课时规范练12 碳、硅 无机非金属材料
基础巩固
1.(天津学业水平等级考适应性测试)下列“中国制造”所用的材料属于无机非金属材料的是( )
2.(华中师大一附中质量测评)碳元素是自然界中与人类关系最密切的元素,金刚石、石墨和石墨烯是碳元素常见的同素异形体。下列与碳元素相关的说法错误的是( )
A.金刚石是自然界中硬度最大的天然材料
B.石墨在一定条件下转化成金刚石是化学变化
C.石墨烯属于烯烃,能够发生加成反应
D.碳纤维质轻、强度大,可作为航空器材的结构材料
3.(湖南长沙七校联考)化学与生产、生活密切相关,下列说法正确的是( )
A.全球首段光伏高速公路亮相济南,光伏发电所用电池板主要材料是二氧化硅
B.《物理小识》记载“青矾(绿矾)厂气熏人,衣服当之易烂,栽木不茂”,青矾厂气是CO和CO2
C.平昌冬奥会“北京8分钟”主创团队用石墨烯制作发热服饰,说明石墨烯是能导热的金属材料
D.《本草纲目》描述“冬月灶中所烧薪柴之灰,令人以灰淋汁,取碱浣衣”,其中的碱是K2CO3
4.(黑龙江牡丹江第一高级中学期末)硅及其化合物是带来人类文明的重要物质。下列说法正确的是( )
A.某硅酸盐的化学式为KAlSi3O8,可用K2O·Al2O3·6SiO2表示
B.水玻璃是纯净物,可用于生产黏合剂和防火剂
C.陶瓷、水晶、水泥、玻璃都属于硅酸盐
D.高纯硅可用于制造光导纤维,高纯二氧化硅可用于制造太阳能电池
5.《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
6.(广东清远第一中学实验学校月考)将过量CO2分别通入①CaCl2溶液,②Na2SiO3溶液,③Ca(OH)2溶液,④饱和Na2CO3溶液,⑤NaAlO2溶液,最终溶液变浑浊的是( )
A.①②⑤ B.②④⑤ C.②③⑤ D.②③④
7.(福建泉州第十六中学期中)多晶硅是制作光伏电池的关键材料。以下是由粗硅制备多晶硅的简易过程。
回答下列问题:
Ⅰ.硅粉与HCl在℃时反应生成1molSiHCl3气体和H2,放出kJ热量,该反应的热化学方程式为 。SiHCl3的电子式为 。
Ⅱ.将SiCl4氢化为SiHCl3有三种方法,对应的反应依次为:
①SiCl4(g)+H2(g)
SiHCl3(g)+HCl(g)ΔH10
②3SiCl4(g)+2H2(g)+Si(s)
4SiHCl3(g)ΔH20
③2SiCl4(g)+H2(g)+Si(s)+HCl(g)
3SiHCl3(g)ΔH3
(1)氢化过程中所需的高纯度H2可用惰性电极电解KOH溶液制备,写出产生H2的电极名称 (填“阳极”或“阴极”),该电极的电极反应为 。
(2)反应③的ΔH3= (用ΔH1和ΔH2表示)。
(3)由粗硅制备多晶硅过程中循环使用的物质除SiCl4、SiHCl3和Si外,还有 (填分子式)。
能力提升
8.(双选)(安徽肥东县高级中学调研)化学家Seidel指出Si与NaOH溶液的反应中首先是Si与OH-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,且水解后使溶液呈碱性
B.石英玻璃、普通玻璃、陶瓷及水泥均属于硅酸盐产品
C.2HCl+Na2SiO3
H2SiO3↓+2NaCl说明Cl的非金属性强于Si
D.半导体工业所说的“从沙滩到家庭”是指:将二氧化硅制成晶体硅
9.(浙江7月选考,24)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
10.(河北辛集中学段考)空气中的硫酸盐会加剧雾霾的形成,我国科学家用下列实验研究其成因:反应室底部盛有不同吸收液,将SO2和NO2按一定比例混合,以N2或空气为载体通入反应室,相同时间后,检测吸收液中S的含量,数据如下:
下列说法不正确的是( )
A.控制SO2和氮氧化物的排放是治理雾霾的有效措施
B.反应室①中可能发生反应:SO2+2NO2+2H2O
H2SO4+2HNO2
C.本研究表明,硫酸盐的形成主要与空气中O2有关
