無機非金屬材料的主角——硅(45分鐘　100分)一、選擇題(本題包括8小題,每題6分,共48分)1.大多數物質的俗名是根據其特殊的物理性質或用途得來的。下列物質的俗名與化學式或用途不相符的一組是????????????? (　　)選項俗名化學式用途A石英SiO2集成電路B純堿Na2CO3制備玻璃C水玻璃Na2SiO3制備硅膠D鐵紅Fe2O3用作油漆和涂料【解析】選A。石英主要用于生產玻璃和光導纖維等,晶體硅才用于制作集成電路。【加固訓練】下列關于硅及其化合物的敘述錯誤的是 (　　)A.硅是良好的半導體材料,二氧化硅可用于制造光導纖維B.二氧化硅能與石灰石反應:SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑C.可以用焦炭還原二氧化硅生產硅:SiO2+2CSi+2CO↑D.水泥的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2【解析】選D。水泥的主要成分是硅酸二鈣、硅酸三鈣和鋁酸三鈣,普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3和SiO2,D錯誤。2.氣凝膠是一種世界上最輕的固體,也被稱為“固態(tài)煙”,非常堅固耐用,它可以承受相當于自身重量幾千倍的壓力,最高能承受1 400攝氏度的高溫,絕熱性能十分優(yōu)越,其主要成分是二氧化硅等。下列說法正確的是????????????? (　　)A.Si→SiO2→H2SiO3可以通過一步反應實現(xiàn)B.可以用陶瓷坩堝熔融燒堿C.二氧化硅溶于氫氧化鈉溶液又溶于氫氟酸,所以二氧化硅是兩性氧化物D.氣凝膠與豆?jié){具有相似的性質【解析】選D。二氧化硅不與水反應,A錯誤;陶瓷坩堝的成分中含二氧化硅,與燒堿反應,B錯誤;二氧化硅是酸性氧化物,C錯誤;氣凝膠與豆?jié){都屬于膠體,具有相似的性質,D正確。【加固訓練】　　硅是構成無機非金屬材料的一種主要元素,下列有關硅的化合物的敘述錯誤的是 (　　)A.氮化硅陶瓷是一種新型無機非金屬材料,其化學式為Si3N4B.碳化硅(SiC)的硬度大,熔點高,可用于制作砂紙、砂輪的磨料C.祖母綠的主要成分為Be3Al2Si6O18,用氧化物形式表示為3BeO·Al2O3·6SiO2D.二氧化硅為立體網狀結構,其晶體中硅原子和硅氧單鍵的個數之比為1∶2【解析】選D。二氧化硅晶體中,一個硅原子可形成4個硅氧單鍵,故硅原子和硅氧單鍵的個數之比為1∶4,D錯誤。3.化學家指出Si與NaOH溶液的反應,首先是Si與OH-迅速反應,生成Si,然后Si迅速水解生成H4SiO4。下列有關說法正確的是????????????? (　　)A.原硅酸鈉(Na4SiO4)能迅速水解,溶液呈堿性,故Na4SiO4為弱電解質B.藍紫色的硅酸銅鋇(BaCuSi2O6)易溶于強酸和強堿C.2HCl+Na2SiO3H2SiO3↓+2NaCl,說明Cl的非金屬性強于SiD.半導體工業(yè)所說的“從沙灘到用戶”是指將二氧化硅制成晶體硅【解析】選D。Na4SiO4為強電解質,A錯誤;BaCuSi2O6是弱酸鹽,所以能和強酸反應,和強堿不反應,B錯誤;鹽酸不是Cl的最高價氧化物對應的水化物,C錯誤;工業(yè)所說的“從沙灘到用戶”是指將二氧化硅制成晶體硅,D正確。4.下列離子方程式不正確的是 (　　)A.石英與燒堿溶液反應:SiO2+2OH-Si+H2OB.硅與燒堿溶液反應:Si+2OH-+H2OSi+2H2↑C.向小蘇打溶液中加入過量的石灰水:2HC+Ca2++2OH-CaCO3↓+2H2O+CD.往水玻璃中加入鹽酸:2H++SiH2SiO3↓【解析】選C。選項C中,當石灰水過量時,離子方程式應為HC+OH-+Ca2+H2O+CaCO3↓,C錯誤。5.下列說法正確的是 (　　)A.