高中化学专题之硅及其化合物

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。