D.农业生产中大量使用铵态氮肥可能会加重雾霾的形成
11.二氯二氢硅(SiH2Cl2)常用于外延法工艺中重要的硅源。该物质易燃、有毒,与水接触易水解,沸点为8.2℃。在铜催化作用下,HCl与硅在~℃反应可以制得SiH2Cl2。
(1)利用浓硫酸、浓盐酸为原料,选用A装置制取HCl,利用了浓硫酸的 性。
(2)D装置中生成二氯二氢硅的化学方程式为 。
(3)按照气体从左到右的方向,制取SiH2Cl2的装置(h处用止水夹夹好)连接顺序为a→( )→( )→( )→( )→( )→( )→( )(填仪器接口的字母,其中装置C用到2次)。
(4)按从左到右的顺序,前面装置C中装的药品为 ,后面装置C的作用为 。
(5)反应除生成二氯二氢硅之外,还会生成H2和 、 等。
(6)新的制取SiH2Cl2的方法:往硅粉中先通入Cl2,在~℃反应生成SiCl4,然后再与HCl在~℃反应,可以大大提高产率。如果通入气体顺序相反,结果是 (用化学方程式表示)。
12.(江西上饶月考)光纤通信是光导纤维传送信号的一种通信手段,合成光导纤维及氮化硅(一种无机涂层)的工艺流程如下:
(1)反应Ⅰ的化学方程式为2C+SiO2
Si+2CO↑,其中还原剂为(填化学式),该反应涉及的副反应可能有(碳不足)C+SiO2
(2)经反应Ⅱ所得的四氯化硅粗品中所含的物质如下:
图中“操作X”的名称为 ;PCl3的电子式为 。
(3)已知反应Ⅳ的化学方程式为3SiCl4+4NH3
Si3N4+12HCl,则反应Ⅲ和Ⅳ中尾气的用途为。若向一个2L恒容密闭容器中投入1molSiCl4和1molNH3,6min后反应完全,则0~6min内,HCl的平均反应速率为mol·L·min-1。
拓展深化
13.(福建师大附中期中)为更有效处理工业废气中排放的氮氧化物(NOx)、SO2等,从而减少大气污染,科学家不断对相关反应进行研究尝试。
(1)按每年全国发电燃煤8亿吨,煤中含硫质量分数以2%计,若不经过脱硫处理,则会有 亿吨SO2排放到大气中(假设S全部转化为SO2)。
(2)下列物质中,能吸收SO2的有 (填序号)。
a.氨水 b.酸性KMnO4溶液
c.生石灰 d.Na2CO3溶液
(3)某工厂采用(NH4)2SO3和NH4HSO3的混合溶液A吸收废气中的SO2并制备(NH4)2SO3·H2O,过程如下:
①“吸收”过程中,溶液中(NH4)2SO3和NH4HSO3物质的量之比变 (填“大”或“小”)。
②“制备”过程中,溶液B中发生反应的化学方程式是 。
③检验产品(NH4)2SO3·H2O中含有少量S的方法如下:取少量产品加水溶解, (将实验操作和现象补充完整)。
(4)选择性催化还原技术(SCR)是目前较为成熟的烟气脱硝技术,其反应原理主要为4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)
4N2(g)+6H2O(g)ΔH=-kJ·mol-1
①被NO氧化的NH3和被O2氧化的NH3的物质的量之比为 。
②氨氮比[]会直接影响该方法的脱硝率。如图为℃时只改变氨气的投放量,NO的百分含量与氨氮比的关系图。当1.0时,烟气中NO含量反而增大,主要原因是 。
1.C 宇航服所用聚酯纤维为有机合成高分子材料,故A错误;“天眼”反射面板所用铝合金属于金属材料,故B错误;港珠澳大桥所用水泥为硅酸盐材料,属于无机非金属材料,故C正确;“蛟龙号”所用钛合金属于金属材料,故D错误。
2.C 金刚石是自然界中硬度最大的天然材料,故A正确;石墨在一定条件下转化成金刚石存在旧键断裂和新键生成,该转化过程是化学变化,故B正确;石墨烯为碳单质,不属于烯烃,故C错误;碳纤维质轻、强度大,可作为航空器材的结构材料,故D正确。
3.D 光伏发电所用电池板的主要材料是晶体硅,A错误;题中所说的“青矾厂气”,指的是煅烧硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)后产生的三氧化硫和二氧化硫;这类气体遇水或湿空气会生成硫酸、亚硫酸或具有腐蚀性的酸雾,B错误;石墨烯是非金属材料,C错误;草木灰的主要成分是碳酸钾,用水溶解时碳酸钾水解导致溶液呈碱性,D正确。
