无机非金属材料(第2课时)(练习)解析版.docx

第三节 无机非金属材料
5.3 硅和二氧化硅

一、单选题
1．下列说法正确的是
A．自然界中的硅元素全部是以化合态形式存在
B．单质硅是制备光导纤维的原料
C．玻璃中含二氧化硅，所以可以用盐酸刻蚀玻璃
D．石英、陶瓷和水泥均属于硅酸盐
【答案】A
【解析】A．硅元素在自然界中主要是以硅酸盐、二氧化硅的形式存在，没有游离态的硅，故A正确；
B．二氧化硅是制备光导纤维的原料，故B错误；
C．玻璃中含二氧化硅，可以用氢氟酸刻蚀玻璃，故C错误；
D．石英的主要成分是二氧化硅，陶瓷和水泥属于硅酸盐，故D错误；
选A。
2．下列说法正确的是
①构成岩石与许多矿物的基本元素是碳
②二氧化硅晶体的基本结构单元中，每个Si周围结合4个O
③使用量最大的无机非金属材料是：陶瓷、水泥、玻璃等硅酸盐产品
④硅胶多孔，吸附能力强，常用作干燥剂，也可用作催化剂的载体
A．①②③④ B．②③④ C．①④ D．②③
【答案】B
【解析】①硅在地壳中的含量仅次于氧，居第二位，在自然界中硅主要以化合物二氧化硅、硅酸盐等的形式存在，二氧化硅、硅酸盐等硅的化合物是构成岩石和许多矿物的主要成分，因此可以说硅是构成岩石与许多矿物的基本元素，①错误；
②二氧化硅晶体的基本结构单元中，每个Si原子与4个O原子形成4个Si-O共价键；每个O原子与2个Si原子形成Si-O共价键，这种结构向空间扩展就形成了立体网状结构，其中含有的Si、O原子个数比是1：2，②正确；
③陶瓷、水泥、玻璃等硅酸盐产品是使用量最大的传统无机非金属材料，③正确；
④硅胶多孔，表面积大，吸附能力强，常用作干燥剂，也可用作催化剂的载体，使反应物充分接触发生反应，④正确；
综上所述可知：说法正确的是②③④，故合理选项是B。
3．高纯硅是现代信息、半导体和光伏等产业都需要的基础材料。工业提纯有多种路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如下：下列说法正确的是

A．自然界有大量的单质硅
B．步骤电弧炉中的化学方程式为：
C．二氧化硅能与氢化氟气反应，而硅不能与氢氟酸反应
D．(沸点33.0℃)中含有少量的(沸点67.6℃)，通过蒸馏(或分馏)可提纯
【答案】D
【解析】A．在自然界中没有单质硅，只有化合态的硅，A项错误；
B．电弧炉中的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑，B项错误；
C．二氧化硅和硅都能与氢氟酸反应，C项错误；
D．SiHCl3(沸点33.0℃)和SiCl4(沸点67.6 ℃)的沸点有较大差距，所以可通过蒸馏(或分馏)提纯SiHCl3，D项正确；
答案选D。
4．碳、硅及其化合物常用做性能优异的无机非金属材料。比如氮化硅，其熔点高、硬度大，电绝缘性好，化学性质稳定。有关碳、硅及其化合物的说法正确的是
①硅在自然界中主要以单质形式存在，硅是应用最广泛的半导体材料
②硅是构成一些岩石和矿物的基本元素
③石墨烯是一种新型的纳米化合物
④氮化硅的化学式为Si3N4，其可制作坩埚，制作切削刀具
⑤光导纤维的通信容量大，导电性强
⑥水玻璃可用于生产黏合剂和防火剂
A．①③⑤ B．①③⑥ C．②④⑤ D．②④⑥
【答案】D
【解析】①硅是亲氧元素，在自然界中以化合态的形式存在，不能以单质形式存在，①错误；
②硅元素是地壳中大量存在的元素，是许多种岩石和矿物的基本构成元素之一，②正确；
③石墨烯是碳单质，不属于化合物，③错误；
④氮化硅的化学式为Si3N4，氮化硅硬度大、熔点高可以用来制作坩埚；熔点高、化学性质稳定可制作耐高温轴承，切削刀具等，④正确；
⑤二氧化硅晶体对光具有全反射作用，能传递光信号，可以用二氧化硅晶体制备光导纤维，无导电性，⑤错误；
⑥水玻璃具有黏性，不易燃烧，可用于生产黏合剂和防火剂，⑥正确；
综上所述，正确的是②④⑥，故选D。
5．2021年，我国具有独立知识产权的“龙芯”19岁了。下列关于硅单质及其化合物的叙述正确的是
A．陶瓷是人类应用最早的硅酸盐材料
B．利用二氧化硅的半导体性能制成光电池
C．硅的化学性质稳定，不与任何物质反应
D．晶体硅是具有金属光泽的灰黑色金属
【答案】A
【解析】A．陶瓷的主要原料是黏土，则陶瓷是人类应用很早的硅酸盐材料，故A正确；
B．硅是半导体材料，二氧化硅常被用来制造光导纤维，故B错误；
C．硅与氟化氢反应生成四氟化硅，故C错误；
D．晶体硅是一种有金属光泽的灰黑色的固体，是非金属，故D错误；
故选：A。
6．下列说法错误的是
A．聚氨酯(PU)人工血管材料属于高分子材料
B．智能芯片使用到的硅晶体属于半导体材料
C．开发利用可燃冰可以缓解温室效应
D．用于制作电极材料的石墨烯属于碳单质
【答案】C
【解析】A．聚氨酯是一种高分子聚合物，故A项正确。
B．硅处于金属和非金属元素分界线附近，属于半导体材料，故B项正确。
C．可燃冰主要成分是CH4，可燃冰燃烧产生CO2，不会缓解温室效应，故C项错误
D．石墨烯是碳纳米材料，属于碳单质，故D项正确。
故答案为：C。
7．高纯硅广泛应用于信息技术和新能源技术等领域。从石英砂(主要成分为SiO2)制取高纯硅涉及的主要反应流程如下：

