1、1专题 14 氮及其化合物【复习目标】1.了解 Si 和 SiO2的主要性质，了解 CO2和 SiO2物理性质差异的主要原因。2.了解硅酸及常见硅酸盐的性质。3.了解硅酸盐工业及新型无机非金属材料的性质与应用。【考情分析】硅及其化合物的用途越来越受到人们的重视，许多高科技领域的新型无机非金属材料都与硅有关，因此近几年有关硅及其化合物的考题越来越多，已成为现在高考的新热点。近几年高考对硅及其化合物的考查，主要集中在三个方面硅、二氧化硅的用途；硅及其化合物的性质；硅及其化合物的制备。常见的题型有选择题和实验题。今后高考命题方向之一是综合试题，以硅及其化合物知识为载体，结合基本概念、基本理论、化学计
2、算并联系其他元素及化合物知识进行综合性命题，以考查学生的思维能力。【考点过关】考点一 硅和二氧化硅1.硅自然界存在 硅在地壳中的含量仅次于氧，全部以化合态存在。主要单质有晶体硅和无定性硅两大类物理性质 晶体硅为原子晶体，灰黑色、有金属光泽、硬度大而脆、熔沸点高。导电性介于导体和绝缘体之间，是常用的半导体材料常温跟F 2反应：Si2F 2SiF 4常温跟HF反应：Si4HFSiF 42H 2常温跟NaOH溶液反应：Si2NaOHH 2ONa 2SiO32H 2高温跟O 2反应：SiO 2 高 温 SiO2化学性质高温跟Cl 2反应：Si2Cl 2 高 温 SiCl4与碳比较 C、Si同属IVA族
3、，还原性是Si大于C，而C却能将Si从SiO 2中还原出来（条件是高温），原因是产物CO气体迅速从反应体系中逸出工业制法自然界中无游离态的硅，工业上用C在高温下还原SiO 2可制得粗硅，有关反应的化学方程式： SiO22C 高 温 Si(粗)2COSi(粗)2Cl 2 高 温 SiCl42SiCl42H 2 高 温 Si(纯)4HCl用途 晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池2.二氧化硅空间结构SiO2晶体是立体网状结构。在SiO 2晶体里，每个Si周围结合四个O，同时每个O与两个Si相结合，在SiO 2晶体中原子个数比为12，因此用“SiO 2”这个式子表示二氧化硅晶体的组成。SiO
4、2直接由原子构成不存在单个SiO 2分子物理性质 二氧化硅熔点高，硬度大，不溶于水与强碱反应：SiO 22NaOHNa 2SiO3H 2O（SiO 2能与强碱溶液生成的硅酸钠具有粘性，所以不能用带磨口玻璃塞试剂瓶存放碱性溶液，避免Na 2SiO3将瓶塞和试剂瓶粘住，打不开，碱性溶液存放应用橡皮塞）与氢氟酸反应：SiO 24HFSiF 4+2H 2O（氢氟酸能刻蚀玻璃；氢氟酸不能用玻璃试剂瓶存放，应用塑料瓶）与碱性氧化物反应：SiO 2CaO 高 温 CaSiO3化学性质与某些盐类反应：SiO 2+CaCO3 高 温 CaSiO3+CO2 SiO 2+Na2CO3 高 温 Na2SiO3+CO2
5、用途石英可用于制作石英表和石英玻璃；石英砂常用作制薄玻璃和建筑材料；水晶常用来制造电子部件、光学仪器、工艺品和眼镜片等；玛瑙用于制造精密仪器轴承、耐磨器皿和装饰品；SiO 2被用于制造高性能的现代通讯材料光导纤维3.二氧化碳和二氧化硅的比较【考点演练】下列说法正确的是 。3因为 HF 与 SiO2反应，故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记下列转化在一定条件下能够实现：SiO 2 SiCl4 Si HCl aq H2 高 温石英砂可用于生产单晶硅用 NaOH 溶液不能分离氧化铁中混有的二氧化硅Si 和 SiO2都可用于制造光导纤维SiO 2既能和 NaOH 溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物
6、向 Na2SiO3溶液中滴加稀盐酸的离子方程式：Na 2SiO3+2H+=H2SiO3+2Na +SiC 与 SiO2的熔点均与所含化学键的键能有关碳和硅均为A 族元素，自然界中有碳和硅的多种单质存在在粗硅的制取中发生 2CSiO 2 2COSi，硅被还原，所以碳的还原性大于硅的还原性= = = = =高 温 二氧化碳和二氧化硅都可溶解在 NaOH 溶液中用盐酸可除去石英砂(主要成分为 SiO2)中少量的碳酸钙答案：考点二 硅酸与硅酸盐1.硅酸物理性质 硅酸是不溶于水的白色胶状物，能形成硅胶，硅胶吸附水分能力强H2SiO3是一种弱酸，酸性比碳酸弱，硅酸不能使紫色石蕊溶液变红色化学性质 硅酸不稳
