第四章　非金属及其化合物

考 纲 解 读 考 点 展 示 1.了解碳、硅元素单质及其重要化合物的主要性质及应用。 2.了解碳、硅元素单质及其重要化合物对环境质量的影响。 1.以新材料、新技术为背景考查碳、硅及其重要化合物的性质及应用。 2.以实验探究题、框图推断题考查碳、硅元素单质及其化合物知识的综合应用。

一、硅 1．(1)硅在无机非金属材料中一直扮演着重要角色，被誉为无机非金属材料的主角。下列物品用到硅单质的是(　　) A．玻璃制品　　 B．石英钟表 C．计算机芯片 D．光导纤维 (2)不能说明碳元素的非金属性比硅元素强的是(　　) A．甲烷比硅化氢稳定 B．硅酸钠溶液的碱性比碳酸钠溶液的碱性强 C．碳酸与硅酸钠溶液反应生成硅酸 D．高温下SiO2和Na2CO3反应

解析：(1)制玻璃、石英钟表以及光导纤维的含硅原料为SiO2，故A、B、D三项不合题意；计算机芯片的含硅原料为单质硅。 (2)元素的非金属性越强，其气态氢化物越稳定，弱酸的酸性越弱，对应的强碱盐水溶液碱性越强，较强的酸与弱酸盐反应可生成弱酸，A、B、C均能说明碳元素的非金属性比硅元素强。D项，高温下的反应不能说明碳和硅元素非金属性的强弱。 答案：(1)C　(2)D

1．存在形式 硅在地壳中的含量居第二位，仅次于 。硅是一种亲氧元素，在自然界中全部以 存在，且常见的化合态的硅有 和硅酸盐。 2．物理性质 单质硅有 体和 形两种。晶体硅是 色、有 光泽、 而硬的固体，结构类似于金刚石，熔、沸点高，是良好的 材料。 3．化学性质 常温下，硅的化学性质不活泼，除F2、氢氟酸和强碱外，不易与其他物质反应。硅与NaOH反应的离子方程式为 ；加热时可与O2、Cl2等非金属反应：Si＋O2 。 氧 化合态 SiO2 晶 无定 灰黑 金属 脆 半导体 SiO2

4．工业制法 (1)工业制粗硅的化学方程式为： SiO2(石英砂)＋ C(焦炭) 。 (2)将粗硅提纯后可获得高纯硅。 2 Si(粗硅)＋2CO↑ 5．硅的用途 (1)在计算机等电子工业，可用作 、大规模 等。 (2)硅是人类将 能转换为 能的常用材料。所以硅还用于制造 。 半导体芯片 集成电路 太阳 电 光电池

二、二氧化硅 2．(1)下列关于SiO2和CO2的叙述中不正确的是(　　) A．都是共价化合物 B．都是酸性氧化物，都能与强碱溶液反应 C．都能溶于水且与水反应生成相应的酸 D．SiO2可用于制光导纤维，干冰可用于人工降雨 (2)下列试剂可用带玻璃塞的玻璃瓶存放的是(　　) A．NaOH溶液 B．Na2SiO3溶液 C．盐酸 D．氢氟酸 解析：(1)SiO2不溶于水，不能与水化合生成H2SiO3。 (2)NaOH溶液、氢氟酸均能和玻璃中的SiO2发生反应而腐蚀玻璃；Na2SiO3溶液具有很强的黏性，若用带玻璃塞的玻璃瓶盛放，Na2SiO3溶液能将瓶塞粘住。 答案：(1)C　(2)C

2．结构 (1)SiO2晶体的基本结构单元如右图所示，是四面体结构。 (2)晶体中每个Si原子周围有 氧原子，每个氧原子周围有 Si原子，化学式为 ，晶体中 (填“存在”或“不存在”)SiO2分子。1 mol SiO2中含Si—O键的数目是 。 4个 2个 SiO2 不存在 4NA

3．化学性质 (1)酸性氧化物的通性 ①与强碱反应 与NaOH溶液反应的化学方程式为： SiO2＋2NaOH=== 。 盛碱液的试剂瓶用 塞，不能用 塞。 ②与碱性氧化物反应 与CaO反应的化学方程式为： 。 (2)氧化性 ， (3)特殊性：与氢氟酸反应 。 Na2SiO3＋H2O 橡皮 玻璃 SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O

