人教版 (2019)必修 第二册无机非金属材料精品综合训练题

这是一份人教版 (2019)必修 第二册无机非金属材料精品综合训练题，文件包含人教版2019化学必修第二册531《硅及其化合物》第1课时原卷版docx、人教版2019化学必修第二册531《硅及其化合物》第1课时解析版docx等2份试卷配套教学资源，其中试卷共39页， 欢迎下载使用。
同步练习（解析卷）
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一、学习目标 明确内容要求，落实学习任务
二、思维导图 构建知识体系，加强学习记忆
三、知识导学 梳理教材内容，掌握基础知识
四、效果检测 课堂自我检测，发现知识盲点
五、问题探究 探究重点难点，突破学习任务
六、分层训练 课后训练巩固，提升能力素养
【学习目标】
1、认识硅元素在自然界中的存在形式及其重要性。
2、掌握硅的物理性质和化学性质。
3．了解硅的重要化合物如二氧化硅、硅酸盐的性质及应用。
重点:硅的物理性质和化学性质；二氧化硅的主要化学性质。
难点:硅晶体结构及其与物理性质的关系；二氧化硅晶体结构及其性质。
【思维导图】
【知识导学】
一、硅
1．硅的存在、位置与结构
（1）存在：硅在地壳中的含量仅次于氧，居第2 位，在自然界主要以硅酸盐和氧化物（如水晶、玛瑙）的形式存在，硅单质主要有晶体和无定形两大类。
（2）位置：硅元素位于元素周期表中位于第三周期 ⅣA族
（3）结构：硅是14号元素，原子结构为：，说明硅既难失去电子也难得到电子，硅是亲氧元素，与氧形成共价键，硅单质晶体是共价晶体（）。
2．硅的物理性质：
晶体硅是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体，其结构类似于金刚石，熔沸点很高、硬度大，导电能力介于导体和绝缘体之间，是良好的半导体材料。
3．硅的化学性质——硅的化学性质不活泼，主要形成四价化合物
a．常温
常温下，硅的化学性质不活泼，除氢氟酸、氟气、强碱外不跟其他物质反应。
①与氢氟酸反应的化学方程式：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑；
②与NaOH溶液反应的化学方程式：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑；
③与F2反应的化学方程式:Si＋2F2===SiF4
b．高温
加热或高温条件下，硅也能和一些非金属单质反应。
①与O2反应：Si＋O2SiO2。
②与Cl2反应：Si＋Cl2SiCl4
③与C反应：Si+ CSiC
4．硅的用途：半导体材料、太阳能电池、计算机芯片和耐酸设备等。
5．高纯硅的制备
（1）制备原理：用焦炭还原石英砂，得到含少量杂质的粗硅，然后转化为三氯硅烷，再经氢气还原得到高纯硅。
（2）制备流程：
（3）涉及的主要化学反应
(a)SiO2＋2Ceq \(=============,\s\up7(1 800～2 000 ℃))Si＋2CO↑
【思考】能否通过反应SiO2＋2CSi＋2CO↑证明C、Si的还原性强弱？
【参考答案】氧化性、还原性的强弱，必须是在通常的情况下发生的反应，上述反应是在高温条件下发生的，故不能比较还原性的强弱。
(b)Si＋3HCleq \(=====,\s\up7(300 ℃))SiHCl3＋H2
(c)SiHCl3＋H2eq \(=====,\s\up7(1 100 ℃))Si＋3HCl
【特别提醒】①用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。
②粗硅中含碳等杂质，与HCl反应生成的SiHCl3中含有CCl4等杂质，经过分馏提纯SiHCl3后，再用H2还原，得到高纯度硅。
【名师点拨】（1）Si与氢氟酸反应是Si的特性，其他非金属单质不有此性质。
（2）Si是能与NaOH溶液反应放出H2的非金属单质，A1是能与NaOH溶液反应放出H2的金属单质，推断题中常以此为突破口。
（3）反应Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑可看作两步进行：Si+3H2O=H2SiO3+2H2↑、H2SiO3+2NaOH=
Na2SiO3+2H2O。总反应为Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑。此反应中Si是还原剂，H2O是氧化剂，NaOH既不是氧化剂也不是还原剂。
二、二氧化硅
1．二氧化硅的存在
自然界中，碳元素既有游离态，又有化合态，而硅元素仅有化合态，主要以氧化物和硅酸盐的形式存在。天然SiO2有晶体和无定形两种，统称硅石，硅石、石英、水晶、玛瑙、硅藻土、沙子等主要成分都是SiO2。
2．二氧化硅的物理性质：纯净的SiO2是无色透明的，其熔、沸点高，硬度大，不溶于水，也不导电。
3．二氧化硅的结构
SiO2晶体有多种晶型，其基本结构单元为硅氧四面体(如下图甲所示)，硅氧四面体通过氧原子相互连接为空间的网状结构(如下图乙所示)。在SiO2晶体中，每个Si周围结合4个O，Si在中心，O在4个顶角；许多这样的四面体又通过顶角的O相连接，每个O为两个四面体所共有，即每个O与2个Si相结合，SiO2晶体中Si和O的比例为1∶2。由结构可知，二氧化硅的化学性质很稳定。
4．二氧化硅的化学性质
a.酸性氧化物，是硅酸的酸酐，但不与水反应。
①SiO2可以与碱反应，生成硅酸盐，如与氢氧化钠反应的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O（Na2SiO3俗称泡花碱，其水溶液俗称“水玻璃”，可作粘合剂、防火剂）；
