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2019年高考化學(xué)一輪復(fù)習(xí) 第四章 非金屬及化合物 課時梯級作業(yè)十 4.1 無機非金屬材料的主角——硅 一、選擇題(本題包括8小題,每題6分,共48分) 1.大多數(shù)物質(zhì)的俗名是根據(jù)其特殊的物理性質(zhì)或用途得來的。下列物質(zhì)的俗名與化學(xué)式或用途不相符的一組是 (　　) 選項 俗名 化學(xué)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 【加固訓(xùn)練】 　　(xx長沙模擬)下列關(guān)于硅及其化合物的敘述錯誤的是 (　　) A.硅是良好的半導(dǎo)體材料,二氧化硅可用于制造光導(dǎo)纖維 B.二氧化硅能與石灰石反應(yīng):SiO2+CaCO3CaSiO3+CO2↑ C.可以用焦炭還原二氧化硅生產(chǎn)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(yīng)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(zhì) 【解析】選D。二氧化硅不與水反應(yīng),A錯誤;陶瓷坩堝的成分中含二氧化硅,與燒堿反應(yīng),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(zhì),D正確。 【加固訓(xùn)練】 　　硅是構(gòu)成無機非金屬材料的一種主要元素,下列有關(guān)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(xué)式為Si3N4 B.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3BeOAl2O36SiO2 D.二氧化硅為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),其晶體中硅原子和硅氧單鍵的個數(shù)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(shù)之比為1∶4,D錯誤。 3.化學(xué)家指出Si與NaOH溶液的反應(yīng),首先是Si與OH-迅速反應(yīng),生成Si,然后Si迅速水解生成H4SiO4。下列有關(guān)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(zhì) 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Si D.半導(dǎo)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(zhì),A錯誤;BaCuSi2O6是弱酸鹽,所以能和強酸反應(yīng),和強堿不反應(yīng),B錯誤;鹽酸不是Cl的最高價氧化物對應(yīng)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(yīng):SiO2+2OH-Si+H2O B.硅與燒堿溶液反應(yīng):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+C D.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(yīng)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(dǎo)纖維都是新型無機非金屬材料 C.NaHCO3溶液中含有Na2SiO3雜質(zhì),可通入少量CO2后過濾 D.SiO2中含Al2O3雜質(zhì),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(zhì),應(yīng)通入足量CO2,發(fā)生反應(yīng): Na2SiO3+2CO2+2H2O2NaHCO3+H2SiO3↓,C錯誤;SiO2不與稀鹽酸反應(yīng),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(zhì)量為8.0 g,則此鉛氧化物的化學(xué)式是 (　　) A.PbO　　　　　 B.Pb2O3 C.Pb3O4 D.PbO2 【解析】選C。設(shè)此鉛氧化物的化學(xué)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 g x∶y=∶=3∶4。 7.(xx安慶模擬)金剛砂(SiC)可由SiO2和碳在一定條件下反應(yīng)制得,反應(yīng)方 程式為SiO2+3CSiC+2CO↑,下列有關(guān)說法中正確的是 (　　) A.該反應(yīng)中的氧化劑是SiO2,還原劑為C B.該反應(yīng)中的氧化產(chǎn)物和還原產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為1∶2 C.該反應(yīng)中每生成1 mol SiC轉(zhuǎn)移12 mol 電子 D.該反應(yīng)中的還原產(chǎn)物是SiC、氧化產(chǎn)物是CO,其物質(zhì)的量之比為1∶2 【解析】選D。反應(yīng)產(chǎn)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(zhuǎn)變成-4價(SiC)和+2價(CO),CO是氧化產(chǎn)物,SiC是還原產(chǎn)物,物質(zhì)的量之比為2∶1,B錯誤,C正確;該反應(yīng)中每生成1 mol SiC,轉(zhuǎn)移4 mol 電子,C錯誤。 8.(能力挑戰(zhàn)題)硅烷(SiH4)在空氣中易自燃或爆炸,可作橡膠等產(chǎn)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(jié)構(gòu)相似 B.硅烷自燃反應(yīng)中的氧化劑是SiH4 C.硅烷自燃產(chǎn)生SiO2和H2O D.制備硅烷時應(yīng)隔絕氧氣 【解析】選B。硅烷自燃反應(yīng)中的氧化劑是O2,B錯誤。 【加固訓(xùn)練】 　　下列物質(zhì):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(yīng)的有 (　　) A.①②⑥　　　　 B.②③⑥ C.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(yīng)。 