(4)硅酸盐的用途 ①土壤保肥——土壤胶体一般带 电，能吸附NH、K＋。 ②硅酸盐产品——陶瓷、玻璃、水泥等无机非金属材料。 硅酸盐制品性质稳定，耐压强度高，硬度大，熔点较高，大都难溶于水。 4．主要用途 (1)信息高速公路的骨架—— ； (2)石英坩埚、石英玻璃、石英钟表等； (3)电子工业的重要部件、光学仪器； (4)用作工艺饰品如水晶、玛瑙等。 负 光导纤维

三、硅酸(H2SiO3)、硅酸盐、无机非金属材料 3．(1)均为0.1 mol·L－1的Na2CO3溶液和水玻璃，________的pH值大。 (2)正长石KAlSi3O8的氧化物形式可写作_________________________________________。 答案：(1)水玻璃 (2)K2O·Al2O3·6SiO2

1．硅酸(H2SiO3) (1)酸性：是一种很弱的酸，酸性比碳酸还 。 (2)存在形式：硅酸在水中的溶解度很小，易聚合形成 。 浓度较小时——硅酸 ； 浓度较大时——硅酸 。 硅酸凝胶干燥脱水形成 吸附水分能力强，常用作 剂，也用作 剂的载体。 (3)化学性质 ①弱酸性——比碳酸弱 与NaOH溶液反应的化学方程式为： ， 向Na2SiO3溶液中通入少量CO2的反应方程式为： 。 ②不稳定性 受热分解，化学方程式为 。 弱 胶体 溶胶 凝胶 硅胶 干燥 催化 H2SiO3＋2NaOH===Na2SiO3＋2H2O Na2SiO3＋CO2＋H2O===Na2CO3＋H2SiO3↓

2．硅酸盐 (1)硅酸盐 由 元素组成的化合物的总称，是构成地壳岩石的主要成分。 (2)硅酸钠 硅酸钠水溶液俗称 ，是无色黏稠液体，常用于制备黏合剂、防腐剂、耐火材料。 (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硅酸盐的组成：如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为 ，石棉(CaMg3Si4O12)可表示为： 。 硅、氧和金属 水玻璃 Na2O·SiO2 CaO·3MgO·4SiO2

3．无机非金属材料 (1)硅酸盐材料 (2)特殊功能的含硅物质 ① 具有金刚石结构，可用作磨料。 ②含硅元素4%的硅钢具有 性。 ③硅橡胶具有 的性质。 (3)新型无机非金属材料 新型无机非金属材料除具有传统无机非金属材料的优点外，还具有一些特殊的结构和特殊功能，如高温结构陶瓷、生物陶瓷和压电陶瓷等。 碳化硅 导磁 既耐高温又耐低温

　硅及其化合物的性质 1．碳和硅的比较 [特别提醒]　碳与水蒸气反应生成水煤气这一置换反应是高考的热点之一。

2．碳、硅元素单质及其化合物的特性 (1)一般情况，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但硅和金刚石熔、沸点高，硬度大，其中金刚石为硬度最大的物质。 (2)一般情况，非金属元素单质为绝缘体，但硅为半导体，石墨为电的良导体。 (3)一般情况，较强氧化剂＋较强还原剂===较弱氧化剂＋较弱还原剂，而碳却能还原出比它更强的还原剂：SiO2＋2C Si＋2CO↑，FeO＋C Fe＋CO↑。原因：C转化为气体逸出。 (4)非金属单质一般不能生成H2，但C、Si均可。 C＋H2O(g) CO＋H2。 Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 (5)一般情况，较活泼金属＋酸===盐＋氢气，然而Si是非金属，却能与氢氟酸发生反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。但生成的SiF4不属于盐。

(6)一般情况，碱性氧化物＋酸===盐＋水，SiO2是酸性氧化物却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。 (7)无机酸一般能溶于水，而H2SiO3却难溶于水。 (8)H2CO3的酸性大于H2SiO3，所以有Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，但高温下，Na2CO3＋SiO2 Na2SiO3＋CO2↑也能发生(CO2离开反应体系)。 3．硅与铝的相似性及区别 (1)与强碱溶液反应时相似 ①Si、Al均与NaOH溶液反应生成盐和H2。 ②SiO2、Al2O3、H2SiO3、H3AlO3[Al(OH)3]均与NaOH溶液反应生成盐和水。 ③Na2SiO3、NaAlO2溶液中通入过量CO2均生成白色沉淀。 (2)区别 ①除氢氟酸外，Si、SiO2、H2SiO3不与其它酸反应。 ②Al2O3、Al(OH)3属两性化合物。 ③Na2SiO3溶液、NaAlO2溶液与过量盐酸反应时现象不同。

