第8 讲 碳、硅和无机非金属材料
考点一 碳、硅及其化合物
(一)碳及其氧化物
1.碳族元素
(1)碳、硅、锗、锡、铅均属于第ⅣA 族元素,又称碳族元素,其价层电子排布式为n s 2 n p 2 。
(2)碳单质的存在形式有金刚石、石墨、无定形碳、足球烯,它们互为同素异形体。
2.金刚石、石墨、C60的物理性质
金刚石
石墨
C60
晶体类型
共价晶体
混合型晶体
分子晶体
物理性质
熔点高,硬度大,不导电
熔点高,硬度小,能导电
熔点低,不导电
主要用途
钻石制作,切割工具,钻探
机的钻头等
做电极、润滑剂、铅笔芯
广泛应用于超
导、医学领域
3.CO2在自然界中的循环
(1)CO2的主要来源:大量含碳燃料的燃烧。
(2)自然界消耗CO2的主要反应:
①溶于江水、海水中:CO2+H2O
H2CO3;
②光合作用将CO2转化为O2;
③岩石的风化:CaCO3+H2O+CO2===Ca
( HCO
3)2。
小题对点过
(1)碳和碳的氧化物是生活中的常见物质,下列有关说法正确的是 。
①利用二氧化碳制造全降解塑料,可以减缓二氧化碳对环境的影响
②金刚石、石墨、C60的化学性质相似,物理性质却有很大差异
③木炭、一氧化碳在一定条件下都能还原氧化铜
④大气中二氧化碳的消耗途径主要是绿色植物的光合作用
⑤CO2是导致温室效应的主要气体
⑥CO 和CO2组成元素相同,但他们的化学性质不相同
⑦在高温条件下,碳能使CO2转变成CO
(2)写出除去下列气体中混有的杂质(括号内为杂质)可采取的方法。
①CO(CO2):
(合理即可,下同)。
②CO2(CO):
。
③CO2(SO2或HCl): 。
答案 (1)①②③④⑤⑥⑦
(2)①通过盛有NaOH 溶液的洗气瓶
②通过装有灼热CuO 的硬质玻璃管
③通过盛有饱和NaHCO3溶液的洗气瓶
(二)硅及其化合物
1.硅单质
2.二氧化硅
(1)存在:普通的沙(细小的石英晶体);水晶(纯石英,无色透明晶体)。
(2)物理性质:难溶于水,熔点高、硬度大。
(3)化学性质
(4)用途:光导纤维、光学仪器、电子部件。
小题对点过
(1)下列说法中错误的是 。
①晶体硅熔点高、硬度大,故可用于制作半导体材料
②非金属性:C>Si,则热稳定性:CH4>SiH4
③SiO2是酸性氧化物,可溶于强碱(NaOH),不溶于任何酸
④硅酸钠的水溶液俗称“水玻璃”,是一种建筑行业常用的黏合剂
⑤SiO2能与HF 反应,因此可用HF 刻蚀玻璃
⑥向Na2SiO3溶液中逐滴加入稀盐酸制备硅酸凝胶
⑦石英是良好的半导体材料,可以制成光电池,将光能直接转化成电能
⑧工业上制取粗硅的反应是SiO2+C
Si+CO2↑
⑨因为高温时二氧化硅与碳酸钠反应放出二氧化碳,所以硅酸酸性比碳酸强
(2)工业上可用以下流程制取高纯硅,完成各步反应的化学方程式:
石英砂
粗硅
SiCl4
高纯硅
反应①: 。
反应②: 。
反应③: 。
答案 (1)①③⑦⑧⑨
(2)SiO2+2C
Si(粗)+2CO↑
Si(粗)+2Cl2
SiCl4
SiCl4+2H2
Si(纯)+4HCl
1.(2024·河北邯郸一模)下列有关碳及其化合物的说法正确的是( )
A.CO2不是导致温室效应的主要气体
B.CO 和CO2组成元素相同,所以他们的化学性质相同
C.金刚石、石墨是碳的单质,而C60是碳的化合物
D.在高温条件下,碳能使CO2转变成CO
答案 D
解析 A.CO2是导致温室效应的主要气体,A 错误;B.CO 和CO2组成元素相同,但它们分子组成不同,
化学性质不相同,B 错误;C.单质是指只含有一种元素的纯净物,故金刚石、石墨是碳的单质,C60也是
碳的单质,C 错误;D.在高温条件下,碳能使CO2转变成CO,CO2+C
2CO,D 正确。
2.下列有关硅及其化合物的说法正确的是( )