7、定，受热易分解：H 2SiO3 SiO2H 2O= = = = 4硅酸能与碱溶液反应，如与 NaOH 溶液反应的化学方程式为H2SiO32NaOH= =Na2SiO32H 2O制法不能直接由 SiO2溶于水制得，而用可溶性硅酸盐与酸反应制取：Na2SiO32HCl2NaClH 2SiO3或Na2SiO3CO 2H 2OH 2SiO3Na 2CO3（此方程式证明酸性：H2SiO3H 2CO3）2.硅酸盐定义 硅酸盐是由硅、氧、金属元素组成的化合物的总称。硅酸盐种类很多，大多数难溶于水，最常见的可溶性硅酸盐是Na 2SiO3盐化学式法,如硅酸钠Na 2SiO3、硅酸钙CaSiO 3等。此法一般用于
8、组成较简单的硅酸盐书写方法 氧化物法：氧化物的顺序为活泼金属氧化物较活泼金属氧化物二氧化硅水；氧化物前系数配置原则是除氧元素外,其他元素按配置前后原子个数守恒原则配置系数；硅酸盐用氧化物的形式表示时,遵循各元素化合价不变的原则。如:高岭土 Al2O32SiO22H2O、石棉 CaO3MgO4SiO2。硅酸钠硅酸钠溶于水，其水溶液俗称“水玻璃”，是一种矿物胶。盛水玻璃的试剂瓶要使用橡胶塞。能与酸性较强的酸反应：Na 2SiO3 + 2HCl H2SiO3 (白) + 2NaCl；Na 2SiO3 + CO2 + H2O H 2SiO3+ Na 2CO3硅酸盐材料硅酸盐材料是传统的无机非金属材料，
9、玻璃、水泥、各种陶瓷等都是以黏土、石英和长石等为原料生产的硅酸盐制品；新型无机非金属材料，如高温结构陶瓷、光导纤维、生物陶瓷、压电陶瓷等【考点演练】下列说法正确的是 。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高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维玻璃瓶不能盛放氢氟酸SiO 2与水反应可制取硅酸CO 2通入水玻璃可以得到硅酸沉淀水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品玻璃是一种纯净物陶瓷、玻璃、水泥都用到石灰石作原料水玻璃的化学性质稳定，在空气中不易变质5烧碱溶液存放在带橡胶塞的玻璃瓶中答案：【过关练习】1(宣城 2017 届模拟)下列叙述正确的是 ( )A红宝石、珍珠、水晶、
10、钻石等装饰的主要成分都是硅酸盐B硅酸钠的水溶液俗名为水玻璃，可用于制备硅胶和木材防火剂C制造玻璃是复杂的物理过程，玻璃的组成不同，性能不同D金刚石是自然界中硬度最大的物质，不可能与氧气发生反应解析：红宝石的主要成分为 Al2O3，珍珠的主要成分为 CaCO3，水晶的主要成分为 SiO2，钻石为碳单质，A选项错误；制造玻璃包含复杂的物理变化和化学变化，C 选项错误；金刚石是碳单质，具有碳单质的化学性质，D 选项错误。答案：B 2.(临沂 2017 届模拟)据报道，科学家通过对稻壳进行控制性焚烧热解，从中提取一种叫做生物质纳米结构二氧化硅的超高活性材料，将少量这种材料掺入混凝土中，即可制备出超高强
11、度的高性能混凝土。下列关于二氧化硅的说法正确的是( )A二氧化硅溶于水生成硅酸，所以二氧化硅属于酸性氧化物B将二氧化碳通入硅酸钠溶液中可以得到硅酸C因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳，所以硅酸的酸性比碳酸的强D水晶是比较纯净的二氧化硅，沙子的主要成分是硅酸盐解析：二氧化硅为酸性氧化物，但其不溶于水；硅酸的酸性比碳酸的弱；沙子的主要成分是二氧化硅。答案：B3(合肥 2017 届高三质检)硅及其化合物是带来人类文明的重要物质。下列说法正确的是( ）A陶瓷、水晶、水泥、玻璃都属于硅酸盐产品6B水玻璃是纯净物，可用于生产黏合剂和防火剂C某硅酸盐的化学式为 KAlSi3O8，可用 K2OAl2O
12、36SiO2表示D高纯硅可用于制造光导纤维，高纯二氧化硅可用于制造太阳能电池解析：水晶的主要成分是 SiO2不是硅酸盐，A 错误；水玻璃是 Na2SiO3溶液，属于混合物，B 错误；高纯度的 SiO2用于制光导纤维，高纯度的 Si 用于制太阳能电池，D 错误。答案：C4(天津 2017 届高三质检)下列说法正确的是 ( )ASiO 2和 CO2都是酸性氧化物，都是共价化合物B为防止月饼等富脂食品氧化变质，可在包装袋中放入硅胶CNaHCO 3溶液中含有 Na2SiO3杂质，可通入少量 CO2后过滤DSiO 2中含 Al2O3杂质，可加入足量 NaOH 溶液然后过滤除去5. (广州 2016 届模
