专练16 碳硅与新型无机非金属材料
专练16 碳硅与新型无机非金属材料
一、单项选择题
1．[·全国乙卷]我国提出争取在年前实现碳达峰、年前实现碳中和，这对于改善环境、实现绿色发展至关重要。“碳中和”是指CO2的排放总量和减少总量相当。下列措施中能促进碳中和最直接有效的是()
A．将重质油裂解为轻质油作为燃料
B．大规模开采可燃冰作为新能源
C．通过清洁煤技术减少煤燃烧污染
D．研发催化剂将CO2还原为甲醇
2．[·辽宁大连测试]《厉害了，我的国》展示了中国在航空、深海、交通、互联网等方面取得的举世瞩目的成就，它们与化学有着密切联系。下列说法正确的是()
A．“神舟十一号”宇宙飞船返回舱外表面使用的高温结构陶瓷的主要成分是硅酸盐
B．港珠澳大桥使用高性能富锌底漆防腐，依据的是外加电流的阴极保护法
C．我国提出网络强国战略，光缆线路总长超过三千万公里，光缆的主要成分是晶体硅
D．化学材料在北京大兴机场的建设中发挥了巨大作用，其中高强度耐腐蚀钢筋属于无机材料
3．[·云南昆明摸底]在海洋碳循环中，通过如图所示的途径固定碳。下列说法错误的是()
A．该循环过程中未涉及氧化还原反应
B．光合作用能将太阳能转化为化学能
C．钙化作用涉及的离子方程式之一为Ca2＋＋2HCO===CaCO3↓＋CO2↑＋H2O
D．吸收作用中产生HCO的途径为CO2＋H2OH2CO3，H2CO3HCO＋H＋
4．[·山东，4]下列关于C、Si及其化合物结构与性质的论述错误的是()
A．键能C—CSi—Si、C—HSi—H，因此C2H6稳定性大于Si2H6
B．立方型SiC是与金刚石成键、结构均相似的共价晶体，因此具有很高的硬度
C．SiH4中Si的化合价为＋4，CH4中C的化合价为－4，因此SiH4还原性小于CH4
D．Si原子间难形成双键而C原子间可以，是因为Si的原子半径大于C，难形成p-pπ键
5．用足量的CO还原13.7g某铅氧化物，把生成的CO2全部通入到过量的澄清石灰水中，得到的沉淀干燥后质量为8.0g，则此铅氧化物的化学式是()
A．PbOB．Pb2O3
C．Pb3O4D．PbO2
6．工业上利用无机矿物资源生产部分材料的流程示意图如下。下列说法正确的是()
(注：铝土矿中含有Al2O3、SiO2、Fe2O3)
A．在铝土矿制备较高纯度Al的过程中只用到NaOH溶液、CO2气体、冰晶石
B．石灰石、纯碱、石英、玻璃都属于盐，都能与盐酸反应
C．在制粗硅时，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1：2
D．黄铜矿(CuFeS2)与O2反应产生的Cu2S、SO2均是还原产物
7．有一粗硅，含杂质铁，取等质量的样品分别投入足量的稀盐酸和足量的稀氢氧化钠溶液中，放出等量的H2，则该粗硅中铁和硅的关系正确的是(提示：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑)()
A．物质的量之比为1：1B．物质的量之比为1：2
C．质量之比为4：1D．质量之比为2：1
二、不定项选择题
8．下列物质性质与应用对应关系正确的是()
A．晶体硅熔点高硬度大，可用于制作半导体材料
B．氢氧化铝具有弱碱性，可用于制胃酸中和剂
C．漂白粉在空气中不稳定，可用于漂白纸张
D．氧化铁能与酸反应，可用于制作红色涂料
9．将足量CO2气体通入水玻璃中，然后加热蒸干，再在高温下充分燃烧，最后所得的固体物质是()
A．硅酸钠B．碳酸钠，硅酸钠
C．碳酸钠，二氧化硅D．二氧化硅
10．多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳能电池等的主要原料。已知多晶硅第三代工业制取流程如图所示：
