化学 专题四 第讲 硅物质与信息材料学案
第2讲 含硅物质与信息材料
[考纲要求] 1.了解C、Si元素单质及其重要化合物的主要性质及应用。2.了解C、Si元素单质及其重要化合物对环境质量的影响。3.以新材料、新技术为背景考查C、Si元素及其重要化合物的性质及应用。
考点一 碳、硅单质及重要化合物的性质
1．C、Si单质的存在形态、物理性质及用途
(1)自然界中碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素因有亲氧性，所以仅有化合态。碳单质主要有金刚石、石墨、C60等同素异形体，硅单质主要有晶体硅和无定形硅两 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
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
碳、硅在参与化学反应时，一般表现还原性
(2)Si与非金属单质反应\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al(与非金属单质反应\b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al仅)
3．二氧化碳和二氧化硅的比较
物质 二氧化硅 二氧化碳 结构 空间立体网状结构，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 化 学 性 质 ①与水 不反应 CO2＋H2OH2CO3 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：SiO2＋Na2CO3高温(高温C)Na2SiO3＋CO2↑ 如与Na2SiO3反应：Na2SiO3＋H2O＋CO2(不足)===H2SiO3↓＋Na2CO3或Na2SiO3＋2H2O＋2CO2(足量)===H2SiO3↓＋2NaHCO3 ⑤与碱性氧
化物反应 如与CaO反应：SiO2＋CaO高温(高温应)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 4．硅酸和硅酸钠
(1)硅酸
硅酸不溶于水，其酸性比碳酸弱，硅酸不能(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：H2SiO3△(△O)SiO2＋H2O。
②硅酸能与碱溶液反应，如与NaOH溶液反应的化学方程式为H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O。
③硅酸在水中易聚合形成胶体。硅胶吸附水分能力强，常用作干燥剂。
(2)硅酸钠(Na2SiO3)
①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：Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
与CO2水溶液反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3。
③用途：黏合剂(矿物胶)，耐火阻燃材料。
深度思考
1．从元素周期表的位置看，碳和硅均为ⅣA族元素，自然界中有碳的多种单质存在，自然界中有硅的单质吗？为什么？
答案 没有，因为硅有很强的亲氧性，在地壳形成时硅与氧易结合，难分离，因而硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐形式存在。
2．写出除去下列气体中混有的杂质(括号内为杂质)可采取的方法：
(1)CO(CO2)：_____________________________________________________________。
(2)CO2(CO)：_____________________________________________________________。
(3)CO2(O2)：_____________________________________________________________。
(4)CO2(SO2)：____________________________________________________________。
(5)CO2(HCl)：____________________________________________________________。
答案 (1)通过盛有浓NaOH溶液的洗气瓶 (2)通过盛放灼热CuO的硬质玻璃管 (3)通过盛放灼热铜网的硬质玻璃管 (4)通过饱和NaHCO3溶液或酸性KMnO4溶液 (5)通过饱和NaHCO3溶液
3．如何用所提供的试剂和方法除去各粉末状混合物中的杂质(括号内为杂质)。将所选答案的编号填入下表内相应的空格内(如果不需要外加试剂，则对应答案栏可空着)。
可供选择的试剂：A.盐酸 B．氢氧化钠溶液 C．氧气 D．水 E．二氧化碳
可选用的操作：①水洗 ②加热 ③高温灼烧 ④过滤 ⑤结晶
粉末状混合物 选择的试剂 选用的操作 (1) CaCO3(SiO2) (2) NaCl(SiO2) (3) SiO2(Fe2O3) (4) SiO2(CaCO3) (5) SiO2(NH4Cl) 答案 (1)B ④ (2)D ④⑤ (3)A ④ (4)A ④ (5)②
