第4章 第3节 无机非金属材料-【名师导航】2025年高考化学一轮总复习讲义（人教版）

第三节　无机非金属材料 1．根据对硅及其化合物性质及用途的学习，从物质微观层面理解其组成、结构、性质和变化。 2．具有探索未知的意识和严谨求实的科学态度；肯定硅单质、二氧化硅对社会发展的重大贡献。 一、硅酸盐材料 1．陶瓷 (1)原料：陶瓷是以黏土(主要成分为含水的铝硅酸盐)为主要原料，经高温烧结而成。 (2)应用：生产建筑材料、绝缘材料、日用器皿、卫生洁具等。 2．玻璃 (1)普通玻璃的主要成分：Na2SiO3、CaSiO3、SiO2。 (2)原料：纯碱(Na2CO3)、石灰石(CaCO3)、石英砂(SiO2)。 (3)制作过程：将原料经混合、粉碎，在玻璃窑中熔融，发生复杂的物理和化学变化而制得。 (4)生产设备：玻璃窑。 (5)发生的化学反应：SiO2＋Na2CO3、 SiO2＋CaCO3 (6)用途：生产建筑材料、光学仪器、各种器皿，还可制造玻璃纤维用于高强度复合材料等。 3．水泥 (1)主要原料：石灰石、黏土； 辅助原料：适量的石膏。 (2)生产设备：水泥回转窑。 (3)用途：水泥、沙子和碎石等与水混合可以得到混凝土，大量用于建筑和水利工程。 二、新型无机非金属材料 1．硅和二氧化硅 (1)硅 ①存在：硅以化合态形式存在于自然界中。 ②结构：三维骨架结构。 ③用途：晶体硅用作半导体材料、硅芯片和硅太阳能电池。 ④制备： 其中涉及的主要化学反应为 Ⅰ.SiO2＋2CSi＋2CO↑； Ⅱ.Si＋3HClSiHCl3＋H2； Ⅲ.SiHCl3＋H2Si＋3HCl。 (2)二氧化硅 ①用途：用来生产光导纤维。 ②化学性质 a．与强碱反应：SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O (盛装NaOH的试剂瓶用橡胶塞)。 b．与氢氟酸(HF)反应：SiO2＋4HF===SiF4↑＋2H2O(可以用HF来刻蚀玻璃；用塑料瓶盛装HF)。 c．与盐反应：SiO2＋Na2CO3Na2SiO3＋CO2↑，SiO2＋CaCO3 CaSiO3＋CO2↑。 SiO2是酸性氧化物，但不与水反应，不能用SiO2与水反应制备H2SiO3。 2．新型陶瓷 新型陶瓷在光学、热学、电学、磁学等方面具有很多新的特性和功能。如金刚砂(SiC)的硬度很大，可用作砂纸和砂轮的磨料。 3．碳纳米材料 (1)富勒烯：由碳原子构成的一系列笼形分子的总称，其中的C60是富勒烯的代表物。 (2)碳纳米管：可以看成是由石墨片层卷成的管状物，具有纳米尺度的直径。 (3)石墨烯：只有一个碳原子直径厚度的单层石墨，其独特的结构使其电阻率低、热导率高，具有很高的强度。 (1)晶体硅熔点高、硬度大，故可用于制作半导体材料。(　×　) (2)用焦炭还原SiO2，产物是CO而不是CO2。(　√　) (3)SiO2是酸性氧化物，可用SiO2与水作用制备H2SiO3。(　×　) (4)保存NaOH溶液的试剂瓶可用玻璃塞。(　×　) (5)依据反应Na2CO3＋SiO2Na2SiO3＋CO2↑可知，H2SiO3的酸性比H2CO3强。(　×　) 硅及其化合物的转化关系 　无机非金属材料及应用 考向1 无机非金属材料及应用 1．(2022·河北卷)定窑是宋代五大名窑之一，其生产的白瓷闻名于世。下列说法正确的是(　　) A．传统陶瓷是典型的绝缘材料 B．陶瓷主要成分为SiO2和MgO C．陶瓷烧制的过程为物理变化 D．白瓷的白色是因铁含量较高 A　解析：陶瓷是良好的绝缘体，传统陶瓷是典型的绝缘材料，常用于高压变压器的开关外包装和器件，A正确；陶瓷的主要成分为硅酸盐，B错误；陶瓷烧制过程发生复杂的化学反应，有新物质生成，属于化学变化，C错误；由于Fe2+、Fe3+和铁的氧化物均有颜色，故陶瓷中含铁量越高，陶瓷的颜色越深，白瓷的白色是因为铁含量较低甚至几乎不含，D错误。 