下列说法不正确的是
A．反应①中氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2
B．流程中HCl和H2可以循环利用
C．反应①②③均为氧化还原反应
D．反应②与反应③互为可逆反应
【答案】D
【解析】A．在反应①发生反应：SiO2+2CSi+2CO↑，在该反应中SiO2是氧化剂，C是还原剂，则氧化剂和还原剂的物质的量之比为1∶2，A正确；
B．在反应②中产生H2，可用于反应③还原SiHCl3制取Si单质，反应③产生的HCl可与粗硅反应制取SiHCl3，因此流程中HCl和H2可以循环利用，B正确；
C．在反应①②③中均有元素化合价的变化，因此三个反应均为氧化还原反应，C正确；
D．反应②是Si+3HClSHCl3+H2，反应③是SHCl3+H2Si+3HCl，二者反应物与生成物正好颠倒，但反应温度不同，因此反应②与反应③不能互为可逆反应，D错误；
故合理选项是D。
8．“西门子”制硅法是以硅石(SiO2)为原料制备冶金级高纯硅，其工艺流程如图。下列叙述不正确的是
已知：SiHCl3室温下易挥发、易水解的无色液体。

A．“酸浸”过程主要是酸溶除去粗硅中的氧化镁，可用稀盐酸代替稀硫酸
B．该生产工艺中可循环使用的物质只有H2
C．“氧化”、“分离”与“热解”的过程均需要在无水、无氧的条件下进行
D．“氧化”过程的化学方程式为Si+3HClSiHCl3+H2
【答案】B
【解析】A．由分析知，酸浸时是为了除去MgO，由于稀硫酸与Si不反应，故也可以用稀硫酸代替稀盐酸，A正确；
B．SiHCl3被H2还原为Si，则H2被SiHCl3氧化，根据元素守恒可知H2对应产物为HCl，故可循环利用的物质还有HCl，B错误；
C．由于SiHCl3易水解，且H2属于易燃易爆气体，故氧化、分离、热解过程需要在无水、无氧条件下进行，C正确；
D．Si被HCl氧化生成SiHCl3，则HCl被Si还原，HCl只有氢元素化合价能降，故推测产物为H2，对应方程式为：Si+3HClSiHCl3+H2，D正确；
故答案选B。
9．下列关于二氧化硅的说法中错误的是
A．同二氧化碳一样，二氧化硅分子是由一个硅原子和两个氧原子构成的
B．通常状况下，二氧化碳为气态，二氧化硅为固体
C．SiO2同CO2一样也能与CaO反应生成盐
D．SiO2仅用来表示二氧化硅的组成，其基本结构单元为正四面体，不仅存在于二氧化硅晶体中，而且存在于所有硅酸盐矿石中。
【答案】A
【解析】A．二氧化硅为共价晶体，是由硅原子与氧原子构成，不存在分子，A错误；
B．通常状况下，二氧化碳为气态，二氧化硅为固体，B正确；
C．二氧化硅为酸性氧化物，能够与碱性氧化物氧化钙反应生成硅酸钙，C正确；
D．二氧化硅为原子晶体，不存在分子式，SiO2仅用来表示二氧化硅的组成，其基本结构单元为正四面体，该结构仅存在于二氧化硅晶体中，而且存在于所有硅酸盐矿石中，D正确；
故答案为A。
10．Ni(OH)2作为合成镍钴锰三元电极材料的原料，工业上可用红土镍矿(主要成分为NiO、FeO、Fe2O3、MgO和SiO2)制备，工艺流程如图所示。

