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第七單元 含硅礦物與信息材料 [學(xué)考標(biāo)準(zhǔn)] 1．硅在自然界的存在形式(a)。2.硅及其化合物(以SiO2和Na2SiO3為例)的重要性質(zhì)(a)。3.工業(yè)制備高純度硅的方法(a)。4.三大硅酸鹽產(chǎn)品：水泥、陶瓷、玻璃(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)。 一、硅及其化合物的性質(zhì) 1．硅在自然界的存在形式 硅在自然界中主要以SiO2和硅酸鹽的形式存在。 2．硅的物理性質(zhì) 晶體硅呈灰黑色，有金屬光澤，熔沸點很高，硬度大。硅晶體導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是一種重要的半導(dǎo)體材料。 3．化學(xué)性質(zhì) (1)在常溫下只與F2、氫氟酸和強堿溶液反應(yīng)，其化學(xué)方程式分別為： Si＋2F2===SiF4；Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑； Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 (2)在加熱時能與O2和Cl2等非金屬單質(zhì)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)方程式分別為： Si＋O2SiO2；Si＋2Cl2SiCl4。 4．工業(yè)制法 5．二氧化硅 (1)物理性質(zhì)：熔點很高，硬度很大，不溶于水。 (2)化學(xué)性質(zhì) (Ⅰ)酸性氧化物的通性 ①與強堿反應(yīng) 與NaOH溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。 ②與堿性氧化物反應(yīng) 與CaO反應(yīng)的化學(xué)方程式為：CaO＋SiO2CaSiO3。 ③高溫下與CaCO3、Na2CO3反應(yīng)：Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑。 (Ⅱ)高溫下與碳反應(yīng) SiO2＋2CSi＋2CO↑。 (Ⅲ)特殊性：與氫氟酸反應(yīng) SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。 6．硅酸鈉(Na2SiO3) (1)物理性質(zhì)：白色、可溶于水的粉末狀固體，其水溶液俗稱水玻璃，有黏性，水溶液顯堿性。 (2)化學(xué)性質(zhì)：它能與較強的酸反應(yīng)，如與鹽酸反應(yīng)：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓；與CO2的水溶液反應(yīng)：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。 (3)用途：黏合劑(礦物膠)，耐火阻燃材料。 二、含硅的材料 1．三大硅酸鹽產(chǎn)品 產(chǎn)品名稱 生產(chǎn)原料 主要設(shè)備 反應(yīng)條件或主要反應(yīng) 陶瓷 黏土 － 高溫?zé)Y(jié) 玻璃 純堿、石灰石、石英 玻璃窯 Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑ CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑ 水泥 黏土、石灰石 水泥回轉(zhuǎn)窯 復(fù)雜的物理、化學(xué)變化 2.硅、二氧化硅的應(yīng)用 (1)硅的用途 ①作為半導(dǎo)體材料；②生產(chǎn)硅合金；③制造太陽能電池。 (2)二氧化硅的用途 ①信息高速公路的骨架——光導(dǎo)纖維 ②制造石英坩堝、石英玻璃、石英鐘表等； ③制造電子工業(yè)的重要部件、光學(xué)儀器； ④用作工藝飾品如水晶、瑪瑙等。 1．下列物品中，都用到硅單質(zhì)的是(　　) A．陶瓷 B．硅太陽能電池 C．瑪瑙 D．光導(dǎo)纖維 解析　B．硅太陽能電池，B項正確；A.陶瓷是硅酸鹽產(chǎn)品，C.瑪瑙、D.光導(dǎo)纖維的主要成分是二氧化硅，故A、C、D三項錯誤。 答案　B 2．下列物質(zhì)屬于硅酸鹽的是(　　) A．尼龍繩 B．保鮮膜 C．青花瓷 D．金剛石 解析　尼龍繩、保鮮膜均屬于有機化合物，青花瓷屬于硅酸鹽類，金剛石是碳單質(zhì)。 答案　C 3．下列關(guān)于硅單質(zhì)及其化合物的說法不正確的是(　　) A．硅是構(gòu)成一些巖石和礦物的基本元素 B．水泥、玻璃、水晶飾物都是硅酸鹽制品 C．SiO2廣泛用于制作光導(dǎo)纖維 D．陶瓷是人類應(yīng)用很早的硅酸鹽材料 解析　水晶的主要成分是SiO2，不是硅酸鹽，B錯誤。 答案　B 4．(義烏模擬)制取水泥和玻璃都需要的原料是(　　) A．石灰石 B．石英 C．黏土 D．純堿 解析　制取水泥的原料是石灰石和黏土，制取玻璃的原料是純堿、石灰石和石英，故A項符合題意。 答案　A 5．能貯存在帶有玻璃塞的磨口試劑瓶里的試劑是(　　) A．液溴 B．氫氧化鉀 C．氫氟酸 D．水玻璃 解析　液溴具有強氧化性，可以貯存在帶有玻璃塞的磨口試劑瓶里，A項正確；氫氧化鉀、氫氟酸均可與玻璃中的二氧化硅反應(yīng)，B、C兩項錯誤；水玻璃具有黏性，可將玻璃塞和試劑瓶黏在一起，D項錯誤。 答案　A 6．