2．硅是构成无机非金属材料的一种主要元素。下列有关硅及其化合物的叙述错误的是(　　) A．氮化硅陶瓷是一种高温结构陶瓷，其化学式为Si3N4 B．高纯硅可以制成计算机、通信设备等的芯片 C．硅可以用来生产新型无机非金属材料——光导纤维 D．二氧化硅为三维骨架结构，每个硅原子结合4个氧原子 C　解析：氮化硅陶瓷是一种高温结构陶瓷，氮化硅中各元素的原子最外层达到8电子稳定结构，硅原子最外层电子数为4，氮原子最外层电子数为5，要形成8电子稳定结构，则二者个数比值为3∶4，其化学式为Si3N4，故A正确；高纯硅具有良好的半导体性能，可以制成计算机、通信设备等的芯片，故B正确；光导纤维的主要成分是二氧化硅，属于新型无机非金属材料，故C错误；二氧化硅为共价晶体，为三维骨架结构，其晶体中每个硅原子结合4个氧原子，每个氧原子结合2个硅原子，硅原子和氧原子个数之比为1∶2，故D正确。 3．近年来，我国科技迅猛发展。下列对科技成果中蕴含的化学知识的说法不正确的是(　　) A．建造港珠澳大桥所采用的高强抗震螺纹钢属于合金 B．中国天眼FAST用到的SiC是新型无机非金属材料 C．芯片的主要成分是单质硅 D．飞船返回舱使用氮化硅耐高温结构材料，Si3N4属于分子晶体 D　解析：建造港珠澳大桥所采用的高强度抗震螺纹钢属于铁碳合金，A项正确；SiC中的碳原子和硅原子通过共价键连接，具有硬度很大、优异的高温抗氧化性能，SiC属于新型无机非金属材料，B项正确；利用硅的半导体性能可以制成计算机、通信设备和家用电器等的芯片，即芯片的主要成分是单质硅，C项正确；Si3N4是耐高温结构材料，Si3N4属于共价晶体，D项错误。 (1)传统的无机非金属材料的比较 类别 水泥 玻璃 陶瓷 主要成分 硅酸盐 Na2SiO3、CaSiO3 和SiO2 含水的铝硅酸盐 生产原料 石灰石、黏土 纯碱、石灰石、石英砂 黏土 主要设备 水泥回转窑 玻璃窑 陶瓷窑 (2)常见的新型陶瓷 材料类型 主要特性 示例 高温结构陶瓷 耐高温、抗氧化、耐磨蚀 碳化硅、氮化硅或某些金属氧化物等烧结而成 压电陶瓷 能实现机械能与电能的相互转化 钛酸盐、锆酸盐 透明陶瓷 优异的光学性能，耐高温，绝缘性好 氧化铝、氧化钇、氮化铝、氟化钙 超导陶瓷 在某一临界温度下电阻为零，具有超导性 — 考向2 | 硅单质的制备 4．设NA为阿伏加德罗常数的值。工业上制备高纯度硅的反应有： ①SiO2＋2CSi＋2CO↑； ②Si＋3HClSiHCl3＋H2； ③SiHCl3＋H2Si＋3HCl。 已知：H、Si的电负性依次为2.1、1.8。下列有关说法正确的是(　　) A．①中，30 g氧化剂含极性键数目为NA B．②中，生成1 g H2时转移电子数为NA C．②和③互为可逆反应 D．②和③的目的是除去粗硅中的杂质 D　解析：①SiO2＋2CSi＋2CO↑中硅元素的化合价降低，SiO2是氧化剂，30 g SiO2的物质的量为＝0.5 mol，含Si—O极性键为0.5 mol×4＝2 mol，数目为2NA，故A错误；已知H、Si的电负性依次为2.1、1.8，SiHCl3中的H和Cl为－1价，Si为＋4价，②Si＋3HClSiHCl3＋H2中，部分氢元素由＋1价降低到0价，部分由＋1价降低到－1价，1 g H2的物质的量为＝0.5 mol，生成0.5 mol H2时转移0.5 mol×2＋1 mol＝2 mol电子，数目为2NA，故B错误；②和③反应条件不同，不互为可逆反应，故C错误；②和③的目的是除去粗硅中的杂质，故D正确。 5．多晶硅是单质硅的一种形态，是制造硅抛光片、太阳能电池及高纯硅制品的主要原料。多晶硅第三代工业制取流程如图所示。已知：SiHCl3遇水剧烈水解。下列说法错误的是(　　) A．Y、Z分别为H2、Cl2 B．制取粗硅过程可能发生反应：SiO2＋3CSiC＋2CO↑ C．提纯SiHCl3可采用萃取、分液的方法 D．