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第二单元 含硅矿物与信息材料
[学习目标定位] 1.知道硅在自然界的存在形式和硅酸盐产品的重要应用，会用氧化物的形式表示复杂硅酸盐的组成。2.知道硅及其重要化合物二氧化硅的性质及其应用。
一、硅酸盐
1．硅元素的存在形式
2．硅酸盐的组成与性质
用氧化物形式表示硅酸盐的组成
(1)氧化物的书写顺序：活泼金属氧化物―→较活泼金属氧化物―→二氧化硅―→水。 (2)氧化物之间以“·”隔开。
(3)在氧化物前面按化学式中的比例添加数字。 (4)若出现分数时应化为整数。 3．最简单的硅酸盐
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4．三种常见的硅酸盐产品
产品 原料 主要设备 主要成分 3CaO·SiO2，水泥 石灰石、黏土 水泥回转窑 2CaO·SiO2，3CaO·Al2O3 玻璃 陶瓷
例1 下列叙述正确的是( ) A．硅酸钠是硅酸盐，但不能溶于水 B．电影银幕用水玻璃浸泡，主要是为了防腐 C．建筑工业常用水玻璃作黏合剂
D．用水玻璃浸泡铁道的木制枕木，主要是为了防火 答案 C
解析 Na2SiO3既是硅酸盐，又是钠盐，硅酸盐大多难溶于水，而钠盐均易溶于水；浸泡银幕主要是为了防火，而浸泡枕木主要是为了防腐；水玻璃有黏合作用，常作黏合剂。 【考点】硅酸盐
【题点】硅酸盐的性质及应用
例2 用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，其中正确的是( ) A．钙沸石[CaAl2Si3O10·3H2O]表示为Al2O3·CaO·3SiO2·3H2O 1
B．镁橄榄石(Mg2SiO4)表示为MgO·SiO2
2
C．钾云母(K2Al6Si6H4O24)表示为K2O·2H2O·3Al2O3·6SiO2 D．滑石(Mg3H2Si4O12)表示为3MgO·4SiO2·H2O 答案 D
解析 根据硅酸盐改写氧化物的要求可以判断，A中Al2O3和CaO的排列顺序有误；B中化学计量数出现了分数；C中正确的写法应为K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O；D的写法符合要求。 【考点】硅酸盐
【题点】硅酸盐组成的表示方法 二、二氧化硅与信息材料 1．存在
天然存在的二氧化硅有：沙子、石英、水晶、硅藻土等。 2．性质 (1)物理性质
熔点高，硬度大；不溶于水。 (2)化学性质
纯碱、石灰石、石英砂 黏土 玻璃窑 Na2O·CaO·6SiO2 硅酸盐 精品
3．用途
(1)沙子是基本的建筑材料。
(2)纯净的二氧化硅是现代光学及光纤制品的基本原料，可以制作光导纤维。 (3)石英和玛瑙制作饰物和工艺品。 (4)实验室中使用石英坩埚。
(1)SiO2和CO2物理性质差别很大，常温下SiO2是坚硬的固体，而CO2为气体。
(2)SiO2和CO2都属于酸性氧化物，但SiO2与水、酸不反应，能与氢氟酸反应，能与碱、碱性氧化物反应。 (3)高温下，SiO2能与碳酸钠、碳酸钙反应。
例3 关于二氧化硅，下列叙述正确的是________(填序号)。 ①化学性质不活泼，熔融氢氧化钠固体可用石英坩埚 ②是酸性氧化物，溶于水显酸性，不溶于任何酸 ③物理性质与二氧化碳相似
④SiO2晶体是由SiO2分子直接组成的
⑤水晶、石英、沙子、玛瑙、光导纤维的主要成分均是SiO2 ⑥光导纤维在强碱性条件下易发生“断路” 答案 ⑤⑥
解析 ①SiO2晶体是由原子构成的空间网状结构，化学性质稳定，SiO2与NaOH发生反应，熔融NaOH固体不能用石英坩埚，①不正确；②SiO2属于酸性氧化物，与H2O不反应，但能与HF反应，②不正确；③SiO2与CO2结构不同，物理性质差别很大，③不正确；④SiO2晶体是由Si、O原子构成的，不含SiO2分子，④不正确；⑤正确；⑥光导纤维主要成分为SiO2，SiO2与碱反应，因此易发生“断路”，⑥正确。 【考点】二氧化硅
【题点】二氧化硅的组成与结构
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例4 二氧化硅是玻璃的主要成分之一。下列说法不正确的是( ) A．二氧化硅是一种立体网状结构的晶体，熔点高、硬度大 B．二氧化硅为酸性氧化物，能与水反应生成硅酸 C．实验室不能用磨口玻璃塞试剂瓶盛放氢氧化钠溶液 D．氢氟酸能雕刻玻璃，不能用玻璃瓶盛放氢氟酸 答案 B
