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课后作业17含硅矿物与信息材料(时间:45分钟满分:100分)一、选择题(本题包括14小题,每小题5分,共70分,每小题只有一个选项符合题目要求)1.下列有关硅的化合物的叙述错误的是()A.氮化硅陶瓷的化学式为Si3N4B.碳化硅(SiC)的硬度大,熔点高,可用于制作高温结构陶瓷和轴承C.光导纤维是光缆通讯的重要材料,其主要成分为SiO2D.2MgOSiO2中的酸根阴离子为SiO42-答案D解析D中酸根阴离子应为SiO44-,故D错误。2.下列五个转化,其中不可能通过一步反应实现的是()SiO2Na2SiO3CuSO4CuCl2SiO2H2SiO3CuOCu(OH)2Na2O2NaOHA.B.C.D.答案B解析SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O;CuSO4+BaCl2BaSO4+CuCl2;2Na2O2+2H2O4NaOH+O2,SiO2和CuO均不溶于水,因此SiO2、CuO不可能通过一步反应分别生成H2SiO3、Cu(OH)2。3.下列说法正确的是()A.制取水泥和玻璃的原料中均有纯碱B.普通玻璃是电的绝缘体,这种透明的固体物质是混合物,无固定的熔点C.普通玻璃俗称水玻璃D.硅酸盐工业使用的每一种原料都含有硅答案B解析制取玻璃的原料中有纯碱,而制取水泥的原料中没有纯碱,A错误;玻璃属于混合物,没有固定的熔、沸点,B正确;普通玻璃和水玻璃的成分不同,水玻璃不是普通玻璃的俗名,C错误;制取水泥和玻璃的原料中均有石灰石,石灰石中不含有硅,D错误。4.下列有关硅酸盐的叙述,正确的是()A.大部分硅酸盐都易溶于水,Na2SiO3是常见的可溶性硅酸盐,其水溶液俗称水玻璃,可用作建筑黏合剂B.石英砂可与烧碱反应制水玻璃:SiO2+2OH-SiO32-+H2OC.硅酸具有酸的通性,能使石蕊溶液变红D.石棉Mg3Ca(SiO3)4可表示为氧化物形式3MgOCaO4SiO2答案B解析硅酸盐大部分难溶于水,常见硅酸盐中只有Na2SiO3、K2SiO3等可溶,Na2SiO3的水溶液具有黏性,可作建筑黏合剂,A错误;石英砂成分为SiO2,SiO2+2NaOHNa2SiO3+H2O,NaOH、Na2SiO3为强电解质可拆成离子形式,B正确;硅酸具有酸的通性,例如能与碱反应,但其难溶于水,不能使石蕊溶液变色,C错误;硅酸盐改写成氧化物形式时要按“较活泼金属氧化物较不活泼金属氧化物二氧化硅水”的顺序排列,由于Ca活泼性强于Mg,所以其氧化物形式为CaO3MgO4SiO2,D错误。5.下列关于二氧化硅的叙述中,正确的是()A.二氧化硅不溶于水,也不与水反应生成对应的酸B.二氧化硅是一种酸性氧化物,它不与任何酸发生反应C.二氧化硅在高温下与碳酸钠发生反应生成硅酸钠和CO2,说明硅酸的酸性强于碳酸D.二氧化硅和二氧化碳物理性质相似答案A解析二氧化硅在常温下为固体,熔、沸点高,硬度大,不溶于水及一般溶剂,而二氧化碳在常温下为气体,熔、沸点低,可溶于水形成碳酸;二氧化硅为酸性氧化物,因为二氧化硅可与碱溶液反应生成盐和水;二氧化硅不能与一般的酸反应,但它可与氢氟酸反应,化学方程式为SiO2+4HFSiF4+2H2O;二氧化硅在高温下可与Na2CO3发生反应:Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2,此反应能发生并不是硅酸的酸性强于碳酸,而是遵循高沸点物质制低沸点物质的原理。6.下列说法错误的是()A.高纯度的单质硅被广泛应用于制作计算机芯片B.铅笔芯的主要成分是石墨C.利用高纯硅可以制成光电池,将光能直接转化为电能D.SiO2可用于制造光导纤维和半导体元件答案D7.下列关于碳和硅的叙述正确的是()A.其氧化物都能与NaOH溶液反应B.其单质在加热时都能与O2反应C.其氧化物都能溶于水生成相应的酸D.碳和硅两种元素共有两种单质答案B解析CO不能与NaOH溶液反应;SiO2不能溶于水生成相应的酸;碳有金刚石、石墨、C60等多种单质,硅有晶体硅和无定形硅,所以两种元素可以形成多种单质。8.科学家最新研制的利用氯化氢和氢气生产高纯硅的工艺流程如图所示:容器中进行的反应为Si(粗)+3HCl(g)SiHCl3(l)+H2(g);容器中进行的反应为SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl。下列说法正确的是()A.该工艺流程的优点是部分反应物可循环使用B.最好用分液的方法分离Si和SiHCl3C.反应和中HCl均作氧化剂D.反应和属于可逆反应答案A解析该工艺流程中HCl和H2两种气体可循环使用;分离Si与SiHCl3可用过滤的方法;反应中HCl是生成物,是氧化产物;反应、不在同一条件下进行,不是可逆反应。9.下列除杂方法正确的是()A.CO2中含有CO杂质,可以通入盛有CuO的玻璃管且加热B.SiO2中含Al2O3杂质,可以加入足量NaOH溶液,然后过滤除去C.CO2中含有HCl杂质,可以通过盛有Na2CO3溶液的洗气瓶D.Na2CO3溶液中含有Na2SiO3杂质,可以通入足量的CO2,然后过滤答案A解析SiO2、Al2O3均与NaOH溶液反应,B项错误;Na2CO3溶液能吸收CO2生成NaHCO3,C、D两项错误。10.将足量CO2气体通入水玻璃(Na2SiO3溶液)中,然后加热蒸干,再在高温下充分灼烧,最后所得固体物质是()A.Na2SiO3B.Na2CO3、Na2SiO3C.Na2CO3、SiO2D.SiO2答案A解析将足量CO2气体通入水玻璃中,发生反应:2CO2+Na2SiO3+2H2OH2SiO3+2NaHCO3;加热蒸干、高温灼烧时发生反应:H2SiO3H2O+SiO2;2NaHCO3Na2CO3+CO2+H2O;Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2,所以最后所得固体物质是Na2SiO3,A项正确。11.某粗硅中含有铁杂质,取等质量的该样品分别投入足量的稀盐酸和足量的氢氧化钠溶液中,放出氢气的物质的量之比为18,则该粗硅中铁和硅的关系正确的是()A.质量比为14B.质量比为18C.物质的量之比为14D.物质的量之比为12答案C解析Si与盐酸不反应,Fe与NaOH溶液不反应。由化学方程式Fe+2HClFeCl2+H2和Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2可知当前后两反应放出氢气的物质的量之比为18时,Fe与Si物质的量之比为14,质量之比为12。12.下列说法正确的是()A.高温下,可在试管内完成焦炭和石英砂(SiO2)制取硅的反应B.CO2和钠在一定条件下反应可以得到金刚石和碳酸钠,反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比是34C.现代海战通过喷放液体SiCl4(极易水解)和液氨可产生烟幕,其主要成分是NH4ClD.从燃煤烟道灰中(含GeO2)提取半导体材料单质锗(Ge),没有发生氧化还原反应答案C解析试管由玻璃制成,玻璃的主要成分中含有SiO2,高温下SiO2与C(碳)反应,A错误;反应中CO2作氧化剂,Na作还原剂,根据化合价升降总数相等的原则,氧化剂与还原剂的物质的量之比为14,B错误;SiCl4水解生成HCl和硅酸,HCl与氨反应生成NH4Cl,C正确;Ge由化合态到游离态,一定发生氧化还原反应,D错误。13.SiO2是一种重要的化工原料。下列说法错误的是()A.图中所含反应都不属于氧化还原反应B.纯净二氧化硅和单晶硅都是信息产业的重要材料C.用盐酸可除去石英砂(主要成分为SiO2)中的碳酸钙D.炼铁时用石灰石将矿石中的脉石转化为易熔的炉渣答案A解析C与SiO2反应、Si与Cl2反应、SiCl4与H2反应,都属于氧化还原反应。14.工业生产的生石灰中常混有二氧化硅和石灰石。现将该生石灰样品溶于过量的盐酸中。然后在不断搅拌的情况下,向反应混合液中逐滴加入氢氧化钠溶液至过量,如果纵坐标表示固体难溶物的质量(m),横坐标表示所加入氢氧化钠溶液的体积(V),则下列图示正确的是()答案B解析生石灰、二氧化硅和石灰石的混合物中加入过量盐酸,生石灰和石灰石溶解,二氧化硅不溶解。向反应后的溶液中加入氢氧化钠溶液,NaOH首先与过量的盐酸发生反应,所以开始时固体难溶物的质量无变化,C、D两项错误;当酸耗完后,SiO2开始溶解,发生反应的离子方程式为SiO2+2OH-SiO32-+H2O,SiO32-+Ca2+CaSiO3,依据两个离子方程式可知1molSiO2(60g)溶解,同时生成1mol难溶物CaSiO3(116g),难溶物的质量增加,待SiO2完全反应后,氯化钙与NaOH反应,生成氢氧化钙沉淀,所以沉淀质量不断增加,当钙离子全部生成沉淀后,再加入氢氧化钠,沉淀质量不变。