为防止SiHCl3水解而损失及H2燃炸，“还原”步骤应在无水、无氧条件下进行 C　解析：电解饱和NaCl溶液，反应产生NaOH、H2、Cl2，X是NaOH，H2和Cl2反应产生HCl，焦炭与石英在高温下反应产生粗硅，HCl与粗硅反应产生SiHCl3和少量SiCl4，SiHCl3和SiCl4是沸点不同的混合物，经分馏分离提纯得到SiHCl3，SiHCl3和H2在加热条件下反应产生多晶硅和HCl，所以Y是H2，Z是Cl2。根据上述分析可知，X是NaOH，Y是H2，Z是Cl2，A正确；焦炭与石英在高温下发生反应制取粗硅，反应的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，同时可能发生副反应：SiO2＋3CSiC＋2CO↑，B正确；SiHCl3和SiCl4是沸点不同的、互溶的液体混合物，可以采用蒸馏的方法进行分离，而不采用萃取、分液的方法，C错误；已知SiHCl3遇水剧烈水解，且H2是可燃性气体，与O2混合点燃可能会发生爆炸，因此为防止SiHCl3水解而损失及H2燃炸，“还原”步骤应在无水、无氧条件下进行，D正确。 在设计制备纯硅的实验题中，常遇到的知识点 (1)粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si(粗)＋3HClSiHCl3＋H2。 (2)SiHCl3与过量H2在高温下反应制得纯硅：SiHCl3＋H2Si(纯)＋3HCl。 (3)SiO2＋2Mg2MgO＋Si。 (4)SiHCl3、SiCl4能与水发生反应：SiHCl3＋3H2O===H2SiO3↓＋3HCl＋H2↑，SiCl4＋3H2O===H2SiO3↓＋4HCl。 (5)SiH4在空气中易自燃。 课时质量评价(十四) 一、选择题：每小题只有一个选项符合题意。 1．(2023·山东卷)下列之物具有典型的齐鲁文化特色，其主要化学成分不能与其他三种归为一类的是(　　) A．泰山墨玉 B．龙山黑陶 C．齐国刀币 D．淄博琉璃 C　解析：墨玉、黑陶、琉璃均为陶瓷制品，主要成分均为硅酸盐材料，刀币的主要成分为青铜，属于合金。 2．(2023·浙江1月选考)下列物质中，属于耐高温酸性氧化物的是(　　) A．CO2 B．SiO2 C．MgO D．Na2O B　解析：CO2属于酸性氧化物，但为分子晶体，熔点较低，不耐高温，A不符合题意；SiO2属于酸性氧化物，为共价晶体，熔点高，耐高温，B符合题意；MgO为碱性氧化物，C不符合题意；Na2O为碱性氧化物，D不符合题意。 3．北京故宫的屋顶有各种颜色的琉璃瓦，其坚实耐用，经历几百年的风雨洗礼仍能保存完整。下列说法错误的是(　　) A．琉璃瓦的主要成分是硅酸盐 B．制作琉璃瓦的主要原料是黏土 C．琉璃瓦坚实耐用取决于硅酸盐的结构 D．黄色和绿色琉璃瓦中分别含有Fe2+、Cu2+ D　解析：琉璃瓦的主要成分是硅酸盐，故A不符合题意；制作琉璃瓦的主要原料是黏土，故B不符合题意；琉璃瓦坚实耐用取决于硅酸盐的结构，故C不符合题意；黄色琉璃瓦中可能含有Fe3+，故D符合题意。 4．化学与生活、科技、社会发展息息相关。下列说法正确的是(　　) A．“天宫”空间站使用聚乳酸材料餐具，聚乳酸是化合物 B．富勒烯与石墨烯用途广泛，它们都属于新型无机非金属材料 C．冬奥场馆建筑使用碲化镉发电玻璃，碲和镉均属于主族元素 D．中国承建的卡塔尔首座光伏电站中的光伏材料为高纯度二氧化硅 B　解析：聚乳酸是混合物，故A错误；富勒烯与石墨烯属于新型无机非金属材料，故B正确；镉位于元素周期表中的第五周期第ⅡB族，故C错误；制作光伏电池的材料为硅单质，故D错误。 5．科学家用金属钠还原CCl4和SiCl4制得一种一维SiC纳米棒，相关反应的化学方程式为8Na＋CCl4＋SiCl4SiC＋8NaCl。下列说法不正确的是(　　) A．SiC和SiO2中硅元素的化合价相同 B．