【教材梳理】
一、硅酸鹽材料
1．硅酸鹽的結(jié)構(gòu)、特點
2.常見的硅酸鹽材料
二、新型無機非金屬材料
1．硅和二氧化硅
(1)硅在自然界中的存在與原子結(jié)構(gòu)
(2)工業(yè)上高純硅的制備
其中涉及的主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為
①SiO2＋2Ceq \(==============,\s\up9(1 800～2 000 ℃))Si＋2CO↑；
②Si＋3HCleq \(=====,\s\up9(300 ℃))SiHCl3＋H2；
③SiHCl3＋H2eq \(=====,\s\up9(1 100 ℃))Si＋3HCl。
(3)主要應(yīng)用
①高純硅廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)和新能源技術(shù)等領(lǐng)域。利用其半導(dǎo)體性能可以制成計算機、通信設(shè)備和家用電器等的芯片，以及光伏電站、人造衛(wèi)星和電動汽車等的硅太陽能電池；
②二氧化硅可用來生產(chǎn)光導(dǎo)纖維。光導(dǎo)纖維的通信容量大，抗干擾性能好，傳輸?shù)男盘柌灰姿p，能有效提高通信效率。
2．新型陶瓷
3．碳納米材料：主要包括富勒烯、碳納米管、石墨烯等，在能源、信息、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
【自我檢測】
1．判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“×”)
(1)硅元素在自然界中既有化合態(tài)，又有游離態(tài)。( )
(2)硅酸鹽中，Si與其周圍距離最近的4個O構(gòu)成正四面體結(jié)構(gòu)。( )
(3)水泥、玻璃、陶瓷都屬于傳統(tǒng)的無機非金屬材料。( )
(4)富勒烯、碳納米管和石墨烯的主要成分都是碳單質(zhì)。( )
(5)硅是制備光導(dǎo)纖維和光電池的材料。( )
(6)漢代燒制出的“明如鏡、聲如磬”的瓷器，其主要原料為黏土。( )
答案：(1)× (2)√ (3)√ (4)√ (5)× (6)√
2．下列物質(zhì)中，屬于新型無機非金屬材料的是( )
A．有色玻璃 B．碳化硅陶瓷
C．有機玻璃 D．鋼化玻璃
解析：選B。有色玻璃、鋼化玻璃的主要成分與普通玻璃相同，屬于傳統(tǒng)無機非金屬材料；有機玻璃屬于有機合成材料。
3．下列有關(guān)材料用途的說法中不正確的是( )
A．氧化鋁陶瓷可用作高壓鈉燈的燈管
B．氮化硅陶瓷可用作發(fā)動機的材料
C．光導(dǎo)纖維可用作遙測遙控、照明等
D．氧化鋁陶瓷可用作半導(dǎo)體材料
解析：選D。氧化鋁陶瓷屬于高溫結(jié)構(gòu)陶瓷，它具有高熔點、高硬度等特性，可制成透明陶瓷，但不能作為半導(dǎo)體材料，A項正確、D項錯誤；氮化硅陶瓷具有超強硬度、耐磨損、抗冷熱沖擊而不破裂、耐高溫、不易傳熱、抗腐蝕、高溫時抗氧化等特性，可用作發(fā)動機材料，B項正確；光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)光的能力非常強，可用于醫(yī)療、信息處理、傳能傳像、遙測遙控、照明等方面，C項正確。
4．最近，科學(xué)家開發(fā)出一種低成本光伏材料——蜂窩狀石墨烯。生產(chǎn)原理是Na2O＋2COeq \(=====,\s\up9(一定條件))Na2CO3＋C(石墨烯)，然后除去Na2CO3，即可制得蜂窩狀石墨烯。下列說法不正確的是( )
A．該生產(chǎn)石墨烯的反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)
B．石墨烯與金剛石互為同素異形體
C．Na2O屬于堿性氧化物，CO屬于酸性氧化物，Na2CO3屬于鹽
D．自然界中的碳元素有游離態(tài)和化合態(tài)兩種存在形式
解析：選C。碳元素由＋2價部分升高到＋4價，部分降低到0價，屬于氧化還原反應(yīng)，A正確；石墨烯與金剛石都是由碳元素組成的不同性質(zhì)的單質(zhì)，互為同素異形體，B正確；CO既不與酸反應(yīng)，又不與堿反應(yīng)，屬于不成鹽氧化物，C錯誤；自然界中有游離態(tài)的碳，如金剛石中的碳元素以游離態(tài)形式存在，碳酸鈣中的碳元素以化合態(tài)形式存在，D正確。
學(xué)習(xí)任務(wù) 硅和二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)
