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第12讲 碳、硅及其化合物
教材习题回扣
1．(必修1 P81－4)赏心悦目的雕花玻璃是用下列物质中的一种对玻璃进行刻蚀而制成的。这种物质是( )。
A．盐酸 B．氢氟酸 C．烧碱 D．纯碱
2．(必修1 P80－1)有下列物品或设备：①陶瓷餐具；②砖瓦；③水泥路桥；④门窗玻璃；⑤水晶镜片；⑥石英钟表；⑦玛瑙手镯；⑧硅太阳能电池；⑨石英光导纤维；⑩计算机芯片。
(1)用到硅单质的是________(填序号，下同)。
(2)所用材料为SiO2 或要用到SiO2的是____________________。
(3)所用材料为硅酸盐的是____________。
3．(必修1 P80－3)硅酸的工业制法是：将稀释好的硅酸钠和硫酸反应生成水凝胶，经水洗、干燥得到成品。有关反应的化学方程式是________________________________________。
4．(必修1 P81－7)用纯净的石英砂与烧碱反应可以制得水玻璃；将纯碱和二氧化硅共熔，也可以制得水玻璃。试写出反应的化学方程式：______________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
5．(必修1 P81－9)从硅的氧化物可以制取硅单质，主要化学反应如下：
粗硅的制取：SiO2＋2CSi＋2CO↑
石英砂 焦炭 粗硅
由粗硅制纯硅(常用方法)：
Si(粗硅)＋2Cl2 SiCl4
SiCl4＋2H2Si(纯)＋4HCl
根据以上反应，回答下列问题：
(1)在制取粗硅的反应中，焦炭的作用是________。
(2)在由粗硅制纯硅的反应中，氯气与Si的反应属于____________(填反应类型，下同)；SiCl4 与H2的反应属于____________； H2的作用是__________。
(3)在半导体工业中有这样一句话：“从沙滩到用户”，你是如何理解的？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
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能力提升训练
一、单项选择题
1．(2015年江苏连云港模拟)手机芯片是一种在半导体材料上集合多种电子元器件的电路模块。下列可用作半导体材料的是( )。
A．铝 B．硅 C．碳 D．铁
2．(2015年上海模拟)青石棉是一种致癌物质，是《鹿特丹公约》中受限制的46种化学品之一，其化学式为Na2Fe5Si8O22(OH)2。青石棉用稀硝酸溶液处理时，还原产物只有NO，下列说法不正确的是( )。
A．青石棉是一种硅酸盐材料
B．青石棉中含有一定量的石英晶体
C．青石棉的化学组成可表示为Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O
D．1 mol青石棉能将含1 mol HNO3的稀硝酸还原
3．(2016届江苏泰州中学期中)氮化硅(Si3N4)是一种具有耐高温等优异性能的新型陶瓷，工业上可用下列方法制取：3SiO2＋6C＋2N2Si3N4＋6CO。下列说法正确的是( )。
A．氮化硅晶体属于分子晶体
B．氮化硅中氮元素的化合价为－3
C．上述反应中，N2是还原剂，SiO2是氧化剂
D．上述反应中，每生成1 mol Si3N4，N2得到6 mol电子
4．(2016届福建厦门双十中学期中)不能实现如下图转化的单质甲是( )。
A．Si B．S C．Fe D．Cu
5．(2015年广东韶关检测)下列因果关系叙述正确的是( )。
A．纯碱是一种碱，故可用于去油污
B．SiO2能与氢氟酸及碱反应，故SiO2是两性氧化物
C．Na的金属性比Mg强，故可用Na与MgCl2溶液反应制取Mg
D．浓硝酸中的HNO3见光会分解，故有时在实验室看到的浓硝酸呈黄色
6．(2016届四川成都七中段考)将足量的CO2不断通入KOH、Ca(OH)2、KAlO2的混合溶液中，生成沉淀与通入CO2的量的关系可表示为( )。
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A B C D
7．(2016届江苏苏州一模)甲、乙、丙、丁、戊的相互转化关系如图所示(反应条件略去，箭头表示一步转化)。下列各组物质中，不满足下图所示转化关系的是( )。
选项
甲
乙
丙
戊
A
NH3
Cl2
N2
H2
B
C
SiO2
CO
CuO
C
Al(OH)3
NaOH溶液
NaAlO2溶液
CO2
D
乙酸乙酯
NaOH溶液
乙醇
乙酸
二、非选择题
8．(2016年天津河北一模)晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下：
①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；
②粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HClSiHCl3＋H2；
③SiHCl3与过量H2在1000 ℃～1100 ℃反应制得纯硅。
已知SiHCl3能与H2O强烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题：
(1)第①步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(沸点33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点－84.7 ℃)，提纯SiHCl3采用的方法为______________。
(3)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如下(热源及夹持装置略去)：
①装置B中的试剂是__________。装置C中的烧瓶需要水浴加热，其目的是___________________。
②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是________________________，装置D不能采用普通玻璃管的原因是________________________________，装置D中发生反应的化学方程式为________________________________。