13、拟)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 Si2NaOHH 2O=Na2SiO32H 2中，Si 为还原剂，NaOH 和 H2O 为氧化剂D.硅能与氢氟酸反应，则硅可以与盐酸反应解析：由粗硅制备单晶硅的过程一般为 Si SiCl4 SiHCl，都是氧化还原反应，B 项错误；Si Cl2 H2 与烧碱溶液反应时，H 2O 是氧化剂，C 项错误；硅不能与盐酸反应，D 项错误。答案：A6. (樟树 2016 届一模)由下列实验事实得出的结论正确的是( )A.由 SiO2不能与水反应生成 H2SiO3，可
14、知 SiO2不是 H2SiO3的酸酐B.由 SiO22C Si2CO，可知碳的非金属性大于硅= = = = =高 温 C.CO2通入 Na2SiO3溶液产生白色沉淀，可知酸性 H2CO3H 2SiO3D.SiO2可与 NaOH 溶液反应，也可与氢氟酸反应，可知 SiO2为两性氧化物77. (伊犁 2016 届质检)寿山石主要成分为叶蜡石，叶蜡石组成为 Al2O34SiO2H2O，下列观点不正确的是( )A.寿山石雕刻作品要避免与酸、碱接触B.寿山石颜色丰富多彩是因为含有不同形态的金属氧化物C.潮湿的空气可能导致寿山石作品表面溶解变质D.久置于干燥空气中可能会导致寿山石作品脱水变质解析：根据寿山
15、石的主要成分，可知其能与酸或碱发生反应，A 正确；寿山石中含有不同形态的 Al2O3，造成其色彩丰富，B 正确；其中的氧化物 Al2O3和 SiO2不溶于水也不和水反应，在潮湿的空气中不会溶解变质，C 项错误；久置于干燥空气中，会失去其中的结晶水变质，D 正确。答案：C8. (鄂豫晋冀陕五省 2017 届联考)某实验小组设计了如下装置对焦炭还原二氧化硅的气体产物的成分进行探究。已知：PdCl 2溶液可用于检验 CO，反应的化学方程式为 COPdCl 2H 2O=CO22HClPd(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。(1)实验时要通入足够长时间的 N2，其原因是 。(2)装置 B 的作用是 。
16、(3)装置 C、D 中所盛试剂分别为 、 ，若装置 C、D 中溶液均变浑浊，且经检测两气体产物的物质的量相等，则该反应的化学方程式为 。(4)该装置的缺点是 。(5)资料表明，上述反应在焦炭过量时会生成副产物 SiC。取 18 g SiO2和 8.4 g 焦炭充分反应后收集到标准状况下的气体 13.44 L，假定气体产物只有 CO，固体产物只有 Si 和 SiC，则 Si 和 SiC 的物质的量之比为 。8(6)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强： 。的量为 0.7 mol，充分反应后收集到标准状况下 13.44 L CO 的物质的量为 0.6 8.4 g12 g/mol 13.44 g22.4
17、 g/molmol，则参与形成 SiC 的碳的物质的量为 0.1 mol，若固体产物只有 Si 和 SiC，则有：SiO2 2C 2CO Si= = = = =高 温 0.3 mol 0.6 mol 0.6 mol 0.3 mol则剩余 C 的物质的量为 n(C)0.7 mol0.6 mol0.1 mol，Si C SiC= = = = =高 温 0.1 mol 0.1 mol 0.1 mol故得到 Si 和 SiC 的物质的量之比为(0.3 mol0.1 mol)0.1 mol21。(6)验证碳酸、硅酸的酸性强弱可利用强酸制弱酸的原理，产生的 CO2气体先通过饱和的碳酸氢钠溶液除去混有的杂质
18、气体，然后再通入硅酸钠溶液，若产生白色沉淀，说明酸性 H2CO3H 2SiO3。答案：(1)要用氮气将装置中的空气排尽，避免空气中的氧气、二氧化碳、水蒸气对实验产生干扰(2)作安全瓶，防止倒吸(3)澄清石灰水 PdCl 2溶液 3SiO 24C 2CO22CO3Si(4)没有尾气= = = = =高 温 处理装置将 CO 吸收(5)21(6)向硅酸钠溶液中通入二氧化碳气体，溶液变浑浊，证明碳酸酸性大于硅酸9.(临清三中 2017 届检测)硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹。(1)硅在元素周期表中的位置是_。(2)工业上生产粗硅的反应有：SiO