1．硅及其化合物的特性
(1)晶體硅是灰黑色有金屬光澤的固體。
(2)Si、SiO2都能與氫氟酸反應(yīng)。
(3)常見單質(zhì)中能與NaOH溶液反應(yīng)產(chǎn)生H2的有金屬Al和非金屬Si。
(4)制備粗硅時，要隔絕空氣，在電爐中進行，且生成的是CO而不是CO2。
(5)硅酸是不溶于水的弱酸。
2．硅單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)
(1)在常溫下，能與F2、氫氟酸和強堿溶液反應(yīng)。
①與氟氣反應(yīng)：Si＋2F2===SiF4；
②與氫氟酸反應(yīng)：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；
③與NaOH溶液反應(yīng)：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
(2)加熱或高溫時，能與O2、Cl2、C等反應(yīng)。
①與O2反應(yīng)：Si＋O2eq \(=====,\s\up9(△))SiO2；
②與Cl2反應(yīng)：Si＋2Cl2eq \(=====,\s\up9(△))SiCl4；
③與C反應(yīng)：Si＋Ceq \(=====,\s\up9(高溫))SiC。
3．二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)
(1)具有酸性氧化物的通性。
①SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；
②SiO2＋CaOeq \(=====,\s\up9(高溫))CaSiO3。
(2)能與氫氟酸反應(yīng)：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
高純度晶體硅是典型的無機非金屬材料，又稱“半導(dǎo)體”材料，它的發(fā)現(xiàn)和使用曾引起計算機的一場“革命”。它可以按下列方法制備：
SiO2eq \(――→,\s\up9(①C),\s\d9(1 800～2 000 ℃))Si(粗)eq \(――→,\s\up9(②HCl),\s\d9(300 ℃))SiHCl3eq \(――→,\s\up9(③過量H2),\s\d9(1 100 ℃))Si(純)
下列說法正確的是( )
A．步驟①的化學(xué)方程式為SiO2＋Ceq \(=====,\s\up9(1 800～2 000 ℃))Si＋CO2↑
B．步驟①②③中每生成或反應(yīng)1 ml Si均轉(zhuǎn)移4 ml電子
C．二氧化硅能與氫氟酸反應(yīng)，而硅不能與氫氟酸反應(yīng)
D．SiHCl3(沸點33.0 ℃)中含有少量的SiCl4(沸點67.6 ℃)，通過蒸餾(或分餾)可提純SiHCl3
[解析] A項，應(yīng)生成CO，錯誤；B項，第②③步中轉(zhuǎn)移2 ml電子，錯誤；C項，硅可與氫氟酸反應(yīng)生成四氟化硅和氫氣，錯誤；D項，根據(jù)互溶物質(zhì)的沸點不同可用蒸餾的方法進行分離，正確。
[答案] D
1．下列關(guān)于硅的說法中，錯誤的是( )
A．硅是非金屬元素，它的晶體單質(zhì)是灰黑色有金屬光澤的固體
B．單質(zhì)硅和金剛石結(jié)構(gòu)相似，但比金剛石硬度小，熔點低
C．硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)反應(yīng)
D．加熱至一定溫度時，硅能與氯氣、氧氣等非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)
解析：選C。硅雖然外形像金屬(有金屬光澤)，但實際上屬于非金屬，A項正確；硅原子與碳原子最外層電子數(shù)相同，晶體結(jié)構(gòu)相似，但硅晶體比金剛石的硬度小，熔點低，B項正確；硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，但常溫下能與氟氣、氫氟酸和NaOH溶液等發(fā)生反應(yīng)，C項錯誤；加熱至一定溫度時，硅能與氯氣、氧氣等非金屬單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，D項正確。
2．(2020·嘉興高一檢測)下列敘述正確的是( )
A．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以二者化學(xué)性質(zhì)完全相同