②在高温条件下，能够与碱性氧化物反应，如与氧化钙反应的化学方程式为SiO2＋CaOCaSiO3。
③在高温条件下可以与碳酸盐反应，如与碳酸钠、碳酸钙反应的化学方程式为SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑；SiO2＋CaCO3CaSiO3＋CO2↑（工业制玻璃）。
b.弱氧化性：
①与碳反应：SiO2+2CSi+2CO↑(制粗硅)；SiO2＋3CSiC＋2CO↑(制金刚砂)；
②与Mg反应：4Mg＋SiO22Mg2Si＋2MgO；Mg2Si＋2H2O=SiH4↑＋2Mg(OH)2(制硅化氢)；
c.特性：常温下与氢氟酸反应的化学方程式为：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O。
5．二氧化硅的主要应用
①水晶可用于电子工业的部件、光学仪器、工艺品。
②SiO2是制光导纤维的重要原料。
③较纯的石英用于制造石英玻璃，石英玻璃常用来制造耐高温的化学仪器。
④石英砂用于制玻璃的原料及建筑材料。
【特别提醒】（1）由于玻璃的成分中含有SiO2，故实验室盛放碱液的试剂瓶用橡皮塞而不用玻璃塞，因为SiO2与碱溶液反应生成具有黏性的Na2SiO3。
（2）未进行磨砂处理的玻璃，在常温下是不易被强碱腐蚀的。
（3）因为氢氟酸腐蚀玻璃并用于雕刻玻璃，与玻璃中的SiO2反应，所以氢氟酸不能用玻璃瓶保存，而应保存在塑料瓶或铅皿中。
（4）SiO2是H2SiO3的酸酐，但SiO2不与水反应，不能用SiO2直接与水作用制备H2SiO3。
（5）不能依据反应2C＋SiO2eq \(=====,\s\up7(高温))Si＋2CO↑来说明C的还原性比Si强，也不能依据反应SiO2＋Na2CO3eq \(=====,\s\up7(高温))Na2SiO3＋CO2↑来说明SiO2水化物的酸性比H2CO3强。此类反应能进行的原因是因为在高温条件下，生成物中的气体从反应体系中逸出，有利于反应向右进行。
（6）SiO2虽然能与NaOH溶液、HF溶液反应，但不属于两性氧化物，属于酸性氧化物，但与水不能直接反应。
（7）不要混淆二氧化硅和硅的用途：用于制作光导纤维的是SiO2，用于制作半导体材料、计算机芯片的是晶体硅。
（8）加热熔融NaOH时，不能使用陶瓷坩埚，石英坩埚和铝坩埚，只能使用铁坩埚，原因是陶瓷和石英的主要成分都含有SiO2，SiO2能与NaOH反应，铝坩埚的主要成分是氧化铝，也能与NaOH反应。
三、硅酸
1．硅酸的物理性质：
硅酸是一种白色胶状物质，不溶于水，能形成胶体。新制备的硅酸为透明、胶冻状，硅酸经干燥脱水形成硅酸干凝胶——“硅胶”。
2．硅酸的化学性质：
（1）弱酸性：硅酸的酸性很弱，比碳酸的酸性还弱，在与碱反应时只能与强碱反应。如：H2SiO3+2NaOH==Na2SiO3+2H2O。
（2）不稳定性：硅酸的热稳定性很差，受热分解为SiO2和H2O：H2SiO3eq \(=====,\s\up7(△))SiO2＋H2O。
3．硅酸的制备：
由于SiO2不溶于水，所以硅酸是通过可溶性硅酸盐与其他酸反应制得的。
Na2SiO3+2HCl==H2SiO3↓+2NaCl，Na2SiO3+CO2+H2O==H2SiO3↓+Na2CO3（证明酸性：H2CO3＞H2SiO3）。
4．硅酸的用途：硅胶可作催化剂的载体和袋装食品、瓶装药品的干燥剂。
四、硅酸盐
1．硅酸钠
①物理性质：白色、可溶于水的粉末状固体，其水溶液俗称水玻璃，有黏性，水溶液显碱性。
②化学性质——与酸性较硅酸强的酸反应：
a．与盐酸反应的化学方程式：
Na2SiO3＋2HCl===2NaCl＋H2SiO3↓。
b．与CO2水溶液反应的化学方程式：
Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3↓。
③用途：黏合剂(矿物胶)、防腐剂和耐火阻燃材料。
【特别提醒】①Na2SiO3的水溶液是一种黏合剂，是制备硅胶和木材防火剂等的原料；Na2SiO3易与空气中的CO2、H2O反应，要密封保存。
②可溶性碳酸盐、硅酸盐的水溶液呈碱性，保存该溶液的试剂瓶不能用玻璃塞，应用橡胶塞。
2．硅酸盐的氧化物表示法：
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，不同氧化物间以“·”隔开。
如硅酸钠(Na2SiO3)可表示为Na2O·SiO2，长石(KAlSi3O8)可表示为K2O·Al2O3·6SiO2。
【特别提醒】（1）氧化物之间以“· ”隔开；（2）计量数配置出现分数应化为整数。硅酸盐改写为氧化物形式时，各元素的化合价保持不变，且满足化合价代数和为零，各元素原子个数比符合原来的组成。当系数配置出现分数时一般应化为整数。如上例中KAlSi3O8，将eq \f(1,2)K2O·eq \f(1,2)Al2O3·3SiO2，要写成K2O·Al2O3·6SiO2。
【效果检测】
1．请判断下列说法的正误(正确的打“√”，错误的打“×”)
（1）硅酸盐结构较为复杂，大多不溶于水，化学性质很稳定。( )
（2）硅是良好的半导体材料，可以用来生产芯片和硅太阳能电池等。( )
（3）生产光导纤维的原料是二氧化硅。( )
（4）碳和硅在周期表中位于同一主族，性质相似，因此“碳基”芯片有望替代硅基心片。( )
（5）硅元素在自然界中以游离态(单质)形式存在。( )
（6）单晶硅做芯片的基底材料与硅元素储量丰富、单晶硅耐腐蚀性能优异有关。( )
（7）硅氧四面体中，硅原子与氧原子都是以共价键结合。( )
（8）硅酸盐是由硅、氧和金属组成的混合物。( )
【答案】（1）√（2）√（3）√（4）√（5）×（6）√（7）√（8）×