下列说法错误的是()
A．Y、Z分别为H2、Cl2
B．制取粗硅时焦炭与石英发生副反应生成碳化硅，该副反应中，氧化剂与还原剂的物质的量之比为2：1
C．SiHCl3极易水解，产物为H2SiO3、H2、HCl，据此推测SiHCl3中硅为＋2价
D．多晶硅是硅的一种同素异形体
11．下列离子方程式的书写正确的是()
A．水玻璃中通入过量的二氧化碳：Na2SiO3＋CO2＋H2O===2Na＋＋CO＋H2SiO3↓
B．澄清石灰水中通入过量二氧化碳：Ca(OH)2＋2CO2===Ca2＋＋2HCO
C．硅与氢氟酸的反应：Si＋4HF===SiF4↑＋2H2↑
D．二氧化硅溶于烧碱溶液中：SiO2＋2OH－===SiO＋H2O
12．某二价金属的碳酸盐和碳酸氢盐的混合物，跟足量的稀盐酸反应，消耗的H＋和生成的CO2的物质的量之比为5：4，则该混合物中碳酸盐和碳酸氢盐的物质的量之比为()
A．1：1B．1：2
C．1：3D．2：3
三、非选择题
13．Ⅰ.在工业中加热条件下利用镁制取硅：2Mg＋SiO22MgO＋Si，同时有副反应发生：2Mg＋SiMg2Si，Mg2Si遇盐酸迅速反应生成SiH4(硅烷)，SiH4在常温下是一种不稳定、易分解的气体。如图是进行Mg与SiO2反应的实验装置：
(1)由于氧气的存在对该实验有较大影响，实验中应通入气体X作为保护气，试管中的固体药品可选用________(填序号)。
a．石灰石 b．锌粒 c．纯碱
(2)实验开始时，必须先通入X气体，再加热反应物，其理由是________，当反应开始后，移走酒精灯反应能继续进行，其原因是______________________。
(3)反应结束后，待冷却至常温时，往反应后的混合物中加入稀盐酸。可观察到闪亮的火星，产生此现象的原因用化学方程式表示为________。
Ⅱ.草酸晶体受热分解产物中含有CO和CO2气体，为验证气体中含有CO气体，可用下图所示的部分装置(可以重复选用)进行实验：
(4)该实验方案设计的装置中，按气体流向依次连接的合理顺序为________。
(5)能证明混合气体中有CO的实验现象是__________________________________。
(6)若不用F装置，则多余的CO气体将如何处理__________________________________。
14．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”)，该电极反应方程式为________________________。
(2)已知体系自由能变ΔG＝ΔH－TΔS，ΔG0时反应自发进行。三个氢化反应的ΔG与温度的关系如图1所示，可知：反应①能自发进行的最低温度是________________；相同温度下，反应②比反应①的ΔG小，主要原因是________________________。
(3)不同温度下反应②中SiCl4转化率如图2所示。下列叙述正确的是____________(填序号)。
a．B点：v正v逆
b．v正：A点E点
c．反应适宜温度：～℃
(4)反应③的ΔH3＝____________(用ΔH1，ΔH2表示)。温度升高，反应③的平衡常数K____________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(5)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)。
15．下图中反应①是制备SiH4的一种方法，其副产物MgCl2·6NH3是优质的镁资源。回答下列问题：
(1)MgCl2·6NH3所含元素的简单离子半径由小到大的顺序(H－除外)：________，Mg在元素周期表中的位置：________，Mg(OH)2的电子式：________。