B．因為CaCO3＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高溫))CaSiO3＋CO2↑，所以硅酸的酸性比碳酸強
C．CO2和SiO2都能與碳反應(yīng)，且都做氧化劑
D．SiO2既能和NaOH反應(yīng)，又能和HF反應(yīng)，所以二氧化硅屬于兩性氧化物
解析：選C。CO2和SiO2都是酸性氧化物，但二者化學(xué)性質(zhì)不完全相同，如CO2能與水反應(yīng)而SiO2不能，A項錯誤；硅酸的酸性比H2CO3弱，題述反應(yīng)之所以能發(fā)生，是因為CO2為氣體，可以脫離反應(yīng)體系，促進反應(yīng)正向進行，B項錯誤；CO2和SiO2與C反應(yīng)時都做氧化劑，C項正確；SiO2和HF反應(yīng)時生成的SiF4不是鹽，所以SiO2不是兩性氧化物，D項錯誤。
1．硅被譽為無機非金屬材料的主角。下列產(chǎn)品的主要成分不是硅酸鹽的是( )
A．壓電陶瓷B．玻璃水杯
C．水泥 D．陶瓷餐具
解析：選A。傳統(tǒng)的硅酸鹽材料有水泥、玻璃和陶瓷，其主要成分都是硅酸鹽。壓電陶瓷的主要成分是鈦酸鹽和鋯酸鹽等，不是硅酸鹽，所以選A。
2．華裔科學(xué)家高錕因在光學(xué)通信領(lǐng)域中光在光導(dǎo)纖維中傳輸?shù)难芯糠矫嫠〉玫拈_創(chuàng)性成就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。光導(dǎo)纖維的主要成分是( )
A．Si B．SiO2
C．CaSiO3 D．SiCl4
解析：選B。光導(dǎo)纖維的主要成分為SiO2。
3．(2020·邯鄲第三中學(xué)高一測試)下列關(guān)于硅酸鹽材料的說法錯誤的是( )
A．生活中常見的硅酸鹽材料有玻璃、水泥、陶瓷
B．生產(chǎn)陶瓷的主要原料是黏土
C．普通玻璃的主要成分只有SiO2
D．普通硅酸鹽水泥的生產(chǎn)以石灰石和黏土為主要原料
解析：選C。普通玻璃的主要成分為硅酸鈣、硅酸鈉和二氧化硅。
4．(2020·泰安高一測試)下列關(guān)于材料應(yīng)用及成分表述錯誤的是( )
A．三峽大壩使用了大量水泥，水泥是硅酸鹽材料
B．太陽能電池可采用二氧化硅材料制作，其應(yīng)用有利于環(huán)保節(jié)能
C．人造剛玉熔點很高，可用作高溫耐火材料，主要成分是Al2O3
D．化學(xué)家采用瑪瑙研磨固體反應(yīng)物，瑪瑙的主要成分是SiO2
解析：選B。A.水泥是傳統(tǒng)的無機非金屬材料，主要成分是硅酸鹽，故正確；B.太陽能電池的主要成分是硅單質(zhì)，故錯誤；C.人造剛玉的主要成分是Al2O3，故正確；D.瑪瑙的主要成分是SiO2，故正確。
5．(2020·商丘高一檢測)由二氧化硅制高純硅的流程如下，下列判斷中錯誤的是( )
A．SiHCl3的摩爾質(zhì)量為135.5 g
B．H2和HCl均可循環(huán)利用
C．SiO2是一種堅硬難熔的固體
D．①②③均屬于氧化還原反應(yīng)
解析：選A。SiHCl3的摩爾質(zhì)量為135.5 g/ml，A項錯誤；由生產(chǎn)高純硅的流程示意圖可知，H2和HCl既是反應(yīng)物，又是產(chǎn)物，所以可重復(fù)利用的物質(zhì)是H2和HCl，B項正確；SiO2硬度大、熔點高，C項正確；反應(yīng)①為SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up9(1 800～2 000 ℃))Si＋2CO↑，反應(yīng)②為Si＋3HCleq \(=====,\s\up9(300 ℃))SiHCl3＋H2，反應(yīng)③為SiHCl3＋H2eq \(=====,\s\up9(1 100 ℃))Si＋3HCl，三個化學(xué)方程式中均有元素的化合價發(fā)生變化，故均屬于氧化還原反應(yīng)，D項正確。
6．(2020·北京八中高一質(zhì)檢)已知A是灰黑色有金屬光澤的固體單質(zhì)。根據(jù)如圖所示的物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，回答下列有關(guān)問題。
(1)寫出A、B、C、D的化學(xué)式：A_______，B_______，C_______，D_______。
(2)寫出D→A的化學(xué)方程式：______________________________________。
(3)寫出下列反應(yīng)的離子方程式：
B→C__________________________________________________________；
