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高中化学专题之硅及其化合物
高中化学专题之硅及其化合物
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一、硅和二氧化硅1.硅(1)自然界存在形式:硅在地壳中的含量仅次于氧,全部以化合态存在。主要单质有:晶体硅和无定性硅两大类。(2)物理性质:晶体硅为原子晶体,灰黑色、有金属光泽、硬度大而脆、熔沸点高。导电性介于导体和绝缘体之间,是常用的半导体材料。(3)化学性质:常温下化学性质不活泼,只能跟F2、HF和NaOH溶液反应,在高温条件下,单质硅能与O2和Cl2等非金属单质反应。条件化学反应化学方程式常温跟F2反应Si+2F2=SiF4跟HF反应Si+4HF=SiF4↑+2H2↑跟NaOH溶液反应Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑高温跟O2反应Si+O2SiO2跟Cl2反应Si+2Cl2SiCl4(4)用途:太阳能电池、计算机芯片、半导体材料、制作特种钢及合金等。(5)制备:自然界中无游离态的硅,工业上,用C在高温下还原SiO2可制得粗硅,有关反应的化学方程式:SiO2+2CSi(粗)+ 2CO↑,Si(粗)+2Cl2SiCl4,SiCl4+2H2Si(纯)+4HCl2.二氧化硅(SiO2)(1)SiO2的空间结构:SiO2晶体是立体网状结构。在SiO2晶体里,每个Si周围结合四个O,同时每个O与两个Si相结合,在SiO2晶体中原子个数比为1∶2,因此用“SiO2”这个式子表示二氧化硅晶体的组成。SiO2直接由原子构成不存在单个SiO2分子。(2)物理性质:熔点高,硬度大,不溶于水。(3)化学性质:SiO2常温下化学性质很不活泼,不与水、酸反应(氢氟酸除外),能与强碱溶液、氢氟酸反应,高温条件下可以与碱性氧化物反应。化学反应化学方程式相关应用与强碱反应SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2能与强碱溶液生成的硅酸钠具有粘性,所以不能用带磨口玻璃塞试剂瓶存放碱性溶液,避免Na2SiO3将瓶塞和试剂瓶粘住,打不开,碱性溶液存放应用橡皮塞与氢氟酸反应SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O利用此反应,氢氟酸能刻蚀玻璃;氢氟酸不能用玻璃试剂瓶存放,应用塑料瓶 与碱性氧化物反应SiO2+CaOCaSiO与某些盐类反应SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑SiO2+Na2CO3Na2SiO3+CO2↑之所以能够如此反应,原因是高温条件下,产物CO2容易从反应体系中逃逸,使反应向正方面进行(4)用途:石英可用于制作石英表和石英玻璃;石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料;水晶常用来制造电子部件、光学仪器、工艺品和眼镜片等;玛瑙用于制造精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品;SiO2被用于制造高性能的现代通讯材料——光导纤维。例1、下列说法正确的是 。