下列物質(zhì)中不能與SiO2反應(yīng)的是(　　) A．氫氟酸 B．濃H2SO4 C．燒堿溶液 D．Na2CO3固體 解析　SiO2可與燒堿溶液反應(yīng)，表現(xiàn)出酸性氧化物的性質(zhì)；SiO2可以與氫氟酸反應(yīng)；在制玻璃過程中SiO2與Na2CO3固體反應(yīng)；SiO2不能與濃硫酸反應(yīng)。 答案　B 7．下列關(guān)于硅的說法不正確的是(　　) A．硅是非金屬元素，它的單質(zhì)是灰黑色有金屬光澤的固體 B．硅的導(dǎo)電性介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料 C．硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng) D．加熱到一定溫度時，硅能與氯氣、氧氣等非金屬單質(zhì)反應(yīng) 解析　硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料；硅的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下可與F2、HF、強堿溶液反應(yīng)，加熱條件下可與O2、Cl2等非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。 答案　C 8．硅及其化合物在材料領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。下列敘述錯誤的是(　　) A．硅單質(zhì)可用來制造太陽能電池 B．氮化硅陶瓷屬于新型無機非金屬材料 C．為防止NaOH溶液變質(zhì)，常將其保存在磨口玻璃瓶中 D．高溫下，二氧化硅能分別與C、CaCO3、Na2CO3發(fā)生反應(yīng) 解析　單質(zhì)硅能夠使太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，故用來制作太陽能電池板，A項正確；玻璃、水泥和陶瓷屬于傳統(tǒng)的硅酸鹽材料，而氮化硅、碳化硅等被稱為新型的無機非金屬材料，B項正確；NaOH能夠與玻璃中的SiO2反應(yīng)生成具有黏合能力的硅酸鈉，將磨口玻璃塞和瓶口黏在一起，無法打開，C項錯誤；高溫下，利用碳制取粗硅：2C＋SiO2Si＋2CO↑，水泥的制取中有SiO2與CaCO3的反應(yīng)：SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑，玻璃的制取中有SiO2與Na2CO3的反應(yīng)：SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，D項正確。 答案　C 9．下列有關(guān)硅及其化合物的說法中正確的是(　　) 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，不可能都能發(fā)生 C．普通玻璃、石英玻璃，水泥等均屬于硅酸鹽材料 D．硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，水玻璃可用作木材防火劑 解析　A項，硅酸鈉本身是一種粘合劑，易造成磨口玻璃塞與瓶口粘結(jié)；B項，兩反應(yīng)條件不同，反應(yīng)①是在溶液中進行，強酸可以制弱酸，而高溫條件下CO2是氣體，逸出促使②反應(yīng)發(fā)生；C項，石英玻璃的成分為SiO2，SiO2是氧化物不是鹽；D項正確。 答案　D 10．下列說法正確的是(　　) A．二氧化碳不與強酸反應(yīng)，可用石英器皿盛放氫氟酸 B．可在試管內(nèi)完成焦炭和石英砂(SiO2)制取硅的反應(yīng) C．二氧化硅是生產(chǎn)光導(dǎo)纖維、玻璃的基本原料 D．CO2、CH4、N2是溫室氣體 解析　二氧化硅能與HF發(fā)生反應(yīng)，石英器皿成分中含有SiO2，A項錯誤；在高溫下試管會熔化，甚至玻璃試管中的SiO2會與焦炭反應(yīng)，B項錯誤；N2不是溫室氣體，D項錯誤。 答案　C 11．下列離子方程式的書寫正確的是(　　) A．水玻璃中通入過量二氧化碳：Na2SiO3＋CO2＋H2O===2Na＋＋CO＋H2SiO3 B．澄清石灰水中通入過量二氧化碳：Ca(OH)2＋2CO2===Ca2＋＋2HCO C．硅與氫氟酸的反應(yīng)：Si＋4H＋＋4F－===SiF4↑＋2H2↑ D．二氧化硅溶于燒堿溶液中：SiO2＋2OH－===SiO＋H2O 解析　Na2SiO3是強電解質(zhì)，應(yīng)拆成Na＋、SiO，且應(yīng)生成HCO，A錯；B項正確寫法是CO2＋OH－===HCO；C項，氫氟酸是弱酸，不能拆分成H＋和F－。 答案　D 12．下列離子方程式不正確的是(　　) A．石英與燒堿反應(yīng)：SiO2＋2OH－===SiO＋H2O B．硅與燒堿反應(yīng)：Si＋2OH－===SiO＋H2↑ C．硅酸鈉溶液中通入少量CO2：SiO＋CO2＋H2O===CO＋H2SiO3↓ D．往水玻璃中加入鹽酸：2H＋＋SiO===H2SiO3↓ 解析　硅與燒堿溶液反應(yīng)時，H2O參與反應(yīng)，Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑。 答案　B 13．(寧波模擬)將足量CO2氣體通入水玻璃(Na2SiO3溶液)中，然后加熱蒸干，再在高溫下充分灼燒，最后得到的固體物質(zhì)是(　　) A．Na2SiO3 B．Na2CO3、Na2SiO3 C．Na2CO3、SiO2 D．