解析 二氧化硅是硅原子和氧原子按1∶2的数目比形成的具有立体网状结构的晶体，是熔点高、硬度大的固体；二氧化硅是一种不溶于水的酸性氧化物，与水不反应；磨口玻璃塞中的二氧化硅能与氢氧化钠溶液反应，生成具有粘性的硅酸钠，容易使玻璃塞与瓶口粘结在一起；氢氟酸能腐蚀玻璃，不能用玻璃瓶盛装氢氟酸，常用塑料瓶盛装氢氟酸。 思维启迪
(1)盛放碱性溶液(如氢氧化钠溶液)的试剂瓶应用橡胶塞或软木塞，而不能用磨口玻璃塞。 (2)氢氟酸不能用玻璃瓶盛放，常用塑料瓶盛放氢氟酸。 (3)石英坩埚不能熔融氢氧化钠等碱性固体。 【考点】二氧化硅
【题点】二氧化硅的化学性质 三、单质硅及其制取 1．单质硅的结构
单质硅有晶体硅和无定形硅两类。 晶体硅结构如图所示：
(1)具有正四面体形的网状结构； (2)与金刚石的结构相似。 2．单质硅的性质 (1)物理性质
①晶体硅是一种带有金属光泽的灰黑色固体，根据其结构分析可知，晶体硅熔点高、硬度大、有脆性。 ②导电性介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。 (2)化学性质
加热
①加热时硅能与氧气、氯气、碳等发生反应。写出硅与氯气反应的化学方程式：Si＋2Cl2=====SiCl4。 ②常温下，硅能与F2、HF反应，写出硅与氢氟酸反应的化学方程式：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。 ③写出常温下硅与氢氧化钠溶液反应的化学方程式：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 3．单质硅的制备
单质硅常用二氧化硅来制取，主要分为两个阶段：
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高温
(1)用碳还原二氧化硅制备粗硅，反应的化学方程式是SiO2＋2C=====Si(粗)＋2CO↑。
△
(2)将粗硅先与氯气反应，其产物用氢气还原制备纯硅，反应的化学方程式是Si(粗)＋2Cl2=====SiCl4，SiCl4＋高温
2H2=====Si(纯)＋4HCl。
(1)硅在自然界中以化合态存在，工业上常以二氧化硅为原料来制取单质硅。 (2)单质硅常用作半导体材料和合金材料。
例5 我国具有独立知识产权的电脑芯片“龙芯一号”的问世，填补了我国计算机制造史上的一项空白。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．晶体硅的性质不活泼，常温下不与任何物质发生反应
C．晶体硅是一种良好的半导体材料，但是它的提炼工艺复杂，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，是具有正四面体形的空间立体网状结构，所以物理性质与金刚石相似，熔、沸点高，硬度大；硅的化学性质不活泼，但常温下可与F2、HF和强碱反应；晶体硅是一种良好的半导体材料，被广泛使用；晶体硅虽然具有金属光泽，但它属于非金属单质。 【考点】单质硅
【题点】硅的结构与物理性质
硅及其化合物的转化关系
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1．(2018·诸暨中学段考)手机芯片是一种在半导体材料上集合多种电子元器件的电路模块。下列可用作半导体材料的是( )
A．铝 B．二氧化硅 C.铁 D．硅 答案 D
解析 铝、铁都是导体；二氧化硅是氧化物，是绝缘体；而硅导电性介于导体与绝缘体之间，是良好的半导体材料。
2．下列有关硅酸盐的说法中正确的是( ) A．硅酸盐中的阴离子都是SiO3 B．硅酸盐都难溶于水
C．通常用氧化物的形式表示硅酸盐的组成，说明硅酸盐就是由各种氧化物组成的 D．Na2SiO3是一种最简单的硅酸盐，其水溶液可用作黏合剂 答案 D
解析 硅酸盐是由硅、氧和金属组成的化合物的总称，它包含结构简单的硅酸盐(如Na2SiO3)，也包含结构复杂的硅酸盐，A项错误；简单的硅酸盐中有少数溶于水，如Na2SiO3、K2SiO3等，B项错误；对于硅酸盐，氧化物的形式仅仅是一种表达方式，并不是说它就是由氧化物组成的，C项错误。 3．下列关于硅酸盐工业的叙述正确的是( )
A．普通玻璃的主要成分可以表示为Na2O·CaO·6SiO2，说明玻璃为纯净物 B．陶瓷、玻璃、水泥都属于硅酸盐产品 C．制玻璃、水泥时都用到了石灰石和黏土
高温
D．制玻璃的过程中发生了反应：Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑，说明酸性：H2SiO3>H2CO3 答案 B
