无机非金属材料的主角——硅专题训练及答案

无机非金属材料的主角——硅专题训练及答案

一、选择题 (本题包括 8小题,每题 6分,共 48分)

1.大多数物质的俗名是根据其特殊的物理性质或用途得来的。下列物质的俗名与化学式或用途不相符的一组是

( )

【解析】选 A。石英主要用于生产玻璃和光导纤维等 , 晶体硅才用于制作集成电路。【加固训练】下列关于硅及其化合物的叙述错误的是 ( )

A.硅是良好的半导体材料 , 二氧化硅可用于制造光导纤维

B.二氧化硅能与石灰石反应 :SiO 2+CaCO3 CaSiO3+CO2↑

C.可以用焦炭还原二氧化硅生产硅 :SiO 2+2C Si+2CO↑

D.水泥的主要成分是 Na2SiO3、 CaSiO3和 SiO2

【解析】选 D。水泥的主要成分是硅酸二钙、硅酸三钙和铝酸三钙,普通玻璃的主要成分是 Na2SiO3、 CaSiO3和SiO2,D

错误。

2.气凝胶是一种世界上最轻的固体 ,也被称为“固态烟” ,非常坚固耐用 ,它可以承受相当于自身重量几千倍的压力 , 最高能承受 1 400 摄氏度的高温 , 绝热性能十分优越 , 其主要成分是二氧化硅等。下列说法正确的是 ( )

A.Si →SiO2→ H2SiO 3可以通过一步反应实现

B.可以用陶瓷坩埚熔融烧碱

C.二氧化硅溶于氢氧化钠溶液又溶于氢氟酸, 所以二氧化硅是两性氧化物

D.气凝胶与豆浆具有相似的性质

【解析】选 D。二氧化硅不与水反应 ,A 错误;陶瓷坩埚的成分中含二氧化硅 ,与烧碱反应 ,B 错误;二氧化硅是酸性氧化物,C错误;气凝胶与豆浆都属于胶体 ,具有相似的性质 ,D 正确。

【加固训练】

硅是构成无机非金属材料的一种主要元素 , 下列有关硅的化合物的叙述错误的是 ( )

A.氮化硅陶瓷是一种新型无机非金属材料 , 其化学式为 Si3N4

B.碳化硅(SiC) 的硬度大 ,熔点高 ,可用于制作砂纸、砂轮的磨料

C.祖母绿的主要成分为 Be3Al 2Si 6O18,用氧化物形式表示为 3BeO· Al 2O3·6SiO2

D.二氧化硅为立体网状结构 , 其晶体中硅原子和硅氧单键的个数之比为1∶2

【解析】选 D。二氧化硅晶体中 , 一个硅原子可形成 4 个硅氧单键 , 故硅原子和硅氧单键的个数之比为1∶4,D 错误。

3.(2018 ·石嘴山模拟 ) 纵观古今 ,化学与生活皆有着密切联系。下列有关说法正确的是( )