解析 可根据二氧化硅是不溶于水的酸性氧化物；它可跟强碱反应，不跟酸(氢氟酸除外)反应；它受热不分解等性质选择。而三氧化二铁、碳酸钙跟盐酸反应；硅酸、氯化铵能受热分解。通过一定操作，除去杂质。除杂过程中所发生反应的化学方程式如下：
(1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O
(3)Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O
(4)CaCO3＋2HCl===CaCl2＋CO2↑＋H2O
(5)NH4Cl△(△))NH3↑＋HCl↑
题组一 CO2、SiO2结构与性质的考查
1．下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是 ( )
A．CO2、SiO2分别是碳酸和硅酸的酸酐
B．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸
C．CO2是酸性氧化性，SiO2是两性氧化物
D．CO2和SiO2都是由相应的分子组成的
答案 A
解析 SiO2不能与水反应，B项错；SiO2也是酸性氧化物，C项错；SiO2中不存在分子，其化学式仅代表Si、O原子个数比为1∶2。
2．下列说法正确的是 ( )
A．反应：SiO2＋Na2CO3高温(高温：)Na2SiO3＋CO2↑，说明H2SiO3的酸性大于H2CO3的酸性
B．可在试管内完成焦炭和石英砂(SiO2)制取硅的反应
C．二氧化硅是生产光导纤维、玻璃的基本原料
D．CO2、CH4、N2是温室气体
答案 C
解析 强酸制弱酸都是在溶液中进行的反应，而SiO2与Na2CO3是高温下的反应，生成CO2气体逸出，有利于反应的进行，A项错；在高温下试管会熔化，甚至玻璃试管中的SiO2会与焦炭反应，B项错；N2不是温室气体，D项错。
规律方法
熟记硅及其化合物的特殊性质
1．硅单质的特殊性
(1)Si的还原性大于C，但C却能在高温下还原出Si：SiO2＋2C高温(高温高)Si＋2CO↑；
(2)非金属单质跟碱液作用一般无H2放出，但Si与碱液作用却放出H2：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑；
(3)非金属单质一般不跟非氧化性酸作用，但Si能与HF作用：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；
(4)非金属单质大多为非导体，但Si为半导体。
2．含硅化合物的特殊性
(1)SiO2是H2SiO3的酸酐，但它不溶于水，不能直接与水作用制备H2SiO3；
(2)酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能跟HF作用：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O；
(3)无机酸一般易溶于水，但H2SiO3难溶于水；
(4)因H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以在Na2SiO3溶液中通入CO2能发生下列反应：Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但在高温下SiO2＋Na2CO3高温(高温高)Na2SiO3＋CO2↑也能发生。
题组二 CO2与盐或碱溶液反应的规律
3．用四种溶液进行实验，下表中"操作及现象"与"溶液"对应关系错误的是 ( )
选项 操作及现象 溶液 A 通入CO2，溶液变浑浊 饱和Na2CO3溶液 B 通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失 Na2SiO3溶液 C 通入CO2，溶液变浑浊，再加入品红溶液，红色褪去 Ca(ClO)2溶液 D 通入CO2，溶液变浑浊，继续通CO2至过量，浑浊消失，再加入足量NaOH溶液，又变浑浊 澄清石灰水 答案 B
解析 由于Na2CO3的溶解度大于NaHCO3，Na2CO3＋CO2＋H2O===2NaHCO3，因而会析出NaHCO3晶体，A项正确；B项，CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓，CO2＋Na2CO3＋H2O===2NaHCO3，H2SiO3与CO2不反应，浑浊不会消失；C项，CO2＋Ca(ClO)2＋H2O===CaCO3↓＋2HClO，溶液变浑浊后加入品红溶液，被HClO氧化褪色；D项，首先CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，继续通CO2，生成可溶于水的Ca(HCO3)2，再加入足量的NaOH，则：2NaOH＋Ca(HCO3)2===CaCO3↓＋Na2CO3＋2H2O，溶液又变浑浊。
4．标准状况下，将3.36 L CO2气体通入200 mL 1.00 mol·L－1 NaOH溶液中，充分反应后溶液中c(CO)与c(HCO)的比值为(不考虑CO、HCO的水解) ( )
A．1∶1 B．1∶2 C．2∶1 D．1∶3
答案 B
解析 n(CO2)＝＝0.150 mol
n(NaOH)＝0.200 L×1.00 mol·L－1＝0.200 mol