19、22C Si(粗)= = = = =3 273 K 2CO；SiO 23C SiC2CO。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为 11，则参= = = = =3 273 K 加反应的 C 和 SiO2的物质的量之比为_。(3)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅：9若反应为 Si(粗)3HCl SiHCl3H 2，则反应的化学方程式为_。整个制备过程中必须严格控制无水无氧。SiHCl 3遇水剧烈反应生成 H2SiO3、HCl 和另一种物质，写出该反应的化学方程式：_。假设每一轮次制备 1 mol 纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应 I 中 HCl 的利用率为 90%，反应中 H2的利用率为
20、 93.75%，则在第二轮次的生产中，补充投入 HCl 和 H2的物质的量之比是_。10. (渭南 2016 届二模)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：.高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；.粗硅与干燥 HCl 气体反应制得 SiHCl3：Si3HCl SiHCl3H 2；= = = = =300 .SiHCl 3与过量 H2在 1 100 反应制得纯硅，已知 SiHCl3能与 H2O 强烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题：(1)第步制备粗硅的化学反应方程式为_。(2)粗硅与 HCl 反应完全后，经冷凝得到的 SiHCl3(沸点 33.0 )中含有少量 SiCl4(沸点 5
21、7.6 )和HCl(沸点 84.7 )，提纯 SiHCl3采用的方法为_。(3)用 SiHCl3与过量 H2反应制备纯硅的装置如图(热源及夹持装置略去)：装置 B 中的试剂是_，装置 C 中的烧瓶需要加热，其目的是_。反应一段时间后，装置 D 中观察到的现象是_，装置 D 中发生反应的化学方程式为_。10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_。为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂是_(填字母)。a.碘水 b.氯水 c.NaOH 溶液 d.KSCN 溶液 e.Na2SO3溶液答案：(1)SiO 22C Si2CO
22、(2)蒸馏(3)浓硫酸 使滴入烧瓶中的 SiHCl3气化有固= = = = =高 温 体物质生成 SiHCl 3H 2 Si3HCl排尽装置中的空气bd = = = = =高 温 11. (衡阳 2016 届联考)硅是带来人类文明的重要元素之一，在传统材料发展到信息材料的过程中创造了一个又一个奇迹。(1)新型陶瓷 Si3N4的熔点高、硬度大、化学性质稳定。工业上可以采用化学气相沉积法，在 H2的作用下，使 SiCl4与 N2反应生成 Si3N4沉积在石墨表面，该反应的化学方程式为_。(2)一种用工业硅(含少量铁、铜的单质及化合物)和氮气(含少量氧气)合成氮化硅的工艺主要流程如下：已知硅的熔点是
23、 1 420 ，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。N 2净化时，铜屑的作用是：_；硅胶的作用是_。在氮化炉中反应为 3Si(s)2N 2(g)=Si3N4(s) H727.5 kJ/mol，开始时须严格控制氮气的流速以控制温度的原因是_。X 可能是_(选填“盐酸”、“硝酸”、“硫酸”或“氢氟酸”)。(3)工业上可以通过如下图所示的流程制取纯硅：11整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl 3遇水剧烈反应，该反应的化学方程式为_。假设每一轮次制备 1 mol 纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应中 HCl 的利用率为 90%，反应中 H2的利用率为 93.75%。则在第二轮次的生产中，补充投入 HCl 和 H2的物质的量之比是_。第二轮次生成中，需补充 HCl 物质的量为 3 mol/90%3 mol，需补充 H2物质的量为 1 mol/93.75% 1 mol，则 n(HCl) n(H2)(3 mol/90% 3 mol)(1 mol/93.75% 1 mol)51。答案：(1)3SiCl 42N 26H 2=Si3N412HCl(2)除去原料气中的氧气 除去水蒸气 这是放热反应，防止局部过热，导致硅熔化熔合成团，阻碍与 N2的充分接触 硝酸(3)SiHCl 33H 2O=H2SiO33HClH 2 51
