通水泥、普通玻璃和陶瓷都是硅酸鹽，石英玻璃的主要化學(xué)成分為SiO2；水晶、瑪瑙的主要化學(xué)成分是二氧化硅；剛玉的主要化學(xué)成分是氧化鋁；珍珠的主要化學(xué)成分是碳酸鈣。復(fù)雜硅酸鹽的書(shū)寫(xiě)順序：較活潑的金屬氧化物－較不活潑的金屬氧化物－SiO2－水。注意各元素的化合價(jià)保持不變，各元素原子個(gè)數(shù)比不變。 【例4】　在下列物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關(guān)系中，A是一種固體單質(zhì)，且常作半導(dǎo)體材料，E是一種白色沉淀，F(xiàn)是最輕的氣體單質(zhì)。 據(jù)此填寫(xiě)： (1)B的化學(xué)式是________，目前在現(xiàn)代通訊方面B已被用作______________的主要原料。 (2)B和a溶液反應(yīng)的離子方程式是________________________________________________________________________。 (3)A和a溶液反應(yīng)的離子方程式是________________________________________________________________________。 (4)C和過(guò)量鹽酸反應(yīng)的離子方程式是________________________________________________________________________。 【解析】　根據(jù)A是固體單質(zhì)是半導(dǎo)體材料可知A為Si，B即為SiO2，是一種光導(dǎo)纖維的主要材料；根據(jù)E是一種白色沉淀，可知E為H2SiO3，C為硅酸鹽(含SiO)，F(xiàn)為H2；那么B(SiO2)與強(qiáng)堿反應(yīng)同樣可以得到C硅酸鹽(含SiO)和D(H2O)，同時(shí)E(H2SiO3)加熱分解可得B(SiO2)和D(H2O)。 【答案】　(1)SiO2　制光導(dǎo)纖維　(2)SiO2＋2OH－===SiO＋H2O　(3)Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑　(4)SiO＋2H＋===H2SiO3↓ 【提煉】　本題主要考查硅元素之間的相互轉(zhuǎn)化。結(jié)合單質(zhì)硅、二氧化硅、硅酸鹽的性質(zhì)、用途以及一些特殊現(xiàn)象，綜合解題。 【例5】　晶體硅(熔點(diǎn)1410℃)是良好的半導(dǎo)體材料。由粗硅制純硅的過(guò)程如下： Si(粗)SiCl4蒸餾,SiCl4(純)Si(純) (1)工業(yè)上用焦炭與石英砂在高溫下反應(yīng)制取粗硅，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為_(kāi)_______________________________________________________________________。 上述反應(yīng)中的氧化劑是________，還原劑是________。 (2)用焦炭和石英砂制取粗硅為什么要隔絕空氣進(jìn)行？ ________________________________________________________________________。 (3)粗硅與Cl2加熱到460℃時(shí)發(fā)生反應(yīng)，寫(xiě)出該反應(yīng)的化學(xué)方程式________________________________________________________________________。 (4)在1100℃時(shí)，SiCl4被H2還原的化學(xué)方程式為_(kāi)_______________________________________________________________________。 (5)如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)除去SiO2中混有的少量CaCO3雜質(zhì)？________________________________________________________________________。 (6)石英既能與NaOH溶液反應(yīng)，又能與氫氟酸反應(yīng)，它是兩性氧化物嗎？試分別寫(xiě)出它與NaOH溶液、氫氟酸發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 【解析】　工業(yè)上制備硅單質(zhì)原理為：①SiO2＋2CSi＋2CO↑(制粗硅) ②Si＋2Cl2SiCl4(分離、提純) ③SiCl4＋2H2Si＋4HCl(制純硅) 三個(gè)反應(yīng)都屬于氧化還原反應(yīng)，第①個(gè)反應(yīng)中，氧化劑是SiO2，還原劑為C；焦炭作為還原劑還原SiO2，若有空氣存在就會(huì)有一部分焦炭與氧氣反應(yīng)而損失原料；SiO2(CaCO3)利用SiO2不溶于酸而CaCO3溶于酸原理進(jìn)行除雜，除雜原理原則是不增不減易分離；兩性氧化物的概念是既可以與酸反應(yīng)生成鹽和水，又可以與堿反應(yīng)生成鹽和水，SiO2不符合。 【答案】　(1)SiO2＋2C高溫,Si＋2CO↑　SiO2　C (2)焦炭能與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng) (3)Si＋2Cl2460℃,SiCl4 (4)2H2＋SiCl41100℃,Si＋4HCl (5)加入鹽酸后過(guò)濾 (6)不是。SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O (7)石英砂、純堿和石灰石 【提煉】　本題主要考查硅單質(zhì)的制備原理以及工藝流程，能正確理解氧化還原反應(yīng)概念與相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，明晰兩性氧化物的概念。