向含K+、Na+、Br-、Si的溶液中通入CO2后仍能大量共存B.合成纖維和光導纖維都是新型無機非金屬材料C.NaHCO3溶液中含有Na2SiO3雜質,可通入少量CO2后過濾D.SiO2中含Al2O3雜質,可加入足量稀鹽酸溶液,然后過濾除去【解析】選D。CO2+H2O+SiH2SiO3↓+C,A錯誤;合成纖維屬于有機高分子材料,B錯誤;除去NaHCO3溶液中的Na2SiO3雜質,應通入足量CO2,發(fā)生反應:Na2SiO3+2CO2+2H2O2NaHCO3+H2SiO3↓,C錯誤;SiO2不與稀鹽酸反應,D正確。6.用足量的CO還原13.7 g某鉛氧化物,把生成的CO2全部通入到過量的澄清石灰水中,得到的沉淀干燥后質量為8.0 g,則此鉛氧化物的化學式是?????????????  (　　)A.PbO　　　　　  B.Pb2O3C.Pb3O4     D.PbO2【解析】選C。設此鉛氧化物的化學式為PbxOy,PbxOy～y[O]～yCO～yCO2～yCaCO3      16y               100y      m(O)              8.0 g      m(O)=1.28 g所以m(Pb)=13.7 g-1.28 g=12.42 gx∶y=∶=3∶4。7.金剛砂(SiC)可由SiO2和碳在一定條件下反應制得,反應方程式為SiO2+3CSiC+2CO↑,下列有關說法中正確的是  (　　)A.該反應中的氧化劑是SiO2,還原劑為CB.該反應中的氧化產物和還原產物的物質的量之比為1∶2C.該反應中每生成1 mol SiC轉移12 mol 電子D.該反應中的還原產物是SiC、氧化產物是CO,其物質的量之比為1∶2【解析】選D。反應產物SiC中Si、C的化合價分別為+4價、-4價,SiO2既不是氧化劑也不是還原劑,A錯誤;碳元素從0價轉變成-4價(SiC)和+2價(CO),CO是氧化產物,SiC是還原產物,物質的量之比為2∶1,B錯誤,C正確;該反應中每生成1 mol SiC,轉移4 mol 電子,C錯誤。8.硅烷(SiH4)在空氣中易自燃或爆炸,可作橡膠等產品的偶聯(lián)劑,硅烷的制備方法為Mg2Si+4HCl2MgCl2+SiH4↑。下列說法不正確的是?????????????  (　　)A.SiH4與CH4的結構相似B.硅烷自燃反應中的氧化劑是SiH4C.硅烷自燃產生SiO2和H2OD.制備硅烷時應隔絕氧氣【解析】選B。硅烷自燃反應中的氧化劑是O2,B錯誤。【加固訓練】　　下列物質:①氫氟酸;②濃硫酸;③燒堿溶液;④Na2CO3固體;⑤氧化鈣;⑥濃硝酸。其中在一定條件下能與SiO2反應的有????????????? (　　)A.①②⑥　　　　  B.②③⑥C.①③④⑤    D.全部【解析】選C。SiO2不溶于除HF之外的任何酸,因此SiO2與濃硫酸、濃硝酸不反應。二、非選擇題(本題包括3小題,共52分)9.(18分)單晶硅是信息產業(yè)中重要的基礎材料。通常用碳在高溫下還原二氧化硅制得粗硅(含鐵、鋁、硼、磷等雜質),粗硅與氯氣反應生成四氯化硅(反應溫度為450～500 ℃),四氯化硅經提純后用氫氣還原可得高純硅。以下是實驗室制備四氯化硅的裝置圖:相關信息如下:①四氯化硅遇水極易水解②硼、鋁、鐵在高溫下均能與氯氣直接反應生成相應的氯化物③有關物質的物理常數見表:物質SiCl4BCl3AlCl3FeCl3沸點/℃57.712.8—315熔點/℃-70.0-107.2——升華溫度/℃——180300請回答下列問題:(1)裝置A中g管的作用是_________________________________; 裝置C中的試劑是______________________________________。  (2)甲方案:f接裝置Ⅰ;乙方案:f接裝置Ⅱ。但是裝置Ⅰ、Ⅱ都有不足之處,請你評價后填寫下表。