A.陶瓷是中华民族祖先的一项伟大发明 , 烧结黏土制陶瓷的过程不涉及化学反应

B.晶体硅熔点高硬度大 , 可用作芯片

C.石英坩埚耐高温 , 可用来加热熔化烧碱、纯碱等固体

D.工业生产玻璃、水泥、漂白粉 , 均需要用石灰石为原料

【解析】选 D。陶瓷的成分是硅酸盐 , 烧结黏土制陶瓷的过程涉及化学变化,A 错误; 晶体硅可用作芯片 ,是因为硅是良好

的半导体材料 ,与熔点高低无关 ,B 错误;石英的成分是 SiO2,SiO 2在加热条件下能与烧碱、纯碱反应 ,C 错误;工业

生产玻璃所用的原料是石灰石、石英和纯碱 ,生产水泥的原料是石灰石和黏土 , 生产漂白粉的原料是石灰乳和氯气 ,石灰石经高温煅烧后与水反应可得石灰乳 ,D 正确。

4.(2018 ·商洛模拟 ) 纯二氧化硅可用下列流程制得。下列说法不正确的是

A. X 可用作木材防火剂

B. 步骤Ⅱ的反应是 Na 2SiO 3+H 2SO 4 H 2SiO 3( 胶体)+Na 2SO 4

C. 步骤Ⅱ中的稀硫酸可用 CO 2来代替

D. 步骤Ⅲ若在实验室完成 , 一般在蒸发皿中进行

【解析】 选 D 。X 为硅酸钠溶液 ,可用作木材防火剂 ,A 正确;步骤Ⅱ的反应是 Na 2SiO 3+H 2SO 4 H 2SiO 3(胶体)+Na 2SO 4,B 正

确;碳酸的酸性比硅酸强 ,故步骤 Ⅱ中的稀硫酸可用 CO 2来代替,C 正确 ;步骤 Ⅲ为硅酸固体的灼烧 ,若在实验室完成 ,一般 在坩埚中进行 ,D 错误。 5. 下列说法正确的是 ( )

A. 向含 K +、Na +、Br -、Si 错误！未找到引用源。 的溶液中通入 CO 2后仍能大量共存

B. 合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料

C. NaHCO 3溶液中含有 Na 2SiO 3杂质, 可通入少量 CO 2后过滤

D. SiO 2中含 Al 2O 3杂质,可加入足量稀盐酸溶液 , 然后过滤除去

【解析】 选 D 。CO 2+H 2O+Si 错误！未找到引用源。 H 2SiO 3↓ +C 错误！未找到引用源。 ,A 错误; 合成纤维属于有机高

分子材料 ,B 错误;除去 NaHCO 3溶液中的 Na 2SiO 3杂质,应通入足量 CO 2,发生反应 :Na 2SiO 3+2CO 2+2H 2O 2NaHCO 3+H 2SiO 3 ↓,C 错误;SiO 2不与稀盐酸反应 ,D 正确。 6. (2018 ·武威模拟 )某同学用图所示的装置及药品进行比较酸性强弱的实验 , 一段时间后试管②中有胶冻状物质生成。 下列说法正确的是 ( )

A. 向 Na 2SiO 3 溶液中滴入酚酞试液无明显现象

B. 试管①中反应的离子方程式是 Na 2CO 3+2H + 2Na ++CO 2↑ +H 2O

C. 该实验可以证明酸性 :盐酸 ＞碳酸 ＞硅酸

D. 若将浓盐酸换成硫酸 ,能证明酸性 : 硫酸＞碳酸＞硅酸

【解析】选D 。Na 2SiO 3试液显碱性 ,滴入酚酞试液显红色 ,A 错误;试管①盐酸与碳酸钠反应生成二氧化碳气体 ,离子方程 式为 C 错误！未找到引用源。 +2H + CO 2↑ +H 2O,B 错误;由于浓盐酸具有挥发性 , 生成的二氧化碳中会混有一定量的氯

化氢,将生成的气体通入硅酸钠溶液中生成了硅酸胶体 ,不能证明酸性 :碳酸＞硅酸,C 错误;由于硫酸不挥发 ,若将盐酸换 成硫酸,能证明酸性 :硫酸＞碳酸＞硅酸,D 正确。

, 反应方程式为 SiO 2+3C SiC+2CO ↑ , 下列有关说法中正确的

是 ( )

A. 该反应中的氧化剂是 SiO 2, 还原剂为 C

B. 该反应中的氧化产物和还原产物的物质的量之比为 1∶2

C. 该反应中每生成 1 mol SiC 转移 12 mol 电子

D. 该反应中的还原产物是 SiC 、氧化产物是 CO,其物质的量之比为 1∶2

【解析】 选 D 。反应产物 SiC 中 Si 、C 的化合价分别为 +4价、 -4 价,SiO 2既不是氧化剂也不是还原剂 ,A 错误; 碳元素从 0价转变成 -4 价(SiC) 和+2价(CO),CO 是氧化产物 ,SiC 是还原产物 ,物质的量之比为 2∶1,B 错误,C 正确;该反应中每生 成 1 mol SiC, 转移 4 mol 电子 ,C 错误。 8. ( 能力挑战题 )硅烷 (SiH 4) 在空气中易自燃或爆炸 ,可作橡胶等产品的偶联剂 ,硅烷的制备方法为