D→B__________________________________________________________。
解析：(1)A是灰黑色有金屬光澤的固體單質(zhì)，因此A為Si，根據(jù)轉(zhuǎn)化關(guān)系可推知B為Na2SiO3，C為H2SiO3，D為SiO2。(2)D→A：SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up9(高溫))Si＋2CO↑。(3)B→C：利用碳酸的酸性強于硅酸，反應(yīng)的離子方程式為SiOeq \\al(2－,3)＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋COeq \\al(2－,3)或SiOeq \\al(2－,3)＋2CO2＋2H2O===H2SiO3↓＋2HCOeq \\al(－,3)；D→B：SiO2屬于酸性氧化物，與NaOH溶液反應(yīng)的離子方程式為SiO2＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋H2O。
答案：(1)Si Na2SiO3 H2SiO3 SiO2 (2)SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up9(高溫))Si＋2CO↑ (3)SiOeq \\al(2－,3)＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋COeq \\al(2－,3)(或SiOeq \\al(2－,3)＋2CO2＋2H2O===H2SiO3↓＋2HCOeq \\al(－,3)) SiO2＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋H2O
[合格考檢測]
1．(2020·安丘一中高一檢測)下列有關(guān)玻璃的說法錯誤的是 ( )
A．制造普通玻璃的主要原料是純堿、石灰石和石英砂
B．盛放燒堿溶液的試劑瓶不能用玻璃塞
C．普通玻璃在加熱熔化時有固定的熔點
D．普通玻璃的主要成分是硅酸鈉、硅酸鈣和二氧化硅
解析：選C。普通玻璃的主要成分是硅酸鈉、硅酸鈣和二氧化硅，屬于混合物，在加熱熔化時沒有固定的熔點，故C錯誤。
2．(2020·牡丹江第一高級中學(xué)高一質(zhì)檢)我國已跨入“互聯(lián)網(wǎng)＋”時代，而“互聯(lián)網(wǎng)＋”的建設(shè)離不開無機非金屬材料硅。下列物品中用到硅單質(zhì)的是( )
A．陶瓷花瓶 B．石英鐘表
C．計算機芯片 D．光導(dǎo)纖維
解析：選C。陶瓷花瓶是硅酸鹽產(chǎn)品，主要成分為硅酸鹽，故A錯誤；石英的主要成分為二氧化硅，故B錯誤；硅單質(zhì)是半導(dǎo)體材料，可以用來制作計算機芯片，故C正確；光導(dǎo)纖維的主要成分為二氧化硅，故D錯誤。
3．下列關(guān)于硅及其化合物的說法中，不正確的是( )
A．硅瓦使用了硅酸鹽材料
B．氮化硅熔點高，硬度大，可用于制作耐高溫軸承
C．碳化硅可用作砂紙和砂輪的磨料
D．生產(chǎn)玻璃和水泥的主要原料中都有黏土
解析：選D。生產(chǎn)玻璃的主要原料為純堿、石灰石和石英砂，生產(chǎn)水泥的主要原料為黏土和石灰石。
4．下列敘述中，正確的是( )
A．自然界中存在大量的單質(zhì)硅
B．石英、水晶的主要成分都是二氧化硅
C．二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)活潑，能跟酸或堿溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)
D．在自然界硅元素都存在于石英中
解析：選B。自然界中硅元素含量很高，但都以化合態(tài)形式存在，A項錯誤；二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，其為酸性氧化物，可以和堿溶液反應(yīng)，除與HF反應(yīng)外，不與其他酸反應(yīng)，C項錯誤；硅元素是親氧元素，在自然界主要以氧化物和硅酸鹽的形式存在，D項錯誤。
5．材料與化學(xué)密切相關(guān)，表中對應(yīng)關(guān)系錯誤的是( )