A.在粗硅的制取中发生反应:2C+SiO2
2CO↑+Si,Si 被还原,所以C 的还原性大于Si
B.Na2SiO3属于盐,不属于碱,所以Na2SiO3溶液可以保存在带磨口玻璃塞的试剂瓶中
C.用SiO2制取硅酸,应先使SiO2与NaOH 溶液反应,然后通入CO2
D.由Na2CO3+SiO2
CO2↑+Na2SiO3可知,H2SiO3的酸性大于H2CO3
答案 C
解析 Si 与C 同主族,Si 的还原性比C 的强,但在高温下能发生反应:2C+SiO2
2CO↑+Si,A 项错误;
不能用带磨口玻璃塞的试剂瓶盛放Na2SiO3 溶液,因为Na2SiO3 溶液本身是一种黏合剂,B 项错误;
SiO2 是酸性氧化物,但不能与水反应,所以制取硅酸可用可溶性硅酸盐与CO2 或盐酸反应:
Na2SiO3+CO2+H2O===Na2CO3+H2SiO3↓、Na2SiO3+2HCl===2NaCl+H2SiO3↓,C 项正确;Na2CO3与SiO2
在高温下的反应与对应的酸的酸性强弱无关,该反应说明硅酸盐在高温下比碳酸盐更稳定,D 项错误。
3.工业上提纯硅有多种路线,其中一种工艺流程示意图及主要反应如图:
(1)请写出反应Ⅱ、Ⅲ的化学方程式:Ⅱ 、
Ⅲ 。
(2)在流化床反应的产物中,SiHCl3大约占85%,所含有的其他物质的沸点数据如下表:
物质
Si
SiCl4
SiHCl3
SiH2Cl2
沸点/℃
2 355
57.6
31.8
8.2
物质
SiH3Cl
HCl
SiH4
沸点/℃
-30.4
-84.9
-111.9
①提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和 。
②沉降是为了除去 ;在空气中冷凝所得液体主要含有 。
(3)SiHCl3 极易水解, 生成原硅酸(H4SiO4) 和两种气体, 其反应方程式为
。
(4)整个制备流程都需隔绝空气,原因是
(答出两条即可)。
答案 (1)Si+3HCl
SiHCl3+H2 SiHCl3+H2
Si+3HCl
(2)分馏(或多次蒸馏) Si SiCl4、SiHCl3
(3)SiHCl3+4H2O===H4SiO4+H2↑+3HCl↑
(4)防止氢气爆炸;防止硅被氧化;防止三氯硅烷水解
考点二 无机非金属材料
1.传统无机非金属材料——常见硅酸盐材料
硅酸盐材料
水泥
普通玻璃
陶瓷
生产原料
石灰石、黏土
纯碱、石灰石、石英砂
黏土
主要设备
水泥回转窑
玻璃窑
陶瓷窑
玻璃生产中的两个重要反应:Na2CO3+SiO2
Na2SiO3+CO2↑;CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑。
小题对点过
(1)下列说法中正确的是 。
①沙子和黏土的主要成分均为硅酸盐
②碳化硅俗称金刚砂,它可用于高温结构陶瓷的制作
③压电陶瓷能实现机械能与电能的相互转化
④石墨烯的电阻率低,热导率也低
⑤冰壶主材料花岗岩属于无机非金属材料
(2)生产硅酸盐水泥和普通玻璃都需要用到的主要原料是 ,石英玻璃化学稳定性强、膨胀系
数小,是一种特殊玻璃,石英玻璃的主要成分是 (填化学式)。
(3)复杂硅酸盐通常用氧化物形式表示,则Na[AlSi3O8]用氧化物形式表示为 。
答案 (1)②③⑤
(2)石灰石 SiO2
(3)Na2O·Al2O3·6SiO2
2.新型无机非金属材料
(1)高温结构陶瓷,如SiC、BN、Si3N4、Al2O3等。
(2)碳纳米材料
①类型:富勒烯、碳纳米管、石墨烯等。
②用途:在能源、信息、医药等领域有广阔的应用前景。
(3)特殊功能的含硅材料
①碳化硅为共价晶体,具有类似金刚石的结构,可用作磨料。
②含硅元素4%的硅钢具有导磁性。
小题对点过
下列叙述的材料中属于新型无机非金属材料的是 。
