第一节 无机非金属材料的主角——硅
知识点1：二氧化硅的结构与性质
1．SiO2的存在形式
SiO2
2．SiO2的结构
每个Si原子与周围的____个O原子相结合，每个O原子与____个Si原子相结合。实际上，二氧化硅晶体是由Si原子和O原子按________的比例所组成的__________结构的晶体，我们通常用“SiO2”表示二氧化硅的组成。21世纪教育网版权所有
3．物理性质
二氧化硅是____________的固体，________于水。
4．化学性质
(1)与氢氟酸(HF)反应——HF是惟一可以与之发生反应的酸____(可用来雕刻玻璃)。
(2)SiO2作为酸性氧化物可以和______、______________反应，但与水__________。
①和碱反应：______________________________；
②和碱性氧化物反应：________________________。
5．二氧化硅的用途
(1)以SiO2为主要成分的沙子仍然是基本的建筑材料；
(2)电子工业的重要部件、光学仪器；
(3)是信息高速公路的骨架——____________的主要成分；
(4)用石英、玛瑙制作________。
【例题1】关于二氧化硅，下列叙述不正确的是( )
A．水晶的成分是二氧化硅
B．二氧化硅晶体中不存在单个SiO2分子
C．二氧化硅溶于水且显酸性
D．二氧化硅和二氧化碳在物理性质上有很大差别
【答案】C
【解析】CO2通常状况下为气体，与SiO2物理性质相差很大；SiO2晶体不溶于水，也不能与水反应生成H2SiO3；SiO2晶体是由Si和O按1∶2的比例所组成的立体网状结构的晶体，不存在单个SiO2分子。21·cn·jy·com
【变式练习1】在一定条件下，下列不能与二氧化硅反应的物质是( )
①焦炭 ②纯碱 ③碳酸钙 ④氢氟酸 ⑤硝酸 ⑥氢氧化钾 ⑦氧化钙
A．只有③⑤⑦ B．只有⑤⑦
C．只有②⑤ D．只有⑤
知识点2：硅酸
1．硅酸是一种很弱的酸，其酸性比碳酸的还______，溶解度很______。硅酸容易聚合形成硅酸________，硅酸浓度较大时，则形成软而透明的、胶冻状的____________。硅酸凝胶经干燥脱水就形成硅酸干凝胶，称为“________”。硅胶常用作食品等的__________，也可用作催化剂的________。21教育网
2．SiO2不溶于水，所以硅酸只能通过__________________________________________与其他酸反应制得。2·1·c·n·j·y
实验操作
实验现象
实验结论及反应方程式
在饱和Na2SiO3溶液中，滴加酚酞溶液呈____色。逐滴加入稀盐酸，有透明的凝胶产生，溶液红色逐渐______，最后______
Na2SiO3溶液显碱性，与稀盐酸反应生成__________，化学方程式为____________________________________
【例题2】能证明碳酸的酸性比硅酸强的事实是( )
A．CO2溶于水生成碳酸，SiO2不溶于水也不能与水直接反应生成硅酸
B．在高温下，SiO2和Na2CO3能发生反应：SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑
C．SiO2熔点比CO2高
D．CO2通入Na2SiO3稀溶液中，生成白色胶状沉淀
【答案】D
【解析】B项是在固体反应中难挥发性物质制取易挥发性物质，是利用两者共熔时，生成易挥发的CO2使反应能够发生；D项中是较强的酸与较弱的酸的盐溶液反应生成较强酸的盐和较弱酸的复分解反应，这是该类复分解反应发生的条件。【来源：21·世纪·教育·网】
【变式练习2】下列离子方程式书写不正确的是( )
A．二氧化硅与NaOH溶液反应：SiO2＋2OH－===SiO＋H2O
B．碳酸钡溶于稀盐酸：CO＋2H＋===CO2↑＋H2O
C．二氧化碳与足量NaOH溶液反应：CO2＋2OH－===CO＋H2O