7. 金刚砂 (SiC) 可由 SiO 2 和碳在一定条件下反应制得

Mg2Si+4HCl 2MgCl2+SiH 4↑。下列说法不正确的是A.SiH 4与 CH4的结构相似

B. 硅烷自燃反应中的氧化剂是 SiH 4

C. 硅烷自燃产生 SiO 2和 H 2O

D. 制备硅烷时应隔绝氧气

【解析】 选 B 。硅烷自燃反应中的氧化剂是 O 2,B 错误。 【加固训练】

下列物质: ①氢氟酸; ②浓硫酸; ③烧碱溶液 ;④Na 2CO 3固体; ⑤氧化钙; ⑥浓硝酸。其中在一定条件下能与 SiO 2反应 的有 ( ) A. ①②⑥ B. ②③⑥ C.①③④⑤ D. 全部

【解析】 选 C 。SiO 2不溶于除 HF 之外的任何酸 , 因此 SiO 2与浓硫酸、浓硝酸不反应。 二、非选择题 (本题包括 3 小题, 共 52分) 9. (18 分)单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅 (含铁、铝、硼、磷等杂质 ),

粗硅与氯气反应生成四氯化硅 (反应温度为 450～500 ℃), 四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅。以下是实验室制 备四氯化硅的装置图 :

相关信息如下 :

① 四氯化硅遇水极易水解

② 硼、铝、铁在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物 ③ 有关物质的物理常数见下表 :

物质

SiCl

4 BCl 3 AlCl 3

FeCl 3 沸点/℃ 57.7 12.8 — 315

熔点/℃ -70.0

-107.2

—

—

升华温度/℃ —

—

180 300 (4)42 。

【解析】(1)g 管的作用是平衡压强 ,使分液漏斗中的浓盐酸顺利流下 ;四氯化硅遇水极易水解 ,B 是饱和食盐水 ,C 是浓硫 酸。

(2) 四氯化硅容易液化 , 若收集的导管太细 , 容易堵塞导管 ;制取四氯化硅需要冷凝 ,因有氯气参与反应 , 要有尾气处理装 置。

(3) 将甲、乙方案的优点集中在一起设计合理的方案。 答案:(1) 平衡压强 ,使分液漏斗中的浓盐酸顺利流下 浓硫酸

(3) 在上述 (2) 的评价基础上 , 请你设计一个合理方案并用文字表述 : _

(2)

方案

优点缺点

甲①收集产品的导管粗 , 不会堵塞导管

②冷凝产品 , 减少产品损失

①空气中的水蒸气进入产品收集装置,

使

SiCl 4 水解

②尾气没有处理 , 污染环境

乙①有尾气处理装置 , 注重环保

②避免空气中的水蒸气进入装置

①产品易堵塞导管

②没有冷凝装置 , 产品易损失

(4)SiCl 4+2H2 Si+4HCl

10.(16 分 ) 某实验小组设计了如图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 CO+PdC2l+H2O CO2

+2HCl+Pd↓ (产生黑色金属钯粉末 , 使溶液变浑浊 )。

(1)实验前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 SiO 2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 _____________ 。

(6)设计实验证明碳酸的酸性比硅酸的强 : __ 。

【解析】(1) 碳与二氧化硅反应要在高温下进行 ,而高温下碳与空气中氧气反应 , 所以实验前要通入足够长时间的 N2将装置中的空气排尽。

(2)根据装置图可知 ,B 装置作安全瓶 , 防止倒吸。

(3)碳与二氧化硅反应可能生成 CO也可能生成 CO2,所以 C装置用来检验 CO2,D 装置用来检验 CO,所盛试剂分别为澄清石灰水、PdCl2溶液 ; 若装置 C、D中溶液均变浑浊 , 说明既有 CO2又有 CO,由于两气体产物的物质的量相等 , 根据元素守恒可