2．无机非金属元素在化工生产中扮演着重要的角色，请利用相关知识回答下列问题。三氯硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：
已知：i．石英砂主要成分是SiO2；
ii．三氯硅烷易被氧化
（1）硅在元素周期表中的位置是 。
（2）工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，该反应的化学方程式为 。
（3）工业上原料石英砂常用NH4Cl溶液浸泡除杂，实验室检验溶液中存在NH的操作与现象为 。
（4）写出制粗硅的化学方程式 。
（5）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和一种气体单质，该气体单质是 (填名称)；在制备高纯硅的过程中若混入O2，可能引起的后果是 (写出一种即可)。
（6）用100t含二氧化硅60%的石英矿，整个制备提纯过程硅元素损失了10%，最终获得高纯硅的质量为 (结果精确到小数点后一位)。
【答案】（1）第三周期第ⅣA族
（2）4HF+SiO2=SiF4↑+2H2O
（3）实验室检验溶液中存在NH的操作与现象为：取少量溶液于试管中，加入氢氧化钠溶液并加热，将湿润的红色石蕊试纸放在试管口，观察到试纸变蓝(或蘸浓盐酸出现白烟)，证明溶液中含
（4）
（5）氢气 氧气会氧化，氧气与氢气混合引起爆炸
（6）25.2t
【解析】（1）硅在周期表中的位置是第三周期第ⅣA族；
（2）工艺师常用氢氟酸来雕刻玻璃，该反应的化学方程式为4HF+SiO2=SiF4↑+2H2O；
（3）取少量溶液于试管中，加入氢氧化钠溶液并加热，将湿润的红色石蕊试纸放在试管口，观察到试纸变蓝(或蘸浓盐酸出现白烟)，证明溶液中含；
（4）制粗硅中二氧化硅和碳在高温条件下反应生成一氧化碳和硅，化学方程式：；
（5）①SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和一种气体单质，反应方程式为：SiHCl3+3H2O==H2SiO3+3HCl+H2↑，该气体单质是氢气；
②在制备高纯硅的过程中若混入O2，可能引起的后果是氧气会氧化，氧气与氢气混合引起爆炸；
（6）100t含二氧化硅60%的石英矿， 二氧化硅的质量为60t，二氧化硅中硅的质量为60t ×28/28+16×2=28t，整个制备提纯过程硅元素损失了10%，最终获得高纯硅的质量为28t×(1-10%)=25.2t。
【问题探究】
►问题一 如何认识硅及其化合物的通性及特殊性
【典例1】下列叙述正确的是
①高温下用焦炭还原制取粗硅
②与酸、碱均不反应
③二氧化硅不与任何酸反应，可用石英制造耐酸容器
④是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应
⑤与化学式相似，物理性质也相同
A．①②③B．②③C．①④D．①②③④⑤
【答案】C
【解析】①高温条件下，焦炭与反应生成粗硅和CO，故正确；②与氢氟酸、强碱NaOH能反应，故错误；③二氧化硅能与氢氟酸反应，故错误；④是酸性氧化物，能与NaOH溶液反应生成硅酸钠和水，故正确；⑤常温下，是气体能溶于水，是固体难溶于水，物理性质不同，故错误；故选：C。
【解题必备】
（1）一般情况下，非金属元素单质熔、沸点低，硬度小，但晶体硅熔、沸点高，硬度大。
（2）一般情况下，非金属单质为绝缘体，但硅为半导体。
（3）Si的还原性强于C，但C在高温下能还原出Si：SiO2＋2Ceq \(=====,\s\up15(高温))Si＋2CO↑。
（4）非金属单质与碱反应一般既作氧化剂又作还原剂，且无氢气放出，但硅与强碱溶液反应只作还原剂，且放出氢气：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。
（5）非金属单质一般不与非氧化性酸反应，但硅能跟氢氟酸反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑。
（6）一般情况下，碱性氧化物＋酸―→盐＋水，二氧化硅是酸性氧化物，却能与氢氟酸反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(SiF4不属于盐，故SiO2不是两性氧化物)。
（7）一般情况下，无机酸能溶于水，但硅酸却难溶于水。
（8）一般情况下，较强酸＋较弱酸的盐―→较弱酸＋较强酸的盐(溶液中的反应)。
因碳酸的酸性强于硅酸，所以水玻璃在空气中易变质：Na2SiO3＋H2O＋CO2===Na2CO3＋H2SiO3(胶体)。
但在高温下，可发生反应Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑(CO2离开反应体系促进反应的正向进行)。
(9)一般情况下，酸性氧化物与水反应生成相应的含氧酸，但二氧化硅不溶于水，也不与水反应。
【变式1-1】下列有关硅及其化合物的说法正确的是
A．工业上用焦炭还原石英砂制得粗硅：
B．特殊的硅氧四面体结构不仅存在于晶体中，而且存在于硅酸盐矿石中
C．实验室盛放碱溶液的试剂瓶应使用玻璃塞，以免发生黏连
D．因为高温时与反应放出，所以酸性比强
【答案】B
【解析】A．工业上用焦炭还原石英砂制得粗硅：，故A错误；B．晶体中Si与O通过共价键连接成四面体结构的空间网状结构，硅酸盐中也存在Si与O构成的四面体结构，故B正确；C．实验室盛放碱溶液的试剂瓶不能使用玻璃塞玻璃，玻璃塞中有二氧化硅，二氧化硅可以与碱液反应生成硅酸盐，故C错误；D．酸性强弱的比较只有在没有外界条件干扰化学反应时才能比较，与反应放出反应条件为高温干扰化学反应，所以不能说明硅酸酸性比碳酸酸性强，一般在溶液中强酸可制得弱酸，即硅酸钠溶液中通入CO2，制得硅酸说明碳酸酸性强于硅酸，故D错误；故选B；