D．把水玻璃滴入盐酸中：SiO＋2H＋===H2SiO3↓
知识点3：硅酸盐
1．概念
硅酸盐是由______________组成的化合物的总称。
2．硅酸盐的性质
硅酸盐是一大类结构复杂的固态物质，大多________于水，化学性质很________。
3．硅酸盐组成的表示
通常用二氧化硅和金属氧化物的组合形式表示其组成。
例如：Na2SiO3：______________；
长石KAlSi3O8：______________________________。
4．最常见的硅酸盐——Na2SiO3
Na2SiO3的水溶液俗称__________，能制备________和______________。
5．三种常见的硅酸盐产品
硅酸盐产品
原料
主要
设备
主要成分
水泥
石灰石、黏土
水泥回转窑
硅酸二钙 2CaO·SiO2
硅酸三钙 3CaO·SiO2
铝酸三钙 3CaO·Al2O3
玻璃
纯碱、石灰石、石英
玻璃窑
Na2O·CaO·6SiO2
陶瓷
黏土
6.新型含硅物质
主要包括：(1)具有金刚石结构的碳化硅(SiC，俗称__________)；(2)具有很高__________的硅钢；(3)既耐高温又耐________的硅橡胶；(4)人工制造的__________主要用作吸附剂和催化剂等。www.21-cn-jy.com
【例题3】用二氧化硅和金属氧化物的形式表示硅酸盐的组成，不正确的是( )
A．钙沸石[Ca(Al2Si3O10·3H2O)] CaO·Al2O3·3SiO2·3H2O
B．镁橄榄石(Mg2SiO4) 2MgO·SiO2
C．长石(KAlSi3O8) K2O·Al2O3·3SiO2
D．高岭石[Al2Si2O5(OH)4] Al2O3·2SiO2·2H2O
【答案】C
【解析】钙沸石的氧化物书写形式：[Ca（Al2SiO10）·3H2O]：CaO?Al2O3?3SiO2?3H2O，故A正确； B、镁橄榄石的氧化物书写形式：[Mg2SiO3]：2MgO?SiO2，故B正确； C、正长石的氧化物书写形式：[KAlSi3O8]：K2O?Al2O3?6SiO2，故C错误； D、高岭石的氧化物书写形式：[Al2（Si2O5）（OH）4]：Al2O3?2SiO2?2H2O，故D正确
【变式练习3】高岭土的组成可表示为Al2Si2Ox(OH)y，其中x、y的数值分别是( )
A．7、2 B．5、4 C．6、3 D．3、6
知识点4：硅的性质及用途
1．种类
单质硅有________和__________两类。
2．结构
晶体硅的结构与__________相似。
3．性质
(1)物理性质
色、态
光泽
熔点
硬度
质地
导电性
灰黑色固体
金属光泽
高
大
脆
半导体
(2)化学性质：在常温下化学性质不活泼，但能与________、__________发生反应。
4．用途
(1)______________，如硅芯片等。
(2)__________，如光电池等。
【例题4】下列对晶体硅的有关叙述正确的是( )
A．晶体硅和金刚石的物理性质相似
B．硅在地壳中含量居第二位，可以以游离态存在于自然界中
C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但它的提炼工艺复杂，价格昂贵
D．晶体硅具有金属光泽，故它属于金属材料，可以导电
【答案】A
【解析】晶体硅的结构与金刚石相似，具有空间立体网状结构，所以物理性质相似；硅在地壳中含量居第二位，但在自然界中没有游离态的硅存在，主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在；晶体硅是一种良好的半导体材料，被广泛使用；晶体硅是一种非金属单质，虽然它具有金属光泽。21cnjy.com
【变式练习4】下列关于硅的说法中，不正确的是( )
A．硅是非金属元素，但它的单质是灰黑色有金属光泽的固体