(2)A2B的化学式为__________。反应②的必备条件是________。上图中可以循环使用的物质有________。
(3)在一定条件下，由SiH4和CH4反应生成H2和一种固体耐磨材料________(写化学式)。
(4)为实现燃煤脱硫，向煤中加入浆状Mg(OH)2，使燃烧产生的SO2转化为稳定的Mg化合物，写出该反应的化学方程式：________________________________________________。
专练16 碳硅与新型无机非金属材料
1．D 无论是重质油还是轻质油，燃烧时均会产生大量CO2，对CO2排放量的降低几乎无影响，A项错误；可燃冰中的甲烷燃烧也会产生大量的CO2，B项错误；减少煤燃烧产生的污染与碳中和无关，C项错误；将CO2转化为甲醇可促进碳中和，D项正确。
2．D 高温结构陶瓷种类很多，包括氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷等，它们均不属于硅酸盐，A项错误；港珠澳大桥使用高性能富锌底漆防腐，依据的是牺牲阳极的阴极保护法，B项错误；光缆的主要成分是二氧化硅，C项错误；钢筋属于无机材料，D项正确。
3．A 光合作用中，利用太阳能将二氧化碳、水转化为(CH2O)n和O2，发生的是氧化还原反应，A项错误；由图可知，光合作用将太阳能转化为化学能，B项正确；NaHCO3和Na2CO3与CaCl2发生的离子反应分别为Ca2＋＋2HCO===CaCO3↓＋CO2↑＋H2O、Ca2＋＋CO===CaCO3↓，C项正确；二氧化碳溶于水，发生反应：CO2＋H2OH2CO3，H2CO3H＋＋HCO，D项正确。
4．CA项，分子内的键能越大，键长越短，分子越稳定，正确；B项，SiC共价晶体内只存在强度很大的C—Si共价键，并且原子之间形成稳定的空间立体网状结构，故硬度很高，正确；C项，非金属性CSi，则键能C—HSi—H，键长Si—HC—H，稳定性CH4SiH4，气态氢化物稳定性越强，其还原性越弱，故还原性SiH4CH4，错误；D项，Si原子半径较大，p轨道电子云肩并肩重叠程度小，很难形成p-pπ键，正确。
5．C 根据CaCO3的量可以得到CO2的生成量，n(CO2)＝n(CaCO3)＝＝0.08mol，铅氧化物被CO还原，则生成的CO2分子中的一个氧元素来自铅氧化物中的氧元素，所以CO2的物质的量等于铅氧化物中氧元素的物质的量。由CO2的量可知该铅的氧化物中氧原子的物质的量为0.08moL，含有氧原子的质量为0.08×16＝1.28g，则13.7g铅的氧化物中铅的质量为13.7－1.28＝12.42g，物质的量为＝0.06mol，则该氧化物中＝＝，所以该铅氧化物的化学式为Pb3O4，C项正确。
6．C 在铝土矿制备较高纯度Al的过程中除用到NaOH溶液、CO2气体、冰晶石，还用到盐酸，A错误；石英不属于盐，不能与盐酸反应，B错误；由方程式SiO2＋2CSi＋2CO↑可知在制粗硅时，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1:2，C正确；SO2是氧化产物，D错误。
7．C 粗硅与盐酸反应是其中的Fe与盐酸反应：Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑，粗硅与碱反应是其中的硅与碱液反应：Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。因放出等量H2，则Fe与Si的物质的量之比为2:1，质量之比为4:1。