【变式1-2】下列有关硅及其化合物的说法中正确的是
A．硅在自然界主要以硅酸盐和氧化物的形式存在
B．硅酸钠属于盐，不属于碱，所以硅酸钠溶液可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C．二氧化硅能与氢氧化钠、氢氟酸反应，是两性氧化物
D．在粗硅的制取中会发生反应，硅元素被还原，所以碳的还原性比硅的还原性强
【答案】A
【解析】A．硅在自然界主要以硅酸盐和氧化物的形式存在，A正确；B．硅酸钠属于盐，溶液显碱性，所以硅酸钠溶液不可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中，应该用橡胶塞，B错误；C．二氧化硅能与氢氧化钠、氢氟酸反应，但属于酸性氧化物，C错误；D．Si的还原性比C的强，反应在高温下进行，且产物中有气体生成，气体从反应体系中逸出，有利于反应的进行，D错误；故选A。
►问题二 二氧化硅与二氧化碳有何区别
【典例2】下列关于SiO2和CO2的说法中正确的是 ( )
A．CO2、SiO2都能与碱及碱性氧化物反应
B．CO2和SiO2与水反应分别生成相应的酸
C．二氧化硅可用来制作干燥剂，因二氧化硅可与水反应
D．CO2和SiO2都是由相应的分子构成的
【答案】A
【解析】A、CO2、SiO2都是酸性氧化物，都能与碱及碱性氧化物反应，故A正确；B、SiO2不溶于水，也不能和水反应生成硅酸，B不正确；C、硅酸在一定条件下可制得硅胶，硅胶可用作干燥剂，但SiO2不与水反应，C不正确；D、CO2是由分子构成的，SiO2是由硅、氧原子直接构成的，故D不正确；答案选A。
【解题必备】
1．类别：都是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性。
2．结构：二氧化碳有大量的分子构成，每个二氧化碳分子由一个碳原子和两个氧原子构成；二氧化硅是由大量的硅原子和氧原子直接构成，不存在二氧化硅分子。
3．物理性质：二氧化碳常温下是气体，熔、沸点低，可溶于水；二氧化硅是固体，硬度大，熔点高的固体，不溶于水。
4．化学性质
（1）与水反应：二氧化碳与水反应生成碳酸，碳酸分解生成水和二氧化碳，属于可逆反应；二氧化硅与水不能反应，但硅酸受热分解生成二氧化硅和水。
（2）与酸反应：二氧化碳与酸不反应；二氧化硅只能与氢氟酸反应生成氟化硅气体和水，与其它酸不反应。
（3）与碱溶液反应（证明它们都是酸性氧化物）
CO2(少量)＋2NaOH===Na2CO3＋H2O，CO2(过量)＋NaOH===NaHCO3；SiO2＋2NaOH=Na2SiO3＋H2O
（4）与氧化钙反应：CO2＋CaO===CaCO3；SiO2＋CaOCaSiO3
【变式2-1】下列叙述正确的是
A．SiO2既能和NaOH溶液反应，又能和HF反应，所以SiO2属于两性氧化物
B．因为Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑，所以H2SiO3的酸性比H2CO3强
C．CO2和SiO2都能与C反应
D．CO2和SiO2都是酸性氧化物，所以两者物理性质相似
【答案】C
【解析】A．SiO2能和NaOH溶液反应，只能和氢氟酸反应，SiO2属于酸性氧化物，A错误；B．反应Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑不是在水溶液中进行的，不能据此说明硅酸的酸性比碳酸强，故B错误；C．CO2和SiO2都能与碳反应，反应中碳是还原剂，CO2和SiO2都作氧化剂，故C正确；D．CO2和SiO2都是酸性氧化物，两者物理性质相差较大，故D错误；答案选C。
【变式2-2】光缆的主要成分为SiO2。碳和硅均为第IVA族的元素，二者性质既有一定的相似性又有一定的递变性。下列关于SiO2和CO2的说法中，正确的是
A．与都能跟反应生成相应的酸
B．与都不能与酸反应
C．与(干冰)都能够与氢氧化钠溶液反应
D．水晶的主要成分是SiC
【答案】C
【解析】A．+H2OH2CO3，但跟不反应，A错误；B．+4HF=SiF4↑+2H2O，不能与酸反应，B错误；C．与(干冰)都是酸性氧化物，都能够与氢氧化钠溶液反应，方程式为：SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O，CiO2+2NaOH=Na2CO3+H2O，C正确；D．水晶的主要成分是SiO2，SiC是金刚砂的主要成分，D错误；故答案为：C。
►问题三 多方面认识硅及其化合物的用途
【典例3】下列有关硅从其化合物的叙述错误的是
A．石英砂可用于生产高纯硅
B．利用高纯硅半导体性能可以制成硅太阳能电池
C．利用高纯硅半导体性能可以制成计算机的芯片
D．硬度大，故可用来生产光导纤维
【答案】D
【解析】A．石英砂的主要成分为，可用焦炭在高温条件下还原得到粗硅，粗硅经提纯得到单晶硅，故A正确；B．硅为金属与非金属交界线元素，为半导体材料，利用高纯硅的半导体性能可制成芯片及太阳能电池，故B正确；C．利用高纯硅半导体性能，可以制成计算机芯片、硅太阳能电池，制光导纤维的原料是二氧化硅，故C正确；D．光导纤维的原理是基于光的全反射现象，通过光的反射和折射来实现光信号的传输，故D错误；故答案选D。
【解题必备】
硅及其化合物在多个领域有着广泛的应用：‌‌
（1）硅的用途： a.电子工业：硅是半导体材料的主要成分，用于制造集成电路、太阳能电池等。 b.建筑和材料工业：硅酸盐水泥、硅酸盐玻璃等的生产中，硅起着重要作用。 c.化工工业：硅油、硅胶等化工产品的生产和应用。 d.制陶业：硅是制作陶瓷的主要原料之一。 e.冶金工业：硅用于合金制备，如不锈钢、铸铁等。