①因为HF与SiO2反应,故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记②下列转化在一定条件下能够实现:SiO2HCl(aq)SiCl4――→H2高温Si③石英砂可用于生产单晶硅④用NaOH溶液不能分离氧化铁中混有的二氧化硅⑤Si和SiO2都可用于制造光导纤维⑥SiO2既能和NaOH溶液反应,又能和氢氟酸反应,所以是两性氧化物⑦向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸的离子方程式:Na2SiO3+2H+===H2SiO3↓+2Na+⑧SiC与SiO2的熔点均与所含化学键的键能有关⑨碳和硅均为ⅣA族元素,自然界中有碳和硅的多种单质存在⑩在粗硅的制取中发生2C+SiO2高温2CO↑+Si,硅被还原,所以碳的还原性大于硅的还原性 ⑪二氧化碳和二氧化硅都可溶解在NaOH溶液中⑫用盐酸可除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙例1、①③⑧⑫【解析】氟化氢和二氧化硅反应生成四氟化硅和水,可以刻蚀玻璃,①正确;四氯化硅被氢气还原可以制备单质硅,但SiO2与盐酸不反应,②错误;石英砂主要成分为SiO2,可用碳还原得到粗硅,经提纯得单晶硅,③正确;一个碱性氧化物,一个是酸性氧化物,所以可先用氢氧化钠溶液溶解,过滤,得氧化铁固体和硅酸钠溶液,往硅酸钠溶液中加入盐酸,过滤,将所得沉淀加热即可得到二氧化硅,④错误;Si可用于制造半导体,SiO2用于制造光导纤维,⑤错误;SiO2和氢氟酸反应,没有生成盐和水,不是两性氧化物,⑥错误;向Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸的离子方程式为SiO32-+2H+===H2SiO3↓,⑦错误;SiC和SiO2都是原子晶体,熔化断裂的是共价键,与化学键有关,⑧正确;因为硅有很强的亲氧性,在地壳形成时硅与氧易结合,因而硅在自然界中主要以氧化物和硅酸盐的形式存在,⑨错误;依据元素周期律可知,硅的还原性大于碳,反应能发生是因为产物中有CO气体生成,使平衡向右移动,⑩错误;二氧化碳和二氧化硅都属于酸性氧化物,都能与NaOH溶液反应生成盐和水,⑪错误;盐酸与SiO2不反应,与CaCO3反应,⑫正确。二、硅酸与硅酸盐1.硅酸 (1)物理性质:硅酸是不溶于水的白色胶状物,能形成硅胶,硅胶吸附水分能力强。(2)化学性质:H2SiO3是一种弱酸,酸性比碳酸弱,其酸酐为SiO2,不能直接由SiO2溶于水制得,而用可溶性硅酸盐与酸反应制取:Na2SiO3+2HCl=2NaCl+H2SiO3↓或Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3(此方程式证明酸性:H2SiO3<H2CO3)(3)用途:硅胶作干燥剂、催化剂的载体。2.硅酸盐硅酸盐是由硅、氧、金属元素组成的化合物的总称。硅酸盐种类很多,大多数难溶于水,最常见的可溶性硅酸盐是Na2SiO3。(1)硅酸钠溶于水,其水溶液俗称“水玻璃”,是一种矿物胶。盛水玻璃的试剂瓶要使用橡胶塞。能与酸性较强的酸反应:Na2SiO3 +2HCl=H2SiO3↓(白)+2NaCl;Na2SiO3 +CO2 +H2O=H2SiO3↓+Na2CO3。(2)硅酸盐材料是传统的无机非金属材料,玻璃、水泥、各种陶瓷等都是以黏土、石英和长石等为原料生产的硅酸盐制品。硅酸盐产品水 泥玻 璃原料石灰石、黏土纯碱、石灰石、石英反应原理发生复杂的物理化学变化SiO2 +Na2CO3 Na2SiO3 +CO2↑SiO2 +CaCO3 CaSiO3 +C O2↑主要设备水泥回转窑玻璃窑主要成分3CaO·SiO2、2CaO·SiO2、3CaO·Al2O3Na2SiO3、CaSiO3、SiO2反应条件高温高温陶瓷生产的一般过程:混合→成型→干燥→烧结→冷却→陶瓷,随着现代科学技术的发展,一些具有特殊结构、特殊功能的新型无机非金属材料如高温结构陶瓷、生物陶瓷、压电陶瓷等相继被生产出来。例2、下列说法正确的是 。