方案優(yōu)點缺點甲  乙  (3)在上述(2)的評價基礎上,請你設計一個合理方案并用文字表述:_________ ________________________________。 (4)SiCl4與H2反應的化學方程式為__________________________________。 【解析】(1)g管的作用是平衡壓強,使分液漏斗中的濃鹽酸順利流下;四氯化硅遇水極易水解,B是飽和食鹽水,C是濃硫酸。(2)四氯化硅容易液化,若收集的導管太細,容易堵塞導管;制取四氯化硅需要冷凝,因有氯氣參與反應,要有尾氣處理裝置。(3)將甲、乙方案的優(yōu)點集中在一起設計合理的方案。答案:(1)平衡壓強,使分液漏斗中的濃鹽酸順利流下　濃硫酸(2)方案優(yōu)點缺點甲①收集產品的導管粗,不會堵塞導管②冷凝產品,減少產品損失①空氣中的水蒸氣進入產品收集裝置,使SiCl4水解②尾氣沒有處理,污染環(huán)境乙①有尾氣處理裝置,注重環(huán)保②避免空氣中的水蒸氣進入裝置①產品易堵塞導管②沒有冷凝裝置,產品易損失(3)在裝置Ⅰ的i處接干燥管j(4)SiCl4+2H2Si+4HCl10.(16分) 某實驗小組設計了如圖裝置對焦炭還原二氧化硅的氣體產物的成分進行探究。已知:PdCl2溶液可用于檢驗CO,反應的化學方程式為CO+PdCl2+H2OCO2+2HCl+Pd↓(產生黑色金屬鈀粉末,使溶液變渾濁)。 (1)實驗前要通入足夠長時間的N2,其原因是______________________。 (2)裝置B的作用是__________________________________________。  (3)裝置C、D中所盛試劑分別為__________、____________,若裝置C、D中溶液均變渾濁,且經檢測兩氣體產物的物質的量相等,則該反應的化學方程式為______________________________________________________________。 (4)該裝置的缺點是__________________________________________。 (5)資料表明,上述反應在焦炭過量時會生成副產物SiC。取18 g SiO2和8.4 g焦炭充分反應后收集到標準狀況下的氣體13.44 L,假定氣體產物只有CO,固體產物只有Si和SiC,則Si和SiC的物質的量之比為______________。  (6)設計實驗證明碳酸的酸性比硅酸的強:                    __。 【解析】(1)碳與二氧化硅反應要在高溫下進行,而高溫下碳與空氣中氧氣反應,所以實驗前要通入足夠長時間的N2將裝置中的空氣排盡。(2)根據裝置圖可知,B裝置作安全瓶,防止倒吸。(3)碳與二氧化硅反應可能生成CO也可能生成CO2,所以C裝置用來檢驗CO2,D裝置用來檢驗CO,所盛試劑分別為澄清石灰水、PdCl2溶液;若裝置C、D中溶液均變渾濁,說明既有CO2又有CO,由于兩氣體產物的物質的量相等,根據元素守恒可知化學方程式為3SiO2+4C2CO2↑+2CO↑+3Si。(4)CO有毒,不能直接排放到空氣中,而該裝置缺少尾氣吸收裝置吸收未反應的CO。(5)18 g SiO2是0.3 mol ,8.4 g C是0.7 mol ,充分反應后收集到13.44 L(0.6 mol )氣體,假定氣體產物只有CO,固體產物只有Si和SiC,則有SiO2　+　2C　　2CO↑　+　Si0.3 mol　0.6 mol　0.6 mol 　0.3 mol Si　　+　　C　　SiC1          1        10.1 mol  0.1 mol  0.1 mol Si和SiC的物質的量之比為0.2 mol∶0.1 mol =2∶1。(6)驗證碳酸、硅酸的酸性強弱,將CO2氣體通入硅酸鈉溶液,發(fā)生反應CO2+H2O+Na2SiO3Na2CO3+H2SiO3↓,溶液變渾濁,說明酸性H2CO3>H2SiO3。