（2）二氧化硅的用途： a.塑料工业：作为增强剂和填充剂，提高塑料的强度和硬度。 b.医药工业：用于制备药品包衣材料，改善药品溶解速度。 c.食品工业：作为食品添加剂，提高食品的流动性和稳定性。 d.光电工业：用于制备光学玻璃、光纤等器件。
（3）硅酸盐的用途：a.建筑工业：用于制备石膏板、瓷砖等建筑材料。 b.陶瓷工业：硅酸盐陶瓷具有较好的抗高温性能，可用于制作高温耐磨部件。 c.化学工业：用于制备玻璃纤维、光纤等。
（4）硅酸的用途：硅胶可作催化剂的载体和袋装食品、瓶装药品的干燥剂。
【变式3-1】硅及其化合物在材料领域中应用广泛。下列说法正确的是( )
A．水晶项链是硅酸盐制品
B．硅单质广泛用于光纤通讯
C．利用盐酸刻蚀石英制作艺术品
D．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
【答案】D
【解析】水晶项链主要成分是二氧化硅，A错；光纤是由二氧化硅制造而成的，B错；石英中的二氧化硅不与盐酸反应，C错；D.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，D正确；答案选D。
【变式3-2】下列关于硅及其化合物的说法错误的是
A．二氧化硅是制光导纤维的主要原料
B．工业上用焦炭还原石英砂可以制得粗硅
C．SiO2属于酸性氧化物，溶于水可制硅酸
D．木材浸过水玻璃后，不易着火
【答案】C
【解析】A．二氧化硅具有良好的导光性能，是制光导纤维的主要原料，故A正确；B．在高温下C与SiO2反应产生Si和CO：2C+SiO2Si+2CO↑，所以工业上可以用焦炭还原石英砂制得粗硅，故B正确；C．SiO2属于酸性氧化物，不能溶于水，不能和水反应生成硅酸，故C错误；D．水玻璃是硅酸钠的水溶液，它具有不易着火的性质，所以用水玻璃浸渍后的木材，不易着火，故D正确；故选C。
►问题四 如何制备高纯硅
【典例4】由二氧化硅制备高纯硅的流程如图所示，下列说法不正确的是
A．反应①的化学方程式为
B．SiO2属于酸性氧化物，能与水反应生成硅酸
C．高纯硅可用于制作光感电池，光导纤维的主要成分是SiO2
D．流程中H2和HCl均可循环利用
【答案】B
【分析】二氧化硅与焦炭在高温下反应产生粗Si、CO(X)，粗硅与HCl在一定温度下反应产生H2、SiHCl3，SiHCl3与H2在高温下反应产生精Si、HCl，从而提纯了硅单质，据此分析解题。
【解析】A．反应①是SiO2与C在高温下反应产生Si、CO，方程式为：，A正确；B．SiO2属于酸性氧化物，但其难溶于水，不能与水反应生成硅酸(H2SiO3)，B错误；C．高纯硅可用于制作光感电池、半导体材料，而光导纤维的主要成分是SiO2，C正确；D．流程中X为CO，及反应产生H2具有还原性，可用于粗硅的提纯，反应产生的HCl可作为反应物与粗硅反应加以利用，故这三种物质均可循环利用，D正确；故选B。
【解题必备】高纯硅的制备
（1）制备原理：用焦炭还原石英砂，得到含少量杂质的粗硅，然后转化为三氯硅烷，再经氢气还原得到高纯硅。
（2）制备流程：
（3）涉及的主要化学反应
(a)SiO2＋2Ceq \(=============,\s\up7(1 800～2 000 ℃))Si＋2CO↑
(b)Si＋3HCleq \(=====,\s\up7(300 ℃))SiHCl3＋H2
(c)SiHCl3＋H2eq \(=====,\s\up7(1 100 ℃))Si＋3HCl
【变式4-1】制备高纯硅的装置如图所示(加热及夹持装置已省略)，利用与过量在1000～1200℃反应(沸点为31.8℃，遇水会剧烈反应)。下列说法正确的是
A．实验开始时先加热装置Ⅳ中的石英管，再打开装置Ⅰ中的活塞
B．工业生产中获得的中含有少量的(沸点57.6℃)，通过蒸馏可提纯
C．装置将Ⅰ中稀硫酸改用浓硫酸，会使反应速率加快
D．装置Ⅳ的反应：，产生的HCl可直接通入NaOH溶液中
【答案】B
【分析】Ⅰ中锌和稀硫酸反应制备氢气，为防止与水反应，Ⅱ中用浓硫酸干燥氢气，Ⅲ用水浴加热使挥发，Ⅳ中与氢气1000～1200℃反应生成Si和氯化氢，最后进行尾气处理。
【解析】A．为防止氢气和氧气的混合气体加热爆炸，应该先用氢气排出装置内的空气，再加热玻璃管，所以实验开始时先打开装置Ⅰ中的活塞，再加热装置Ⅳ中的石英管，故A错误；B．、的沸点不同，可通过蒸馏可提纯，故B正确；C．锌与浓硫酸反应生成二氧化硫，无氢气生成，故C错误；D．遇水会剧烈反应，为防止水进入玻璃管，在尾气处理装置和玻璃管之间应连接一个干燥装置，故D错误；选B。
【变式4-2】如图所示是由石英砂(主要成分为二氧化硅)制备高纯硅的工艺流程示意图。
下列说法错误的是
A．步骤①中反应的化学方程式：
B．石英砂的主要成分二氧化硅可分别与氢氧化钠溶液、氢氟酸反应，故它属于两性氧化物
C．由粗硅制备高纯硅的过程中，循环使用的物质主要有和H2
D．若混合物分离后，得到的物质的量之比为，则理论上需要额外补充H2
【答案】B
【分析】石英砂中主要成分为SiO2，与碳在高温下反应生成粗硅，，粗硅与HCl在300℃以上反应生成SiHCl3，SiHCl3中含有少量氢气以及SiCl4，SiCl4可被氢气还原为SiHCl3，纯SiHCl3在高温的条件下与H2反应生成纯Si，SiHCl3+H2Si+3HCl，据此回答。
