专题十五　无机非金属材料的主角——硅

[考试标准]

考点一：碳族元素性质变化规律

1.(2017·浙江省东阳中学期中)下列事实与碳、硅的非金属性强弱无关的是(　　)

A.CH4的热稳定性强于SiH4

B.H2CO3的酸性强于H2SiO3

C.CO2能溶于水生成碳酸，而SiO2却不溶于水

D.碳、硅同主族，原子半径碳小于硅

解析　本题考查元素周期律和C、Si的有关知识，考查考生应用知识分析问题的能力。同主族元素原子半径越小，非金属性越强；非金属元素气态氢化物的稳定性、最高价氧化物对应的水化物酸性的强弱都是由元素非金属性强弱决定的，而元素最高价氧化物的溶解性与元素非金属性的强弱无关。

答案　C

考点二：硅的存在和用途

2.下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是(　　)

①硅酸盐Na2Fe2Si3O10用氧化物的形式表示为Na2O·2FeO·3SiO2

②水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品

③高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维

④单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料

A.②③  B.①③ 

C.①④  D.④

解析　①硅酸盐Na2Fe2Si3O10中Fe的化合价是＋3价，所以用氧化物的形式表示为Na2O·Fe2O3·3SiO2，错误；②水晶的主要成分是二氧化硅，不属于硅酸盐制品，错误；③用于制作光导纤维的材料是二氧化硅，不是硅单质，错误；④单质硅是将太阳能转变为电能的常用材料，正确，所以答案为D。

答案　D

考点三：硅及其化合物的性质

3.(2018·浙江桐乡一中高一)用湿法制磷酸的副产品氟硅酸(H2SiF6)生成无水氟化氢的工艺如图所示：

已知氟硅酸钾(K2SiF6)微酸性，有吸湿性，微溶于水，不溶于酒精。

(1)写出反应器中的化学方程式：__________________________。

(2)在实验室过滤操作中所用的玻璃仪器有________，在洗涤氟硅酸钾(K2SiF6)时常用酒精洗涤，其目的是：___________________________________

___________________________________________________________。

(3)该流程中哪些物质可以循环使用：_________________________。

(用化学式表达)

(4)氟化氢可以腐蚀刻画玻璃，在刻蚀玻璃过程中也会生成H2SiF6，试写出该反应的化学方程式：__________________________________________。

解析　氟硅酸加入硫酸钾发生反应生成氟硅酸钾(K2SiF6)微酸性，有吸湿性，微溶于水，过滤得到硫酸和氟硅酸钾，干燥后在热水中水解成氟化钾、氟化氢及硅酸，加入浓硫酸反应得到硫酸钾、氟化氢、和四氟化硅等，净化冷凝，通过精馏得到纯净的氟化氢；(1)氟硅酸加入硫酸钾发生反应生成氟硅酸钾和硫酸，反应器中的化学方程式为：H2SiF6＋K2SO4===H2SO4＋K2SiF6↓；(2)依据过滤装置和过程选择需要的玻璃仪器为漏斗、烧杯、玻璃棒，在洗涤氟硅酸钾(K2SiF6)时常用酒精洗涤而不是用水，其目的是氟硅酸钾不溶于酒精，减少用水洗涤溶解氟硅酸钾损失；(3)反应过程中参与反应，在反应过程中又重新生成的物质可以循环使用，分析流程判断流程中硫酸和硫酸钾在循环过程中先参加反应，随后又生成，可以循环使用，故答案为：H2SO4、K2SO4；(4)氟化氢可以腐蚀刻画玻璃，在刻蚀玻璃过程中也会生成H2SiF6和水，依据原子守恒配平书写化学方程式为：6HF＋SiO2===H2SiF6＋2H2O。

答案　(1)H2SiF6＋K2SO4===H2SO4＋K2SiF6↓

(2)烧杯、漏斗、玻璃棒　氟硅酸钾不溶于酒精，减少用水洗涤溶解氟硅酸钾损失

(3)H2SO4、K2SO4

(4)6HF＋SiO2===H2SiF6＋2H2O

考点四：无机非金属材料

4.(2018·浙江宁波高三适应性测试)为探究固体X(仅含两种常见短周期元素)的组成和性质，设计并完成如下实验：

已知：气体A是一种纯净物，在标准状况下的密度为1.429 g/L；固体B是光导纤维的主要成分。请回答：

(1)气体A分子的电子式________，白色沉淀D的化学式________。

(2)固体X与稀硫酸反应的离子方程式是___________________________________________________________

___________________________________________________________。

(3)已知NH3与气体A在一定条件下反应后可得到一种耐高温陶瓷材料(仅含两种元素，摩尔质量为140 g/mol)和H2，写出该反应的化学方程式___________________________________________________________。