4.A 硅酸盐KAlSi3O8可用氧化物的形式表示成K2O·Al2O3·6SiO2,选项A正确;水玻璃为硅酸钠的水溶液,属于混合物,选项B错误;水晶的主要成分是二氧化硅,二氧化硅是氧化物,不是硅酸盐,选项C错误;二氧化硅可用于制造光导纤维,高纯硅可用于制造太阳能电池,选项D错误。
5.C A项,由“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,正确;B项,“燃薪举火”是提供高温的环境,使粘土发生复杂的物理化学变化,正确;C项,沙子的主要成分为二氧化硅,错误;D项,粘土中有一定量的铁元素,泥坯烧制后自然冷却成红瓦(含氧化铁),浇水冷却时碳与水反应得到CO和H2,可将三价铁还原为二价亚铁,形成青瓦,正确。
6
.B①碳酸酸性比盐酸弱,CO2与CaCl2溶液不会反应,不变浑浊;②碳酸酸性比硅酸强,过量的CO2与Na2SiO3溶液反应:2CO2+Na2SiO3+2H2O
2NaHCO3+H2SiO3↓,变浑浊;③酸性氧化物能与碱反应,过量的CO2与Ca(OH)2反应:Ca(OH)2+2CO2
Ca(HCO3)2,不变浑浊;④过量的CO2通入饱和Na2CO3溶液中发生反应:Na2CO3+H2O+CO2
2NaHCO3↓,因为碳酸氢钠溶解度比碳酸钠小,变浑浊;⑤过量的CO2通入NaAlO2溶液中发生反应:CO2+2NaAlO2+3H2O
2Al(OH)3↓+Na2CO3,变浑浊。
7
.答案Ⅰ.Si(s)+3HCl(g)
SiHCl3(g)+H2(g)ΔH=-kJ·mol-1
Ⅱ.(1)阴极2H2O+2e-
(3)HCl、H2
解析Ⅰ.根据题意,硅粉与HCl在℃反应的热化学方程式为Si(s)+3HCl(g)
SiHCl3(g)+H2(g)ΔH=-kJ·mol-1;SiHCl3中所有原子达稳定状态,其电子式为。
Ⅱ.(1)根据电解原理,阴极上产生H2,阴极电极反应式为2H2O+2e-
(2)根据盖斯定律,由②-①得到反应③,即ΔH3=ΔH2-ΔH1。
(3)根据流程可知,循环使用的物质除SiCl4、SiHCl3和Si外,还有HCl、H2。
8
.AD原硅酸钠(Na4SiO4)是强碱弱酸盐,水解后使溶液呈碱性,A正确;石英的主要成分是SiO2,不是硅酸盐,所以石英玻璃不属于硅酸盐产品,B错误;2HCl+Na2SiO3
H2SiO3↓+2NaCl说明酸性HCl大于H2SiO3,由于盐酸为无氧酸,不能证明氯的非金属性强于硅,C错误;沙子的主要成分是SiO2,以沙子为原料经过还原得到晶体Si,可制成各种半导体电器被人们使用,所以半导体工业所说的“从沙滩到家庭”是指将二氧化硅制成晶体硅,D正确。
9.D Ca3SiO5可写作3CaO·SiO2,则其与NH4Cl加热时可发生反应,得到CaSiO3、CaCl2、NH3和H2O,A项正确;Ca3SiO5有吸水性,易板结,应密封保存,B项正确;SO2对应的酸为H2SO3,为中强酸,SO2能与Ca3SiO5反应生成新盐CaSO3,C项正确;Ca3SiO5与盐酸反应会生成H2SiO3沉淀,而不是SiO2,D项错误。
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.C因为空气中的硫酸盐会加剧雾霾的形成,SO2和氮氧化物在一定条件下可以产生S,所以控制SO2和氮氧化物的排放是治理雾霾的有效措施,故A正确;反应室①中SO2为还原剂,NO2为氧化剂,N2是载体,蒸馏水是吸收液,可发生反应:SO2+2NO2+2H2O
H2SO4+2HNO2,故B正确;由b≈da≈c,若起始不通入NO2,则最终检测不到S可知,硫酸盐的形成主要与NO2有关,故C错误;铵态氮肥易分解产生氨气,由已知的数据分析可知,在载体相同、吸收液为氨水的条件下,将SO2和NO2按一定比例混合时产生S的浓度较大,而空气中的硫酸盐又会加剧雾霾的形成,所以农业生产中大量使用铵态氮肥可能会加重雾霾的形成,故D正确。