解析 普通玻璃的主要成分可以表示为Na2O·CaO·6SiO2，还含有其他杂质，因此玻璃属于混合物，A错误；陶瓷、玻璃、水泥都属于传统的硅酸盐产品，B正确；制造玻璃的主要原料是石灰石、纯碱和石英，制造水泥的高温
主要原料是石灰石、黏土和辅助原料，C错误；反应Na2CO3＋SiO2=====Na2SiO3＋CO2↑，不是在溶液中进行的，利用的是难挥发性酸制备易挥发性酸原理，事实上碳酸的酸性强于硅酸的酸性，在溶液中碳酸可以制备硅酸，D错误。
4．下列二氧化硅的用途不正确的是( ) A．水晶可用来制造电子产品的重要部件和光学仪器 B．纯净的二氧化硅是制造光导纤维的重要原料 C．石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器 D．硅藻土常用作吸附剂和气体的干燥剂 答案 D
2－
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解析 硅藻土常用作吸附剂和催化剂的载体。 5．下列有关硅的说法不正确的是( ) A．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
B．硅的导电性介于金属和绝缘体之间，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反应 D．加热到一定程度时，硅能与氯气、氧气等非金属反应 答案 C
解析 A项，晶体硅常用作制造太阳能电池的材料，实现太阳能转化成电能，正确；B项，硅的导电性介于金属和绝缘体之间，是良好的半导体材料，正确；C项，硅的化学性质不活泼，在常温下能与F2、HF等物质发生反应，错误；D项，在加热条件下，硅单质能与氯气、氧气等物质发生反应，正确。 6．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的用途为可作________的原料。
高温
(3)工业上常用2C＋SiO2=====Si＋2CO↑制备粗硅，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________。
答案 (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。 (3)反应中C被氧化，SiO2被还原，因此SiO2作氧化剂。
[对点训练]
题组一 硅酸盐及其产品
1．下列关于水玻璃的性质和用途的叙述中不正确的是( ) A．这是一种矿物胶，既不燃烧也不受腐蚀 B．在建筑工业上可以作黏合剂、耐酸水泥掺料 C．木材、织物浸过水玻璃后具有防腐性能且不易燃烧 D．水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质 答案 D
解析 水玻璃的化学性质稳定，但在空气中易与二氧化碳反应生成硅酸。
2．(2018·金华十校期末调研)金华市博物馆陈列着大量明清砖瓦和精美瓷器(婺州窑)。下列说法不正确的是( )
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A．古代的陶瓷、砖瓦都是硅酸盐产品 B．普通玻璃的主要成分是SiO2
C．工业上制取水泥的主要原料为黏土、石灰石
D．婺州窑胎体的原料为高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，以氧化物形式表示：Al2O3·2SiO2·2H2O 答案 B
解析 普通玻璃是由碳酸钙、碳酸钠和二氧化硅在高温下反应得到的产物，主要成分为硅酸钙、硅酸钠和二氧化硅，B错误；工业上制取水泥的主要原料为黏土、石灰石，在高温下反应得到复杂的产物，C正确；Al2Si2O5(OH)4用氧化物形式表示：Al2O3·2SiO2·2H2O，D正确。
3．据报道我国科学家近年来研制出一种新型“连续纤维增韧”航空材料，其主要成分是由碳化硅、陶瓷和碳纤维复合而成。下列相关叙述不正确的是( ) A．它耐高温、抗氧化
B．它比钢铁轻、硬，但质地较脆 C．它没有固定熔点
D．它是一种新型无机非金属材料 答案 B
解析 航空材料的特点是质轻、强度高、稳定性好，故A项正确，B项不正确；复合材料属于混合物，没有固定的熔、沸点，根据其组成可知属于新型无机非金属材料，故C、D项正确。 4．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 答案 B
解析 工业上生产玻璃的原料有纯碱、石灰石和石英；玻璃的成分主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，属于混合物，在加热熔化时没有固定的熔点。 【考点】硅酸盐