知化学方程式为 3SiO2+4C 2CO2↑+2CO↑+3Si 。

(4)CO 有毒, 不能直接排放到空气中 , 而该装置缺少尾气吸收装置吸收未反应的CO。

(5)18 g SiO 2是 0.3 mol ,8.4 g C 是 0.7 mol , 充分反应后收集到 13.44 L(0.6 mol ) 气体,假定气体产物只有 CO,固

体产物只有 Si 和 SiC, 则有

SiO2 + 2C 2CO ↑ + Si

0.3 mol 0.6 mol 0.6 mol 0.3 mol

Si + C SiC

1 1 1

0.1 mol 0.1 mol 0.1 mol

Si 和 SiC 的物质的量之比为 0.2 mol ∶0.1 mol =2 ∶1。

(6)验证碳酸、硅酸的酸性强弱 , 将 CO2 气体通入硅酸钠溶液 , 发生反应 CO2+H2O+ Na2SiO3 Na2CO3+H2SiO3↓ ,溶液变浑浊 , 说明酸性 H2CO3>H2SiO3。

答案:(1) 将装置中的空气排尽 ,避免空气中的氧气等对实验产生干扰

(2) 作安全瓶 , 防止倒吸

(3) 澄清石灰水 PdCl2 溶液

3SiO2+4C 2CO2↑+2CO↑ +3Si

(4) 缺少尾气吸收装置

(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

11.(18 分)( 能力挑战题 )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 Si 3N4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 SiCl 4与 N2

反应生成 Si 3N4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。

①___________________________________ N2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)+2N 2(g) Si 3N4(s) ΔH=-727.5 kJ ·mol-1,开始时须严格控制氮气的流速以控制温度的

原因是 ___________________ 。

③___________ X可能是( 选填“盐酸”“硝酸”“硫酸”或“氢氟酸” )。

(3) 工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅 :

①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

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 ____________________________________ 。

【解析】 (1) 制备 Si 3N4的反应中 ,反应物是 H2、SiCl 4和 N2,根据质量守恒 ,除了 Si 3N4外,还有 HCl气体生成 ,从而写出该反应的化学方程式。

(2) ①氮气中含有少量氧气及水蒸气 , 需将氮气净化 ,用 Cu除去氧气 , 硅胶除去水蒸气。

②氮化炉温度为 1 200～1 400 ℃,硅的熔点为 1 420 ℃ ,该反应是放热反应 ,严格控制氮气流速 ,以控制温度为 1 200～ 1 400 ℃, 防止硅熔化熔合成团 , 阻碍硅与氮气的充分接触。

③ Si 3N 4与氢氟酸反应 , 而与硝酸不反应 ,且硝酸可将硅块中的 Fe 、Cu 杂质溶解而除去。 (3) ① SiHCl 3与 H 2O 反应生成 H 2SiO 3、HCl 和H 2。 ②制取 1 mol 纯硅第一轮次 :

第二轮次生产中 ,需补充 HCl 物质的量为 3 mol ÷90%-3 mol, 需补充 H 2物质的量为 1 mol ÷ 93.75%-1 mol, 则 n (HCl) n (H 2)=(3 mol/90%-3 mol) ∶(1 mol/93.75% -1 mol)=5 ∶ 1。

答案 : (1)3SiCl 4+2N 2+6H 2 Si 3N 4+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 N 2的充分接触 ③硝酸

(3) ① SiHCl 3+3H 2O H 2SiO 3+3HCl+H 2↑ ②5∶1

1 mol 3 mol

÷ 90% 1 mol 1 mol

反应Ⅱ :

SiHCl 3 + H 2

+ 3HCl, Si 1 mol 1 mol ÷ 93.75% 1 mol 3 mol

反应Ⅰ :Si + 3HCl SiHCl 3+ H 2,