①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②高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维③玻璃瓶不能盛放氢氟酸④SiO2与水反应可制取硅酸⑤CO2通入水玻璃可以得到硅酸沉淀⑥水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品⑦玻璃是一种纯净物⑧陶瓷、玻璃、水泥都用到石灰石作原料⑨水玻璃的化学性质稳定,在空气中不易变质⑩烧碱溶液存放在带橡胶塞的玻璃瓶中例2、③⑤⑩ 【解析】硅在地壳中的含量为与氧元素之后居第二位,①错误;光导纤维的成分是SiO2,②错误;普通玻璃是硅酸钠(Na2SiO3)、硅酸钙(CaSiO3)和二氧化硅(SiO2)等熔合而得到的物质,氢氟酸遇二氧化硅易发生如下反应:SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O,故玻璃瓶不能盛放氢氟酸,氢氟酸通常盛放在塑料瓶中,③正确;SiO2是酸性氧化物,但它不溶于水,不能直接与水反应制取硅酸,④错误;H2SiO3是一种弱酸,酸性比碳酸还要弱,CO2通入水玻璃发生的反应为:Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3,⑤正确;水晶、光导纤维的主要成分均是SiO2,并不是硅酸盐,⑥错误;玻璃的成分主要是SiO2和硅酸盐,它是混合物,无固定的熔、沸点,⑦错误;玻璃、水泥都用石灰石作原料,而陶瓷主要原料为黏土,⑧错误;水玻璃易与空气中的二氧化碳反应,⑨错误;盛放烧碱溶液的试剂瓶若使用玻璃塞封口,玻璃塞中的SiO2跟碱液反应生成Na2SiO3,而使瓶口和瓶塞黏结在一起,⑩正确。【精简训练】1.下列物质的用途不正确的是( )A.单质硅用来制作芯片 B.水晶玛瑙制作工艺品和饰品C.硅酸钠用作防火材料 D.二氧化硅制作太阳能电池2.如图是利用二氧化硅制备硅及其化合物的流程,下列说法正确的是( ) A.SiO2属于两性氧化物B.盛放Na2CO3溶液的试剂瓶用玻璃塞C.硅胶吸水后可重复再生D.图中所示的转化都是氧化还原反应3.下列说法正确的是A.因为HF与SiO2反应,故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记B.下列转化在一定条件下能够实现:SiO2SiCl4SiC.SiO2既能和NaOH溶液反应,又能和氢氟酸反应,所以是两性氧化物D.Si和SiO2都用于制造光导纤维 4.单晶硅是制作电子集成电路的基础材料,对硅的纯度要求很高。制得高纯度硅的化学方程式为:①SiO2 +2C Si+2CO ②Si+3HClSiHCl3 +H2 ③SiHCl3 +H2 Si+3HCl,则有关反应分类说法正确的是A.①②③均属于氧化还原反应 B.只有①属于置换反应C.只有①属于氧化还原反应 D.③属于复分解反应5.下列各项操作中,不发生先沉淀后溶解现象的是( )①向Na2CO3饱和溶液中通入过量的CO2②向Na2SiO3溶液中逐滴加入过量稀硫酸③向石灰水中通入过量的CO2气体④向NaAlO2溶液中通入过量CO2A.①②③④ B.①② C.①②④ D.①②③6.是硅酸盐水泥的重要成分之一,其相关性质的说法不正确的是( )A.可发生反应:B.具有吸水性,需要密封保存C.能与,反应生成新盐D.与足量盐酸作用,所得固体产物主要为7.青石棉(cricidolite)是世界卫生组织确认的一种致癌物质,是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一,青石棉的化学式为: Na2Fe5Si8O22(OH)2,青石棉用稀硝酸溶液处理时,还原产物只有NO,下列说法中正确的是( )A.青石棉是一种易燃品,且易溶于水B.