解析：選A。剛玉的主要成分是Al2O3，金剛石的成分是C，A項錯誤；大理石、石灰石的主要成分都是CaCO3，B項正確；普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂為原料，經(jīng)混合、粉碎，在玻璃窯中熔融而得到的硅酸鹽產(chǎn)品，普通水泥是以黏土和石灰石為主要原料，與其他輔料經(jīng)混合、研磨后在水泥回轉(zhuǎn)窯中煅燒，加入適量石膏調(diào)節(jié)水泥硬化速率，再磨成細(xì)粉而得到的硅酸鹽產(chǎn)品，C項正確；沙子和石英的主要成分都是SiO2，D項正確。
6．單晶硅是制作電子集成電路的基礎(chǔ)材料，其功能遠(yuǎn)比我們想象的要大得多，這對硅的純度要求很高。用化學(xué)方法可制得高純硅，其化學(xué)方程式為
①SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up9(高溫))Si＋2CO↑
②Si＋2Cl2eq \(=====,\s\up9(高溫))SiCl4
③SiCl4＋2H2eq \(=====,\s\up9(高溫))Si＋4HCl
下列對上述三個反應(yīng)的敘述中，錯誤的是( )
A．①③為置換反應(yīng)
B．②為化合反應(yīng)
C．①②③均為氧化還原反應(yīng)
D．三個反應(yīng)的反應(yīng)物中硅元素均被還原
解析：選D。①③中硅元素被還原，②中硅元素被氧化，D錯誤。
7．(2019·高考全國卷Ⅰ)陶瓷是火與土的結(jié)晶，是中華文明的象征之一，其形成、性質(zhì)與化學(xué)有著密切的關(guān)系。下列說法錯誤的是( )
A．“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色，來自氧化鐵
B．聞名世界的秦兵馬俑是陶制品，由黏土經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成
C．陶瓷是應(yīng)用較早的人造材料，主要化學(xué)成分是硅酸鹽
D．陶瓷化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸堿侵蝕、抗氧化等優(yōu)點
解析：選A?！坝赀^天晴云破處”所描述的瓷器青色與氧化亞鐵有關(guān)，而氧化鐵顯紅棕色，A項錯誤；秦兵馬俑是陶制品，由黏土經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，B項正確；陶瓷以黏土為原料，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，屬于人造材料，主要成分是硅酸鹽，C項正確；陶瓷主要成分是硅酸鹽，硅酸鹽中硅元素化合價處于最高價，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸堿侵蝕、抗氧化等優(yōu)點，D項正確。
8．開發(fā)新材料是現(xiàn)代科技發(fā)展的方向之一。下列有關(guān)材料的說法正確的是( )
A．石墨烯是新型無機非金屬材料
B．納米材料屬于膠體
C．硅酸鹽材料只含有非金屬元素
D．二氧化硅常用作光電轉(zhuǎn)換材料
解析：選A。納米材料分散到分散劑中，才能形成膠體，B項不正確；硅酸鹽材料不僅含有非金屬元素，還含有Na、Ca等金屬元素，C項不正確；硅常用作光電轉(zhuǎn)換材料，D項不正確。
9．下列關(guān)于無機非金屬材料的說法不正確的是( )
A．傳統(tǒng)無機非金屬材料指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸鹽材料
B．新型無機非金屬材料克服了傳統(tǒng)無機非金屬材料的缺點，具有極大的強度
C．高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料具有耐高溫、耐酸堿腐蝕、硬度大、耐磨損、密度小等優(yōu)點
D．傳統(tǒng)無機非金屬材料和新型無機非金屬材料的主要成分都是硅酸鹽
解析：選D。新型無機非金屬材料的主要成分并不是硅酸鹽，如氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等，故D項錯誤。
10．A、B、C、D、E代表的物質(zhì)為單質(zhì)或化合物，它們之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖所示。A為地殼中含量僅次于氧的非金屬元素的單質(zhì)，其晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相似。
請回答下列問題：
(1)單質(zhì)A的化學(xué)式為________，它的最高化合價為________。