上述反应中SiC既是氧化产物又是还原产物 C．SiO2制备单质Si、单质Si制备SiCl4均涉及氧化还原反应 D．一维SiC纳米棒比表面积大，对微小粒子有较强的吸附能力 B　解析：SiC和SiO2中硅元素的化合价均为＋4价，A项正确；SiC是还原产物，NaCl是氧化产物，B项错误；SiO2制备单质Si需加入还原剂，单质Si制备SiCl4需加入氧化剂，C项正确；一维粒子上下表面均能与其他物质接触，比表面积大，对微小粒子有较强的吸附能力，D项正确。 6．氮化碳结构如下图所示，其硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。下列有关氮化碳的说法不正确的是(　　) A．氮化碳属于化合物 B．氮化碳中碳元素显－4价，氮元素显＋3价 C．氮化碳的化学式为C3N4 D．每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连 B　解析：碳氮原子间以共价键结合，由于氮原子的得电子能力大于碳原子，共用电子对偏向氮原子而使其显负价，根据最外层电子数可得碳元素显＋4价，氮元素显－3 价，据此也可得出氮化硅的化学式为C3N4，A、C正确，B错误；由题图分析得，每一个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连，D正确。 二、选择题：每小题有一个或两个选项符合题意。 7．SiF4广泛应用于电子和半导体产业，可用作水泥的硬化剂和制造单晶硅的中间体，其常压下的沸点为－86 ℃，可利用单质硅和HF溶液进行制备。设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是(　　) A．硅在自然界中主要以游离态存在 B．常温常压下，2.24 L SiF4中含有的共价键数目大于0.4NA C．相对于F，Si更易和O结合 D．H2和SiF4在1 380 K下反应制备出单晶硅的反应为熵增反应 D　解析：硅在自然界中只以化合态形式存在，不存在游离态，A错误；常温常压下，气体摩尔体积大于22.4 L·mol-1，因此常温常压下，2.24 L SiF4的物质的量小于0.1 mol，1个SiF4分子中含有4个Si—F键，故常温常压下，2.24 L SiF4中含有的共价键数目小于0.4NA，B错误；Si是亲氧元素，Si容易与O形成化合物，但SiO2能与HF反应生成SiF4和H2O，说明Si更易和F结合，C错误；H2与SiF4在 1 380 K下反应产生Si、HF，反应方程式为2H2(g)＋SiF4(g)Si(s)＋4HF(g)，生成物的气体物质的量更多，所以该反应为熵增反应，D正确。 8．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如图所示)。下列说法错误的是(　　) A．高炉炼铁时，加入石灰石将铁矿石中的脉石(主要成分为SiO2)转化为易熔的炉渣 B．纯净的SiO2和单晶硅都是信息产业的重要基础材料 C．用硫酸可除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙 D．图中所含反应都不属于氧化还原反应 CD　解析：CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑，CaSiO3的熔点低于SiO2的熔点，A项正确；光导纤维的主要成分是SiO2，芯片的主要成分是单质硅，纯净的SiO2和单晶硅都是信息产业的重要基础材料，B项正确；硫酸钙微溶于水，应该用盐酸，C项错误；SiO2与碳在高温下反应生成硅单质的反应是氧化还原反应，D项错误。 9．实验室用H2还原SiHCl3(沸点：31.85 ℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)。