SiO2 解析　將足量CO2氣體通入水玻璃中，發(fā)生反應(yīng)：2CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3；加熱蒸干，高溫灼燒時發(fā)生反應(yīng)：H2SiO3H2O＋SiO2；2NaHCO3Na2CO3＋CO2↑＋H2O；Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，所以最后所得固體物質(zhì)是Na2SiO3，故選A項。 答案　A 14．材料與化學(xué)密切相關(guān)，表中對應(yīng)關(guān)系錯誤的是(　　) 選項 材料 主要化學(xué)成分 A 剛玉、金剛石 三氧化二鋁 B 大理石、石灰石 碳酸鈣 C 普通水泥、普通玻璃 硅酸鹽 D 沙子、石英 二氧化硅 解析　剛玉的成分是Al2O3，金剛石的成分是C，A錯誤；大理石、石灰石的成分是CaCO3；普通玻璃是由純堿、石灰石和石英為原料，經(jīng)混合、粉碎，在玻璃窯中熔融而得的硅酸鹽；普通水泥是以黏土和石灰石為主要原料，經(jīng)研磨、混合后在水泥回轉(zhuǎn)窯中煅燒，再加入適量石膏而得到的硅酸鹽；石英晶體是結(jié)晶的二氧化硅，具有不同的晶型和色彩。 答案　A 15．下列離子方程式不正確的是(　　) A．向燒堿溶液中通入過量的二氧化碳：2OH－＋CO2===CO＋H2O B．向純堿溶液中通入足量的二氧化碳：CO＋CO2＋H2O===2HCO C．向硅酸鈉水溶液中通入少量的二氧化碳：SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO D．向次氯酸鈉溶液中通入足量的二氧化碳：ClO－＋CO2＋H2O===HClO＋HCO 解析　A項錯誤，通入過量的CO2，應(yīng)生成HCO。 答案　A 16．下列關(guān)于硅的說法不正確的是(　　) A．硅是非金屬元素，但它的單質(zhì)是灰黑色有金屬光澤的固體 B．硅的導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導(dǎo)體材料 C．在常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)活潑 D．硅是人類將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的常用材料 解析　A項，晶體硅的結(jié)構(gòu)與金剛石類似，它是灰黑色有金屬光澤的非金屬固體，正確；B項，硅在元素周期表中處于金屬和非金屬的過渡位置，所以晶體硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間，是良好的半導(dǎo)體材料，正確；C項，常溫下，硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，錯誤；D項，硅是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的常用材料，正確。 答案　C 17．硅是無機非金屬材料的主角，硅的氧化物和硅酸鹽約占地殼質(zhì)量的90%以上。 (1)下列物質(zhì)不屬于硅酸鹽的是________。 A．陶瓷 B．普通玻璃 C．水泥 D．生石灰 (2)SiO2是玻璃的主要成分之一，SiO2與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為____________________________________________________________________， 工藝師常用________(填物質(zhì)名稱)來雕刻玻璃。 (3)用Na2SiO3水溶液浸泡過的棉花不易燃燒，說明Na2SiO3可用作________。Na2SiO3可通過SiO2與純堿混合高溫熔融反應(yīng)制得，高溫熔融純堿時下列坩堝可選用的是________。 A．普通玻璃坩堝 B．石英玻璃坩堝 C．氧化鋁坩堝 D．鐵坩堝 (4)工業(yè)上常利用反應(yīng)2C＋SiO2Si＋2CO↑制備硅單質(zhì)，該反應(yīng)中所含元素化合價升高的物質(zhì)是________(填化學(xué)式、下同)，氧化劑是________。 解析　(1)生石灰是CaO，為堿性氧化物且不含Si元素，不屬于硅酸鹽。(2)SiO2與NaOH溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。由于SiO2能溶于氫氟酸，因此工藝師常用氫氟酸來雕刻玻璃。(3)Na2SiO3水溶液又稱“水玻璃”，具有阻燃的功能，因此可用作防火劑。SiO2和Na2CO3在高溫下反應(yīng)生成Na2SiO3和CO2，故含SiO2的材料(普通玻璃、石英玻璃)以及Al2O3等都能與Na2CO3在高溫下反應(yīng)，故不能用以上材質(zhì)的坩堝熔融純堿。(4)題給反應(yīng)中C(碳)被氧化，SiO2中＋4價的硅被還原，因此SiO2作氧化劑。 答案　(1)D　(2)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O　氫氟酸　(3)防火劑　D　(4)C　SiO2 18．A、B、C、D、E五種物質(zhì)中均含有同一種非金屬元素，它們能發(fā)生如圖所示的轉(zhuǎn)化關(guān)系，該元素(用R表示)的單質(zhì)能與NaOH溶液反應(yīng)生成鹽(Na2RO3)和氫氣。 請回答下列問題： (1)寫出各物質(zhì)的化學(xué)式：A________；B________；C________；D________；E________。 (2)寫出反應(yīng)①的化學(xué)方程式：________________________________________， 該反應(yīng)中氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量之比為________。(3)寫出反應(yīng)④的離子方程式：______________________________________________________________。 (4)寫出反應(yīng)⑤的離子方程式：________________________________________。 (5)H2CO3的酸性強于E的，請用離子方程式予以證明： __________________________________________________________________ __________________________________________________________________。 解析　解答本題的“突破口(1)”是非金屬元素R的單質(zhì)能與NaOH溶液反應(yīng)生成鹽(Na2RO3)和氫氣，說明是硅及其化合物之間的轉(zhuǎn)化。“突破口(2)”是反應(yīng)條件“高溫”，A在高溫條件下，能與焦炭、CaCO3發(fā)生反應(yīng)，則A為SiO2。從而順藤摸瓜推知B為CaSiO3，D為Si，E為H2SiO3。 答案　(1)SiO2　CaSiO3　Na2SiO3　Si　H2SiO3 (2)SiO2＋2CSi＋2CO↑　1∶2　(3)Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑ (4)SiO＋Ca2＋===CaSiO3↓ (5)SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO 19．晶體硅是一種重要的非金屬材料，制備純硅的主要步驟如下： ①高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅 ②粗硅與干燥 HCl氣體反應(yīng)制得 SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2 ③SiHCl3與過量H2在1 000～1 100 ℃反應(yīng)制得純硅 已知SiHCl3能與H2O強烈反應(yīng)，在空氣中易自燃。 請回答下列問題： (1)第①步制備粗硅的化學(xué)反應(yīng)方程式為________________________________ __________________________________________________________________。 (2)粗硅與HCl反應(yīng)完全后，經(jīng)冷凝得到的SiHCl3(沸點33.0 ℃)中含有少量 SiCl4(沸點57.6 ℃)和 HCl(沸點－84.7 ℃)，提純 SiHCl3 采用的方法為__________________________________________________________________ __________________________________________________________________。 (3)用 SiHCl3與過量H2反應(yīng)制備純硅的裝置如下(熱源及夾持裝置略去)： ①裝置 B中的試劑是____________。 裝置 C中的燒瓶需要水浴加熱，其目的是___________________________________________________________________。 ②反應(yīng)一段時間后，裝置D中觀察到的現(xiàn)象是____________________，裝置D不能采用普通玻璃管的原因是____________________，裝置D中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為__________________________________________________________。 ③為保證制備純硅實驗的成功，操作的關(guān)鍵是檢查實驗裝置的氣密性，控制好反應(yīng)溫度以及________。 解析　(1)根據(jù)題給信息，粗硅可以用碳還原二氧化硅的辦法來制得，故反應(yīng)化學(xué)方程式為SiO2＋2CSi＋2CO↑。(2)因HCl易溶于水，而SiHCl3與H2O強烈反應(yīng)，故提純SiHCl3的方法只能在無水的條件下利用它們的沸點不同，采用分餾的方法進行。(3)①因SiHCl3與水強烈反應(yīng)，故A中產(chǎn)生的H2必須干燥，故B中的液體一定為濃H2SO4，且C中燒瓶需水浴加熱，其目的是使SiHCl3汽化，加快與H2的反應(yīng)；②根據(jù)題給信息石英管中產(chǎn)生的物質(zhì)應(yīng)為硅，故D中現(xiàn)象為有固體產(chǎn)生，由題給信息，制純硅的反應(yīng)條件為1 000～1 100 ℃，此溫度下普通玻璃容易軟化；③因高溫下H2與O2容易反應(yīng)而爆炸，故還應(yīng)排盡裝置中的空氣。 答案　(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑　(2)分餾(或蒸餾) (3)①濃硫酸　使滴入燒瓶中的SiHCl3汽化　②有固體物質(zhì)生成　在反應(yīng)溫度下，普通玻璃會軟化　SiHCl3＋H2Si＋3HCl?、叟疟M裝置中的空氣