【题点】常见的硅酸盐产品 题组二 二氧化硅的性质及其应用 5．下列说法中错误的是( ) A．硅元素是地壳中含量最多的元素
B．自然界中二氧化硅主要存在于石英矿和硅酸盐中 C．石英、水晶、玛瑙的主要成分都是二氧化硅 D．玛瑙是具有彩色环带状或层状的石英晶体 答案 A
解析 地壳中硅元素的含量居第二位，仅次于氧元素；二氧化硅主要存在于石英矿和硅酸盐中。 【考点】二氧化硅
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【题点】二氧化硅的存在与物理性质
6．下列物品或设备的成分中含有二氧化硅的是( )
①门窗玻璃 ②水晶镜片 ③石英钟表 ④玛瑙首饰 ⑤硅太阳能电池 ⑥光导纤维 ⑦计算机芯片 A．①②③④⑥ C．⑤⑦ 答案 A
解析 玻璃、石英、水晶、玛瑙和光导纤维的成分中都含有二氧化硅，计算机芯片、硅太阳能电池的主要成分是单质硅。 【考点】二氧化硅 【题点】二氧化硅的用途
7．现有硅酸钠、石灰石、二氧化硅三种白色粉末，只用一种试剂就可以将它们鉴别开，该试剂是( ) A．纯水 C．硝酸银溶液 答案 B
解析 硅酸钠、石灰石、二氧化硅中后两种难溶于水；硅酸钠溶液与盐酸反应会出现白色胶状沉淀，后两种与盐酸反应分别出现气体和无明显现象；硅酸钠溶液可与硝酸银溶液反应生成白色沉淀，其余无明显现象；加入碳酸钠溶液后均无明显现象。 【考点】硅酸盐
【题点】硅酸钠溶液及其用途
高温
8．关于工业制金刚砂的反应：SiO2＋3C=====SiC＋2CO↑，下列说法正确的是( ) A．SiO2是氧化剂，C为还原剂 B．碳的还原性比硅强
C．氧化剂和还原剂的物质的量之比为2∶1 D．1 mol SiO2参与反应时，转移电子4 mol 答案 D
解析 由价态变化知该反应是单质碳自身的氧化还原反应，作为氧化剂和还原剂的碳的物质的量之比为1∶2，故选D。
【考点】二氧化硅
【题点】二氧化硅性质的综合 题组三 硅的制备与用途
9．硅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．陶瓷餐具 C．计算机芯片 答案 C
10．(2018·汕头高一期末)下面关于硅的叙述中，正确的是( ) A．二氧化硅可用于光导纤维，利用了它的导电性
B．石英钟表 D．光导纤维 B．盐酸 D．碳酸钠溶液 B．全部 D．①②⑥⑦
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B．硅是构成矿物和岩石的主要元素，硅在地壳中的含量在所有的元素中居第一位 C．硅的化学性质不活泼，在自然界可以以游离态形式存在 D．硅在电子工业中是重要的半导体材料 答案 D
解析 A项，光导纤维的主要成分是SiO2，不是利用的导电性，利用对光的全反射，故A错误；B项，地壳中含量最高的是氧元素，硅元素居第二位，故B错误；C项，硅元素是亲氧元素，在自然界中以化合态形式存在，故C错误；D项，硅是良好的半导体，故D正确。 【考点】单质硅
【题点】硅在自然界的存在
11．有科学家提出硅是“21世纪的能源”“未来的石油”等观点。假如硅作为一种普遍使用的新型能源被开发利用，关于其有利因素的下列说法中，你认为不正确的是( ) A．硅便于运输、贮存，从安全角度考虑，硅是最佳的燃料 B．自然界中存在大量单质硅
C．硅燃烧放出的热量大，且燃烧产物对环境污染程度低，容易有效控制 D．自然界硅的贮量丰富 答案 B
解析 自然界硅的贮量丰富，大多数是以SiO2和硅酸盐的形式存在，无单质硅存在；硅单质是固体，化学性质不活泼，所以硅便于运输、贮存，其燃烧产物SiO2对环境污染程度低，容易有效控制，故A、C、D项正确，B项错。 【考点】单质硅
【题点】硅在自然界的存在
12．制备硅单质时，主要化学反应如下：
高温
①SiO2(石英砂)＋2C(焦炭)=====Si(粗硅)＋2CO↑， 高温
②Si(粗硅)＋2Cl2=====SiCl4，
高温
③SiCl4＋2H2=====Si(纯硅)＋4HCl，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还原 答案 D
解析 在反应②中Si元素化合价升高，被氧化。
[综合强化]
13．为确认HCl、H2CO3、H2SiO3的酸性强弱，某学生设计了如下图所示的实验装置，一次实验即可达到目的(不
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必选其他酸性物质)。请据此回答：