【解析】A．根据分析，步骤①中反应的化学方程式为，故A正确；B．二氧化硅只能与氢氟酸反应，且生成物不是盐，而二氧化硅与氢氧化钠溶液反应生成硅酸钠和水，其属于酸性氧化物，故B错误；C．结合反应过程，和H2可循环使用，故C正确；D．根据SiCl4+H2SiHCl3+HCl，SiHCl3+H2Si+3HCl，1mlSiCl4和1mlSiHCl3 完全转化为Si共需要 3mlH2，现有 SiCl4、SiHCl3、H2 的物质的量之比为1：1：1，则理论上需要额外补充 H2，故D正确；故选B。
【分层训练】
基础强化
1．高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。从石英砂(主要成分为)制取高纯硅涉及的主要反应流程如下：
下列说法不正确的是
A．制备粗硅的反应方程式为
B．反应①②③均为氧化还原反应
C．流程中和可以循环利用
D．反应②与反应③互为可逆反应
【答案】D
【解析】A．制备粗硅的反应方为石英砂和碳高温生成CO和粗硅，为，A正确；B．反应①中碳、硅元素化合价改变；②中硅、氢元素化合价改变，③氢、硅元素化合价改变，均为氧化还原反应，B正确；C．在反应②中产生H2，可用于反应③还原SiHCl3制取Si单质，反应③产生的HCl可与粗硅反应制取SiHCl3，因此流程中HCl和H2可以循环利用，C正确；D．反应②③反应温度不同，因此反应②与反应③不能互为可逆反应，D错误；故选D。
2．下列物质属于碱性氧化物的是
A．Na2OB．H2O2C．SiO2D．CO2
【答案】A
【分析】与酸反应生成盐和水时为碱性氧化物，大多数金属氧化物为碱性氧化物。
【解析】A．Na2O与酸反应生成盐和水，为碱性氧化物，故A符合题意；B．H2O2不能与酸反应，不是碱性氧化物，故B不符合题意；C．SiO2与碱反应生成盐和水，为酸性氧化物，故C不符合题意；D．CO2与碱反应生成盐和水，为酸性氧化物，故D不符合题意；故选：A。
3．2023年《自然》刊载了我国科研人员研发的一种薄如纸、可弯曲折叠的太阳能电池的研究成果。下列物质用于制作太阳能电池的是
A．二氧化硅B．碳化硅C．石墨烯D．硅单质
【答案】D
【解析】A．二氧化硅可用于生产光导纤维，A错误；B．碳化硅可用于生产砂轮、砂纸等，B错误；C．石墨烯具有吸附和分离污染物的能力，可用于环境治理和净化，C错误；D．硅单质可用于生产半导体材料、太阳能电池等，D正确；故选D。
4．高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域，工业制备高纯硅的原理示意图如下：
下列叙述不正确的是
A．石英砂的主要成分为，可用于生产光导纤维
B．反应①②③均为氧化还原反应
C．反应①中氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶1
D．、HCl都能在该工业流程中循环利用
【答案】C
【分析】反应①发生反应：SiO2+2CSi+2CO↑，反应②是Si+3HClSHCl3+H2，反应③是SHCl3+H2Si+3HCl；
【解析】A．石英砂、光导纤维的主要成分均为，可用于生产光导纤维，A正确；B．在反应①②③中均有元素化合价的变化，因此三个反应均为氧化还原反应，B正确；C．在反应①发生反应：SiO2+2CSi+2CO↑，在该反应中SiO2是氧化剂，C是还原剂，则氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2，C错误；D．在反应②中产生H2，可用于反应③还原SiHCl3制取Si单质，反应③产生的HCl可与粗硅反应制取SiHCl3，因此流程中HCl和H2可以循环利用，D正确；故选C。
5．下列说法正确的是
A．可以用石英坩埚熔融纯碱
B．Si在自然界主要以游离态存在
C．Na2SiO3溶液可与盐酸反应
D．SiO2属于酸性氧化物，不与任何酸反应
【答案】C
【解析】A．可以用石英坩埚主要成分SiO2熔融时与纯碱反应，A错误；B．自然界中没用游离态Si，B错误；C．Na2SiO3溶液可与盐酸反应成氯化钠和硅酸, ，C正确；D．SiO2与氢氟酸反应生成SiF4气体和水，D错误；故选C。
6．实验室用还原(沸点：31.85℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法正确的是
A．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓硫酸、冰水
B．实验时，应先加热管式炉，再打开活塞K
C．为鉴定制得的硅中是否含有微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、KSCN溶液
D．该实验中制备氢气的装置也可用于硫酸与碳酸钠反应制备
【答案】C
【分析】Ⅰ为氢气的发生装置，Ⅱ为干燥装置，浓硫酸是常用的干燥剂，装置Ⅲ需水浴加热，目的是加快反应的速率，且保持稳定，装置Ⅳ不能采用普通玻璃管的原因是温度太高，普通玻璃管易熔化，控制好温度等，以此解答该题。
【解析】A．根据分析可知，装置Ⅱ的作用是除去氢气中的水蒸气，即装置Ⅱ中盛放浓硫酸，装置Ⅲ的作用是提供SiHCl3气体，因此在水浴中加热，不能使用冰水，故A错误；B．实验时应先通入氢气，目的是排出装置中的空气，防止氢气不纯，在加热时爆炸，故B错误；C．铁与盐酸反应生成Fe2+，Fe2+被H2O2氧化成Fe3+，Fe3+与KSCN溶液反应，溶液变红色，可以鉴定是否含有铁单质，故C正确；D．Na2CO3易溶于水，不能用启普发生器发生反应，因此不能用于硫酸与Na2CO3反应制备，故D错误；答案选C。
7．下列有关硅及其化合物的说法正确的是
A．硅在自然界中以游离态和化合态两种形式存在
B．硅晶体是良好的半导体，可用于制造光导纤维
C．氢氟酸要存放在塑料瓶中
D．SiO2对应的水化物是可溶性弱酸
【答案】C