8．B 晶体硅熔点高硬度大，可以制作玻璃刀等，硅位于金属和非金属分界线处，可用于制作半导体材料，二者没有关系，选项A错误；胃酸的主要成分是HCl，氢氧化铝具有弱碱性，能中和酸，二者有对应关系，选项B正确；漂白粉漂白纸张是因为其具有漂白性，而与稳定性无关，选项C错误；氧化铁用作红色涂料是因为其显红棕色且化学性质相对较稳定，而与能否与酸反应无关，选项D错误。
9．A 二氧化碳先与水玻璃反应生成硅酸和碳酸氢钠，蒸干灼烧时，硅酸分解成二氧化硅和水，碳酸氢钠分解得到碳酸钠、二氧化碳和水；二氧化硅和碳酸钠在高温下又发生反应，生成二氧化碳和硅酸钠，所以最终所得固体是硅酸钠。所以A选项是正确的。
10．BC 电解饱和食盐水得到NaOH、H2、Cl2，Y和Z点燃下能够发生反应，即X为NaOH，根据流程中，SiHCl3被还原成Si，即Y为H2，Z为Cl2，故A说法正确；焦炭和石英发生的副反应：SiO2＋3CSiC＋2CO↑，焦炭既是氧化剂又是还原剂，氧化剂与还原剂物质的量之比为1:2，故B说法错误；SiHCl3水解的产物是H2SiO3、H2、HCl，推出SiHCl3中H应为－1价，即Si的化合价为＋4价，故C说法错误；多晶硅为单质，是硅的一种同素异形体，故D说法正确。
11．CDNa2SiO3是强电解质，应该拆分，且生成HCO，故A错误；澄清石灰水中通入过量二氧化碳，反应产物是碳酸氢钙，氢氧化钙是强电解质，应该拆分，故B错误；HF是弱酸，不能拆分，故C正确；二氧化硅与烧碱溶液反应：SiO2＋2OH－===SiO＋H2O，故D正确。
12．D 设碳酸盐和碳酸氢盐的物质的量分别为xmolMCO3、ymolM(HCO3)2，则反应时，1molMCO3消耗2molHCl，生成1molCO2,1molM(HCO3)2消耗2molHCl，生成2molCO2，故n(H＋)＝2x＋2y，n(CO2)＝x＋2y，则＝，解得x:y＝2:3，故D项正确。
13．(1)b
(2)让氢气排尽装置内的空气，避免空气中的成分对实验的影响 该反应为放热反应，可利用自身放出的热量维持反应进行
(3)Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O
(4)C→A→D→E→A→F
(5)E中黑色粉末变为红色；前一个A中澄清石灰水无明显现象，后一个A中澄清石灰水变浑浊
(6)先通入C装置除去CO2气体后，再将剩余的气体点燃
解析：(1)Mg可以与CO2反应生成氧化镁和碳，Mg与氢气不能发生反应，因此可用氢气作为保护气，选用的药品为稀硫酸和锌粒，再用浓硫酸干燥；(2)装置中有空气，若不用氢气排空装置中的空气，氢气和空气的混合气体燃烧会发生爆炸，所以反应开始前应该先通氢气排尽装置中的空气；Mg与SiO2反应的条件是加热，停止加热后，反应能继续进行，说明该反应为放热反应，可利用自身放出的热量维持反应进行；
(3)Mg2Si遇盐酸迅速反应生成SiH4(硅烷)，其反应的方程式为：Mg2Si＋4HCl===2MgCl2＋SiH4↑，SiH4常温下是一种不稳定、易自燃的气体，反应的方程式为SiH4＋2O2===SiO2＋2H2O，所以往反应后的混合物中加入稀盐酸，可观察到闪亮的火星。(4)要验证草酸晶体分解产物中有CO，只能通过检验CO与CuO反应的产物CO2的存在来达到这一目的。因为草酸晶体的分解产物本身含有CO2，会对CO的检验造成干扰，所以在检验CO前应将分解产物中的CO2除尽，可选用C装置来除去CO2，A装置用来检验CO2是否除尽．将除去CO2的气体通过盛有无水氯化钙的装置D干燥，然后通过盛有CuO的装置E，CuO将CO氧化为CO2，再将气体通过盛有澄清石灰水的A装置，用来检验CO2的存在。因CO有毒，最后可将尾气通过排水法收集。(5)若前一个装置A中澄清石灰水不变浑浊，说明草酸晶体分解的产物CO2已除尽；E中黑色CuO变红，同时其后的装置A中澄清石灰水变浑浊，说明草酸晶体分解产物中含有CO。(6)F装置的作用是收集CO气体，以防污染环境，更换的方法是将气体先通入C装置除去CO2气体后，将CO点燃。