＝＝即1<<2，反应产物为Na2CO3、NaHCO3，设其物质的量分别为x、y，则
解得，所以＝。
思维建模
CO2与碱反应产物的定量判断
CO2通入NaOH、Ca(OH)2等强碱溶液的反应与CO2气体的通入量有关，当CO2通入少量时生成碳酸盐，当CO2通入过量时生成碳酸氢盐；当CO2的通入量介于两者之间时，既有正盐又有酸式盐生成，因此推断时一定要注意CO2与碱之间量的关系。
以CO2与NaOH溶液反应为例：
CO2＋2NaOH===Na2CO3＋H2O
CO2＋NaOH===NaHCO3
当n(OH－)∶n(CO2)的值不同时产物如下：
考点二 硅酸盐及无机非金属材料
1．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Na2O·SiO2，钾云母(KH2Al3Si3O12)写成K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O。
2．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。
①常见硅酸盐材料比较
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 玻璃熔窑 陶瓷窑 ②玻璃生产中的两个重要反应：Na2CO3＋SiO2高温(高温产)Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2高温(高温O)CaSiO3＋CO2↑。
(2)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。
1．有报道称，2013年太阳能晶体硅供不应求情况恐持续，其价格可望持稳。下列有关硅及其化合物的说法中正确的是 ( )
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①Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓，反应②Na2CO3＋SiO2高温(高温钠)Na2SiO3＋CO2↑，两反应是相互矛盾的，不可能都能发生
C．普通玻璃、石英玻璃，水泥等均属于硅酸盐材料
D．祖母绿的主要成分为Be3Al2Si6O18，用氧化物形式表示为3BeO·Al2O3·6SiO2
答案 D
解析 A项，硅酸钠本身是一种粘合剂，易造成磨口玻璃塞与瓶口粘结；B项，两反应条件不同，反应①是在溶液中进行，强酸可以制弱酸，而高温条件下，CO2是气体，逸出促使反应发生；C项，石英玻璃的成分为SiO2，SiO2是氧化物不是盐；D项正确。
2．青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸溶液处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是 ( )
A．青石棉是一种硅酸盐材料
B．青石棉中含有一定量的石英晶体
C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O
D．1 mol青石棉能使1 mol HNO3被还原
答案 B
解析 硅酸盐指的是硅、氧与其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)结合而成的化合物的总称，故青石棉是一种硅酸盐产品；青石棉是一种纯净物，不可能含有一定量的石英晶体；1 mol Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O跟硝酸反应时，失去3 mol电子，故能使1 mol HNO3被还原。
误区警示
(1)不要混淆二氧化硅和硅的用途
用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。
(2)水晶、石英、玛瑙的主要成分是SiO2；珍珠的主要成分是CaCO3；钻石是金刚石；宝石的主要成分是Al2O3。
考点三 碳、硅及化合物的相互关系及应用
1．碳及其化合物的转化关系图
2．硅及化合物转化关系图
题组一 碳、硅及其化合物的综合推断
1．已知甲、乙、丙、X是4种中学化学中常见的物质，其转化关系符合下图。则甲和X(要求甲和X能互换)不可能是 ( )
甲＋X(＋X )乙＋X(＋X )丙＋甲
A．C和O2 B．CO2和NaOH溶液
C．Cl2和Fe D．AlCl3溶液和NaOH溶液
答案 C
解析 A项正确，既可以实现CO2(O2，)COO2(O2，)CO2C(C2)CO的转化，也可以实现O2C(C化)CO2C(C化)COO2(O2))CO2的转化；B项正确，既可以实现CO2NaOH(NaOH可)NaHCO3NaOH(NaOH可)Na2CO3CO2(CO2H)NaHCO3的转化，也可以实现NaOHCO2(CO2也)Na2CO3CO2(CO2也)NaHCO3NaOH(NaOH))Na2CO3的转化；C项错误，可以实现Cl2Fe(Fe，)FeCl3Fe(Fel)FeCl2Cl2(Cl2))FeCl3的转化，但不能实现FeCl2(Cl2但)FeCl3Cl2(Cl2但)FeCl2的转化；D项正确，既可以实现AlCl3NaOH(NaOH可)Al(OH)3NaOH(NaOH))NaAlO2AlCl3(AlCl3))Al(OH)3的转化，也可以实现NaOHAlCl3(AlCl3以)NaAlO2AlCl3(AlCl3以)Al(OH)3NaOH(NaOH))NaAlO2的转化。