【解析】A．硅在自然界以化合态形式存在，A错误；B．硅晶体是良好的半导体，用于制造电脑芯片等、二氧化硅用于制造光导纤维，B错误；C．氢氟酸可以腐蚀玻璃，故用塑料瓶装，C正确；D．SiO2对应的水化物是难溶性弱酸，D错误；故选C。
8．硅是无机非金属材料的主角，硅的氧化物和硅酸盐约占地亮质量的90%以上。
（1）是玻璃的主要成分之一，与氢氧化钠溶液反应的化学方程式为 ，工艺师常用 (填化学式)溶液来雕刻玻璃。
（2）可通过与纯碱混合高温熔融反应制得，高温熔融纯碱时下列坩埚可选用的是___________。
A．普通玻璃坩埚B．石英玻璃坩埚C．氧化铝坩埚D．铁坩埚
（3）工业生产粗硅的反应有：SiO2+2CSi(粗)+2CO↑，SiO2+3CSiC+2CO↑。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为1：1，则参加反应的C和SiO2的质量之比为 。
（4）工业上可以通过如下图所示的流程制取纯硅：
①若反应I为 Si(粗)+3HClSiHCl3+H2，则反应II的化学方程式为 。
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，写出该反应的化学方程式： 。
【答案】（1） HF
（2）D
（3）1：2
（4）①SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl ②SiHCl3+3H2O=H2SiO3+3HCl+H2↑
【解析】（1）SiO2是酸性氧化物，能与碱反应，与NaOH溶液反应的化学方程式为；酸性氧化物一般不与酸反应，但SiO2能与氢氟酸反应，所以常用氢氟酸来雕刻玻璃；
（2）Na2SiO3可通过SiO2与纯碱混合高温熔融反应制得，反应的方程式为SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，普通玻璃坩埚、石英玻璃坩埚都含有SiO2，因此熔融纯碱时都不能用，即A、B错误；氧化铝具有两性，也能与纯碱在高温下发生反应，反应方程式为Al2O3＋Na2CO32NaAlO2＋CO2↑，所以熔融纯碱时也不能用，即C错误；铁与纯碱不反应，且能耐适当的高温，所以可选用铁坩埚熔融纯碱，即D正确。所以正确答案为D。
（3）若生成1mlSi，则同时生成1mlSiC，根据元素守恒可知，消耗2ml SiO2和1mlC。则参加反应的C和SiO2的质量之比为1：2；
（4）①由图可知反应II中SiHCl3与氢气反应生成Si和HCl，反应方程式为：SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl；②SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl，结合元素化合价变化可知另一产物应为氢气，则反应方程式为：SiHCl3+3H2O=H2SiO3+3HCl+H2↑。
素养提升
1．下列关于二氧化硅的说法中错误的是
A．SiO2可以制成计算机芯片
B．通常状况下，二氧化碳为气态，二氧化硅为固体
C．SiO2同CO2一样也能与CaO反应生成盐
D．SiO2可用来生产光导纤维
【答案】A
【解析】A．高纯硅可以制成计算机芯片，SiO2可以制成光导纤维，故A错误；B．通常状况下，二氧化碳为气态，二氧化硅为固体，两者的熔沸点不同，故B正确；C．二氧化硅为酸性氧化物，能够与碱性氧化物氧化钙反应生成硅酸钙，故C正确；D．SiO2有较好的光学性能，可用来生产光导纤维，故D正确；选A。
2．硅及其化合物的应用范围很广。下列说法正确的是
A．二氧化硅能与氢氟酸反应，则二氧化硅可以与盐酸反应
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为氧化剂
D．硅是人类将太阳能转换为电能的常用材料
【答案】D
【解析】A．二氧化硅能与氢氟酸反应生成SiF4和H2O，但二氧化硅是酸性氧化物，只能与氢氟酸反应，不能与盐酸反应，A错误；B．粗硅制备单晶硅涉及Si→SiCl4→Si，有氧化还原反应，B错误；C．反应Si＋2NaOH＋H2O=Na2SiO3＋2H2↑中，Si的化合价升高，为还原剂，C错误；D．硅是良好的半导体材料，是能将太阳能转换为电能的常用材料，D正确；答案选D。
3．实验室用还原(沸点：31.85℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)，下列说法正确的是
A．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓硫酸、冰水
B．实验时，应先加热管式炉，再打开活塞K
C．为鉴定制得的硅中是否含有微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、KSCN溶液
D．该实验中制备氢气的装置也可用于实验室制
【答案】C
【分析】Ⅰ为氢气的发生装置，Ⅱ为干燥装置，浓硫酸是常用的干燥剂，装置Ⅲ需水浴加热，目的是使SiHCl3汽化，与氢气充分混合；装置Ⅳ不能采用普通玻璃管的原因是温度太高，普通玻璃管易熔化；保证实验成功的关键是：装置要严密；控制好温度等，以此解答该题；
【解析】A．本题制备高纯硅，反应应在装置Ⅳ中进行，装置Ⅰ的目的是制备氢气，氢气中含有水蒸气，对后续实验产生干扰，必须除去，因此装置Ⅱ的作用是除去氢气中的水蒸气，即装置Ⅱ中盛放浓硫酸，装置Ⅲ的作用是提供SiHCl3气体，因此在水浴中加热，不能使用冰水，A错误；B．实验时应先通入氢气，目的是排出装置中的空气，防止氢气不纯，在加热时爆炸，B错误；C．铁与盐酸反应生成Fe2+，Fe2+被H2O2氧化成Fe3+，Fe3+与KSCN溶液反应，溶液变红色，可以鉴定是否含有铁单质，C正确；D．实验室制备SO2，用亚硫酸钠与浓硫酸反应，亚硫酸钠易溶于水，不能用启普发生器发生反应，因此不能用于浓硫酸与亚硫酸钠反应制备SO2，D错误；故选C。