③为保证制备纯硅实验的成功，操作的关键是检查实验装置的气密性，控制好反应温度以及__________________。
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④为鉴定产品硅中是否含微量铁单质，将试样用稀盐酸溶解，取上层清液后需再加入的试剂是______(填字母代号)。
a．碘水 b．氯水 c．Mg(OH)2固体 d．KSCN溶液 e．Na2SO3溶液
9．氮化硅(Si3N4)是高温结构陶瓷，具有优良的性能，人们常常利用它来制造轴承、汽轮叶片、永久性模具等机械构件。设计的合成氮化硅工艺流程如下：
(1) ①电弧炉中主要反应的化学方程式为：________________________________
________________________________________________________________________________________________________________。
②用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅，该反应的化学方程式为：__________________________________，碳化硅晶体是________晶体。
(2)在流化床反应的气态产物中，SiCl4大约占85%，还有Cl2等，有关物质的沸点数据如下表：
物质
Si
SiCl4
Cl2
沸点/℃
2355
57.6
－34.1
提纯SiCl4的主要工艺操作依次是沉降、________，其中温度最好控制在______(填序号)。
A．略小于－34.1 ℃ B．大于57.6 ℃
C．略小于57.6 ℃ D．－34.1 ℃
(3)①粉末状Si3N4遇水能生成一种有刺激性气味、常用作制冷剂的气体和一种难溶性的酸，该反应的方程式为：_______________________________________________________。
②该工艺流程中涉及的主要反应属于氧化还原反应的有________个。
10．(2016届甘肃诊断)硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了许多奇迹。
(1)新型陶瓷Si3N4的熔点高、硬度大、化学性质稳定。工业上可以采用化学气相沉积法，在H2的保护下，使SiCl4与N2反应生成Si3N4沉积在石墨表面，写出该反应的化学方程式____________________________________。
(2)已知硅的熔点是1420 ℃，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。一种用工业硅(含少量钾、钠、铁、铜的氧化物)合成氮化硅的主要工艺流程如下：
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) ΔH＝－727.5 kJ·mol－1
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，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__________________________。
③X可能是____________(填“盐酸”“硝酸”“硫酸”或“氢氟酸”)。
(3)工业上可以通过如下图所示的流程制取纯硅：
①整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水能发生剧烈反应，写出该反应的化学方程式：__________________________________。
②假设每一轮次制备1 mol纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应Ⅰ中HCl的利用率为90%，反应Ⅱ中H2的利用率为93.75%。则在第二轮次的生产中，补充投入HCl和H2的物质的量之比是________。
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第12讲 碳、硅及其化合物
【教材习题回扣】
1．B
2．(1)⑧⑩ (2)④⑤⑥⑦⑨ (3)①②③④
3．Na2SiO3＋H2SO4＋H2O===H4SiO4↓＋Na2SO4，H4SiO4===H2SiO3＋H2O
4．SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O，Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑
5．(1)作还原剂 (2)化合反应 置换反应 作还原剂 (3)SiO2(沙滩物质)——Si(粗)——Si(纯)——集成电路产品如电脑(用户)
【能力提升训练】
1．B
2．B 解析：硅酸盐指的是硅、氧与其他化学元素(主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等)结合而成的化合物的总称，所以青石棉是一种硅酸盐产品，A正确；硅酸盐中不含二氧化硅，所以青石棉中不含石英晶体，B错误；硅酸盐写成氧化物形式的先后顺序为：活泼金属氧化物、较活泼金属氧化物、二氧化硅、水，C正确；青石棉用稀硝酸溶液处理时，还原产物只有NO，所以青石棉中含有二价铁离子；根据氧化还原反应中得失电子相等判断青石棉与硝酸的关系式为：Na2O·3FeO·Fe2O3·8SiO2·H2O～HNO3，所以1 mol青石棉能使1 mol硝酸被还原，D正确。
3．B 解析：氮化硅晶体中的构成微粒是原子，原子间以共价键相结合构成原子晶体，故A错误；氮化硅中氮元素的电负性大于硅元素，所以氮元素显负价，硅元素显正价，硅元素的化合价是＋4价，化合物中各元素的化合价代数和为0，所以氮元素的化合价是－3价，故B正确；该反应中，氮气得电子，碳失电子，二氧化硅中各元素的化合价不变，所以氮气是氧化剂，碳是还原剂，故C错误；上述反应中，每生成1 mol Si3N4，N2得到2×2×＝12 mol电子，故D错误。
