高考專題：碳、硅及無機非金屬材料[考綱要求]1.了解碳、硅元素單質(zhì)及其重要化合物的制備方法，掌握其主要性質(zhì)及其應(yīng)用。2.了解碳、硅元素單質(zhì)及其重要化合物對環(huán)境的影響?？键c二硅酸、硅酸鹽及無機非金屬材料[要點濃縮]硅酸：難溶性酸是硅酸，酸性比碳酸還弱，受熱分解不穩(wěn)定，硅膠常作干燥劑。[要點細化]1.硅酸2.硅酸鹽(1)硅酸鹽是由硅、氧與其他化學(xué)元素結(jié)合而成的化合物的總稱，是構(gòu)成地殼巖石的主要成分。(2)硅酸鈉：耐火材料。(3)硅酸鹽組成的表示方法：通常用二氧化硅和金屬氧化物的組合形式表示硅酸鹽的組成：①氧化物的書寫順序：活潑金屬氧化物→較活潑金屬氧化物→二氧化硅→水，不同氧化物間以“·”隔開。②各元素的化合價保持不變，且滿足化合價代數(shù)和為零，各元素原子個數(shù)比符合原來的組成。如硅酸鈉(Na2SiO3)可表示為Na2O·SiO2，長石(KAlSi3O8)可表示為K2O·Al2O3·6SiO2。3.無機非金屬材料(1)傳統(tǒng)無機非金屬材料，如水泥、玻璃、陶瓷等硅酸鹽材料。①常見硅酸鹽材料比較水泥玻璃陶瓷生產(chǎn)原料石灰石、黏土純堿、石灰石、石英黏土主要設(shè)備水泥回轉(zhuǎn)窯玻璃窯陶瓷窯②玻璃生產(chǎn)中的兩個重要反應(yīng)：Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑；CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))CaSiO3＋CO2↑。(2)新型無機非金屬材料，如高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、光導(dǎo)纖維、生物陶瓷、壓電陶瓷等。[易錯警示]1.不能依據(jù)反應(yīng)Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑說明H2SiO3的酸性比H2CO3強。強酸＋弱酸鹽=強酸鹽＋弱酸，該規(guī)律僅適用于常溫下水溶液中進行的反應(yīng)，而該反應(yīng)是在高溫且熔融態(tài)下進行的，只能從化學(xué)平衡移動角度去解釋反應(yīng)發(fā)生的原因——CO2為氣體，能及時分離出反應(yīng)體系，使化學(xué)反應(yīng)向右進行。2.SiHCl3遇水劇烈反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和另一種物質(zhì)，化學(xué)方程式為：SiHCl3＋3H2O=H2SiO3↓＋H2↑＋3HCl[正誤判斷](1)金剛石和石墨由相同的元素組成，因此它們具有相同的性質(zhì)()(2)石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸姆磻?yīng)屬于氧化還原反應(yīng)()(3)硅在自然界中只以化合態(tài)的形式存在()(4)向CaCl2溶液中通入CO2氣體，溶液變渾濁，繼續(xù)通入CO2至過量，渾濁消失()(5)氨化的飽和食鹽水中通入足量的CO2氣體，會析出晶體()(6)晶體硅熔點高、硬度大，故可用于制作半導(dǎo)體材料()(7)Si和SiO2都可用于制造光導(dǎo)纖維()(8)非金屬性：C＞Si，則熱穩(wěn)定性：CH4＞SiH4()(9)硅的化學(xué)性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)反應(yīng)()(10)SiO2是酸性氧化物，可溶于強堿(NaOH)，不溶于任何酸()(11)玻璃是一種晶體，有較高的熔點()(12)水玻璃是一種特殊的玻璃，泡花堿屬于堿()答案(1)×(2)×(3)√(4)×(5)√(6)×(7)×(8)√(9)×(10)×(11)×(12)×[能力提升]1.溶洞和鐘乳石是大自然的杰作。溶洞和鐘乳石的形成與自然界中碳及其化合物間的轉(zhuǎn)化有著密切聯(lián)系。下列有關(guān)自然界中碳及其化合物間的轉(zhuǎn)化的說法，不正確的是()A．溶洞是通過CaCO3與H2O、CO2作用生成可溶性的Ca(HCO3)2形成的B．游客的參觀不會對其造成影響C．溶洞和鐘乳石的形成過程中沒有涉及氧化還原反應(yīng)D．鐘乳石是在一定條件下可溶性的Ca(HCO3)2轉(zhuǎn)化成CaCO3的結(jié)果答案B2.下列關(guān)于二氧化硅的說法正確的是()A．二氧化硅是酸性氧化物，因此能與水反應(yīng)生成硅酸B．二氧化硅制成的光導(dǎo)纖維，由于導(dǎo)電能力強而被用于制造光纜C．二氧化硅不能與碳酸鈉溶液反應(yīng)，但能與碳酸鈉固體在高溫時發(fā)生反應(yīng)D．