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2019年高考化学一轮总复* 考点扫描 专题14 氮及其化合物学案

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专题 14 氮及其化合物

【复*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*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。*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F2反应:Si+2F2=SiF4

化学性质

常温跟HF反应:Si+4HF=SiF4↑+2H2↑ 常温跟NaOH溶液反应:Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑

高温跟O2反应:Si+O2 高温 SiO2

与碳比较 工业制法

高温跟Cl2反应:Si+2Cl2 高温 SiCl4 C、Si同属IVA族,还原性是Si大于C,而C却能将Si从SiO2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 自然界中无游离态的硅,工业上用C在高温下还原SiO2可制得粗硅,有关反应 的化学方程式: SiO2+2C 高温 Si(粗)+2CO↑ Si(粗)+2Cl2 高温 SiCl4

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SiCl4+2H2 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

SiO2晶体是立体网状结构。在SiO2晶体里,每个Si周围结合四个O,同时每个O与 空间结构 两个Si相结合,在SiO2晶体中原子个数比为1∶2,因此用“SiO2”这个式子表示
二氧化硅晶体的组成。SiO2直接由原子构成不存在单个SiO2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:SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O(SiO2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Na2SiO3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:SiO2+4HF=SiF4↑+2H2O(氢氟酸能刻蚀玻璃;氢氟酸不能用玻 化学性质 璃试剂瓶存放,应用塑料瓶)

与碱性氧化物反应:SiO2+CaO 高温 CaSiO3

用途

与某些盐类反应:SiO2+CaCO3 高温 CaSiO3+CO2↑ SiO2+Na2CO3 高温 Na2SiO3+CO2↑ 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;SiO2 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



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①因为 HF 与 SiO2 反应,故用氢氟酸在玻璃器皿上刻蚀标记

②下列转化在一定条件下能够实现:SiO2HCl――→ aq

H2 SiCl4―高―温→Si

③石英砂可用于生产单晶硅

④用 NaOH 溶液不能分离氧化铁中混有的二氧化硅 ⑤Si 和 SiO2 都可用于制造光导纤维 ⑥SiO2 既能和 NaOH 溶液反应,又能和氢氟酸反应,所以是两性氧化物 ⑦向 Na2SiO3 溶液中滴加稀盐酸的离子方程式:Na2SiO3+2H+===H2SiO3↓+2Na+ ⑧SiC 与 SiO2 的熔点均与所含化学键的键能有关 ⑨碳和硅均为ⅣA 族元素,自然界中有碳和硅的多种单质存在

⑩在粗硅的制取中发生 2C+SiO2=高==温==2CO↑+Si,硅被还原,所以碳的还原性大于硅的还原性 ?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:①③⑧?

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 硅酸不稳定,受热易分解:H2SiO3=△===SiO2+H2O

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化学性质

硅 酸 能 与 碱 溶 液 反 应 , 如 与 NaOH 溶 液 反 应 的 化 学 方 程 式 为 H2SiO3 + 2NaOH===Na2SiO3+2H2O

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:Na2SiO3+ 2HCl=2NaCl+H2SiO3↓或 Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3(此方程式证 明酸性:H2SiO3<H2CO3)

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Na2SiO3

盐化学式法,如硅酸钠Na2SiO3、硅酸钙CaSiO3等。此法一般用于组成较简单的 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 Al2O3·2SiO2·2H2O、石棉 CaO·3MgO·4SiO2。

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

硅酸钠

瓶要使用橡胶塞。能与酸性较强的酸反应:Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3↓(白)+ 2NaCl;Na2SiO3 + CO2 + H2O =H2SiO3↓+ Na2CO3