(2)B的化學(xué)式為________________，B和焦炭反應(yīng)生成A和E的化學(xué)方程式是____________________________________________________________。
(3)C的化學(xué)式為________，D的化學(xué)式為________。
解析：這是一道關(guān)于元素及其化合物的推斷題，其中“A為地殼中含量僅次于氧的非金屬元素的單質(zhì)”是該題的“題眼”。由該“題眼”可知A是Si。根據(jù)轉(zhuǎn)化關(guān)系可以推出，B是SiO2，E是CO，C是CaSiO3，D是Na2SiO3。
答案：(1)Si ＋4價
(2)SiO2 SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up9(高溫))Si＋2CO↑
(3)CaSiO3 Na2SiO3
[等級考檢測]
11．硅是構(gòu)成無機非金屬材料的一種主要元素，下列有關(guān)硅的化合物的敘述錯誤的是( )
A．氮化硅陶瓷是一種新型無機非金屬材料，其化學(xué)式為Si3N4
B．碳化硅(SiC)的硬度大，熔點高，可用于制作高溫結(jié)構(gòu)陶瓷
C．光導(dǎo)纖維是一種新型無機非金屬材料，其主要成分為SiO2
D．硅酸鹽中硅、氧原子之間以離子鍵結(jié)合
解析：選D。硅酸鹽中硅、氧原子之間以共價鍵結(jié)合。
12．(2020·合肥模擬)《天工開物》記載：“凡埏泥造瓦，掘地二尺余，擇取無沙黏土而為之”“凡坯既成，干燥之后，則堆積窖中燃薪舉火”“澆水轉(zhuǎn)釉(主要為青色)，與造磚同法”。下列說法錯誤的是( )
A．沙子和黏土的主要成分為硅酸鹽
B．“燃薪舉火”使黏土發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化
C．燒制后自然冷卻成紅瓦，澆水冷卻成青瓦
D．黏土是制作磚瓦和陶瓷的主要原料
解析：選A。沙子的主要成分為二氧化硅，二氧化硅是氧化物，不屬于硅酸鹽，A項錯誤。黏土燒制成瓦的過程中發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)變化，B項正確。由“澆水轉(zhuǎn)釉(主要為青色)，與造磚同法”可知，C項正確。黏土是制作磚瓦和陶瓷的主要原料，D項正確。
13．(2020·濟南考試大綱調(diào)研卷)工業(yè)上制備高純硅有多種方法，其中的一種工藝流程如下：
已知：流化床反應(yīng)的產(chǎn)物中，除SiCl4 外，還有SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、FeCl3 等。下列說法正確的是( )
A．電弧爐中發(fā)生的反應(yīng)為C＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高溫))CO2↑＋Si
B．SiCl4 進入還原爐之前需要經(jīng)過蒸餾提純
C．每生產(chǎn)1 ml高純硅，需要44.8 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)Cl2
D．該工藝Si的產(chǎn)率高，符合綠色化學(xué)要求
解析：選B。A項，二氧化碳與焦炭在高溫下反應(yīng)生成粗硅和一氧化碳，則電弧爐中發(fā)生的反應(yīng)為2C＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高溫))2CO↑＋Si，選項A錯誤；B項，在流化床反應(yīng)器中除SiCl4 外，還有SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、FeCl3 等，故SiCl4在進入還原爐之前需要經(jīng)過蒸餾提純，選項B正確；C項，根據(jù)轉(zhuǎn)化關(guān)系Si→SiCl4→Si，每生產(chǎn)1 ml高純硅，需要44.8 L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)Cl2，由于含有其他副反應(yīng)，消耗Cl2 大于44.8 L，選項C錯誤；D項，該工藝中產(chǎn)生氯化氫氣體且有氯氣的參與，容易引起空氣污染，不符合綠色化學(xué)要求，選項D錯誤。
14．氮化硅是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，屬于新型功能性陶瓷產(chǎn)品，它的硬度大、熔點高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，工業(yè)上曾普遍采用高純硅與純氮在1 300 ℃時反應(yīng)獲得。