4．目前，中国在5G技术领域发展得越来越好，5G芯片的主要材质是高纯度硅。已知用硝酸与氢氟酸的混合液作制作芯片的刻蚀液，发生的反应为 (反应未配平)。下列有关叙述错误的是
A．硅是应用最为广泛的半导体材料
B．该反应中还原性：
C．该反应中作氧化剂，发生氧化反应
D．该反应转移电子时，生成
【答案】C
【解析】A．硅是现阶段应用最为广泛的半导体材料，A正确；B．该反应中Si元素的化合价升高，Si单质作还原剂，NO2是还原产物，则该反应中还原性：，B正确；C．在该反应中，HNO3中的N元素化合价降低，作氧化剂，发生还原反应，C错误；D．根据该反应中元素化合价变化可知，每生成1mlNO2，转移电子数为1ml，则该反应转移电子时，生成，D正确；故选C。
5．高纯度晶体硅是典型的无机非金属材料，又称“半导体”材料，它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。它可以按下列方法制备：
SiO2Si(粗)SiHCl3Si(纯)
下列说法正确的是
A．步骤①的化学方程式为SiO2＋CSi＋CO2
B．步骤①②③中每生成或反应1mlSi，转移4ml电子
C．SiO2既能与氢氟酸反应，又能与氢氧化钠溶液反应，所以SiO2是两性氧化物
D．SiHCl3(沸点为33.0℃)中含有少量的SiCl4(沸点为67.6℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯SiHCl3
【答案】D
【解析】A．二氧化硅与C在高温条件下反应生成Si和CO，不是二氧化碳，故A错误；B．反应①中每生成1 ml Si转移4 ml电子，而SiHCl3中Si的化合价是＋2，所以反应②③中每消耗或生成1 ml Si，转移2 ml电子，故B错误；C．二氧化硅可以与氢氟酸和氢氧化钠反应，但不是两性氧化物，二氧化硅是典型的酸性氧化物，故C错误；D．SiHCl3与SiCl4的沸点相差较大，所以可通过蒸馏除去SiCl4，故D正确。故选D。
6．下列关于硅及其化合物的说法正确的是
A．光导纤维的主要成分是
B．太阳能发电板的主要材料是
C．是一种酸性氧化物，能够与水反应生成相应的酸
D．高温下，工业制硅的反应方程式为C+SiO2Si+CO2
【答案】A
【解析】A．SiO2对光具有良好的全反射作用，是光导纤维的主要成分，故A项正确；B．太阳能发电板的主要材料是硅单质，故B项错误；C．SiO2是一种酸性氧化物，但不能与水化合生成相应的酸，故C项错误；D．高温下，工业制硅的反应方程式为：，故D项错误；故答案选A。
7．由粗SiO2 (含少量Fe2O3杂质)制备纯SiO2的流程如图所示，下列说法错误的是
A．SiO2是酸性氧化物，因此不和任何酸反应
B．步骤Ⅱ中的主要反应是
C．X可用作木材防火剂
D．若在实验室中完成步骤Ⅲ，一般在坩埚中进行
【答案】A
【分析】二氧化硅与氢氧化钠反应生成硅酸钠(X)，硅酸钠溶液与稀硫酸反应生成硅酸沉淀(Y)，硅酸灼烧分解生成二氧化硅，结合硅及其化合物的性质分析判断。
【解析】A．SiO2是酸性氧化物，但二氧化硅能与HF反应生成四氟化硅和水，A错误；B．步骤Ⅱ是硅酸钠与稀硫酸反应生成硅酸沉淀，反应的化学方程式为：，B正确；C．硅酸钠水溶液具有阻燃性，可用作木材防火剂， C正确；D．步骤Ⅲ为灼烧固体分解，灼烧固体应在坩埚中进行，D正确；答案选A。
8．摩擦剂是牙膏的主体成分，SiO2是一种常见的摩擦剂。
（1）Si在元素周期表中的位置是 。
（2）根据用途推测SiO2在水中的溶解性： (填“易溶”或“难溶”)。
（3）制备SiO2的方法如下：
①写出反应I的离子方程式 。
②比较酸性强弱：H2SO4 H2SiO3(填“＞”或“＜”)。
（4）为满足不同需求，牙膏中还会添加一些特殊物质，如含氟牙膏中添加氟化亚锡(SnF2)。锡的原子结构示意图如图。下列说法正确的是 (填序号)。
a．Sn元素的最高正化合价为+4
b．Sn的原子半径比Si大
c．Sn和Si均可以作半导体材料
（5）关于硅及其相关化合物的叙述正确的是 (填字母)。
A．自然界中存在天然游离的硅单质
B．已知C与的最高正价都是正四价，由于，用类比法得知，
C．硅元素在金属与非金属的分界线处，因此具有弱导电性，一般可用于作为半导体材料
D．既能和溶液反应，又能和氢氟酸反应，所以是两性氧化物
【答案】（1）第三周期第ⅣA族 （2）难溶 （3）① ②>
（4）ab （5）C
【解析】（1）Si为第14号元素，其在元素周期表中的位置为第三周期第ⅣA族；（2）SiO2为常见的摩擦剂，其在牙膏中以固体形式存在，因此SiO2在水中难溶；
（3）①H2SiO3难溶于水，因此可以用Na2SiO3和酸反应生成，反应的离子方程式为：；②根据强酸制弱酸的原理，硫酸可以制备硅酸，因此硫酸酸性强于硅酸；
（4）a．Sn为主族元素，主族元素的最高正化合价等于其族序数，Sn为第ⅣA族元素，因此Sn的最高正化合价为+4价，a正确；b．同一主族元素原子从上到下原子半径逐渐增大，因此Sn的原子半径大于Si，b正确；c．Sn为金属元素，可以导电，Sn不能做半导体材料，Si为非金属元素，位于金属与非金属分界线附近，Si是优良的半导体材料，c错误；故选ab；
（5）A．自然界中硅以化合态形式存在，A错误；B．二氧化硅不能溶于水，不和水反应，B错误；C．Si位于金属与非金属分界线附近，Si是优良的半导体材料，广泛用于制造计算机芯片等，C正确；D．只能和氢氟酸一种酸反应，与其他酸不反应，是酸性氧化物，C错误；故选C。