4．A 解析：单质硅可以和氧气反应生成二氧化硅，氢气可以从四氯化硅中置换出单质硅，但是二氧化硅和盐酸之间不反应，A错误；硫单质可以和铁反应得到硫化亚铁，硫化亚铁可以和强酸反应生成硫化氢，氯气可以和硫化氢反应从中置换出硫单质，B正确；金属铁可以和单质硫反应得到硫化亚铁，硫化亚铁可以和强酸反应生成亚铁盐，亚铁盐中可以置换出金属铁，C正确；金属铜可以和单质氧气反应得到氧化铜，氧化铜可以和强酸反应生成铜盐，铜盐中可以置换出金属铜，D正确。
5．D 解析：纯碱是Na2CO3，属于盐类，A项错误；SiO2能与少数几种酸碱反应，不具备普遍性，不能算作两性氧化物，B项错误；Na与MgCl2溶液反应，首先是Na与H2O反应生成H2而不会得到Mg，C项错误。
6．C 解析：将CO2气体通入含有KOH，Ca(OH)2，KAlO2的混合溶液中，CO2先与Ca(OH)2
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反应(有沉淀CaCO3生成)；当Ca(OH)2消耗完毕后再与KOH反应(此时无沉淀)；最后与KAlO2反应。过量的CO2还可以继续与K2CO3反应得到KHCO3，继续过量的CO2还可以使CaCO3沉淀溶解，最后是Al(OH)3沉淀。图形应该是：出现沉淀(CaCO3)，平台，沉淀增加，平台，沉淀减少(CaCO3溶解)。C符合沉淀、平台、沉淀增加、平台、沉淀减少、平台。
7．B 解析：8NH3＋3Cl2===6NH4Cl＋N2,3H2＋N22NH3，A能实现转化；SiO2＋2CSi＋2CO↑，CO＋CuOCu＋CO2，B不能实现转化；Al(OH)3＋NaOH===NaAlO2＋2H2O，NaAlO2＋CO2＋2H2O===Al(OH)3↓＋NaHCO3 ，C能实现转化；CH3COOCH2CH3＋NaOHCH3CH2OH＋CH3COONa，乙醇和乙酸发生酯化反应生成乙酸乙酯和水，化学反应为CH3CH2OH＋CH3COOHCH3COOCH2CH3＋H2O，D能实现转化。
8．(1)SiO2＋2CSi＋2CO↑ (2)分馏(或蒸馏)
(3)①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3气化
②石英管的内壁附有灰黑色晶体 高温下，普通玻璃会软化 SiHCl3＋H2Si＋3HCl
③排尽装置中的空气 ④bd
解析：(1)高温下，碳和二氧化硅反应生成硅和一氧化碳，反应方程式为：SiO2＋2CSi＋2CO↑。(2)SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点－84.7 ℃)，由于沸点差别较大，可以通过分馏除去杂质。(3)①锌和稀硫酸的反应是放热反应，所以生成的氢气含有水蒸气，为干燥氢气，B装置中应装浓H2SO4；气体的反应速率较大，所以加热的目的是使SiHCl3气化。②高温下，SiHCl3和氢气反应生成硅单质，硅单质是灰黑色固体，所以D装置中的现象是：石英管的内壁附有灰黑色晶体；由于高温下，普通玻璃会软化，所以使用石英玻璃；反应方程式为：SiHCl3＋H2Si＋3HCl。③氢气是可燃性气体，当氢气的量达到一定时易产生爆炸，为防止安全事故的发生，应先通一段时间H2，将装置中的空气排尽。④铁能和酸反应生成亚铁离子，亚铁离子有还原性，亚铁离子能被氯水氧化生成铁离子，铁离子遇硫氰化钾溶液变红色，所以可以用氯水和硫氰化钾溶液检验铁的存在。
9．(1)①SiO2＋2CSi(粗硅)＋2CO↑
②SiO2＋3CSiC＋2CO↑ 原子
(2)冷凝(或降温) C
(3)①Si3N4＋9H2O===4NH3↑＋3H2SiO3 ②2
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解析：(3)②该合成氮化硅工艺流程中发生的主要反应是：SiO2＋2CSi(粗硅)＋2CO↑(氧化还原反应)，Si＋2Cl2SiCl4(氧化还原反应)，3SiCl4＋4NH3Si3N4＋12HCl(非氧化还原反应)。
10．(1)3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl
(2)①除去原料气中的氧气 除去生成的水蒸气
②反应是放热反应，需要控制温度防止局部过热，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(或将整个体系中空气排尽) ③硝酸
(3)①SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl
②5∶1
解析：(1)由题意知，在H2的保护下，SiCl4与N2反应生成Si3N4，该反应的化学方程式为3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl。(2)①Cu能与氧气反应，所以Cu屑的作用为除去原料气中的氧气；硅胶具有吸水性，可除去生成的水蒸气。②该反应为放热反应，开始时严格控制氮气的流速以控制温度是防止局部过热，导致硅熔化熔合成团，阻碍与N2的接触；体系中要通入适量的氢气是为了将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去(或将整个体系中空气排尽)。③氮化硅能与HF酸反应，Cu与盐酸、稀硫酸均不反应，氮化硅中混有铜粉，为除去混有的Cu，可选择硝酸，Cu与硝酸反应，而氮化硅与硝酸不反应。(3)①SiHCl3遇水剧烈反应，化学反应方程式SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋H2↑＋3HCl；②由题意可知：Si(粗)＋3HCl===SiHCl3＋H2；SiHCl3＋H2===Si(纯)＋3HCl；根据方程式，制备1 mol纯硅，循环生产中能产生3 mol HCl，但HCl的利用率是90%，因此需要增加 mol HCl，循环生产中产生1 mol H2，但H2的利用率为93.75%，因此需增加－1 mol H2，因此，补充投入HCl 和H2的物质的量之比为：∶－1＝5∶1。
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