B．硅的导电性能介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料
C．硅的化学性质不活泼，常温下不与任何物质起反应
D．当加热到一定温度时，硅能与氧气等非金属反应
参考答案及解析
知识点1
1.硅石：天然 石英：结晶 水晶 玛瑙 沙子：小粒
2.4 2 1∶2 立体网状
3.坚硬难熔 不溶
4.(1)SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O
【解析】碳酸钡难溶于水，不可拆成离子形式，错误；故答案选B。
知识点3
1.硅、氧和金属
2.不溶 稳定
3.Na2O·SiO2 K2O·Al2O3·6SiO2
4.水玻璃 硅胶 木材防火剂
6．(1)金刚砂 (2)导磁性 (3)低温 (4)分子筛
【变式练习3】B
【解析】依据在化合物中正、负化合价的代数和为零，代入数值验证即可。
知识点4
1.晶体 无定形
2.金刚石
3.(2)强碱 氢氟酸
4．(1)半导体材料
(2)新能源
【变式练习4】C
【解析】A、晶体硅的结构与金刚石类似，它是灰黑色有金属光泽的非金属固体，故A正确． B、硅在元素周期表中处于金属和非金属的过渡位置，所以晶体硅的导电性介于导体和半导体之间，是良好的半导体材料，故B正确． C、常温下，硅的化学性质不活泼，但硅能和氢氟酸、氢氧化钠溶液反应，故C错误． D、加热条件下，硅能与一些非金属、氧化物等反应，如硅能与氢气．氧气等非金属发生反应，故D正确．故选C
无机非金属材料的主角硅——综合检测题
第I卷（选择题，共45分）
1．下列表述正确的是( )
①水晶的主要成分是二氧化硅 ②化学家采用玛瑙研钵摩擦固体反应物进行无溶剂合成，玛瑙的主要成分是硅酸盐 ③建造三峡大坝使用了大量水泥，水泥是硅酸盐材料 ④金刚石与金刚砂的成分相同 ⑤太阳能电池可采用硅材料制作，其应用有利于环保、节能
A． ①②③ B． ②④ C． ③④⑤ D． ①③⑤
2．世界著名的科技史专家、英国剑桥大学的李约瑟博士考证说：“中国至少在距今3000年以前，就已经使用玻璃了。”下列有关普通玻璃的说法不正确的是( )
A． 制普通玻璃的原料主要是纯碱、石灰石和石英
B． 玻璃在加热熔化时有固定的熔点
C． 普通玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅
D． 盛放烧碱溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，是为了防止烧碱跟二氧化硅反应生成硅酸钠而使瓶塞与瓶口粘在一起21教育网
3．不能用磨口玻璃瓶贮存的一组物质是( )
A． 盐酸、硫酸、Fe2(SO4)3溶液
B． NaCl、KCl、AgNO3溶液
C． NaOH溶液、水玻璃
D． MnO2、KClO3、KMnO4固体
4．可制造熔化烧碱的坩埚材料是( )
A． Fe B． Al C． SiO2 D． Al2O3
5．新型无机材料碳化钛(TiC)、碳化硼(B4C)、氮化硅(Si3N4)等称为非氧化物陶瓷，合成这些物质需在高温下进行，在合成工艺中必须注意( )【来源：21·世纪·教育·网】
A． 通入充足的氧气
B． 可在空气中进行
C． 通入少量氧气
D． 可在氮气氛围中合成
6．汉代器物上的颜料“汉紫”至今尚未发现其自然存在的记载。科学家进行超导材料研究时，偶然发现其成分为紫色的硅酸铜钡(化学式：BaCuSi2Ox，Cu为＋2价)，下列有关“汉紫”的说法中不正确的是( )
A． 用盐的形式表示：BaSiO3·CuSiO3
B． 用氧化物形式表示：BaO·CuO·2SiO2
C． 易溶于强酸、强碱和水
D． 性质稳定，不易褪色
7．材料与化学密切相关，表中对应关系错误的是( )
材料
主要化学成分
A.
刚玉、金刚石
三氧化二铝
B.
大理石、石灰石
碳酸钙
C.
普通水泥、普通玻璃
硅酸盐
D.