2．A、B、C、D、E五种物质中均含有同一种非金属元素，它们能发生如图所示的转化关系，该元素(用R表示)的单质能与NaOH溶液反应生成盐(Na2RO3)和氢气。
请回答下列问题：
(1)写出各物质的化学式：A__________；B__________；C__________；D__________；E__________。
(2)写出反应①的化学方程式：_____________________________________________，
该反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为________。
(3)写出反应④的离子方程式：_____________________________________________。
(4)写出反应⑤的离子方程式：_____________________________________________。
(5)H2CO3的酸性强于E的，请用离子方程式予以证明：____________________。
答案 (1)SiO2 CaSiO3 Na2SiO3 Si H2SiO3
(2)SiO2＋2C高温(高温S)Si＋2CO↑ 1∶2
(3)Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑
(4)SiO＋Ca2＋===CaSiO3↓
(5)SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO
解析 解答本题的"突破口(1)"是非金属元素R的单质能与NaOH溶液反应生成盐(Na2RO3)和氢气，说明是硅及其化合物之间的转化。"突破口(2)"是反应条件"高温"，A在高温条件下，能与焦炭、CaCO3发生反应，则A为SiO2。从而顺藤摸瓜推知B为CaSiO3，D为Si，E为H2SiO3。
思维建模
(1)解答无机推断题的思维模型
(2)解答硅及其化合物的推断题，高温反应条件、特征反应、单质与碱反应、盐溶液与过量盐酸反应产生白色沉淀等往往是推断题的"突破口"。
题组二 工业制取高纯硅
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：
ⅰ.高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅
ⅱ.粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：
Si＋3HCl300 ℃(300 ℃原)SiHCl3＋H2
ⅲ.SiHCl3与过量H2在1 000～1 100 ℃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ⅰ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)：
①装置B中的试剂是_____________________________________________________。
装置C中的烧瓶需要加热，其目的是_______________________________________。
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为_________________________________________。
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__________________。
④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是______(填写字母代号)。
a．碘水 b．氯水 c．NaOH溶液 d．KSCN溶液 e．Na2SO3溶液
答案 (1)SiO2＋2C高温(高温S)Si＋2CO↑ (2)分馏(或蒸馏)
(3)①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3气化
②有固体物质生成 在反应温度下，普通玻璃会软化
SiHCl3＋H21 000～1 100 ℃(1 000～1 100 ℃，)Si＋3HCl
③排尽装置中的空气 ④bd
解析 (1)根据题给信息，粗硅可以用碳还原二氧化硅的办法来制得，故反应方程式为SiO2＋2C高温,Si＋2CO↑。
(2)因HCl易溶于水，而SiHCl3与H2O强烈反应，故提纯SiHCl3的方法只能在无水的条件下利用它们的沸点不同，采用分馏的方法进行。
(3)①因SiHCl3与水强烈反应，故A中产生的H2必须干燥，故B中的液体一定为浓H2SO4，且C中烧瓶需加热，其目的是使SiHCl3气化，加快与H2的反应。②根据题给信息石英管中产生的物质应为硅，故D中现象应有固体产生，由题给信息，制纯硅的反应条件为1 000～1 100 ℃，此温度下普通玻璃容易软化。③因高温下H2与O2容易反应而爆炸，故还应排尽装置中的空气。④铁与盐酸反应产生Fe2＋，其检验方法常常采用先将Fe2＋氧化为Fe3＋然后再加入KSCN溶液看是否变血红色来检验。
探究高考 明确考向
1．判断正误，正确的划"√"，错误的划"×"