(1)氮化硅陶瓷抗腐蝕能力強，除氫氟酸外，不與其他無機酸反應(yīng)。試推測該陶瓷被氫氟酸腐蝕的化學(xué)方程式為______________________________________。
(2)現(xiàn)用四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛保護下，加強熱發(fā)生反應(yīng)，可獲得較高純度的氮化硅及氯化氫，反應(yīng)的化學(xué)方程式為____________________________。
解析：(1)根據(jù)題目信息可知，Si3N4與氫氟酸反應(yīng)，因Si3N4中硅元素化合價為＋4價，氮元素化合價為－3價，故其生成物應(yīng)為SiF4和NH3。
(2)根據(jù)題意可知，SiCl4與N2、H2在加強熱條件下反應(yīng)，生成Si3N4和HCl。
答案：(1)Si3N4＋12HF===3SiF4↑＋4NH3↑
(2)3SiCl4＋2N2＋6H2eq \(=====,\s\up9(強熱))Si3N4＋12HCl
15．晶體硅是一種重要的非金屬材料，制備高純硅的主要步驟如下：
①在1 800～2 000 ℃的溫度下用過量的焦炭還原二氧化硅制得粗硅，同時得到一種可燃性氣體；
②粗硅與干燥的HCl氣體反應(yīng)制得SiHCl3(Si＋3HCleq \(=====,\s\up9(300 ℃))SiHCl3＋H2)；
③SiHCl3與過量的H2在1 100 ℃的溫度下反應(yīng)制得高純硅。
已知SiHCl3能與水劇烈反應(yīng)，在空氣中易自燃。
(1)第一步制取粗硅反應(yīng)的化學(xué)方程式為____________________________。
(2)實驗室用SiHCl3與過量的H2反應(yīng)制取高純硅的裝置如圖所示(加熱和夾持裝置已略去)：
①裝置B中的試劑是_________________；裝置C中的燒杯需要加熱，目的是__________________________________________________________；
②反應(yīng)一段時間后，裝置D中觀察到的現(xiàn)象是_____________________，裝置D不能采用普通玻璃管的原因是______________________________________，裝置D中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式是___________________________________；
③為保證制備高純硅實驗的成功，操作的關(guān)鍵是檢查實驗裝置的氣密性、控制好反應(yīng)溫度以及______________________________________。
解析：(2)①因SiHCl3能與水劇烈反應(yīng)，故裝置A中產(chǎn)生的H2必須干燥，因此裝置B中的試劑為濃硫酸；裝置C中的燒杯需要加熱，目的是使SiHCl3汽化，從而進入石英管中與H2反應(yīng)；②石英管中產(chǎn)生的物質(zhì)應(yīng)為硅，故裝置D中有固體產(chǎn)生；由題給信息可知，制高純硅的反應(yīng)條件為1 100 ℃，此溫度下普通玻璃管容易軟化；③因高溫下H2與O2反應(yīng)容易爆炸，故還應(yīng)排盡裝置中的空氣。
答案：(1)SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up9(1 800～2 000 ℃))Si＋2CO↑
(2)①濃硫酸 使滴入燒瓶中的SiHCl3汽化
②有固體物質(zhì)生成 在高溫(1 100 ℃)下，普通玻璃管會軟化 SiHCl3＋H2eq \(=====,\s\up9(1 100 ℃))Si＋3HCl
③排盡裝置中的空氣
16．高純二氧化硅可用來制造光纖。某稻殼灰的成分如下表：
通過如下流程可由稻殼灰制備較純凈的二氧化硅。
請回答下列問題：
(1)根據(jù)氧化物的性質(zhì)進行分類，稻殼灰中涉及的氧化物最多有________類。
(2)步驟①中涉及SiO2反應(yīng)的離子方程式為___________________________。
(3)濾渣A的成分是________________(填化學(xué)式)。
(4)步驟③反應(yīng)的化學(xué)方程式為______________________________________。
(5)實驗室進行步驟③用到的儀器有坩堝鉗、酒精燈、三腳架、________和________。