青石棉的化学组成用氧化物的形式可表示为:Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2OC.1molNa2Fe5Si8O22(OH)2与足量的硝酸作用,至少需消耗8.5L2mol/LHNO3溶液D.Na2Fe5Si8O22(OH)2不能和氢氟酸作用8.单晶硅是信息产业中重要的基础材料。工业上可用焦炭与石英砂(SiO2)的混合物在高温下与氯气反应生成SiCl4和CO,SiCl4经提纯后用氢气还原得高纯硅。以下是实验室制备 SiCl4的装置示意图:实验过程中,石英砂中的铁、铝等杂质也能转化为相应氯化物,SiCl4、AlCl3、FeCl3遇水均易水解,有关物质的物理常数见下表:物质SiCl4AlCl3FeCl3沸点/℃57.7—315熔点/℃-70.0—— 升华温度/℃—180300(1)装置B中的试剂是_______,装置 D中制备SiCl4的化学方程式是______。(2)D、E间导管短且粗的作用是______。(3)G中吸收尾气一段时间后,吸收液中肯定存在OH-、Cl-和SO42-,请设计实验,探究该吸收液中可能存在的其他酸根离子(忽略空气中CO2的影响)。(提出假设)假设1:只有SO32-;假设2:既无SO32-也无ClO-;假设3:______。(设计方案进行实验)可供选择的实验试剂有:3mol/LH2SO4、1mol/LNaOH、0.01mol/LKMnO4、溴水、淀粉-KI、品红等溶液。取少量吸收液于试管中,滴加 3mol/LH2SO4 至溶液呈酸性,然后将所得溶液分置于a、b、c三支试管中,分别进行下列实验。请完成下表:序号操作可能出现的现象结论①向a试管中滴加几滴_____溶液若溶液褪色则假设1成立若溶液不褪色则假设2或3成立②向b试管中滴加几滴_____溶液若溶液褪色则假设1或3成立若溶液不褪色假设2成立 ③向c试管中滴加几滴_____溶液_____假设3成立参考答案1.D【解析】A项、单质硅可以做半导体、硅芯片和太阳能电池,故A正确;B项、水晶玛瑙的主要成分是二氧化硅,可以制作工艺品和饰品,故B正确;C项、硅酸钠溶液可以用作木材的防火材料和防腐材料,故C正确;D项、二氧化硅可制作光导纤维,太阳能电池的主要材料为单质硅,故D错误;故选D。2.C【解析】A.二氧化硅与NaOH反应:SiO2+2NaOH═Na2SiO3+H2O,生成了盐和水,SiO2虽然能与HF反应:SiO2+4HF═SiF4↑+2H2O,但没有盐生成,二氧化硅不是两性氧化物,二氧化硅是酸性氧化物,故A错误;B.Na2CO3溶液呈碱性,二氧化硅能与碱反应生成具有黏性的硅酸盐,使玻璃塞无法打开,故B错误;C. 硅胶吸水后,可通过加热的方式将水除去重复使用,C正确; D.图中二氧化硅与氢氟酸、氢氧化钠、碳酸钠的反应,硅酸钠与盐酸的反应,硅酸钠与二氧化碳、水的反应,硅酸的分解,元素的化合价都没有发生变化,是非氧化还原反应,故D错误;答案选C。3.A【解析】A、HF与SiO2反应生成SiF4气体,会腐蚀玻璃,A 正确;B、SiO2与HCI不反应,B错误;C、SiO2只能与HF反应,不与其他酸反应,故不是两性氧化物,C错误;D、Si不能用于制造光导纤维,D错误。故选A;4.A【解析】A. ①②③均属于氧化还原反应,故A正确;B. ①②③均属于置换反应,故B错误;C. ①②③均属于氧化还原反应,故C错误;D. ③不属于复分解反应,故D错误;故选A。5.C【解析】①由于碳酸氢钠的溶解度小于碳酸钠,会有晶体析出,①符合题意;②Na2SiO3和稀硫酸反应,生成硅酸沉淀,硅酸不溶于水,也不溶于稀硫酸,②符合题意;③石灰水和CO2气体反应,先生成碳酸钙沉淀,继续通入二氧化碳,生成碳酸氢钙,碳酸氢钙溶于水,③不符合题意; ④NaAlO2溶液和CO2反应生成氢氧化铝沉淀,氢氧化铝不溶于水,也不溶于碳酸,④符合题意;故本题选C。