14．Ⅰ.Si(s)＋3HCl(g)SiHCl3(g)＋H2(g)ΔH＝－kJ·mol－1
Ⅱ.(1)阴极 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－或2H＋＋2e－===H2↑
(2)℃ΔH2ΔH1导致反应②的ΔG小
(3)a、c
(4)ΔH2－ΔH1 减小
(5)HCl、H2
解析：本题涉及的知识点有热化学方程式的书写、电子式的书写、电解原理、反应自发性、化学平衡等；通过阅读题目提取信息，考查了接受、吸收、整合化学信息的能力；通过分析题图、推理等认识研究对象的本质特征，体现了证据推理与模型认知的学科核心素养，以及创新思维和创新意识的价值观念。
Ⅰ.放热焓变为负值，书写热化学方程式时应标明物质状态。
Ⅱ.(1)电解KOH溶液，H2为还原产物，则产生H2的电极为阴极，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
(2)ΔG0时反应自发进行，由图1可知温度高于℃时反应①的ΔG0。反应①的ΔH10、ΔS1＝0，而反应②的ΔH20、ΔS20，相同温度下，ΔH对反应的影响较大，故反应①的ΔG较反应②大。
(3)根据图2，在温度变化过程中D点SiCl4转化率最高，为平衡点。B点反应向正反应方向进行：v正v逆，a项正确；E点温度比A点高，正反应速率：A点E点，b项错误；C到D温度区间SiCl4的转化率较高，对应温度为～℃，c项正确。
(4)由盖斯定律，反应③＝反应②－反应①，故ΔH3＝ΔH2－ΔH10。升高温度，反应③逆向移动，该反应的平衡常数减小。
(5)从流程图看，除SiCl4、SiHCl3和Si外，H2、HCl既是某反应的产物，又是其他反应的反应物，故H2、HCl也可以循环使用。
15．(1)r(H＋)r(Mg2＋)r(N3－)r(Cl－) 第三周期ⅡA族[H:····:]－Mg2＋[:····:H]－。
(2)Mg2Si 熔融电解 NH3NH4Cl
(3)SiC(4)2Mg(OH)2＋2SO2＋O2===2MgSO4＋2H2O
解析：(1)MgCl2·6NH3所含元素形成的简单离子为Mg2＋、Cl－、N3－、H＋，这几种离子半径由小到大的顺序为：r(H＋)r(Mg2＋)r(N3－)r(Cl－)。Mg在周期表的第三周期ⅡA族。氢氧化镁是离子化合物，其中含有1个Mg2＋和2个OH－，所以电子式为：[H:····:]－Mg2＋[:····:H]－。
(2)根据元素守恒，A2B中就一定有Mg和Si，考虑到各自化合价Mg为＋2，Si为－4，所以化学式为Mg2Si。反应②是MgCl2熔融电解得到单质Mg，所以必备条件为：熔融、电解。反应①需要的是Mg2Si、NH3和NH4Cl，而后续过程又得到了NH3和NH4Cl，所以可以循环的是NH3和NH4Cl。
(3)在一定条件下，由SiH4和CH4反应生成H2和一种固体耐磨材料，该耐磨材料一定有Si和C，考虑到课本中介绍了碳化硅的高硬度，所以该物质为SiC。
(4)为实现燃煤脱硫，向煤中加入浆状Mg(OH)2，使燃烧产生的SO2转化为稳定的Mg化合物，二氧化硫是酸性氧化物与氢氧化镁这样的碱应该反应得到盐(亚硫酸镁)，考虑到题目要求写出得到稳定化合物的方程式，所以产物应该为硫酸镁(亚硫酸镁被空气中的氧气氧化得到)，所以反应为：2Mg(OH)2＋2SO2＋O2===2MgSO4＋2H2O。
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