下列说法正确的是
A．“溶浸”时，为加快反应速率，可以选用98%的浓硫酸
B．“滤渣1”的成分为H2SiO3
C．为了证明加入NaClO已足量，可在溶液中加入KSCN溶液和氯水来检验
D．“沉镍”的离子方程式为：Ni2++2 HCO=NiCO3↓+CO2↑+H2O
【答案】D
【解析】红土镍矿(主要成分为NiO、FeO、Fe2O3、MgO和SiO2)粉碎后用硫酸浸取，Ni、Fe、Mg元素进入溶液，滤渣1为不溶于稀硫酸的SiO2；过滤后向滤液中加入次氯酸钠将Fe2+氧化成Fe3+，然后加入碳酸钠并加热除去铁元素，得到滤渣2；过滤后向滤液中加入NaF除去镁离子，得到滤渣3为MgF2；过滤后加入碳酸氢铵得到碳酸镍沉淀，将碳酸镍沉淀加稀硫酸溶解，再向溶液中加入NaOH得到Ni(OH)2，以此解答该题。
A．浓硫酸中水含量很少，硫酸电离出的氢离子较少，所以不宜选用98%的浓硫酸，A错误；
B．滤渣1主要为难溶于硫酸的SiO2，B错误；
C．NaClO的作用是将Fe2+氧化为Fe3+，所以检验NaClO是否足量，应检验溶液中是否还有Fe2+，所用试剂应为K3[Fe(CN)6]，C错误；
D．沉镍时反应有Ni2+、NH4HCO3，产物有NiCO3说明不是双水解，而是Ni2+与HCO电离出的CO结合生成NiCO3沉淀，促进HCO的电离，同时产生大量的氢离子，而氢离子又和HCO反应生成二氧化碳和水，所以离子方程式为Ni2++2 HCO=NiCO3↓+CO2↑+H2O，D正确；
综上所述答案为D。
11．化学与生活密切相关。下列叙述错误的是
A．氢氟酸可用于雕刻玻璃
B．铝制餐具不宜长时间存放酸性、碱性和咸的食物
C．超市中售卖的“苏打水”是因添加了而获名
D．农村推广风力发电、光伏发电有利于国家实现“碳达峰、碳中和”
【答案】C
【解析】A．氢氟酸在常温下能和玻璃中的SiO2反应，所以氢氟酸可用于雕刻玻璃，故A正确；
B．铝能和酸、碱反应，在NaCl溶液中，铝会被腐蚀，所以铝制餐具不宜长时间存放酸性、碱性和咸的食物，故B正确；
C．超市中售卖的“苏打水”是因添加了 NaHCO3 而获名，碳酸钠碱性过强，不能添加到水中，故C错误；
D．农村推广风力发电、光伏发电，减少燃煤发电，有利于国家实现“碳达峰、碳中和”，故D正确；
故选C。
二、元素或物质推断题
12．已知A、B、C、D、E、F、G、H可以发生如图所示的转化关系，反应中部分生成物已略去。其中，A、G为同一主族元素形成的单质，B、C、H在通常情况下为气体，化合物C是一种形成酸雨的大气污染物。

(1)H的名称是___________。
(2)E的两种用途是___________、___________。
(3)反应①的化学方程式是___________，氧化剂与还原剂的质量比为_______。
(4)反应②的离子方程式是___________。
(5)SO2通入酸性高锰酸钾溶液表现___________性，反应的离子方程式为________。
【答案】 一氧化碳 制光导纤维 作装饰品或制玻璃 2C＋Si＋2 5：2 SiO2＋2OH-=SiO＋H2O 还原性 5SO2+2MnO+2H2O=2Mn2++4H++5SO
【解析】由以上分析可知：A为C，B为CO2，C为SO2，D为H2SiO3，E为SiO2，H为CO，F为Na2SiO3，G为Si，H为CO；
(1)由以上分析可知H为CO，名称为一氧化碳；
(2)E为SiO2，常用于制备玻璃、制粗硅、光导纤维等；
(3)反应①为C在高温下还原SiO2的反应，化学方程式是：2CSiO22CO+Si，氧化剂是SiO2，还原剂是C，两者的质量比为60:24=5:2；
(4) E为SiO2，与NaOH反应生成F为Na2SiO3，反应②的离子方程式是：SiO2＋2OH-=SiO＋H2O；
(5)SO2通入酸性高锰酸钾溶液，S元素被氧化成+6价的硫酸根，表现还原性，反应的离子方程式为：5SO2+2MnO+2H2O=2Mn2++4H++5SO。
三、实验题
13．以粗硅(含铁、铝等杂质)为原料，工业上有以下两种制备高纯硅的工艺。已知：SiCl4沸点57.7℃，遇水强烈水解；SiHCl3沸点31.5℃，且能与H2O强烈反应，并在空气中易自燃。