用二氧化硅制取單質(zhì)硅時，當(dāng)生成2.24L氣體(標準狀況)時，得到2.8g硅[解析]二氧化硅是酸性氧化物，但是二氧化硅不溶于水，與水不反應(yīng)，故A錯誤；二氧化硅制成的光導(dǎo)纖維，由于其良好的光學(xué)特性而被用于制造光纜，故B錯誤；碳酸的酸性強于硅酸，二氧化硅不能與碳酸鈉溶液反應(yīng)，但在高溫時，二氧化硅能夠與碳酸鈉固體反應(yīng)生成硅酸鈉和二氧化碳，故C正確；由方程式SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up7(高溫))Si＋2CO↑，可知當(dāng)生成2.24L(標準狀況)即0.1mol氣體時，得到0.05mol即1.4g硅，故D錯誤。答案C3.下列說法不正確的是()A．SiO2能與HF反應(yīng)，因此可用HF刻蝕玻璃B．向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀鹽酸制備硅酸凝膠C．氮化硅是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，化學(xué)式為Si3N4D．石英是良好的半導(dǎo)體材料，可以制成光電池，將光能直接轉(zhuǎn)化成電能[解析]氫氟酸與二氧化硅反應(yīng)生成四氟化硅和水，故HF可用于刻蝕玻璃，故A正確；鹽酸的酸性強于硅酸，所以向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀鹽酸可制備硅酸凝膠，故B正確；根據(jù)N的非金屬性強于Si及化合物中正負化合價的代數(shù)和為0的原則，得氮化硅的化學(xué)式為Si3N4，故C正確；晶體硅是良好的半導(dǎo)體材料，可以制成光電池，將光能直接轉(zhuǎn)化成電能，而不是二氧化硅，故D錯誤。答案D4.(2019·全國卷Ⅰ，7)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]“雨過天晴云破處”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)贫?，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。答案A5.化學(xué)與生活密切相關(guān)。下列敘述錯誤的是()A．高純硅可用于制作光感電池(2019·全國卷Ⅲ，7A)B．活性炭具有除異味和殺菌作用(2019·全國卷Ⅲ，7C)C．無水CoCl2呈藍色，吸水會變?yōu)榉奂t色，可用于判斷變色硅膠是否吸水(2019·天津，3D)D．天然石英和水晶的主要成分都是二氧化硅(2019·浙江4月選考，8C)答案B6.下列說法正確的是()A．漢代燒制出“明如鏡、聲如磬”的瓷器，其主要原料為黏土(2018·天津，1C)B．SiO2具有導(dǎo)電性，可用于制作光導(dǎo)纖維和光電池(2018·海南，5B)C．12g金剛石中含有化學(xué)鍵的數(shù)目為4NA(2018·海南，9A)D．SiO2熔點高硬度大，可用于制光導(dǎo)纖維(2018·江蘇，3B)[解析]工業(yè)上以黏土為原料燒制瓷器，A項正確；二氧化硅對光具有良好的全反射作用，故用于制作光導(dǎo)纖維，而Si為半導(dǎo)體材料，可作光電材料，B項錯誤；在金剛石中，1個C原子參與形成4個C—C鍵，則平均每個C原子形成4×eq\f(1,2)＝2個C—C鍵，n(金剛石)＝eq\f(12g,12g·mol－1)＝1mol，所以12g金剛石中含有2NA個化學(xué)鍵，C項錯誤；SiO2作光導(dǎo)纖維是由于SiO2具有光學(xué)性質(zhì)，與熔點和硬度無關(guān)，D項錯誤。答案A7.下列有關(guān)硅及其化合物的敘述錯誤的是()A．SO2通入Na2SiO3溶液產(chǎn)生膠狀沉淀，證明酸性H2SO3>H2SiO3(2017·北京，10D)B．可用磨口玻璃瓶保存NaOH溶液(2015·海南，7B)C．HF能與SiO2反應(yīng)，可用氫氟酸在玻璃器皿上刻蝕標記(2016·全國卷Ⅲ，7D)D．石英砂可用于生產(chǎn)單晶硅(2016·海南，4C)[解析]A項，依據(jù)強酸制弱酸原理判斷；B項，NaOH與玻璃中的SiO2會發(fā)生反應(yīng)2NaOH＋SiO2=Na2SiO3＋H2O，產(chǎn)生的Na2SiO3有黏合性，會將玻璃瓶與玻璃塞黏在一起，因此不能使用玻璃塞，要用橡膠塞，錯誤。答案B8.下列有關(guān)硅及其化合物的說法中正確的是()A．硅酸鈉屬于鹽，不屬于堿，所以硅酸鈉可以保存在磨口玻璃塞試劑瓶中B．反應(yīng)①Na2SiO3＋H2O＋CO2=Na2CO3＋H2SiO3↓，反應(yīng)②Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up7(高溫))Na2SiO3＋CO2↑，兩反應(yīng)是相互矛盾的，不可能都發(fā)生C．普通玻璃、石英玻璃、水泥等均屬于硅酸鹽材料D．