下列说法正确的是(　　) A．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓硫酸、冰水 B．实验时，应先打开活塞K，再加热管式炉 C．为鉴定制得的硅中是否含有微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、KSCN溶液 D．该实验中制备氢气的装置也可用于饱和食盐水与电石反应制备乙炔 BC　解析：制备高纯硅的反应为H2＋SiHCl3Si＋3HCl，此反应应在装置Ⅳ中进行。装置Ⅰ的目的是制取H2，H2中含有水蒸气，对后续实验产生干扰，必须除去，因此装置Ⅱ的目的是除去H2中的水蒸气，即装置Ⅱ中盛放浓硫酸；装置Ⅲ的目的是使SiHCl3汽化，与H2充分混合，因此应在热水浴中加热，A项错误。实验时应先打开活塞K，通入H2，排尽装置中的空气，防止加热时发生爆炸，B项正确。硅不能与盐酸反应，铁与盐酸反应生成Fe2+，Fe2+被H2O2氧化成Fe3+，遇KSCN溶液变红，可以鉴定制得的硅中是否含有铁单质，C项正确。饱和食盐水与电石反应制备乙炔，反应迅速放出大量的热且生成微溶的氢氧化钙，因此不能用启普发生器进行实验，D项错误。 三、非选择题 10．二氯二氢硅(SiH2Cl2)常用作外延法工艺中重要的硅源。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250～260 ℃反应可以制得SiH2Cl2。 (1)以浓硫酸、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SiH2Cl2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SiH2Cl2之外，还会生成H2、________和________等。 (6)制取SiH2Cl2的新方案是往硅粉中先通入Cl2，在300～350 ℃反应生成SiCl4，然后再与HCl在250～260 ℃反应，可以大大提高产率。如果通入气体顺序相反，结果会___________________________________ (用化学方程式表示)。 解析：(1)浓硫酸有吸水性，使浓盐酸更易挥发出HCl。(3)A装置制取HCl，连接C装置干燥，从f进入D中反应，SiH2Cl2从g处挥发出来，在B装置中收集，SiH2Cl2的密度比空气大，导气管应长进短出，为防止空气中的水进入B中，则应在B后接干燥管。(4)前面的装置C是用来干燥HCl气体的，应选用P2O5或CaCl2，后面的装置C的作用为尾气处理和防止空气中的水进入B中，应选碱石灰。(6)如果通入气体顺序相反，SiH2Cl2会与Cl2继续反应，生成SiCl4、SiHCl3。 答案：(1)吸水 (2)Si＋2HClSiH2Cl2 (3)d　e　f　g　b　c　d (4)P2O5(或CaCl2)　SiH2Cl2尾气处理和防止空气中的水进入B中　(5)SiCl4　SiHCl3 (6)SiH2Cl2＋2Cl2SiCl4＋2HCl(或SiH2Cl2＋Cl2SiHCl3＋HCl 11．(2023·湖北卷)工业制备高纯硅的主要过程如下所示： 石英砂粗硅高纯硅 下列说法错误的是(　　) A．制备粗硅的反应方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑ B．1 mol Si含Si—Si键的数目约为4×6.02×1023 C．原料气HCl和H2应充分去除水和氧气 D．