(1)锥形瓶中装某可溶性正盐溶液，分液漏斗所盛试剂应为________。
(2)装置B所盛的试剂是___________________________，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)由此得到的结论是酸性________>________＞________。 答案 (1)盐酸
(2)饱和NaHCO3溶液 吸收HCl气体
(3)Na2SiO3溶液 SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO3(或SiO3＋2CO2＋2H2O===2HCO3＋H2SiO3↓) (4)HCl H2CO3 H2SiO3
解析 根据强酸＋弱酸盐―→弱酸＋强酸盐分析可知，分液漏斗中盛装盐酸，A中盛放Na2CO3，根据Na2CO3＋2HCl===2NaCl＋H2O＋CO2↑可以知道酸性HCl强于H2CO3，然后将生成的CO2通入Na2SiO3溶液中，反应为Na2SiO3＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋Na2CO3，由此判断酸性：H2CO3>H2SiO3，但需注意的是A中反应会有HCl气体逸出，故通入Na2SiO3溶液前需将HCl吸收，但不能吸收CO2，故选用饱和NaHCO3溶液。
14．A、B、C、D、E代表单质或化合物，它们之间的相互转化关系如下图所示。A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质。
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(1)形成单质A的元素，在化合物中的最高化合价为________。
(2)B的化学式是________，C的化学式是________，D的化学式是________。
(3)B与碳反应生成A和E的化学方程式为__________________________________________。 答案 (1)＋4价 (2) SiO2 CaSiO3 Na2SiO3 高温
(3) SiO2＋2C=====Si＋2CO↑
解析 本题的突破点是“A为地壳中含量仅次于氧的非金属元素的单质”，由此可知A为硅， B为二氧化硅，C为硅酸钙，D为硅酸钠。 【考点】硅酸
【题点】二氧化硅与硅酸的综合
15．硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：
制备硅半导体材料必须先得到高纯硅。三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如图所示：
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(1)写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学反应方程式：__________________________________。
(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，写出配平的化学方程式：
________________________________________________________________________。 (3)H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是_______________________________。 1 357 K
答案 (1)SiHCl3＋H2=====Si＋3HCl
(2)SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl (3)高温下，H2遇O2发生爆炸
1 357 K
解析 (1)根据质量守恒定律可知，SiHCl3与H2在高温下反应，生成Si和HCl，化学方程式为SiHCl3＋H2=====Si＋3HCl。(2)根据质量守恒定律，SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和H2，反应的化学方程式为SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl。(3)H2还原SiHCl3过程中若混入O2，高温下，H2遇O2发生爆炸。
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