①氮化硅陶瓷 ②“神舟十七号”航天员使用的碳纤维材料 ③石墨烯智能发热材料 ④钛合金
⑤聚酰胺纤维 ⑥中国天眼FAST 用到的高性能碳化硅 ⑦天宫二号所用太阳能电池材料砷化镓
⑧修筑三峡大坝使用的水泥
答案 ①②③⑥⑦
1.陶瓷是火与土的结晶,是中华文明的象征之一,其形成、性质与化学有着密切的关系。下列说法错
误的是( )
A.“雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色,来自氧化铁
B.闻名世界的秦兵马俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成
C.陶瓷是应用较早的人造材料,主要化学成分是硅酸盐
D.陶瓷化学性质稳定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点
答案 A
解析 “雨过天晴云破处”所描述的瓷器青色与氧化亚铁有关,而氧化铁显红色,A 项错误;秦兵马
俑是陶制品,由黏土经高温烧结而成,B 项正确;陶瓷以黏土为原料,经高温烧制而成,属于人造材料,主
要成分是硅酸盐,C 项正确;陶瓷主要成分是硅酸盐,硅酸盐中硅元素化合价处于最高价,化学性质稳
定,具有耐酸碱侵蚀、抗氧化等优点,D 项正确。
2.信息、材料、能源被称为新科技革命的“三大支柱”。下列有关资讯错误的是( )
A.在即将到来的新能源时代,核能、太阳能、氢能将成为主要能源
B.中、美、日等国已掌握的陶瓷发动机技术,能较大程度地降低能耗,节约能源
C.光导纤维在信息产业中应用广泛,制造光导纤维的主要材料是单质硅
D.结构陶瓷碳化硼(B4C3)常用于制造切削工具,它是一种新型无机非金属材料
答案 C
解析 光缆在信息产业中有广泛应用,制造光导纤维的主要材料是二氧化硅,C 错误。
3.白炭黑(可用SiO2·nH2O 表示其组成)可广泛应用于日用化工、橡胶制品、电子工业等许多领域。
以硅酸钠和二氧化碳为原料制备白炭黑的工艺流程如下:
下列说法错误的是( )
A.硅酸钠水溶液必须用带玻璃塞的试剂瓶盛装
B.沉淀反应的离子方程式为SiO3
2−+ H 2O+CO2=== H 2SiO3↓+C O3
2−
C.蒸发“滤液”所得晶体中含有离子键和极性共价键
D.用稀酸洗涤沉淀的目的是除去沉淀表面的CO3
2−
答案 A
解析 硅酸钠水溶液有黏性,能黏合玻璃塞与试剂瓶口,因此不能用带玻璃塞的试剂瓶盛装,A 项错
误; 二氧化碳通入硅酸钠溶液中生成硅酸和碳酸钠,B 项正确; 蒸发“ 滤液” 所得晶体为
Na2CO3·xH2O,Na2CO3中含有离子键和极性共价键,H2O 中含有极性共价键,C 项正确;CO3
2−可与H+反
应:CO3
2−+2H+===CO2↑+H2O,因此用稀酸洗涤沉淀可除去沉淀表面的CO3
2−,D 项正确。
4.(2024·河南濮阳第三次联考)氮化硅常用于制造耐高温管、切削工具。某小组以石英砂为原料制
备氮化硅的微型流程如图1 所示:
下列叙述正确的是( )
A.反应①的氧化产物为CO2
B.粗硅中可能含有金刚砂
C.反应③中的NH3可通过加热NH4Cl 制备
D.反应③的尾气可用图2 所示装置吸收
答案 B
解析 A 项,反应①中焦炭是还原剂,被氧化,生成氧化产物CO,A 错误;B 项,金刚砂是SiC,焦炭与二氧
化硅在高温下发生副反应生成SiC 和CO,B 正确;C 项,加热NH4Cl 分解生成NH3和HCl,两者在温度
降低时又重新化合成NH4Cl,制取NH3不能通过加热NH4Cl 制备,C 错误;D 项,反应③的尾气用图2
所示装置吸收容易产生倒吸现象,D 错误。
1.(2024·江西卷)景德镇青花瓷素有“国瓷”的美誉。是以黏土为原料,用含钴、铁的颜料着色,上釉