硅酸盐材料是传统的无机非金属材料,玻璃、水泥、各种陶瓷等都是以黏土、

硅酸盐材料 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



①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

②高纯度的硅单质广泛用于制作光导纤维

③玻璃瓶不能盛放氢氟酸

④SiO2 与水反应可制取硅酸

⑤CO2 通入水玻璃可以得到硅酸沉淀

⑥水泥、玻璃、水晶饰物都是硅酸盐制品

⑦玻璃是一种纯净物

⑧陶瓷、玻璃、水泥都用到石灰石作原料

⑨水玻璃的化学性质稳定,在空气中不易变质

⑩烧碱溶液存放在带橡胶塞的玻璃瓶中

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答案:③⑤⑩
【过关练*】 1.(宣城 2017 届模拟)下列叙述正确的是 ( ) A.红宝石、珍珠、水晶、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:B 3.(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 B.水玻璃是纯净物,可用于生产黏合剂和防火剂
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C.某硅酸盐的化学式为 KAlSi3O8,可用 K2O·Al2O3·6SiO2 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:C 4.(天津 2017 届高三质检)下列说法正确的是 ( ) A.SiO2 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 C.NaHCO3 溶液中含有 Na2SiO3 杂质,可通入少量 CO2 后过滤 D.SiO2 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 Si+2NaOH+H2O===Na2SiO3+2H2↑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―C―l→2 SiCl4――H2→Si+HCl,都是氧化还原反应,B 项错误;Si 与 烧碱溶液反应时,H2O 是氧化剂,C 项错误;硅不能与盐酸反应,D 项错误。答案:A 6. (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,可知 SiO2 不是 H2SiO3 的酸酐 B.由 SiO2+2C=高==温==Si+2CO↑,可知碳的非金属性大于硅 C.CO2 通入 Na2SiO3 溶液产生白色沉淀,可知酸性 H2CO3>H2SiO3 D.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
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7. (伊犁 2016 届质检)寿山石主要成分为叶蜡石,叶蜡石组成为 Al2O3·4SiO2·H2O,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:C 8. (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:PdCl2 溶液可用于检验 CO,反应的化学方程式为 CO+PdCl2+H2O===CO2+2HCl+Pd(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



(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





(6)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强:



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的量为128.g4/mgol=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221.34.4g4/mgol=0.6 mol,

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:

高温 SiO2 + 2C ===== 2CO↑ + Si

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 mol-0.6 mol=0.1 mol,

高温 Si + C ===== SiC

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 mol-0.1 mol)∶0.1 mol=2∶1。(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气体,然后再通 入硅酸钠溶液,若产生白色沉淀,说明酸性 H2CO3>H2SiO3。 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

高温 全瓶,防止倒吸(3)澄清石灰水 PdCl2 溶液 3SiO2+4C=====2CO2↑+2CO↑+3Si(4)没有尾气处理装置将 CO
吸收(5)2∶1(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:SiO2+2C3 =2==7=3= KSi(粗)+2CO↑;SiO2+3C3 =2==7=3= KSiC+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:

①若反应Ⅰ为 Si(粗)+3HCl △ SiHCl3+H2,则反应Ⅱ的化学方程式为_________。
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②整个制备过程中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:________________。 ③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Ⅱ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________。
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: Ⅰ.高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅; Ⅱ.粗硅与干燥 HCl 气体反应制得 SiHCl3:Si+3HCl3=0=0==℃= SiHCl3+H2; Ⅲ.SiHCl3 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Ⅰ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 57.6 ℃)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):
①装置 B 中的试剂是________,装置 C 中的烧瓶需要加热,其目的是_____________。 ②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__________________________________________________________。 ③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_____。 ④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)。
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a.碘水 b.氯水 c.NaOH 溶液 d.KSCN 溶液 e.Na2SO3 溶液
答案:(1)SiO2+2C=高==温==Si+2CO↑(2)蒸馏(3)①浓硫酸 使滴入烧瓶中的 SiHCl3 气化②有固体物质生成 SiHCl3+H2=高==温==Si+3HCl③排尽装置中的空气④bd 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 1 420 ℃,高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。 ①N2 净化时,铜屑的作用是:___________________;硅胶的作用是______________________。 ②在氮化炉中反应为 3Si(s)+2N2(g)===Si3N4(s) Δ H=-727.5 kJ/mol,开始时须严格控制氮气的流速以 控制温度的原因是______________________________。 ③X 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:
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①整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3 遇水剧烈反应,该反应的化学方程式为____。 ②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Ⅱ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)=5∶1。 答案:(1)3SiCl4+2N2+6H2===Si3N4+12HCl(2)①除去原料气中的氧气 除去水蒸气 ②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 ③硝酸(3)①SiHCl3+3H2O===H2SiO3+3HCl+H2↑ ②5∶1
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