　(2009年高考浙江理综)单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质)，粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度450～500 ℃)，四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。

相关信息如下： a．四氯化硅遇水极易水解； b．铁、铝、硼、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物； c．有关物质的物理常数见下表： 物质 SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 PCl5 沸点/℃ 57.7 12.8 － 315 熔点/℃ －70.0 －107.2 升华温度/℃ 180 300 162 请回答下列问题。 (1)写出装置A中发生反应的离子方程式_________________。 (2)装置A中g管的作用是__________________________； 装置C中的试剂是___；装置E中的h瓶需要冷却，理由是_______。 (3)装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏(类似多次蒸馏)得到高纯度四氯化硅，精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是________(填写元素符号)。

(4)为了分析残留物中铁元素的含量，先将残留物预处理，把铁元素还原成Fe2＋，再用KMnO4标准溶液在酸性条件下进行氧化还原滴定，反应的离子方程式是： 5Fe2＋＋ ＋8H＋===5Fe3＋＋Mn2＋＋4H2O ①滴定前是否要滴加指示剂？________(填“是”或“否”)，请说明理由_________。 ②某同学称取5.000 g残留物，预处理后在容量瓶中配制成100 mL溶液，移取25.00 mL试样溶液，用1.000×10－2 mol/L KMnO4标准溶液滴定。达到滴定终点时，消耗标准溶液20.00 mL，则残留物中铁元素的质量分数是________。 [思路点拨]　①从A→F各装置所盛装的试剂是什么，起何作用？②题目中所给物质的相关性质对理解E装置作用和粗硅的提纯有什么提示作用？③指示剂在滴定中是通过什么现象指示滴定终点的，KMnO4作为滴定试剂需要外加指示剂吗？④在计算铁元素含量时，可运用的计算技巧是什么？

[听课记录]　先理解各装置的用途。本实验目的是制备四氯化硅，根据题意，要用原料Cl2和粗Si。A装置为Cl2的制备装置(浓盐酸与MnO2)；B装置除HCl(可用饱和NaCl溶液)；C装置(浓H2SO4)干燥Cl2(SiCl4遇水极易水解，所以D装置中不能有水蒸气)；D装置发生Cl2与铁、铝、硼、磷的反应；E装置使SiCl4冷凝(也使升华后的AlCl3、FeCl3、PCl5凝结)，BCl3(沸点12.8 ℃)以气体形式进入F装置；F装置防止空气中的水蒸气进入E装置。 (3)注意：Cl元素也是杂质。

【答案】　(1)MnO2＋4H＋＋2Cl－ Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O (2)平衡压强(或使分液漏斗中的压强与圆底烧瓶中的压强相同，便于盐酸流下)　浓硫酸　使SiCl4冷凝 (3)Al、P、Cl (4)①否　KMnO4溶液自身可作指示剂　②4.480%

1．硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是(　　) A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料 B．粗硅制备单晶硅不涉及氧化还原反应 C．反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑中，Si为还原剂，NaOH和H2O为氧化剂 D．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅 解析：C项只有H2O是氧化剂；D项盐酸与Si不反应，氢氟酸才可。 答案：A

CO2和SiO2的比较

　(2011年潍坊模拟)下列说法正确的是(　　) A．因SiO2不溶于水，故SiO2不是H2SiO3的酸酐 B．CO2通入水玻璃可以得到原硅酸 C．CO2通入饱和氯化钙溶液中能生成白色沉淀 D．水晶项链是硅酸盐制品 [思路点拨]　(1)酸酐是否一定要溶于水？ (2)原硅酸(H4SiO4)失去1分子水即为H2SiO3。 (3)CO2通入盐溶液若能反应，属于什么反应类型？发生的条件是什么？

[听课记录]　SiO2、硅酸(H2SiO3)、原硅酸(H4SiO4)中硅均为＋4价，故SiO2是H2SiO3和H4SiO4的酸酐，A错误；CO2通入水玻璃中可生成原硅酸[习惯上写生成硅酸(H2SiO3)]，B正确；CO2通入CaCl2溶液中不会生成CaCO3沉淀，C错误；水晶项链的成分是SiO2而不是硅酸盐。 【答案】　B