二、非选择题(本题包括2小题,共30分)15.(15分)氮化硅硬度大、熔点高、不溶于一般的酸,是一种重要的结构陶瓷材料。一种用工业硅含少量钾、钠、铁、铜的氧化物。已知硅的熔点是1 420 ,高温下O2及H2O(g)能腐蚀氮化硅合成氮化硅的工艺流程如下:(1)净化N2和H2时,铜屑的作用是;硅胶的作用是。(2)在氮化炉中3Si(s)+2N2(g)Si3N4(s)H=-727.5 kJmol-1,开始时为什么要严格控制氮气的流速以控制温度?;体系中要通入适量的氢气是为了。(3)X可能是(选填“盐酸”“硝酸”“硫酸”或“氢氟酸”)。(4)如何说明氮化硅产品已用水洗干净?。(5)用硅粉作硅源、叠氮化钠(NaN3)作氮源,直接燃烧生成氮化硅(发生置换反应),该反应的化学方程式为。答案(1)除去原料气中的氧气除去生成的水蒸气(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N2的接触将体系中的氧气转化为水蒸气,而易被除去(若答将整个体系中空气排尽也可得分)(3)硝酸(4)洗涤后的滤出液呈中性(5)9Si+4NaN33Si3N4 +4Na解析分析流程图时,我们需依据工业生产的目的,明确各步操作的原理。工业生产氮化硅的主要反应为:3Si+2N2Si3N4,在此之前,需制备纯净的N2,所以前面三步是除去氮气中的杂质(O2及H2O),加酸洗涤的目的是除去氮化硅中混有的金属氧化物及铜屑,因此加入的酸必为稀硝酸。16.(15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示意图:相关信息如下:a.四氯化硅遇水极易水解;b.硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物;c.有关物质的物理常数见下表:物质SiCl4BCl3AlCl3FeCl3PCl5沸点/57.712.8315熔点/-70.0-107.2升华温度/180300162请回答下列问题:(1)写出装置A中发生反应的离子方程式。(2)装置A中g管的作用是;装置C中的试剂是;装置E中的h瓶需要冷却的理由是。(3)装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏得到高纯度四氯化硅,精馏后的残留物中,除铁元素外可能还含有的杂质元素是(填写元素符号)。(4)为了分析残留物中铁元素的含量,先将残留物预处理,使铁元素还原成Fe2+,再用KMnO4标准溶液在酸性条件下进行氧化还原滴定,反应的离子方程式是5Fe2+MnO4-+8H+5Fe3+Mn2+4H2O。滴定前是否要滴加指示剂?(填“是”或“否”),请说明理由。某同学称取5.000 g残留物,经预处理后在容量瓶中配制成100 mL溶液,移取25.00 mL试样溶液,用1.00010-2 molL-1 KMnO4标准溶液滴定。达到滴定终点时,消耗标准溶液20.00 mL,则残留物中铁元素的质量分数是。答案(1)MnO2+4H+2Cl-Mn2+Cl2+2H2O(2)平衡压强浓硫酸使SiCl4冷凝(3)Al、P、Cl(4)否加入最后一滴KMnO4标准溶液,溶液的颜色在半分钟内不再褪去可视为滴定终点4.480%解析制备四氯化硅的原料为Cl2和Si。A为制备Cl2的装置,B、C为除杂装置。先用B除去HCl,再用C(盛装浓硫酸)除去水蒸气。Cl2通入粗硅中反应,用冷水将产物SiCl4冷凝即可。(1)制取氯气用浓盐酸和MnO2在加热条件下反应。(2)g管是将分液漏斗与圆底烧瓶相连,使它们中的压强相等,便于盐酸顺利滴下。SiCl4的沸点很低,只有57.7,而反应的温度达几百度,故需要冷凝收集。(3)从物质的物理性质可发现,AlCl3、PCl5升华温度比SiCl4的沸点高,故残留物中还应有Al、P、Cl元素。(4)由于高锰酸钾溶液本身是紫红色的,与Fe2+反应时,可以褪色,故可以兼作指示剂。根据方程式可以找出关系,5Fe2+MnO4-,n(Fe)=110-2molL-10.020L5100mL25mL=410-3mol。w(Fe)=410-3mol56gmol-15g100%=4.480%。
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