(1)单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料 ( )
(2012·新课标全国卷，8B)
(2)合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料 ( )
(2012·新课标全国卷，8D)
(3)甲丁(丁))乙丁甲丙，若甲为焦炭，则丁可能是O2 ( )
(2013·江苏，6A)
(4)SiO2可与HF反应，因而氢氟酸不能保存在玻璃瓶中 ( )
(2013·广东理综，10D)
(5)高温下用焦炭还原SiO2制取粗硅 ( )
(2013·广东理综，11C)
(6)SiO2有导电性，所以SiO2可用于制备光导纤维 ( )
(2012·广东理综，12B)
(7)硅酸钠溶液应保存在带玻璃塞的试剂瓶中 ( )
(2012·海南，4B)
(8)水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂 ( )
(2010·江苏，4B)
答案 (1)√ (2)× (3)√ (4)√ (5)√ (6)× (7)× (8)√
解析 (2)合成纤维不是无机非金属材料而是有机物。(6)SiO2不能导电。(7)应用橡胶塞。
2．(2011·海南，9改编)"碳捕捉技术"是指通过一定的方法将工业生产中产生的CO2分离出来并利用。如可利用NaOH溶液来"捕捉"CO2，其基本过程如下图所示(部分条件及物质未标出)。
下列有关该方法的叙述中正确的是 ( )
①能耗大是该方法的一大缺点
②整个过程中，只有一种物质可以循环利用
③"反应分离"环节中，分离物质的基本操作是蒸发结晶、过滤
④该方法可减少碳排放，捕捉到的CO2还可用来制备甲醇等产品
A．①② B．②③ C．③④ D．①④
答案 D
解析 ①，该方法中高温反应炉分离出CO2，需要消耗较多能量；②，整个过程中NaOH和CaO均可循环利用；③，从捕捉室中得到的溶液中含有大量的NaHCO3，加入CaO后生成CaCO3和NaOH，通过过滤的方法即可分离；④，捕捉到的CO2可与H2反应制备甲醇：CO2＋3H2一定条件(一定条件醇)CH3OH＋H2O。
3．[2013·安徽理综，25(3)改编]一种核素W的质量数为28，中子数为14，则W的单质与氢氟酸反应生成两种无色气体，该反应的化学方程式是___________________________。
答案 Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
4．[2009·浙江理综，28(1)(2)(3)]单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳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450～500 ℃)，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：
a．四氯化硅遇水极易水解；
b．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；
c．有关物质的物理常数见下表：
物质 SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5 沸点/℃ 57.7 12.8 － 315 － 熔点/℃ －70.0 －107.2 － － － 升华温度/℃ － － 180 300 162 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)。
答案 (1)MnO2＋4H＋＋2Cl－△(△l)Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O
(2)平衡气压 浓H2SO4 SiCl4沸点较低，用冷却液可得到液态SiCl4
(3)Al、B、P
解析 依题中信息可知A为Cl2的发生装置，B、C为Cl2净化装置，D中发生反应2Cl2＋Si△(△l)SiCl4，生成SiCl4用E收集，B中为饱和食盐水将氯化氢气体除去，C中应为浓H2SO4除水，由表中数据可知SiCl4沸点较低，用冷却液可得到液态SiCl4；由题中信息粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质)，即可轻松完成第(3)问。
练出高分
1．下列关于C、Si两种非金属元素的说法中，正确的是 ( )
A．两者结合形成的化合物是共价化合物
B．在自然界中都能以游离态存在
C．氢化物的热稳定性比较：CH4＜SiH4
D．最高价氧化物都能与水反应生成相应的酸
答案 A
解析 C、Si都是非金属元素，结合形成的化合物是共价化合物，A正确；Si元素为亲氧元素，不能以游离态存在，故B错；非金属性C＞Si，故氢化物的热稳定性SiH4＜CH4，故C错；SiO2既不溶于水，也不和水反应，故D错。
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
答案 D
解析 自然界中不存在单质硅。
3．下列关于SiO2和CO2的叙述中不正确的是 ( )
A．都是共价化合物
B．都是酸性氧化物，都能与强碱溶液反应
C．都能溶于水且与水反应生成相应的酸
D．SiO2可用于制光导纤维，干冰可用于人工降雨