沙子、石英
二氧化硅
8．下列试剂贮存方法正确的是( )
A． 氢氟酸用玻璃瓶密封贮存
B． NaOH溶液用磨口玻璃瓶加玻璃塞封存
C． 水玻璃用塑料桶敞口放置
D． 纯碱溶液可用带橡胶塞的玻璃瓶封存
9．能证明二氧化硅是酸性氧化物的是( )
A． 二氧化硅溶于水得到相应的酸
B． 二氧化硅是非金属氧化物
C． 二氧化硅与强碱溶液反应只生成盐和水
D． 二氧化硅与氢氟酸反应
10．光纤通讯是70年代后期发展起来的一种新型通信技术，目前长距离光纤通讯系统已经投入使用。光纤通讯的光学纤维是由下列哪种物质经特殊工艺制成（ ）
A．石墨 B．二氧化硅 C．氧化镁 D．氧化铝
11．下列关于二氧化硅的说法中错误的是( )
A． 同二氧化碳一样，二氧化硅分子是由一个硅原子和两个氧原子构成的
B． 通常状况下，二氧化碳为气态，二氧化硅为固体
C． SiO2同CO2一样也能与CaO反应生成盐
D． SiO2仅用来表示二氧化硅的组成，其基本结构单元为正四面体，不仅存在于二氧化硅晶体中，而且存在于所有硅酸盐矿石中21世纪教育网版权所有
12．制备单质硅时，主要化学反应如下：
下列对上述三个反应的叙述中，不正确的是（ ）
A．①③为置换反应
B．①②③均为氧化还原反应
C．②为化合反应
D．三个反应的反应物中硅元素均被氧化
13．二氧化碳通入下列溶液中，不可能产生沉淀的是( )
A． 氯化钙溶液 B． 石灰水
C． 偏铝酸钠 D． 硅酸钠溶液
14．（双选）下列离子方程式不正确的是( )
A． 石英与烧碱溶液反应：SiO2＋2OH－===SiO32—＋H2O
B． 向氢氧化钠溶液中通入过量CO2：CO2＋2OH－===CO32—＋H2O
C． 向硅酸钠溶液中加入盐酸：2H＋＋SiO32—===H2SiO3↓
D． 向碳酸钙上滴稀硝酸：CO32—＋2H＋===H2O＋CO2↑
15．玻璃的主要成分之一是二氧化硅，赏心悦目的雕花玻璃是用下列物质中的一种对玻璃进行刻蚀而制成的。这种物质是( )21·cn·jy·com
A． 盐酸 B． 氢氟酸 C． 烧碱 D． 纯碱
第II卷（非选择题，共55分）
16．(6分)氮化硅(氮显－3价，硅显＋4价)是一种高温陶瓷材料，它的硬度大、熔点高、化学性质稳定，工业上曾普遍采用高纯硅与纯氮在1300℃时反应获得．
(1)写出氮元素的原子结构示意图____________和氮化硅的化学式________．
(2)氮化硅陶瓷抗腐蚀能力强，除HF外，它不与其他无机酸反应．试推测该陶瓷被HF腐蚀的化学方程式__________________________________．21cnjy.com
(3)现用四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅，反应的化学方程式为________________________________． 21·世纪*教育网
17．(6分)硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地壳质量的90%以上。
(1)SiO2是玻璃的成分之一，SiO2与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为______________________________，工艺师常用________(填物质名称)来雕刻玻璃。
(2)用Na2SiO3溶液浸泡过的棉花不易燃烧，体现Na2SiO3的用途可作________的原料。
(3)工业上常用2C＋SiO2Si＋2CO↑制备硅单质，该反应中有元素化合价升高的物质是________(填化学式，下同)，氧化剂是________。www-2-1-cnjy-com
18．(11分)为确定HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如图所示的装置，一次实验即可达到目的(不必选其他酸性物质)。请据此回答： 21*cnjy*com
(1)锥形瓶A中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂为___________________________。
(2)装置B所盛试剂是____________________，其作用是____________________________。
(3)装置C所盛试剂是________，C中反应的离子方程式是__________________________。
(4)由此可得出的结论是：酸性________>________>________。
19．(14分)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：
①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；
②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2；
③SiHCl3与过量H2在1000～1100°C反应制得纯硅。
已知SiHCl3能与H2O剧烈反应，在空气中易自燃。
请回答下列问题：
(1)第①制备粗硅的化学方程式为__________________________ ___________________。
(2)粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0°C)中含有少量SiCl4(沸点57.6°C)和HCl(沸点84.7°C)，提纯SiHCl3的方法为__________________________________。