雖然SiO2能與HF、NaOH反應(yīng)，但SiO2不是兩性氧化物[解析]反應(yīng)②是在高溫下進行的，CO2為氣體，逸出可使平衡正向移動，促使反應(yīng)繼續(xù)進行，B項錯誤；石英玻璃不屬于硅酸鹽材料，C項錯誤。答案D9.(2015·海南，14)單質(zhì)Z是一種常見的半導(dǎo)體材料，可由X通過如下圖所示的路線制備。其中X為Z的氧化物；Y為氫化物，分子結(jié)構(gòu)與甲烷相似?；卮鹣铝袉栴}：eq\x(X)eq\o(→,\s\up7(Mg),\s\do5(加熱))eq\x(Mg2Z)eq\o(→,\s\up7(鹽酸))eq\x(Y)eq\o(→,\s\up7(加熱))eq\x(Z)(1)能與X發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的酸是________；由X制備Mg2Z的化學(xué)方程式為_________________________________________________________________________________________。(2)由Mg2Z生成Y的化學(xué)方程式為_______________________________，Y分子的電子式為_____________________________________________________________________________。(3)Z、X中共價鍵的類型分別是__________________、_________________。答案(1)氫氟酸(HF)SiO2＋4Mgeq\o(=,\s\up7(△))2MgO＋Mg2Si(2)Mg2Si＋4HCl=2MgCl2＋SiH4↑(3)非極性鍵極性鍵10.硅是帶來人類文明的重要元素之一，從傳統(tǒng)材料到信息材料的發(fā)展過程中創(chuàng)造了一個又一個奇跡。(1)新型陶瓷Si3N4的熔點高、硬度大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。工業(yè)上可以采用化學(xué)氣相沉積法，在H2的保護下，使SiCl4與N2反應(yīng)生成Si3N4沉積在石墨表面，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________________________________________________________________。(2)一種工業(yè)用硅(含少量鉀、鈉、鐵、銅的氧化物)，已知硅的熔點是1420℃，高溫下氧氣及水蒸氣能明顯腐蝕氮化硅。一種合成氮化硅的主要工藝流程如下：①凈化N2和H2時，銅屑的作用是__________________，硅膠的作用是_____________。②在氮化爐中發(fā)生反應(yīng)3SiO2(s)＋2N2(g)=Si3N4(s)＋3O2(g)ΔH＝－727.5kJ·mol－1，開始時，嚴格控制氮氣的流速以控制溫度的原因是__________________；體系中要通入適量的氫氣是為了______________________________________________________________________。③X可能是__________________(填“鹽酸”“硝酸”“硫酸”或“氫氟酸”)。(3)工業(yè)上可以通過如圖所示的流程制取純硅：①整個制備過程必須嚴格控制無水無氧。SiHCl3遇水劇烈反應(yīng)，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________________________________________________________________。②假設(shè)每一輪次制備1mol純硅，且生產(chǎn)過程中硅元素沒有損失，反應(yīng)Ⅰ中HCl的利用率為90%，反應(yīng)Ⅱ中H2的利用率為93.75%。則在第二輪次的生產(chǎn)中，補充投入HCl和H2的物質(zhì)的量之比是___________________________________________________________________。[解析](1)根據(jù)原子個數(shù)守恒可寫出化學(xué)方程式3SiCl4＋2N2＋6H2=Si3N4＋12HCl。(2)①由于氧氣和水蒸氣都能腐蝕氮化硅，而氮氣和氫氣中含有水蒸氣和氧氣，所以銅屑的作用是除去氧氣，硅膠的作用是除去水蒸氣。②因為該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，如果溫度過高，局部過熱，會導(dǎo)致硅熔化成團，阻礙與N2的接觸；通入氫氣能將體系中的氧氣轉(zhuǎn)化為水蒸氣，而易被除去。③由于工業(yè)用硅中含有銅的氧化物，在反應(yīng)中氧化銅能被還原生成銅，因此要除去銅應(yīng)該選擇硝酸，鹽酸和硫酸不能溶解銅，氫氟酸能腐蝕氮化硅。(3)①SiHCl3遇水劇烈反應(yīng)生成H2SiO3、HC