答案 C
解析 二氧化硅不溶于水，硅酸是利用可溶性硅酸盐与酸反应制得的。
4．常温下，下列不发生反应的一组物质是 ( )
①硅与NaOH溶液 ②硅与盐酸 ③硅与氢氟酸 ④二氧化硅与碳酸钠 ⑤二氧化硅与NaOH溶液 ⑥二氧化硅与浓硝酸
A．①②④ B．③④⑥ C．②⑤⑥ D．②④⑥
答案 D
解析 ①Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑，③Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑，SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。
5．下列叙述正确的是 ( )
A．高温下二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，说明硅酸(H2SiO3)的酸性比碳酸强
B．陶瓷、玻璃、水泥容器都能贮存氢氟酸
C．石灰抹墙、水泥砌墙的硬化过程原理相同
D．玻璃窑中出来的气体的主要成分是二氧化碳
答案 D
解析 二氧化硅在高温下能与碳酸钠反应：Na2CO3＋SiO2高温(高温化)Na2SiO3＋CO2↑，但不能说明硅酸的酸性比碳酸强，上述反应之所以能进行，是因为CO2不断逸出，反应向右进行；玻璃、陶瓷、水泥中均含有SiO2，会与氢氟酸反应；石灰抹墙发生反应CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，而水泥砌墙是水泥与水作用发生一系列变化而凝固变硬。
6．下列离子方程式不正确的是 ( )
A．石英与烧碱反应：SiO2＋2OH－===SiO＋H2O
B．硅与烧碱反应：Si＋2OH－===SiO＋H2↑
C．硅酸钠溶液中通入少量CO2：SiO＋CO2＋H2O===CO＋H2SiO3↓
D．往水玻璃中加入盐酸：2H＋＋SiO===H2SiO3↓
答案 B
解析 硅与烧碱溶液反应时，H2O参与反应，Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑。
7．将足量CO2气体通入水玻璃(Na2SiO3溶液)中，然后加热蒸干，再在高温下充分灼烧，最后得到的固体物质是 ( )
A．Na2SiO3 B．Na2CO3、Na2SiO3
C．Na2CO3、SiO2 D．SiO2
答案 A
解析 将足量CO2气体通入水玻璃中，发生反应：2CO2＋Na2SiO3＋2H2O===H2SiO3↓＋2NaHCO3；加热蒸干，高温灼烧时发生反应：H2SiO3△(△O)H2O＋SiO2；2NaHCO3△(△a)Na2CO3＋CO2↑＋H2O；Na2CO3＋SiO2高温(高温))Na2SiO3＋CO2↑，所以最后所得固体物质是Na2SiO3，故选A项。
8．用足量的CO还原13.7 g某铅氧化物，把生成的CO2全部通入到过量的澄清石灰水中，得到的沉淀干燥后质量为8.0 g，则此铅氧化物的化学式是 ( )
A．PbO B．Pb2O3 C．Pb3O4 D．PbO2
答案 C
解析 设此铅氧化物的化学式为PbxOy，
PbxOy～y[O]～yCO～yCO2～yCaCO3
16y 100y
m(O)＝1.28 g 8.0 g
所以m(Pb)＝13.7 g－1.28 g＝12.42 g
x∶y＝∶＝3∶4。
9．将足量CO2通入KOH和Ca(OH)2的混合稀溶液中，生成沉淀的物质的量(n)和通入CO2体积(V)的关系正确的是 ( )
答案 D
解析 CO2与KOH和Ca(OH)2都会反应，但存在着竞争，如果先与KOH反应，则反应后生成的K2CO3立即会与Ca(OH)2反应生成CaCO3，因此，可以看成CO2先与Ca(OH)2反应，所以通CO2后立即有CaCO3生成。第二步还要判断CO2是先跟KOH反应还是先与生成的CaCO3反应，同样可以采用假设法判断，即如果先与CaCO3反应，则生成的Ca(HCO3)2又会与KOH反应，因此应是先与KOH反应，此过程生成沉淀的物质的量不变，当KOH反应完全，再与CaCO3反应，直至沉淀完全溶解，故选D。
10．下列说法正确的是 ( )
A．高温下，可在试管内完成焦炭和石英砂(SiO2)制取硅的反应
B．CO2和钠在一定条件下反应可以得到金刚石和碳酸钠，反应中氧化剂和还原剂物质的量之比是3∶4
C．现代海战通过喷放液体SiCl4(极易水解)和液氨可产生烟幕，烟幕的主要成分是NH4Cl
D．从燃煤烟道灰(含GeO2)中提取半导体材料单质锗(Ge)，没有发生氧化还原反应
答案 C
解析 A项，试管自身含有二氧化硅，高温条件下可以和焦炭反应；B项，CO2和钠在一定条件下反应可以得到金刚石和碳酸钠，反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比是1∶4；C项，SiCl4(极易水解)水解后生成硅酸和氯化氢，氯化氢易和氨气反应生成氯化铵固体；D项，由GeO2提取半导体材料单质锗(Ge)发生了氧化还原反应。
11．如图所示物质的转化关系中，A是一种固体单质，E是一种白色沉淀。
请回答下列问题：
(1)B的化学式是____________，目前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和过量的盐酸反应的离子方程式是___________________________________。