(1)写出制备粗硅的化学反应方程式为_______。
(2)粗硅与HCl反应完全后，经冷凝得到的SiHCl3中含有少量SiCl4和HCl，操作①采用的方法为_______。SiCl4和SiHCl3遇水都会剧烈反应，都会生成、HCl。但SiHCl3会多生成一种物质X，写出X物质的名称_______。
(3)实验室用如下装置制备SiCl4(反应温度在400℃～500℃)。

①装置F的作用是_______。实验开始应先点燃_______(填“A”或“D”)装置的酒精灯一段时间后再点燃另一酒精灯。
②写出A装置中的化学反应方程式_______。
(4)SiHCl3与过量H2制备纯硅的装置如下(热源及夹持装置已略去)。

装置B中的试剂是_______(填名称)，装置C中的烧瓶加热的目的是_______。实验中先让稀硫酸与锌粒反应一段时间后，再加热C、D装置的理由是_______，装置D中发生反应的化学方程式为_______。
【答案】(1)
(2) 蒸馏 氢气
(3) 吸收尾气Cl2，并防止空气中的水蒸气进入广口瓶 A
(4) 浓硫酸 使进入烧瓶的液态SiHCl3变为气体 让H2排尽装置中的空气，防止SiHCl3水解和自燃
【解析】
(1)工业用二氧化硅和碳在高温下反应制备粗硅，化学反应方程式为:。
(2)SiHCl3中含有少量SiCl4和HCl，据信息:SiHCl3和SiCl4的沸点不同，所以操作①采用的方法为蒸馏。据信息：SiHCl3沸点31.5℃，且能与H2O强烈反应，并在空气中易自燃，则SiHCl3具有很强的还原性，因为SiHCl3中氢的化合价是-1价、+1价的氢发生归中反应，故SiHCl3与水反应生成硅酸、HCl、H2，则SiHCl3多生成的这一种物质X的名称为氢气。
(3)①SiCl4能与H2O强烈反应，氯气有毒。则实验中要防止E内进入水蒸气、进行尾气吸收。故球形干燥管的作用为：吸收尾气Cl2，并防止空气中的水蒸气进入广口瓶装；加热下Si与氧气能反应，故实验时应先点燃装置A的酒精灯让氯气将装置内空气排尽。
②A装置中MnO2和浓HCl共热制得Cl2，化学反应方程式为：。
(4)锌和稀硫酸制备的氢气中含有水蒸气，装置B中的试剂是浓硫酸；装置C中的液态SiHCl3变为气体和氢气发生反应制备纯硅，所以烧瓶加热的目的是使进入烧瓶的液态SiHCl3变为气体；根据题中信息可知SiHCl3能与H2O强烈反应，并在空气中易自燃，实验中先让稀硫酸与锌粒反应一段时间后，再加热C、D装置可以让H2排尽装置中的空气，防止SiHCl3水解和自燃；装置D中氢气和SiHCl3发生反应制备高纯硅，化学方程式为：。
14．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+H2O=CO2+2HCl +Pd↓(产生黑色金属钯粉末，使溶液变浑浊)。
(1)实验时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_______。
【答案】 排除装置内空气，避免空气中的O2、CO2、水蒸气对实验产生干扰 作安全瓶，防止倒吸 澄清石灰水 PdCl2溶液 3SiO2 +4C2CO2↑+2CO↑+3Si
【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、水蒸气反应，且空气中的二氧化碳对产物中是否含二氧化碳的检验造成干扰，所以实验时要通入足够长时间的N2目的是排除装置内空气，避免空气中的O2、CO2、水蒸气对实验产生干扰；
(2)由分析可知B装置可以作安全瓶，防止倒吸；
(3)根据元素守恒，碳与二氧化硅反应可能生成一氧化碳也可能生成二氧化碳，所以C装置用来检验有没有二氧化碳，D装置用来检验一氧化碳，所以装置C、D中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，说明既有二氧化碳又有一氧化碳，检测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。