2．(2011年济南模拟)和空气接触可发生非氧化还原反应的物质组是(　　) ①Na　②Na2SiO3溶液　③Na2O2　④烧碱溶液　⑤石灰水 ⑥Fe(OH)2 A．①③④　　　　　　　　 　B．①④⑤ C．②③⑥ D．②④⑤ 答案：D

无机非金属材料 无机非金属材料包括两大类：一类是传统无机非金属材料；另一类是新型无机非金属材料。 (1)传统无机非金属材料：主要指硅酸盐材料，如水泥、玻璃、陶瓷等。其优点有抗腐蚀、耐高温等，但也有质脆、经不起热冲击等弱点。

传统无机非金属材料的制备及成分 (2)新型无机非金属材料：主要指高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷等。

(2011年常州质检)下列关于无机非金属材料的说法中不正确的是(　　) A．传统无机非金属材料是指玻璃、水泥、陶瓷等硅酸盐材料 B．新型无机非金属材料虽然克服了传统无机非金属材料的缺点，但强度比较差 C．高温结构材料具有耐高温、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损、密度小等优点 D．传统无机非金属材料和新型无机非金属材料的主要成分都是硅酸盐

[听课记录]　无机非金属材料分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料两大类。传统无机非金属材料是指我们常说的硅酸盐材料，包括玻璃、水泥、砖瓦、陶瓷等；新型无机非金属材料是指一些新型的具有特殊结构和特殊功能的非硅酸盐型材料。新型无机非金属材料与传统无机非金属材料相比，具有许多优良性能，如耐高温、耐磨损、耐酸碱腐蚀、具有压电效应、具有生物功能等。 【答案】　BD

3．(2009年高考广东理基)下列关于硅单质及其化合物的说法正确的是(　　) ①硅是构成一些岩石和矿物的基本元素 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陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料 A．①②　　　　　　　　　　B．②③ C．①④ D．③④ 解析：本题着重考查硅元素的有关知识。硅是地壳中含量居第二位的元素，是构成岩石与矿物的基本元素，①正确；水泥、玻璃是硅酸盐制品，水晶的主要成分是SiO2，②错；SiO2制作光导纤维，③错；陶瓷是人类应用最早的硅酸盐材料，④正确。 答案：C

1．(2010年高考福建理综)下表各组物质中，满足下图物质一步转化关系的选项是(　　) 答案：C

答案：D

3．在①浓硝酸，②水，③王水，④氢氟酸，⑤氢氧化钾溶液中，能与二氧化硅起化学反应的是(　　) A．①② B．②④ C．④⑤ D．③④ 解析：SiO2为酸性氧化物，不与HNO3、盐酸等酸发生反应，但能与氢氟酸发生反应。SiO2不溶于水，也不与水反应，但能与强碱溶液反应。 答案：C

4．(2011年广州模拟)华裔科学家高锟因“在光纤传输信息领域中的突破性成就”获得2009年诺贝尔物理学奖，下列有关硅材料的说法正确的是(　　) A．光纤的主要成分是高纯度的单质硅 B．金刚砂的主要成分是二氧化硅 C．28 g硅含有6.02×1023个电子 D．28Si、29Si、30Si是不同的核素 答案：D

5．在下列物质的转化关系中，A是一种固体单质，且常作半导体材料，E是一种白色沉淀，F是最轻的气体单质。 据此填写： (1)B的化学式是________，目前在现代通讯方面B已被用作_________的主要原料。 (2)B和a溶液反应的离子方程式是____________________。 (3)A和a溶液反应的离子方程式是____________________。 (4)C和过量盐酸反应的离子方程式是__________________。

玻璃棒的作用 1．搅拌 (1)蒸发结晶 用玻璃棒搅拌，以免液体局部过热，致使液滴飞溅出来(如图1)。 (2)固体溶解 进行固体溶解的实验时，用玻璃棒进行搅拌，以加快固体物质的溶解速度，如粗盐的溶解。

2．引流 使液体沿玻璃棒注入容器中。 (1)过滤(如图2) (2)溶液的配制(如图3) 3．测定性质 (1)点测pH 测定溶液pH时，玻璃棒的作用是蘸取液体。 (2)检验气体性质 检验气体性质时，先用蒸馏水将试纸湿润，粘在玻璃棒的一端，用玻璃棒把试纸放到盛有待测气体的试管口(注意不要接触)观察试纸的颜色变化。