答案:(1)將裝置中的空氣排盡,避免空氣中的氧氣等對實驗產生干擾(2)作安全瓶,防止倒吸(3)澄清石灰水　PdCl2溶液        3SiO2+4C2CO2↑+2CO↑+3Si(4)缺少尾氣吸收裝置(5)2∶1(6)向硅酸鈉溶液中通入二氧化碳氣體,溶液變渾濁,證明碳酸酸性大于硅酸11.(18分)(能力挑戰(zhàn)題)硅是帶來人類文明的重要元素之一,在傳統(tǒng)材料發(fā)展到信息材料的過程中創(chuàng)造了一個又一個奇跡。(1)新型陶瓷Si3N4的熔點高、硬度大、化學性質穩(wěn)定。工業(yè)上可以采用化學氣相沉積法,在H2的作用下,使SiCl4與N2反應生成Si3N4沉積在石墨表面,該反應的化學方程式為____________________________。 (2)一種用工業(yè)硅(含少量鐵、銅的單質及化合物)和氮氣(含少量氧氣)合成氮化硅的工藝主要流程如下:已知硅的熔點是1 420 ℃,高溫下氧氣及水蒸氣能明顯腐蝕氮化硅。①N2凈化時,銅屑的作用是_________________________________; 硅膠的作用是___________________________________________。 ②在氮化爐中反應為3Si(s)+2N2(g)Si3N4(s)　ΔH=-727.5 kJ·mol-1,開始時須嚴格控制氮氣的流速以控制溫度的原因是___________________。 ③X可能是________(選填“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,該反應的化學方程式為_______________________________。 ②假設每一輪次制備1 mol純硅,且生產過程中硅元素沒有損失,反應Ⅰ中HCl的利用率為90%,反應Ⅱ中H2的利用率為93.75%。則在第二輪次的生產中,補充投入HCl和H2的物質的量之比是______________。 【解析】(1)制備Si3N4的反應中,反應物是H2、SiCl4和N2,根據質量守恒,除了Si3N4外,還有HCl氣體生成,從而寫出該反應的化學方程式。(2)①氮氣中含有少量氧氣及水蒸氣,需將氮氣凈化,用Cu除去氧氣,硅膠除去水蒸氣。②氮化爐溫度為1 200～1 400 ℃,硅的熔點為1 420 ℃,該反應是放熱反應,嚴格控制氮氣流速,以控制溫度為1 200～1 400 ℃,防止硅熔化熔合成團,阻礙硅與氮氣的充分接觸。③Si3N4與氫氟酸反應,而與硝酸不反應,且硝酸可將硅塊中的Fe、Cu雜質溶解而除去。(3)①SiHCl3與H2O反應生成H2SiO3、HCl和H2。②制取1 mol純硅第一輪次:反應Ⅰ:Si　+ 3HCl SiHCl3 + H2,     1 mol   3 mol÷90%  1 mol  1 mol 反應Ⅱ:SiHCl3 + H2 　　 Si　+　　3HCl,1 mol  1 mol÷93.75% 1 mol     3 mol 第二輪次生產中,需補充HCl物質的量為3 mol÷90%-3 mol,需補充H2物質的量為1 mol÷93.75%-1 mol,則n(HCl)∶n(H2)=(3 mol/90%-3 mol)∶(1 mol/93.75%-1 mol)=5∶1。答案:(1)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl(2)①除去原料氣中的氧氣　除去水蒸氣②這是放熱反應,防止局部過熱,導致硅熔化熔合成團,阻礙與N2的充分接觸③硝酸(3)①SiHCl3+3H2OH2SiO3+3HCl+H2↑②5∶1

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