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(chǎn)業(yè)中重要的基礎(chǔ)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(zhì)),粗硅與氯氣反應(yīng)生成四氯化硅(反應(yīng)溫度為450～500 ℃),四氯化硅經(jīng)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(guān)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(yīng)生成相應(yīng)的氯化物 ③有關(guān)物質(zhì)的物理常數(shù)見表: 物質(zhì) SiCl4 BCl3 AlCl3 FeCl3 沸點/℃ 57.7 12.8 — 315 熔點/℃ -70.0 -107.2 — — 升華溫度/℃ — — 180 300 請回答下列問題: (1)裝置A中g(shù)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(chǔ)上,請你設(shè)計一個合理方案并用文字表述:_________ ________________________________。 (4)SiCl4與H2反應(yīng)的化學(xué)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(dǎo)管太細,容易堵塞導(dǎo)管;制取四氯化硅需要冷凝,因有氯氣參與反應(yīng),要有尾氣處理裝置。 (3)將甲、乙方案的優(yōu)點集中在一起設(shè)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(chǎn)品的導(dǎo)管粗,不會堵塞導(dǎo)管 ②冷凝產(chǎn)品,減少產(chǎn)品損失 ①空氣中的水蒸氣進入產(chǎn)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(chǎn)品易堵塞導(dǎo)管 ②沒有冷凝裝置,產(chǎn)品易損失 (3)在裝置Ⅰ的i處接干燥管j (4)SiCl4+2H2Si+4HCl 10.(16分) 某實驗小組設(shè)計了如圖裝置對焦炭還原二氧化硅的氣體產(chǎn)物的成分進行探究。 已知:PdCl2溶液可用于檢驗CO,反應(yīng)的化學(xué)方程式為CO+PdCl2+H2OCO2 +2HCl+Pd↓(產(chǎn)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(jīng)檢測兩氣體產(chǎn)物的物質(zhì)的量相等,則該反應(yīng)的化學(xué)方程式為______________________________________________________________。 (4)該裝置的缺點是__________________________________________。 (5)資料表明,上述反應(yīng)在焦炭過量時會生成副產(chǎn)物SiC。取18 g SiO2和8.4 g焦炭充分反應(yīng)后收集到標準狀況下的氣體13.44 L,假定氣體產(chǎn)物只有CO,固體產(chǎn)物只有Si和SiC,則Si和SiC的物質(zhì)的量之比為______________。 (6)設(shè)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(yīng)要在高溫下進行,而高溫下碳與空氣中氧氣反應(yīng),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(jù)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(yīng)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(chǎn)物的物質(zhì)的量相等,根據(jù)元素守恒可知化學(xué)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(yīng)的CO。 (5)18 g SiO2是0.3 mol ,8.4 g C是0.7 mol ,充分反應(yīng)后收集到13.44 L (0.6 mol )氣體,假定氣體產(chǎn)物只有CO,固體產(chǎn)物只有Si和SiC,則有 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的物質(zhì)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(yīng)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(chǎn)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(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。工業(yè)上可以采用化學(xué)氣相沉積法,在H2的作用下,使SiCl4與N2反應(yīng)生成Si3N4沉積在石墨表面,該反應(yīng)的化學(xué)方程式為____________________________。 (2)一種用工業(yè)硅(含少量鐵、銅的單質(zhì)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(yīng)為3Si(s)+2N2(g)Si3N4(s)　ΔH=-727.5 kJmol-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(yīng),該反應(yīng)的化學(xué)方程式為_______________________________。 ②假設(shè)每一輪次制備1 mol純硅,且生產(chǎn)過程中硅元素沒有損失,反應(yīng)Ⅰ中HCl的利用率為90%,反應(yīng)Ⅱ中H2的利用率為93.75%。則在第二輪次的生產(chǎn)中,補充投入HCl和H2的物質(zhì)的量之比是______________。 【解析】(1)制備Si3N4的反應(yīng)中,反應(yīng)物是H2、SiCl4和N2,根據(jù)質(zhì)量守恒,除了Si3N4外,還有HCl氣體生成,從而寫出該反應(yīng)的化學(xué)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(yīng)是放熱反應(yīng),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(yīng),而與硝酸不反應(yīng),且硝酸可將硅塊中的Fe、Cu雜質(zhì)溶解而除去。 (3)①SiHCl3與H2O反應(yīng)生成H2SiO3、HCl和H2。 ②制取1 mol純硅第一輪次: 反應(yīng)Ⅰ:Si　+ 3HCl SiHCl3 + H2, 1 mol 3 mol90% 1 mol 1 mol 反應(yīng)Ⅱ:SiHCl3 + H2 　　 Si　+　　3HCl, 1 mol 1 mol93.75% 1 mol 3 mol 第二輪次生產(chǎn)中,需補充HCl物質(zhì)的量為3 mol90%-3 mol,需補充H2物質(zhì) 的量為1 mol93.75%-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(yīng),防止局部過熱,導(dǎo)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