后一次性高温烧制而成的青蓝色彩瓷。下列关于青花瓷说法正确的是( )
A.青蓝色是由于生成了单质钴
B.表面的釉属于有机高分子膜
C.主要成分为铝硅酸盐
D.铁元素的存在形式只有Fe2O3
答案 C
解析 青蓝色是由于生成了钴离子,A 项错误;表面的釉为无机物,B 项错误;陶瓷的主要成分为铝硅
酸盐,C 项正确;Fe2O3为红棕色,铁元素的存在形式不是Fe2O3,D 项错误。
2.(2024·黑吉辽卷)文物见证历史,化学创造文明。东北三省出土的下列文物据其主要成分不能与其
他三项归为一类的是( )
A.金代六曲葵花鎏金银盏
B.北燕鸭形玻璃注
C.汉代白玉耳杯
D.新石器时代彩绘几何纹双腹陶罐
答案 A
解析 金代六曲葵花鎏金银盏的主要成分为银,银属于金属,北燕鸭形玻璃注、汉代白玉耳杯及新石
器时代彩绘几何纹双腹陶罐的主要成分都是硅酸盐,故A 符合题意。
3.(2020·浙江选考)Ca3SiO5是硅酸盐水泥的重要成分之一,其相关性质的说法不正确的是( )
A.可发生反应:Ca3SiO5+4NH4Cl
CaSiO3+2CaCl2+4NH3↑+2H2O
B.具有吸水性,需要密封保存
C.能与SO2反应生成新盐
D.与足量盐酸作用,所得固体产物主要为SiO2
答案 D
解析 加热时氯化铵分解生成HCl 和氨气,HCl 与Ca3SiO5反应得到硅酸钙、氯化钙和水,A 项正确;
水泥吸水会变硬,需密封保存,B 项正确;Ca3SiO5能与二氧化硫反应得到亚硫酸钙,C 项正确;Ca3SiO5与
足量盐酸反应得不到二氧化硅,而是硅酸沉淀,D 项错误。
4.(2023·湖北卷)工业制备高纯硅的主要过程如下:
石英砂
粗硅
SiHCl3
高纯硅
下列说法错误的是( )
A.制备粗硅的反应方程式为SiO2+2C
Si+2CO↑
B.1 mol Si 含Si—Si 键的数目约为4×6.02×1023
C.原料气HCl 和H2应充分去除水和氧气
D.生成SiHCl3的反应为熵减过程
答案 B
解析 A.SiO2 和C 在高温下发生反应生成Si 和CO,因此制备粗硅的反应方程式为SiO2+2C
Si+2CO↑,A 说法正确;B.在晶体硅中,每个Si 与其周围的4 个Si 形成共价键并形成立体空间网状结
构,因此平均每个Si 形成2 个共价键,1 mol Si 含Si—Si 键的数目约为2×6.02×1023,B 说法错误;
C.SiHCl3 和水蒸气反应,硅和氧气反应,因此原料气HCl 和H2 应充分去除水和氧气,C 说法正确;
D.Si(s)+3HCl(g)
SiHCl3(g)+H2(g),该反应是气体分子数减少的反应,因此生成SiHCl3的反应为
熵减过程,D 说法正确。
5.(2023·山东卷)三氯甲硅烷(SiHCl3)是制取高纯硅的重要原料,常温下为无色液体,沸点为31.8 ℃,熔
点为-126.5 ℃,易水解。实验室根据反应Si+3HCl
SiHCl3+H2,利用如下装置制备SiHCl3粗品(加
热及夹持装置略)。回答下列问题:
(1)制备SiHCl3时进行操作:(ⅰ)……;(ⅱ)将盛有硅粉的瓷舟置于管式炉中;(ⅲ)通入HCl,一段时间后
接通冷凝装置,加热开始反应。操作(ⅰ)为
;
判断制备反应结束的实验现象是
。图示装置存在的两处缺陷是
。
(2)已知电负性Cl>H>Si,SiHCl3在浓NaOH 溶液中发生反应的化学方程式为
。
答案 (1)组装仪器并检查装置气密性 当管式炉中固体消失,烧瓶中无液体滴下 C、D 之间没有
吸水装置,缺少氢气的处理装置
(2)SiHCl3+5NaOH===Na2SiO3+3NaCl+H2↑+2H2O
基础落实
选择题只有1 个选项符合题意
1.《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无砂粘土而为之”“凡坯既成,干燥之后,则堆积