11
.答案(1)吸水(2)Si+2HCl
SiH2Cl2
(3)d e f g b c d
(4)P2O5或无水CaCl2尾气处理和防止空气中的水蒸气进入B中(5)SiCl4SiHCl3(6)SiH2Cl2+2Cl2
SiCl4+2HCl(或SiH2Cl2+Cl2
SiHCl3+HCl)
解析(1)浓硫酸有吸水性,且吸水后放热,使浓盐酸更易挥发出HCl。
(2)根据题意并利用原子守恒法可配平反应的化学方程式。
(3)利用A装置制取HCl,连接C装置干燥,再从f进入D中反应,SiH2Cl2从g处挥发,在B装置中收集,SiH2Cl2的密度比空气大,导气管应长进短出,为防止空气中的水蒸气进入B中,则应在B装置后连接干燥管。
(4)前面的装置C是用来干燥氯化氢气体的,干燥剂可选用P2O5或无水CaCl2,后面装置C的作用为尾气处理和防止空气中的水蒸气进入B中,应选碱石灰。
(6)如果通入气体顺序相反,生成的SiH2Cl2会与Cl2继续反应,从而生成SiCl4、SiHCl3。
12
.答案(1)C3C+SiO2
SiC+2CO↑(2)精馏(或蒸馏或分馏)(3)制取盐酸(或其他合理答案)0.25
解析(1)反应Ⅰ的化学方程式为2C+SiO2
Si+2CO↑,其中碳元素化合价升高,则还原剂为C。碳足量时,生成的CO2与碳反应生成CO,同时还会生成SiC,该反应的化学方程式为3C+SiO2
(2)根据表中数据可知物质的沸点相差较大,因此图中“操作X”的名称为精馏(或蒸馏或分馏);PCl3是共价化合物,其电子式为。
(3)根据方程式可知反应Ⅲ和Ⅳ中尾气是氯化氢,HCl可用于制取盐酸。根据化学方程式可知反应中四氯化硅过量,生成氯化氢是3mol,HCl的浓度是3mol÷2L=1.5mol·L-1,则0~6min内,HCl的平均反应速率为1.5mol·L-1÷6min=0.25mol·L-1·min-1。
13
.答案(1)0.32(2)abcd(3)①小②NH4HCO3+NH4HSO3
(NH4)2SO3·H2O↓+CO2↑③加过量盐酸,充分振荡,再加入氯化钡溶液,有白色沉淀产生(4)①2∶1②过量的NH3和O2反应生成NO(或4NH3+5O2
4NO+6H2O)
解析(1)燃煤8亿吨,煤中含硫质量分数以2%计,则硫元素的质量为0.16亿吨,产生的SO2中硫元素也为0.16亿吨,则m(SO2)×=0.16亿吨,解得m(SO2)=0.32亿吨。
(2)SO2为酸性氧化物,能与碱性溶液和碱性氧化物反应,氨水、Na2CO3溶液、生石灰均可吸收SO2,SO2同时具有还原性,能被强氧化剂酸性KMnO4溶液吸收。
(3)①吸收过程反应的化学方程式为SO2+H2O+(NH4)2SO3
2NH4HSO3,随着吸收反应的进行,(NH4)2SO3越来越少,NH4HSO3越来越多,(NH4)2SO3和NH4HSO3物质的量之比变小;②溶液B中发生反应的化学方程式是NH4HCO3+NH4HSO3
(NH4)2SO3·H2O↓+CO2↑;③检验产品(NH4)2SO3·H2O中含有少量S,应先加酸除去亚硫酸根的干扰,再用氯化钡溶液检验,故方法为取少量产品加水溶解,加过量盐酸,充分振荡,再加入氯化钡溶液,有白色沉淀产生。
(4)①反应原理为4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)
4N2(g)+6H2O(g),从化学方程式可知,4molNH3被氧化为N2,失去电子为12mol,得到12mol电子的是4molNO和1molO2,其中4molNO得8mol电子,1molO2得4mol电子,故其中被NO和O2氧化的NH3的比例为2∶1;②当氨氮比1.0时,过量的氨气与氧气反应生成NO,化学反应为4NH3+5O2
4NO+6H2O,所以烟气中NO浓度增大,烟气中NO的含量增大。
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