审题分析 本题应抓住框图中的转化关系，以题设条件C＋过量盐酸―→E(白色沉淀)为突破口进行推断，并结合已有知识进行设定与推测。
答案 (1)SiO2 光导纤维
(2)SiO2＋2OH－===SiO＋H2O
(3)Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑
(4)SiO＋2H＋===H2SiO3↓
解析 C与过量的盐酸反应生成白色沉淀E，则E可能是硅酸或氯化银，若E是氯化银，则C是硝酸银，A为银，则根据已有知识，银可以与硝酸反应生成硝酸银，而银与硝酸反应能生成三种产物，不符合框图中物质间的转化关系。则E只能为硅酸，则C为硅酸盐，A为硅，a溶液为强碱的水溶液，进一步推出B为二氧化硅。
12．含A元素的一种单质是一种重要的半导体材料，含A元素的一种化合物C可用于制造高性能的现代通讯材料--光导纤维，C与烧碱反应生成含A元素的化合物D。
(1)在元素周期表中，A位于________族，与A同族但相对
原子质量比A小的元素B的原子结构示意图为________，A与B在原子的电子层结构上的相同点是________________________________________________。
(2)易与C发生化学反应的酸是________(写名称)，反应的化学方程式是____________。
(3)将C与纯碱混合高温熔融时也发生化学反应生成D，同时还生成B的最高价氧化物E；将全部的E与全部的D在足量的水中混合后，又发生化学反应生成含A的化合物F。
①写出生成D和F的化学反应方程式：_______________________________________。
②要将纯碱高温熔化，下列坩埚中可选用的是________。
A．普通玻璃坩埚 B．石英玻璃坩埚
C．氧化铝坩埚 D．铁坩埚
(4)100 g C与石灰石的混合物充分反应后，生成的气体在标准状况下的体积为11.2 L,
100 g混合物中石灰石的质量分数是____________________。
答案 (1)ⅣA 最外层均有4个电子，最内层均有2个电子
(2)氢氟酸 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
(3)①SiO2＋Na2CO3高温(高温 )Na2SiO3＋CO2↑，Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓ ②D
(4)50%
解析 (1)A元素单质可作半导体材料，含A元素的某化合物是制造光导纤维的原料，可知A为硅元素，C为SiO2，D为Na2SiO3。比硅相对原子质量小的同族元素B为碳。(2)C为SiO2，能与SiO2反应的酸只有氢氟酸。(3)SiO2与Na2CO3高温下反应生成Na2SiO3和CO2，含SiO2的材料(普通玻璃、石英玻璃)以及Al2O3等都能与Na2CO3在高温下反应，故不能用以上材质的坩埚熔融Na2CO3。(4)若SiO2恰好完全反应或过量，与CaCO3反应的化学方程式只有一个，即CaCO3＋SiO2高温(高温O)CaSiO3＋CO2↑。若CaCO3过量，除发生上述反应外，还会发生反应：CaCO3高温(高温O)CaO＋CO2↑。总之，CaCO3的多少决定了CO2的产量，可通过以下关系列式求解：
CaCO3 ～ CO2
100 g 22.4 L
m(CaCO3) 11.2 L
m(CaCO3)＝50 g
混合物中CaCO3的质量分数：×100%＝50%。
13．硅及其化合物在自然界广泛存在并被人类应用。
(1)氮化硅膜与二氧化硅膜相比较具有表面化学性能稳定等优点，故氮化硅膜可用于半导体工业。可以用NH3和SiH4(硅烷)在一定条件下反应，并在600 T的加热基板上生成氮化硅膜：
3SiH4＋4NH3一定条件(一定条件上)Si3N4＋12H2
以硅化镁为原料制备硅烷的反应和工业流程如下：
反应原理：4NH4Cl＋Mg2Si常温常压4NH3↑＋SiH4↑＋2MgCl2 (ΔH＜0)
①NH4Cl中的化学键类型有______________________，SiH4的电子式为______________。
②上述生产硅烷的过程中液氨的作用是______________________________________。
③氨气是重要的工业原料，写出氨气发生催化氧化反应生成NO的化学方程式_______，
实验室可利用如右图所示装置完成该反应。在实验过程中，除观察到锥形瓶中产生红棕色气体外，还可观察到有白烟生成，白烟的主要成分是______________。
(2)三硅酸镁(Mg2Si3O8·nH2O)难溶于水，在医药上可做抗酸剂。它除了可以中和胃液中多余的酸之外，生成的H2SiO3还可覆盖在有溃疡的胃表面，保护其不再受刺激。三硅酸镁与盐酸反应的化学方程式为______________________。将0.184 g三硅酸镁加入到50 mL 0.1 mol·L－1盐酸中，充分反应后，滤去沉淀，用0.1 mol·L－1 NaOH溶液滴定剩余的盐酸，消耗NaOH溶液30 mL，则Mg2Si3O8·nH2O中的n值为__________。(注：Mg2Si3O8的摩尔质量为260 g·mol－1)。
答案 (1)①极性键(或共价键)、离子键