(3)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置均已略去)：
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______________________________。【来源：21cnj*y.co*m】
20、（18分）某科研小组，用含有少量的CaO和Fe2O3的高岭土(主要成分：Al2O3·2SiO2·2H2O)试验新型的净水剂。试验程序如下：2·1·c·n·j·y
已知：Al2O3与纯碱反应的产物是NaAlO2和CO2。试回答下列问题：
(1)写出混合物A、B、滤液C、沉淀D的主要成分：
A．___________；B.___________；C.___________；D.__________。
(2)写出高岭土与纯碱熔融的两个化学方程式______________________________，______________________________________________________________。
(3)生成D沉淀的离子方程式为________________________________。
(4)该试验中，熔融高岭土可以选用的坩埚有______。
A．玻璃坩埚 B．瓷坩埚
C．氧化铝坩埚 D．铁坩埚
参考答案及解析
1．D
【解析】玛瑙的主要成分是二氧化硅；金刚石是碳的单质，金刚砂的成分是SiC。
2．B
【解析】玻璃没有固定的熔点。
3．C
9．C
【解析】与强碱反应只生成盐和水的氧化物是酸性氧化物，不是所有的非金属氧化物都是酸性氧化物，如CO、NO则不是酸性氧化物，故只有C正确。【出处：21教育名师】
10．B
【解析】二氧化硅的一个作用是应用于光学纤维
11．A
【解析】二氧化硅是由原子直接构成的，不存在二氧化硅分子。
12．D
【解析】①③中硅的化合价从+4变为0，被还原
13．A
【解析】B中少量CO2通入石灰水中发生反应：CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O，C中发生反应CO2＋3H2O＋2NaAlO2===2Al(OH)3↓＋Na2CO3，D中反应为：CO2＋Na2SiO3＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓。【版权所有：21教育】
14．BD
【解析】B项中通入过量CO2应产生HCO；D项CaCO3是难溶物质，故不能写成CO，应为CaCO3＋2H＋===H2O＋Ca2＋＋CO2↑。21教育名师原创作品
15．B
【解析】因玻璃中含有SiO2，而SiO2能与氢氟酸发生反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O，所以可以用氢氟酸来刻蚀玻璃。21*cnjy*com
16．(1) Si3N4
(2)Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑
(3)3SiCl4＋2N2＋6H2Si3N4＋12HCl
【解析】由题氮元素显负价(－3)，硅元素显正价(＋4)，可知氮化硅的化学式为Si3N4.氮化硅陶瓷除HF外不与其他酸反应，可联想到SiO2和HF的反应，可知生成SiF4，另外氢和氮结合生成氨气．四氯化硅和氮气在氢气气氛中反应，除生成氮化硅外还有氯与氢的结合生成氯化氢．www.21-cn-jy.com
17． (1)SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O 氢氟酸
(2)防火剂 (3)C SiO2
【解析】 (1)SiO2与NaOH溶液反应的化学方程式为：
SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O。由于SiO2能溶于氢氟酸，因此工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃。
(2)Na2SiO3的水溶液又称“水玻璃”，它具有阻燃的功能，因此可作防火剂。
SiO2＋2CSi＋2CO↑。
(2)根据题中所给混合物中各沸点，SiHCl3沸点最低，可采用分馏(或蒸馏)的方法，将SiHCl3分离出来。2-1-c-n-j-y
(3)SiHCl3能与水剧烈反应，应将制得的H2中的水蒸气除去，故装置B中的试剂是浓硫酸。常温下SiHCl3为液体，反应时应使其汽化后再在D处与H2反应，故装置C的烧瓶需加热。制备纯硅的实验成功除所给控制条件外还应排尽体系中的空气，因为SiHCl3在空气中易自燃，H2在加热时与空气反应可能引起爆炸。
20、(1)NaAlO2和Na2SiO3 AlCl3和H2SiO3 AlCl3 H2SiO3
(2)Al2O3＋Na2CO32NaAlO2＋CO2↑ SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑
(3)SiO＋2H＋===H2SiO3↓
(4)D
【解析】将土样和纯碱混匀，加热熔融时，土样中的Al2O3和SiO2将与纯碱发生反应，生成偏铝酸盐和硅酸盐，并溶于水中；而CaO、Fe2O3不与纯碱反应而成为残渣。滤液中的偏铝酸盐和硅酸盐与盐酸反应，得到溶于水的铝盐和不溶于水的硅酸。由于陶瓷的成分是硅酸盐，它和氧化铝都会与纯碱反应，因此，在熔融土样时只能选用铁坩埚。