解析：(1)根據(jù)氧化物的性質(zhì)可以把氧化物分為堿性氧化物、酸性氧化物、兩性氧化物3類，稻殼灰中的SiO2屬于酸性氧化物，Na2O、K2O、Fe2O3屬于堿性氧化物，Al2O3屬于兩性氧化物。
(2)步驟①中SiO2與OH－反應(yīng)生成SiOeq \\al(2－,3)和H2O，離子方程式是SiO2＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋H2O。
(3)稻殼灰的成分中SiO2、Al2O3與NaOH反應(yīng)，Na2O、K2O與H2O反應(yīng)，而C與Fe2O3均不反應(yīng)，所以濾渣A的成分是C和Fe2O3。
(4)濾液A中含有SiOeq \\al(2－,3)、AlOeq \\al(－,2)，加入過量稀鹽酸，則AlOeq \\al(－,2)與過量的稀鹽酸反應(yīng)生成Al3＋，SiOeq \\al(2－,3)與過量的稀鹽酸反應(yīng)生成H2SiO3沉淀，過濾得到H2SiO3，煅燒生成SiO2和H2O，化學(xué)方程式是H2SiO3eq \(=====,\s\up9(△))SiO2＋H2O。
(5)煅燒固體時，需要將固體放在坩堝中，坩堝放在泥三角上，泥三角放在三腳架上，用酒精燈加熱，用坩堝鉗取放坩堝，所以還需要坩堝和泥三角。
答案：(1)3 (2)SiO2＋2OH－===SiOeq \\al(2－,3)＋H2O
(3)C和Fe2O3 (4)H2SiO3eq \(=====,\s\up9(△))SiO2＋H2O
(5)坩堝 泥三角課程標(biāo)準(zhǔn)
核心素養(yǎng)
1.結(jié)合實例認(rèn)識無機非金屬材料的組成、性能與應(yīng)用之間的聯(lián)系。
2．結(jié)合真實情境中的應(yīng)用實例，了解硅酸鹽、硅、二氧化硅的主要性質(zhì)。
1.宏觀辨識與微觀探析：能說明硅酸鹽、硅、二氧化硅的性質(zhì)與應(yīng)用之間的關(guān)系。
2．科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任：能說明化學(xué)科學(xué)發(fā)展在自然資源利用、材料合成、促進科學(xué)技術(shù)發(fā)展等方面的重要作用。
結(jié)構(gòu)
特點
硅氧四面體
硬度高、熔點高、難溶于水、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等
主要原料
制備過程
生產(chǎn)應(yīng)用
陶瓷
黏土
原料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成
用于生產(chǎn)建筑材料、絕緣材料、日用器皿、衛(wèi)生潔具等
玻璃
純堿、石灰石
和石英砂
原料經(jīng)混合、粉碎，在玻璃窯中熔融，發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化而制得
用于生產(chǎn)建筑材料、光學(xué)儀器、各種器皿、玻璃纖維等
水泥
黏土和石灰石
主要原料與其他輔料經(jīng)混合、研磨后在水泥回轉(zhuǎn)窯中煅燒，發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，加入適量石膏調(diào)節(jié)水泥硬化速率，再磨成細(xì)粉即得普通水泥
制作混凝土，用于建筑和水利工程
含量
存在形態(tài)
原子結(jié)構(gòu)示意圖
在元素周期表中的位置
地殼中居第二位
氧化物和硅酸鹽
第三周期、第ⅣA族
物質(zhì)
結(jié)構(gòu)特點
應(yīng)用
富勒烯
由碳原子構(gòu)成的一系列籠形分子的總稱
代表物C60開啟了碳納米材料研究和應(yīng)用的新時代
碳納
米管
可以看成是由石墨片層卷成的管狀物，具有納米尺度的直徑
用于生產(chǎn)復(fù)合材料、電池和傳感器等
石墨烯
只有一個碳原子直徑厚度的單層石墨
應(yīng)用于光電器件、超級電容器、電池和復(fù)合材料等
選項
材料
主要成分
A
剛玉、金剛石
三氧化二鋁
B
大理石、石灰石
碳酸鈣
C
普通水泥、普通玻璃
硅酸鹽
D
沙子、石英
二氧化硅
組分
SiO2
C
Na2O
K2O
Al2O3
Fe2O3
質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%
59.20
38.80
0.25
0.50
0.64
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