②吸收热量，保证反应在常温下进行(答"制冷"或"降温"均可) ③4NH3＋5O2催化剂△4NO＋6H2O NH4NO3(或硝酸铵) (2)Mg2Si3O8·nH2O＋4HCl===3H2SiO3＋2MgCl2＋
(n－1)H2O 6
解析 (1)②液氨的作用是制冷、吸收热量，保证反应在常温下进行，并不参与反应。
(2)书写Mg2Si3O8·nH2O与HCl反应的化学方程式时，Mg2Si3O8·nH2O要以整体形式出现。
Mg2Si3O8·nH2O＋4HCl===3H2SiO3＋2MgCl2＋(n－1)H2O
1 mol 4 mol
0.050 L×0.1 mol·L－1－0.1 mol·L－1×0.030 L
x mol ＝0.002 mol
x＝0.000 5
0．000 5×(260＋18n)＝0.184，n＝6。
14．氮化硅(Si3N4)是一种优良的高温结构陶瓷，在工业生产和科技领域中有重要用途。
Ⅰ.工业上有多种方法来制备氮化硅，下面是几种常见的方法：
方法一 直接氮化法：在1 300～1 400 ℃时，高纯粉状硅与纯氮气化合，其反应方程式为________________________________________________________________________。
方法二 化学气相沉积法：在高温条件下利用四氯化硅气体、纯氮气、氢气反应生成氮化硅和HCl，与方法一相比，用此法制得的氮化硅纯度较高，其原因是______________。
方法三 Si(NH2)4热分解法：先用四氯化硅与氨气反应生成Si(NH2)4和一种气体______________(填分子式)；然后使Si(NH2)4受热分解，分解后的另一种产物的分子式为____________________。
Ⅱ.(1)氮化硅抗腐蚀能力很强，但易被氢氟酸腐蚀，氮化硅与氢氟酸反应生成四氟化硅和一种铵盐，此盐中存在的化学键类型有______________。
(2)已知：25 ℃，101 kPa条件下的热化学方程式：
3Si(s)＋2N2(g)===Si3N4(s) ΔH＝－750.2 kJ·mol－1 ①
Si(s)＋2Cl2(g)===SiCl4(g) ΔH＝－609.6 kJ·mol－1 ②
H2(g)＋Cl2(g)===HCl(g) ΔH＝－92.3 kJ·mol－1 ③
请写出四氯化硅气体与氮气、氢气反应的热化学方程式：
________________________________________________________________________。
Ⅲ.工业上制取高纯硅和四氯化硅的生产流程如下：
已知：X、高纯硅、原料B的主要成分都可与Z反应，Y与X在光照或点燃条件下可反应，Z的焰色呈黄色。
(1)原料B的主要成分是________(写名称)。
(2)写出焦炭与原料B中的主要成分反应的化学方程式：_______________________。
(3)上述生产流程中电解A的水溶液时，阳极材料能否用Cu？________(填"能"或"不能")。写出Cu为阳极电解A的水溶液开始一段时间阴、阳极的电极方程式。
阳极：________；阴极________。
答案 Ⅰ.方法一：3Si＋2N21 300～1 400 ℃(1 300～1 400 ℃的)Si3N4
方法二：方法一所得到的产品中混有单质硅(或方法二除产品是固体外，其他物质均为 气体)
方法三：HCl NH3
Ⅱ.(1)离子键、共价键 (2)3SiCl4(g)＋2N2(g)＋6H2(g)===Si3N4(s)＋12HCl(g) ΔH＝－29.0 kJ·mol－1
Ⅲ.(1) 二氧化硅 (2)SiO2＋2C1 600～1 800 ℃(1 600～1 800 ℃物)Si＋2CO↑
(3)不能 Cu－2e－===Cu2＋ 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
解析 Ⅰ.方法一：氮化硅的化学式是Si3N4，根据元素守恒可以写出硅与纯氮气化合的反应方程式为3Si＋2N21 300～1 400 ℃(1 300～1 400 ℃氮)Si3N4；
方法二：方法一的产物中会混有没有完全反应的单质硅，而化学气相沉积法的反应为3SiCl4＋2N2＋6H2高温(高温C)Si3N4＋12HCl，该生产过程中除了Si3N4是固体外，其他物质均为气体，故得到的产物较纯净；
方法三：四氯化硅与氨气反应生成Si(NH2)4的反应为SiCl4＋4NH3===Si(NH2)4＋4HCl，Si(NH2)4受热分解的反应为3Si(NH2)4△(△i)Si3N4＋8NH3↑。
Ⅱ.(1)氮化硅与氢氟酸反应生成四氟化硅和氟化铵，氟化铵中含有离子键和极性共价键。
(2)四氯化硅气体与氮气、氢气反应的方程式：3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl。
根据盖斯定律，将①－②×3＋③×12得
3SiCl4(g)＋2N2(g)＋6H2(g)===Si3N4(s)＋12HCl(g) ΔH＝－29.0 kJ·mol－1。
Ⅲ.根据流程图分析，原料B和焦炭反应产生的是粗硅，故原料B是二氧化硅，X是氯气。由"Y与X在光照或点燃条件下可反应"可以推知Y是氢气，再根据"Z的焰色呈黄色"、"X、高纯硅、原料B的主要成分都可与Z反应"综合推断Z为氢氧化钠，A为氯化钠。
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