窑中燃薪举火”“浇水转釉(主要为青色),与造砖同法”。下列说法错误的是( )
A.“粘土”是制砖瓦和水泥的主要原料
B.“燃薪举火”使“粘土”发生复杂的物理化学变化
C.沙子的主要成分为硅酸盐
D.泥坯烧制后自然冷却成红瓦,浇水冷却成青瓦
答案 C
解析 A.题中“择取无砂粘土而为之”说明“粘土”是制砖瓦和水泥的主要原料,选项A 正确
B.“燃薪举火”是提供高温环境,使“粘土”发生复杂的物理化学变化,选项B 正确;C.沙子的主要成
分为二氧化硅,选项C 错误;D.“粘土”中有一定量的Fe 元素,泥坯烧制后自然冷却成红瓦(含氧化铁),
浇水冷却时C 与水反应得到CO 和H2,将三价铁还原为二价铁,形成青瓦,选项D 正确。
2.(2024·湖北黄冈三模)ChatGPT 是史上月活用户增长最快的消费者应用。下列说法中不正确的是(
)
A.硅晶片是生产芯片的基础材料
B.芯片制造中的“光刻技术”是利用光敏树脂在曝光条件下成像,该过程涉及化学变化
C.硅在自然界中主要以单质形式存在
D.硅是应用最广泛的半导体材料
答案 C
解析 A 项,硅晶片是优良的半导体材料,是生产芯片的基础材料,故A 正确;B 项,光敏树脂在曝光条
件下成像时有新物质生成,属于化学变化,故B 正确;C 项,硅元素是亲氧元素,在自然界中主要以二氧
化硅和硅酸盐的形式存在,不存在硅单质,故C 错误;D 项,硅是优良的半导体材料,可用于制造和生产
芯片,故D 正确。
3.下列说法不正确的是( )
A.制作太阳能电池板的核心材料是硅
B.青铜是我国使用最早的合金
C.陶瓷、玻璃、水泥均属于硅酸盐制品
D.下列转化都能一步实现:Si→SiO2→H2SiO3→Na2SiO3
答案 D
解析 A.硅是良好的半导体材料,常用于制作太阳能电池板,故A 正确;B.我国使用最早的合金是铜
合金,即青铜,故B 正确;C.陶瓷、玻璃、水泥为传统无机非金属材料,属于硅酸盐制品,故C 正确;
D.SiO2不能直接与水反应生成H2SiO3,故D 错误。
4.下列叙述正确的是( )
A.CO2和SiO2都是酸性氧化物,所以两者物理性质相似
B.因为CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑,所以硅酸的酸性比碳酸强
C.CO2和SiO2都能与碳反应,且都作氧化剂
D.SiO2既能和NaOH 反应,又能和HF 反应,所以SiO2属于两性氧化物
答案 C
解析 CO2的熔、沸点低,可溶于水,SiO2的熔、沸点高,硬度大,不溶于水,两者都是酸性氧化物,和其
物理性质没有因果关系,A 错误;CaCO3和SiO2反应是因为生成的CO2为气体,脱离反应体系,不能说
明H2CO3的酸性比H2SiO3弱,B 错误;SiO2和HF 反应是SiO2的特殊性质,生成物不是盐类,不能说明
SiO2是两性氧化物,D 错误。
5.新材料的新秀——石墨烯和氧化石墨烯已成为物理、化学、材料科学研究的国际热点课题。其
结构模型如图所示:
下列有关说法正确的是( )
A.石墨烯是一种新型化合物
B.氧化石墨烯即石墨烯的氧化物
C.二者和石墨都是碳的同素异形体
D.氧化石墨烯具有一定的亲水性
答案 D
解析 石墨烯是碳的单质,A 错误;氧化石墨烯含有氢元素,故不是石墨烯的氧化物,也不是碳的同素
异形体,B、C 错误;由于氧化石墨烯结构中含有羟基和羧基等亲水基团,所以它具有一定的亲水性,D
正确。
6.翡翠手镯的主要成分是硬玉,硬玉化学式为NaAl(Si2O6),下列推测不合理的是( )
A.硬玉与氢氧化钠溶液反应生成Na[Al(OH)4]、Na2SiO3和H2O
B.翡翠硬度大、熔点高,受到猛烈撞击不容易断裂或粉碎
C.碳酸钠与氧化铝、二氧化硅在高温熔融的条件下能制取硬玉NaAl(Si2O6)
