1、课时梯级作业 十无机非金属材料的主角硅(45分钟100分)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()选项俗名化学式用途A石英SiO2集成电路B纯碱Na2CO3制备玻璃C水玻璃Na2SiO3制备硅胶D铁红Fe2O3用作油漆和涂料【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:SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2C.可以用焦炭还原二氧
2、化硅生产硅:SiO2+2CSi+2COD.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.SiSiO2H2SiO3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
3、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Si3N4B.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Be3Al2Si6O18,用氧化物形式表示为3BeOAl2O36SiO2D.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12【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
4、原子和硅氧单键的个数之比为14,D错误。3.化学家指出Si与NaOH溶液的反应,首先是Si与OH-迅速反应,生成Si,然后Si迅速水解生成H4SiO4。下列有关说法正确的是()A.原硅酸钠(Na4SiO4)能迅速水解,溶液呈碱性,故Na4SiO4为弱电解质B.蓝紫色的硅酸铜钡(BaCuSi2O6)易溶于强酸和强碱C.2HCl+Na2SiO3H2SiO3+2NaCl,说明Cl的非金属性强于SiD.半导体工业所说的“从沙滩到用户”是指将二氧化硅制成晶体硅【解析】选D。Na4SiO4为强电解质,A错误;BaCuSi2O6是弱酸盐,所以能和强酸反应,和强碱不反应,B错误;盐酸不是Cl的最高价氧化物对应
5、的水化物,C错误;工业所说的“从沙滩到用户”是指将二氧化硅制成晶体硅,D正确。4.下列离子方程式不正确的是()A.石英与烧碱溶液反应:SiO2+2OH-Si+H2OB.硅与烧碱溶液反应:Si+2OH-+H2OSi+2H2C.向小苏打溶液中加入过量的石灰水:2HC+Ca2+2OH-CaCO3+2H2O+CD.往水玻璃中加入盐酸:2H+SiH2SiO3【解析】选C。选项C中,当石灰水过量时,离子方程式应为HC+OH-+Ca2+H2O+CaCO3,C错误。5.下列说法正确的是()A.向含K+、Na+、Br-、Si的溶液中通入CO2后仍能大量共存B.合成纤维和光导纤维都是新型无机非金属材料C.NaHC
6、O3溶液中含有Na2SiO3杂质,可通入少量CO2后过滤D.SiO2中含Al2O3杂质,可加入足量稀盐酸溶液,然后过滤除去【解析】选D。CO2+H2O+SiH2SiO3+C,A错误;合成纤维属于有机高分子材料,B错误;除去NaHCO3溶液中的Na2SiO3杂质,应通入足量CO2,发生反应:Na2SiO3+2CO2+2H2O2NaHCO3+H2SiO3,C错误;SiO2不与稀盐酸反应,D正确。6.用足量的CO还原13.7 g某铅氧化物,把生成的CO2全部通入到过量的澄清石灰水中,得到的沉淀干燥后质量为8.0 g,则此铅氧化物的化学式是 ()A.PbOB.Pb2O3C.Pb3O4D.PbO2【解析
7、】选C。设此铅氧化物的化学式为PbxOy,PbxOyyOyCOyCO2yCaCO3 16y 100y m(O) 8.0 g m(O)=1.28 g所以m(Pb)=13.7 g-1.28 g=12.42 gxy=34。7.金刚砂(SiC)可由SiO2和碳在一定条件下反应制得,反应方程式为SiO2+3CSiC+2CO,下列有关说法中正确的是 ()A.该反应中的氧化剂是SiO2,还原剂为CB.该反应中的氧化产物和还原产物的物质的量之比为12C.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12【解析】选D。反应产物SiC中Si、
8、C的化合价分别为+4价、-4价,SiO2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21,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.硅烷(SiH4)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Mg2Si+4HCl2MgCl2+SiH4。下列说法不正确的是 ()A.SiH4与CH4的结构相似B.硅烷自燃反应中的氧化剂是SiH4C.硅烷自燃产生SiO2和H2OD.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O2,B错误。【加固训练】下列
9、物质:氢氟酸;浓硫酸;烧碱溶液;Na2CO3固体;氧化钙;浓硝酸。其中在一定条件下能与SiO2反应的有()A.B.C.D.全部【解析】选C。SiO2不溶于除HF之外的任何酸,因此SiO2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450500 ),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:四氯化硅遇水极易水解硼、铝、铁在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物有关物质的物理常数见表:
10、物质SiCl4BCl3AlCl3FeCl3沸点/57.712.8315熔点/-70.0-107.2升华温度/180300请回答下列问题:(1)装置A中g管的作用是_;装置C中的试剂是_。 (2)甲方案:f接装置;乙方案:f接装置。但是装置、都有不足之处,请你评价后填写下表。方案优点缺点甲乙(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:_ _。(4)SiCl4与H2反应的化学方程式为_。【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
11、,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(2)方案优点缺点甲收集产品的导管粗,不会堵塞导管冷凝产品,减少产品损失空气中的水蒸气进入产品收集装置,使SiCl4水解尾气没有处理,污染环境乙有尾气处理装置,注重环保避免空气中的水蒸气进入装置产品易堵塞导管没有冷凝装置,产品易损失(3)在装置的i处接干燥管j(4)SiCl4+2H2Si+4HCl10.(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:PdCl2溶液可用于检验CO,反应的化学方程式为CO+PdCl2+
12、H2OCO2+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 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_。 (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
13、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+4C2CO2+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 SiO2是0.3 mol ,8.4 g C是0.7 mol ,充分反应后收集
14、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+2C2CO+Si0.3 mol0.6 mol0.6 mol 0.3 mol Si+CSiC1 1 10.1 mol 0.1 mol 0.1 mol Si和SiC的物质的量之比为0.2 mol0.1 mol =21。(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+Na2SiO3Na2CO3+H2SiO3,溶液变浑浊,说明酸性H2CO3H2SiO3。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PdCl
15、2溶液 3SiO2+4C2CO2+2CO+3Si(4)缺少尾气吸收装置(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
16、化硅。N2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)+2N2(g)Si3N4(s)H=-727.5 kJmol-1,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)工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅: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_。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_。【解析】(1)制备Si3N4的反应中,反
17、应物是H2、SiCl4和N2,根据质量守恒,除了Si3N4外,还有HCl气体生成,从而写出该反应的化学方程式。(2)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。氮化炉温度为1 2001 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 2001 400 ,防止硅熔化熔合成团,阻碍硅与氮气的充分接触。Si3N4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)SiHCl3与H2O反应生成H2SiO3、HCl和H2。制取1 mol纯硅第一轮次:反应:Si+ 3HCl SiHCl3 + H2, 1 mol
18、 3 mol90% 1 mol 1 mol 反应:SiHCl3 + H2 Si+3HCl,1 mol 1 mol93.75% 1 mol 3 mol 第二轮次生产中,需补充HCl物质的量为3 mol90%-3 mol,需补充H2物质的量为1 mol93.75%-1 mol,则n(HCl)n(H2)=(3 mol/90%-3 mol)(1 mol/93.75%-1 mol)=51。答案:(1)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl(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)SiHCl3+3H2OH2SiO3+3HCl+H251