解析　已知气体A在标准状况下的密度为1.429 g·L－1，则其摩尔质量为1.429 g·L－1×22.4 L/ mol＝32 g/ mol，固体B是光导纤维的主要成分即SiO2，6.0 g SiO2的物质的量为0.1 mol，则7.6 g X中含Si的质量为2.8 g，即0.1 mol；在短周期金属元素中，与过量NaOH反应生成白色沉淀只有Mg(OH)2，则其物质的量为0.2 mol，所以7.6 g X中含Mg的质量为4.8 g，即0.2 mol，由此推知X为Mg2Si，则与硫酸反应生成的A气体为SiH4，其摩尔质量恰好为32 g/mol。

(1)SiH4的电子式为；白色沉淀D的化学式为Mg(OH)2；

(2)固体X与稀硫酸反应的离子方程式是Mg2Si＋4H＋===2Mg2＋＋SiH4↑；

(3)NH3与SiH4在一定条件下反应生成一种耐高温陶瓷材料和H2，所以耐高温陶瓷材料中含有Si和N两种元素，根据二者的化合价可知，其化学式为Si3N4，摩尔质量为140 g/mol，所以反应的化学方程式为3SiH4＋4NH3Si3N4＋12H2。

答案　　(1) 　Mg(OH)2

(2)Mg2Si＋4H＋===2Mg2＋＋SiH4↑

(3)3SiH4＋4NH3Si3N4＋12H2

易错点一　Si和SiO2常见的易错点

1.Si的还原性大于C，但C却能在高温下从SiO2中还原出Si：SiO2＋2CSi＋2CO↑。

2.酸性氧化物一般能与水反应生成酸，但SiO2不溶于水；酸性氧化物一般不与酸作用，但SiO2能与HF反应。

3.氢氟酸不能用玻璃容器盛放，NaOH溶液能用玻璃试剂瓶，但不能用玻璃塞。

4.SiO2不导电，是用作光导纤维的材料；Si是半导体，是用作光电池的材料。

[易错训练1]　二氧化硅(SiO2)又称硅石，是制备硅及其化合物的重要原料(如图所示)。下列说法正确的是(　　)

A.SiO2既能与HF反应，又能与NaOH反应，属于两性氧化物

B.盛放Na2CO3溶液的试剂瓶不能用玻璃塞

C.硅胶吸水后不能重复使用

D.图中所示转化反应都是氧化还原反应

解析　二氧化硅与NaOH反应：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，生成了盐和水，SiO2只能与HF反应且产物不是盐，即只是能和特殊酸反应，和其他酸不反应，和酸的反应没有普遍性，所以二氧化硅不是两性氧化物，故A错误；Na2CO3溶液呈碱性，二氧化硅能与碱反应生成具有黏合性的硅酸钠，使玻璃塞无法打开，故B正确；硅胶吸附水分后，可通过热脱附方式将水分除去重复使用，故C错误；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，硅酸的分解，硅酸的生成，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　B

易错点二　硅酸及硅酸盐常见的易错点

1.硅酸盐大多难溶于水，常见可溶性硅酸盐硅酸钠，其水溶液称为水玻璃(又称泡花碱)，但却是盐溶液。

2.H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以有Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但高温下Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑也能发生，原因可以从两方面解释：①硅酸盐比碳酸盐稳定；②从化学平衡角度，由高沸点难挥发固体SiO2制得低沸点易挥发的CO2。

3.水泥、玻璃与陶瓷是三大传统无机非金属材料；碳化硅、氮化硅等是新型无机非金属材料。

[易错训练2]　工业上利用无机矿物资源生产部分材料的流程示意图如下。下列说法不正确的是(　　)

A.在铝土矿制备较高纯度Al的过程中常用到NaOH溶液、CO2气体、冰晶石

B.石灰石、纯碱、石英、玻璃都属于盐，都能与盐酸反应

C.在制粗硅时，被氧化的物质与被还原的物质的物质的量之比为2∶1

D.黄铜矿(CuFeS2)与O2反应产生的Cu2S、FeO均是还原产物

解析　A.用铝土矿制备较高纯度Al，首先用NaOH溶液将铝土矿中的氧化铝溶解转化为偏铝酸钠溶液，然后过滤、向滤液中通入CO2气体把偏铝酸钠转化为氢氧化铝沉淀，再过滤得氢氧化铝，接着加热氢氧化铝让其分解为氧化铝，最后用冰晶石作助熔剂，电解熔融的氧化铝得到铝，所以A正确；B.石英的主要成分是二氧化硅，它属于酸性氧化物不与盐酸反应。玻璃的主要成分有二氧化硅、硅酸钠、硅酸钙，组成中有盐故被称为硅酸盐产品，它也不能与盐酸反应，实验室经常用玻璃瓶盛放盐酸，所以B不正确；C.在制粗硅时，发生反应SiO2＋2CSi＋2CO↑，被氧化的物质C与被还原的物质SiO2的物质的量之比为2∶1，C正确；D.黄铜矿(CuFeS2)与O2反应，铜由＋2价降为＋1价被还原得到Cu2S、氧由0价降至－2价得到FeO，所以Cu2S、FeO均是还原产物，D正确。

答案　B

1.(2015·海南化学，14)单质Z是一种常见的半导体材料，可由X通过如下图所示的路线制备。其中X为Z的氧化物；Y为氢化物，分子结构与甲烷相似。回答下列问题：

(1)能与X发生化学反应的酸是________；由X制备Mg2Z的化学方程式为___________________________________________________________。