D.翡翠中含NaFe(Si2O6),高温分解翡翠,产物溶于氢碘酸加CCl4萃取,有机层呈紫红色
答案 B
解析 A.硬玉化学式为NaAl(Si2O6),与氢氧化钠溶液反应生成Na[Al(OH)4]、Na2SiO3和H2O,故A 正
确;B.翡翠硬度大,熔点高,但质脆,受到猛烈撞击容易断裂或粉碎,故B 错误;C.碳酸钠与氧化铝、二氧
化硅在高温熔融的条件下能制取硬玉NaAl(Si2O6), 方程式为Na2CO3+Al2O3+4SiO2
2NaAl(Si2O6)+CO2↑,故C 正确;D.翡翠中含NaFe(Si2O6),高温分解翡翠的产物中含有Fe2O3,Fe2O3溶于
氢碘酸生成Fe3+,Fe3+和I-反应生成I2,加CCl4萃取,有机层呈紫红色,故D 正确。
7.(2024·沈阳联考)工业制备高纯硅的主要过程:石英砂
粗硅
SiHCl3
高纯硅。下列说法错误的是( )
A.石英砂的主要成分为SiO2,可用来制备光导纤维
B.制备粗硅的化学方程式为SiO2+C
Si(粗)+CO2↑
C.300 ℃时发生反应的化学方程式为Si+3HCl
SiHCl3+H2
D.1 100 ℃时发生反应的化学方程式为SiHCl3+H2
Si(纯)+3HCl
答案 B
解析 石英砂的主要成分为SiO2,SiO2导光性较好,可用来制备光导纤维,故A 正确;制备粗硅的化学
方程式为SiO2+2C
Si(粗)+2CO↑,故B 错误;300 ℃时Si 和HCl 反应生成SiHCl3和H2,化
学方程式为Si+3HCl
SiHCl3+H2,故C 正确;1 100 ℃时SiHCl3和H2反应生成Si 和HCl,化学方
程式为SiHCl3+H2
Si(纯)+3HCl,故D 正确。
8.制造芯片用到高纯硅,用SiHCl3 (沸点:31.85 ℃,SiHCl3遇水会剧烈反应)与过量H2在1 100~1 200
℃反应制备高纯硅的装置如下图所示(夹持装置和尾气处理装置略去),下列说法错误的是( )
A.Ⅰ装置可用于二氧化锰固体与浓盐酸反应制备氯气
B.装置Ⅱ中盛装的是浓H2SO4、装置Ⅲ烧杯盛装的是温度高于32 ℃的温水
C.实验时,先打开装有稀硫酸仪器的活塞,收集尾气验纯,再预热装置Ⅳ石英管
D.Ⅳ中发生反应的化学方程式:SiHCl3+H2
Si+3HCl
答案 A
解析 A 项,二氧化锰固体与浓盐酸加热反应生成氯气,而Ⅰ装置没有酒精灯,因此Ⅰ装置不可用于
二氧化锰固体与浓盐酸反应制备氯气,故A 错误;B 项,氢气中含有水蒸气,根据SiHCl3遇水会剧烈反
应,则装置Ⅱ中盛装的是浓H2SO4,其作用是干燥氢气,根据SiHCl3的沸点:31.85 ℃,则装置Ⅲ烧杯盛装
的是温度高于32 ℃的温水,将SiHCl3变为气体以便进入到Ⅳ中与氢气反应,故B 正确;C 项,氢气和氧
气混合气体会发生爆炸,因此实验时,先打开装有稀硫酸仪器的活塞,收集尾气验纯,再预热装置Ⅳ石
英管,故C 正确;D 项,根据用SiHCl3与过量H2在1 100~1 200 ℃反应制备高纯硅,因此Ⅳ中发生反应
的化学方程式:SiHCl3+H2
Si+3HCl,故D 正确。
9.(2024·湖南常德第一中学月考)硅是地壳中含量第二大的元素,其单质是一种重要的半导体材料。
(1)28Si 是硅的一种同位素,该Si 原子的中子数为 。
(2)硅元素在自然界中通常以石英石(SiO2)和硅酸盐的形式存在。已知SiO2是一种酸性氧化物,请写
出其与氢氧化钠溶液反应的离子方程式
。
(3)关于硅及其相关化合物的叙述正确的是 (填字母)。
A.自然界中存在天然游离的硅单质
B.已知C 与Si 的最高正价都是正四价,由于CO2+H2O===H2CO3,用类比法得知,SiO2+H2O===H2SiO3
C.Na[AlSi3O8]用氧化物形式表示为Na2O·Al2O3·6 SiO2