6.D【解析】A.Ca3SiO5与NH4Cl反应的方程式为:Ca3SiO5+4NH4Cl CaSiO3+2CaCl2+4NH3↑+2H2O,A正确;B.CaO能与水反应,所以需要密封保存,B正确;C.亚硫酸的酸性比硅酸强,当二氧化硫通入到Ca3SiO5溶液时,发生反应:3SO2+H2O+Ca3SiO5=3CaSO3+H2SiO3,C正确;D.盐酸的酸性比硅酸强,当盐酸与Ca3SiO5反应时,发生反应:6HCl+Ca3SiO5=3CaCl2+H2SiO3+2H2O,D不正确;故选D。7.B【解析】A.青石棉属于硅酸盐,不易燃,也不溶于水,故A错误;B.青石棉中铁元素的化合价由+2价和+3价两种,根据原子守恒和化合价不变的思想,化学组成用氧化物的形式可表示为:Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O,故B正确;C.青石棉用稀硝酸溶液处理时,亚铁离子被氧化为铁离子,硝酸被还原为一氧化氮,产物为NaNO3、Fe(NO3)3、NO、H2O、SiO2,1mol该物质能和(2mol+5mol×3+1mol)=18molHNO3反应,至少需消耗9L2mol/LHNO3溶液,故C错误;D.青石棉能与氢氟酸反应生成四氟化硅,故D错误。故选B。 8.(1)饱和食盐水;SiO2+2C+2Cl2SiCl4+2CO(2)防止生成物中的AlCl3,FeCl3等杂质凝结成固体堵塞导管(3)只有ClO-;0.01mol/LKMnO4溶液(或溴水);品红;淀粉-KI;若溶液变为蓝色 【解析】制备四氯化硅的实验流程:A中发生二氧化锰与浓盐酸的反应生成氯气,B中饱和食盐水除去Cl2中杂质HCl,C装置中浓硫酸干燥氯气,D中发生Si与氯气的反应生成四氯化硅,由信息可知,四氯化硅的沸点低,则E装置冷却可收集四氯化硅,F可防止F右端的水蒸气进入装置E中与四氯化硅反应,造成产物不纯,最后G处理含氯气的尾气。据此解答。 (1)装置A是氯气发生装置,A中二氧化锰与浓盐酸在加热条件下反应生成氯化锰、氯气和水,其离子方程式为MnO2+4H++2Cl-Mn2++2H2O+Cl2↑;浓盐酸具有挥发性,所以制取得到的Cl2中含有杂质HCl及水蒸气,装置B的作用是除去杂质HCl,结合Cl2与水的反应是可逆反应的特点,装置B使用的试剂是饱和食盐水,用以除去杂质HCl;在D装置中二氧化硅、碳和氯气反应生成四氯化硅和一氧化碳,反应为:SiO2+2C+2Cl2SiCl4+2CO;(2)石英砂中的杂质Fe、Al会与Cl2反应产生FeCl3、AlCl3,这两种物质的熔沸点比较高,在室温下成固态,D、E间导管短且粗就可防止生成物中的AlCl3,FeCl3等杂质凝结成固体堵塞导管;(3)由假设1和假设2可知,要检测的为SO32-和ClO-,故假设3为只有ClO-,又因为SO32-具有还原性,会使KMnO4溶液(或溴水)褪色,而ClO-不会,所以可以用0.01mol/LKMnO4溶液(或溴水)来检测,证 明假设1成立;SO32-与硫酸反应产生H2SO3,H2SO3分解产生的SO2和ClO-具有漂白性,会使品红溶液褪色,所以可以用品红溶液来检测假设2是否成立;ClO-具有氧化性,可以氧化KI反应生成碘单质,碘单质遇到淀粉边蓝色,若溶液变为蓝色,证明含有ClO-,否则不含有ClO-,因此可以使用淀粉-KI溶液用来检测假设3是否成立。
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高中 - 化学
发布时间:2023-06-17 08:44:02
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