(2)由Mg2Z生成Y的化学方程式为________________________________

___________________________________________________________，

Y分子的电子式为________________________________________。

答案　(1)氢氟酸(HF)　SiO2＋4MgMg2Si＋2MgO

(2)Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑　

2.(2016·江苏省天一中学高二下学期期末)硅是人类文明发展的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。

(1)工业生产粗硅的反应有：SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑、SiO2＋3CSiC＋2CO↑。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为1∶1，则参加反应的C和SiO2的质量之比为________。

(2)工业上可以通过如下图所示的流程制取纯硅：

①若反应I为Si(粗)＋3HClSiHCl3＋H2，则反应Ⅱ的化学方程式为___________________________________________________________。

②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出该反应的化学方程式：___________________________________________________________。

③设每一轮次制备1 mol纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应Ⅰ中HCl的利用率为90%，反应Ⅱ中H2的利用率为93.75%，则在第二轮次的生产中，补充投入HCl 和H2的物质的量之比是________。

解析　(1)将两方程式叠加，可知C和SiO2的物质的量之比为5∶2，因此质量比为：(5×12)∶(2×60)＝1∶2。

(2)①由流程图可知反应Ⅱ是SiHCl3和H2反应生成纯硅和HCl，因此方程式为SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl。②写出方程式中已知物质：SiHCl3＋3H2O—H2SiO3＋3HCl，由原子守恒可知另一种物质为H2，因此反应的化学方程式为SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋3HCl＋H2↑。③由题中条件可知：

Si(粗)＋3HClSiHCl3＋H2

1 mol　3 mol　　　　　　　　  1 mol

SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl

1 mol　1 mol　　　　　　　　　　  3 mol

由以上数据可知循环生产中只能产生3 mol HCl，但HCl的利用率是90%，因此需要增加(－3) mol HCl，循环生产中只产生1 mol H2，但H2的利用率为93.75%，因此需增加(－1) mol H2，所以补充投入HCl和H2的物质的量之比为：(－3)∶(－1)＝5∶1。

答案　(1)1∶2

(2)①SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl

②SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋3HCl＋H2↑

③5∶1

3.(2018·天津理综，7)下图中反应①是制备SiH4的一种方法，其副产物MgCl2·6NH3是优质的镁资源。回答下列问题：

(1)MgCl2·6NH3所含元素的简单离子半径由小到大的顺序：___________________________________________________________，

Mg在元素周期表中的位置：___________________________________，

Mg(OH)2的电子式：_______________________________________。

(2)A2B的化学式为________。反应②的必备条件是________。上图中可以循环使用的物质有________。

(3)在一定条件下，由SiH4和CH4反应生成H2和一种固体耐磨材料________(写化学式)。

(4)为实现燃煤脱硫，向煤中加入浆状Mg(OH)2，使燃烧产生的SO2转化为稳定的Mg化合物，写出该反应的化学方程式：_____________________________。

(5)用Mg制成的格氏试剂(RMgBr)常用于有机合成，例如制备醇类化合物的合成路线如下：

(R：烃基，R′：烃基或H)

依据上述信息，写出制备所需醛的可能结构简式：________________________。

解析　(1)MgCl2·6NH3所含元素的简单离子有Mg2＋、Cl－、N3－、H＋，Cl－有3个电子层，四者中离子半径最大，Mg2＋、N3－有2个电子层，且具有相同的电子层结构，核电荷数越大，离子半径越小，则N3－的半径大于Mg2＋的半径，故离子半径由小到大的顺序为r(H＋)<r(Mg2＋)<r(N3－)<r(Cl－)。根据镁的原子结构示意图，可推知镁位于元素周期表的第3周期ⅡA族。Mg(OH)2为离子化合物，其电子式为。(2)根据反应①，由原子守恒可推知A2B为Mg2Si。可通过电解熔融的MgCl2获得Mg。由题图可知，由MgCl2·6NH3得到的NH3、NH4Cl可以循环用于反应①。(3)由SiH4和CH4反应生成H2和一种固体耐磨材料，显然该耐磨材料为原子晶体SiC。(4)煤燃烧产生的SO2与Mg(OH)2反应生成MgSO3，MgSO3具有还原性，易被空气中的氧气氧化为MgSO4，反应的化学方程式为2Mg(OH)2＋2SO2＋O2===2MgSO4＋2H2O。(5)根据格氏试剂与醛反应合成醇的反应原理，可由CH3MgBr与CH3CH2CHO反应制得，也可由CH3CH2MgBr与CH3CHO反应制得，故所需醛的可能结构简式为CH3CH2CHO、CH3CHO。

答案　(1)r(H＋)<r(Mg2＋)<r(N3－)<r(Cl－)　第3周期ⅡA族　

(2)Mg2Si　熔融、电解　NH3、NH4Cl

(3)SiC

(4)2Mg(OH)2＋2SO2＋O2===2MgSO4＋2H2O

(5)CH3CH2CHO、CH3CHO