D.SiO2既能和NaOH 溶液反应,又能和氢氟酸反应,所以是两性氧化物
答案 (1)14
(2)SiO2+2OH-===SiO3
2−+H2O
(3)C
解析 SiO2与C 在高温下反应生成Si,Si 和HCl 在300 ℃以上反应生成SiHCl3,提纯后的SiHCl3与
H2反应生成高纯硅。(1)Si 是14 号元素,其原子核内质子数为14,则28Si 的中子数为28-14=14;(2)已知
SiO2 是一种酸性氧化物,则SiO2 与NaOH 反应生成硅酸钠和水,化学反应为SiO2+2OH-===SiO3
2−
+H2O。(3)A 项,硅较为活泼,自然界中不存在天然游离的硅单质,错误;B 项,二氧化硅和水不反应,错误;
C 项,根据各元素化合价及化学式形式可知,Na[AlSi3O8]用氧化物形式表示为Na2O·Al2O3·6 SiO2,正确;
D 项,SiO2能和NaOH 溶液反应生成盐和水,属于酸性氧化物,二氧化硅能和氢氟酸反应为二氧化硅
的特性,错误。
能力提升
10.SiO2是一种化工原料,可以制备一系列物质(如图所示)。下列说法错误的是( )
A.高炉炼铁时,加入石灰石将铁矿石中的脉石(主要成分为SiO2)转化为易熔的炉渣
B.纯净的二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要基础材料
C.用硫酸可除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙
D.图中所含反应有的不属于氧化还原反应
答案 C
解析 CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑,CaSiO3的熔点低于SiO2的熔点,A 项正确;光导纤维的主要成
分是SiO2,芯片的主要成分是单质硅,纯净的SiO2和单晶硅都是信息产业的重要基础材料,B 项正确;
硫酸钙微溶于水,应该用盐酸,C 项错误;SiO2与碳在高温下反应生成硅单质的反应是氧化还原反应,D
项正确。
11.(2024·河北邯郸二模)工业上制备高纯硅,一般需要先制得98%左右的粗硅,再以粗硅为原料制备
高纯硅,工艺流程如下;工业上还以粗硅为原料采用熔融盐电解法制取甲硅烷(SiH4),电解装置如图所
示:
石英砂
粗硅
SiHCl3(粗)
SiHCl3(纯)
高纯硅
下列有关说法正确的是( )
A.制备粗硅的化学方程式:SiO2+C
Si+CO2↑
B.制备高纯硅的工艺中可循环使用的物质只有HCl
C.阴极发生的电极反应:H2+2e-===2H-
D.SiO2、Si、SiH4都属于共价晶体
答案 C
解析 石英砂加焦炭在高温条件下反应得到粗硅,粗硅与HCl 在573 K 以上加热生成粗SiHCl3,精馏
得到纯的SiHCl3,在1 357 K 与氢气反应生成高纯硅。A 项,制备粗硅的化学方程式为SiO2+2C
Si+2CO↑,A 错误;B 项,制备高纯硅的工艺中可循环使用的物质有H2和HCl,B 错误;C 项,阴极氢气得
电子产生H-,发生的电极反应:H2+2e-===2H-,C 正确;D 项,SiH4属于分子晶体,D 错误。
12.近日,清华大学等重点高校为解决中国“芯”——半导体芯片,成立了“芯片学院”。某小组拟
在实验室制造硅,其流程如图:
制造原理:2Mg+SiO2
2MgO+Si
除杂原理:Mg2Si+4HCl===2MgCl2+SiH4↑,MgO+2HCl===MgCl2+H2O
下列说法中正确的是( )
A.操作1、操作2 均为过滤
B.SiO2、SiH4均含有共价键,等质量的二者分子数之比为8∶15
C.点燃石英砂和镁粉的混合物发生的副反应为2Mg+Si
Mg2Si
D.当有2 mol 电子转移时,能生成14 g Si