生成SiHCl3的反应为熵减过程 B　解析：制备粗硅的化学方程式为SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑，A说法正确；1 mol Si中含有Si—Si键的数目为1 mol×2×6.02×1023 mol-1＝2×6.02×1023，B说法错误；题给流程图中后面两步反应有Si和SiHCl3生成，Si易与氧气反应，SiHCl3易发生水解，故原料气HCl和H2应充分去除水和氧气，C说法正确；生成SiHCl3的反应为Si(s)＋3HCl(g)SiHCl3(g)＋H2(g)，该反应为气体分子数减少的反应，即为熵减过程，D说法正确。 12．冰晶石(Na3AlF6)微溶于水，工业上用萤石(CaF2含量为96%)、SiO2为原料，采用氟硅酸钠法制备冰晶石，其工艺流程如图所示。据此分析，下列说法不正确的是(　　) A．滤渣A的主要成分是CaSO4 B．上述流程中，所涉反应均为非氧化还原反应 C．“操作i”可用硅酸盐质设备进行分离 D．流程中可循环使用的物质除H2SO4、SiO2外，滤液B经浓缩后也能循环使用 C　解析：萤石和SiO2在硫酸酸浸中生成H2SiF6，还生成CaSO4，过滤分离，滤渣A的主要成分为CaSO4，可能含有SiO2等。H2SiF6再与Na2SO4反应生成Na2SiF6和H2SO4，H2SO4可以循环使用，Na2SiF6与浓氨水反应生成NaF、NH4F和SiO2，经操作ⅰ过滤分离出SiO2，SiO2也可循环使用，反应③为2NaF＋4NH4F＋Na[Al(OH)4]===Na3AlF6＋4NH3·H2O或2NaF＋4NH4F＋Na[Al(OH)4]=== Na3AlF6＋4NH3＋4H2O，滤液B含氨水，可循环使用，经操作ⅱ过滤分离出冰晶石。滤渣A的主要成分为CaSO4，A正确；所有反应都没有元素化合价变化，都为非氧化还原反应，B正确；溶液中的F－可水解生成HF，腐蚀硅酸盐质设备，C错误；由以上分析可知，D正确。 13．SiHCl3是硅生产工艺的重要中间物，“”的生产工艺备受关注，总反应方程式为3SiCl4(g)＋2H2(g)＋Si(s)===4SiHCl3(g)　ΔH　K，该工艺源于对如下反应的研究： 反应ⅰ：SiCl4(g)＋H2(g)⥫⥬SiHCl3(g)＋HCl(g)　ΔH1　K1 反应ⅱ：Si(s)＋3HCl(g)⥫⥬SiHCl3(g)＋H2(g)　ΔH2　K2 Ⅰ.探究反应ⅰ制备SiHCl3工艺 (1)图甲为使用催化剂与不使用催化剂反应过程的能量变化。使用催化剂时，决速步的活化能为________kJ·mol-1。 (2)pK1(pK1＝－lg K1)随温度T变化的曲线为图乙中的________(填“X”或“Y”)，判断的理由是____________________________________________ _________________________________________________________________。 (3)400 ℃时，若往刚性容器中通入SiCl4和H2，初始浓度均为2.0 mol·L-1。 ①由图乙计算该温度下SiCl4的平衡转化率约为________。 ②为提高该温度下SiCl4的平衡转化率，可采取的措施有_____________ _____________________________________________________(填一条)。 (4)按一定比例和流速通入SiCl4和H2进行催化反应，相同时间内SiCl4的转化率与温度关系如图丙所示。温度低于200 ℃时，SiCl4的转化率很低的原因是____________________________________________________________________ ___________________________________________________________(填一条)。 Ⅱ.探究反应ⅱ及对生产工艺的影响 已知：①标准摩尔生成焓(ΔfH)是指由元素最稳定的单质生成1 mol纯化合物时的反应焓变。