答案 C
解析 A 项,将溶液和固体分开,采用过滤操作,操作1 为过滤,操作2 为洗涤和烘干,故A 错误;B 项,
SiO2是共价晶体,没有分子,故B 错误;C 项,由除杂原理可知副反应为2Mg+Si
Mg2Si,故C 正确;D
项,当有2 mol 电子转移时,参加反应的Mg 物质的量为1 mol,理论上能生成0.5 mol 单质硅,但因有
副反应发生,最终获得的Si 的质量少于14 g,故D 错误。
13.硅藻土由无定形的SiO2组成,含有少量Fe2O3、Al2O3及有机物等杂质。通常呈浅黄色或浅灰色,
质软多孔。工业上可按如下流程,用硅藻土制备纳米二氧化硅。
(1)煅烧硅藻土的目的是 。
(2)在加热条件下加入烧碱时反应的化学方程式为 。
(3)加入过量硫酸后生成沉淀的反应方程式为
。
(4)上述流程中,有助于控制二氧化硅粒子直径的措施有
(至少写出一个)。
答案 (1)除去有机杂质
(2)SiO2+2NaOH
Na2SiO3+H2O、Al2O3+2NaOH+3H2O
2Na[Al(OH)4]
(3)Na2SiO3+H2SO4===Na2SO4+H2SiO3↓
(4)沉淀时加入粒子阻隔剂(或加入硅酸钠和水调浓度)
解析 (1)在空气中煅烧硅藻土时,其中含有的有机物可以被氧化成二氧化碳和水而被除去;(2)加入
烧碱时,SiO2、Al2O3分别和NaOH 反应生成可溶性的Na2SiO3和Na[Al(OH)4],而Fe2O3不能和NaOH
反应,过滤即得Fe2O3滤渣;(3)化学反应遵循强酸制弱酸的规律,加入过量硫酸后,Na[Al(OH)4]和H2SO4
反应生成可溶性的硫酸铝,而Na2SiO3则转化为白色的H2SiO3沉淀,将沉淀过滤、洗涤即得纯净的
H2SiO3,加热干燥使H2SiO3分解即得纳米二氧化硅;(4)加入硅酸钠和水把硅酸钠溶液的浓度调整到
适宜的范围以及沉淀时加入粒子阻隔剂,都可以保证沉淀时生成的颗粒不至于过大,达到纳米颗粒的
大小。
14.白炭黑(SiO2·H2O)广泛应用于橡胶、涂料、印刷等行业,可用蛇纹石[主要成分为Mg6(Si4O10)
(OH)8]来制取,其主要工艺流程如图所示:
(1)蛇纹石用氧化物形式可表示为 。
(2)碱浸时,为提高其中硅酸盐的浸取率,除采用合适的液固比和循环浸取外,还可采用的方法:
① ;
② (任举两种)。
(3)过滤1 得到的滤液的主要成分是 。
(4)滤液与盐酸反应的离子方程式为
。
(5)洗涤时,如何证明产品已洗涤干净?
。
答案 (1)6MgO·4SiO2·4H2O (2)①适当升高温度 ②连续搅拌(或适当延长停留时间、选择合适的
氢氧化钠浓度等) (3)硅酸钠和氢氧化钠溶液 (4)SiO3
2−+2H+===H2SiO3↓ H++OH-===H2O (5)取
少许最后一次洗涤液,滴入2~3 滴硝酸酸化的AgNO3溶液,若不出现白色浑浊,表示已洗涤干净
解析 (1)用氧化物形式表示复杂硅酸盐的化学式时,应按金属性强弱顺序书写氧化物,中间用“·”隔
开,再写非金属氧化物,H2O 放在最后,因此Mg6(Si4O10)(OH)8用氧化物形式表示为6MgO·4SiO2·4H2O;
(2)为提高其中硅酸盐的浸取率,还可采用的方法:适当升高温度、连续搅拌(或适当延长停留时间、
选择合适的氢氧化钠浓度等);(3)氢氧化钠和二氧化硅反应生成硅酸钠和水,所以过滤1 得到的滤液
的主要成分是硅酸钠和氢氧化钠溶液;(4)滤液主要成分是硅酸钠和氢氧化钠,与盐酸反应生成硅酸
和氯化钠,反应的离子方程式为SiO3
2−+2H+===H2SiO3↓ H++OH-===H2O;(5)可以检验是否存在氯离
子来检验是否洗涤干净,具体方法是取少许最后一次洗涤液,滴入2~3 滴硝酸酸化的硝酸银溶液,若
无白色沉淀生成,证明已经洗涤干净。