某些物质的标准摩尔生成焓如下表所示： 物质 Si(s) H2(g) SiHCl3(g) HCl(g) ΔfH/ (kJ·mol-1) 0 0 －496 －92 ②400 ℃时，K2＝1.2×1010。 (5)ΔH2＝________kJ·mol-1。 (6)依据化学平衡移动原理分析，与反应ⅰ的制备工艺相比，“SiCl4­Si­H2”生产工艺的优点是________________________________________________________ _____________________________________________________________。 解析：(1)使用催化剂时能降低反应的活化能，改变反应路径，活化能越大反应速率越小，最慢的一步决定整个反应速率，则决速步的活化能为84 kJ·mol-1。(2)由图甲可知，反应ⅰ的反应物总能量低于生成物总能量，则反应ⅰ为吸热反应，温度升高，平衡正向移动，K1变大，pK1变小，则图乙中的Y代表pK1随温度T变化的曲线。(3)①400 ℃时，反应ⅰ的pK1＝4，则K1＝10-4，列“三段式”： SiCl4(g)＋H2(g)⥫⥬SiHCl3(g)＋HCl(g) 起始/(mol·L-1)　 2　　　2　　 0　　　0 转化/(mol·L-1) x x x x 平衡/(mol·L-1) 2－x 2－x x x 则K＝＝10-4，解得x≈0.02，该温度下SiCl4的平衡转化率约为×100%＝1%。②增大反应物浓度或减少生成物浓度均能使平衡正向移动，为提高该温度下SiCl4的平衡转化率，可采取的措施有增大H2浓度或及时移走SiHCl3或HCl等。(4)温度低于200 ℃时，SiCl4的转化率很低的原因是温度低，化学反应速率较小，反应未达到平衡状态或温度低，化学平衡常数较小或温度低，催化剂活性差，化学反应速率较小等。(5)根据表中数据可知，①Si(s)＋H2(g)＋Cl2(g)⥫⥬SiHCl3(g)　ΔH＝－496 kJ·mol-1，②H2(g)＋Cl2(g)⥫⥬ HCl(g)　ΔH＝－92 kJ·mol-1，依据盖斯定律可知①－3×②即得Si(s)＋3HCl(g)⥫⥬SiHCl3(g)＋H2(g)　ΔH2＝[－496－3×(－92)] kJ·mol-1＝－220 kJ·mol-1。(6)与反应ⅰ的制备工艺相比，“SiCl4­Si­H2”生产工艺的优点是SiCl4­Si­H2生产工艺包含了反应ⅰ和ⅱ，反应ⅱ为放热反应，体系温度升高，促使反应ⅰ的平衡正向移动或反应ⅱ消耗反应ⅰ生成的HCl，生成的H2增大了反应ⅰ的反应物浓度，促使反应ⅰ的平衡正向移动或反应ⅰ的化学平衡常数较小，反应ⅱ的化学平衡常数较大，两反应耦合后的总反应平衡常数比反应ⅰ大。 答案：(1)84　(2)Y　反应ⅰ为吸热反应，温度升高，平衡正向移动，K1变大，pK1变小 (3)①1%　②增大H2浓度(或及时移走SiHCl3或HCl，答案合理即可) (4)温度低，化学反应速率较小，反应未达到平衡状态(或温度低，化学平衡常数较小或温度低，催化剂活性差，化学反应速率较小，答案合理即可) (5)－220　(6)SiCl4­Si­H2生产工艺包含了反应ⅰ和ⅱ，反应ⅱ为放热反应，体系温度升高，促使反应ⅰ的平衡正向移动(或反应ⅱ消耗反应ⅰ生成的HCl，生成的H2增大了反应ⅰ的反应物浓度，促使反应ⅰ的平衡正向移动或反应ⅰ的化学平衡常数较小，反应ⅱ的化学平衡常数较大，两反应耦合后的总反应平衡常数比反应ⅰ大) 学科网（北京）股份有限公司 $$ 课时质量评价(十四) 一、选择题：每小题只有一个选项符合题意。 1．(2023·山东卷)下列之物具有典型的齐鲁文化特色，其主要化学成分不能与其他三种归为一类的是(　　) A．泰山墨玉 B．龙山黑陶 C．齐国刀币 D．淄博琉璃 C　解析：墨玉、黑陶、琉璃均为陶瓷制品，主要成分均为硅酸盐材料，刀币的主要成分为青铜，属于合金。 2．(2023·浙江1月选考)下列物质中，属于耐高温酸性氧化物的是(　　) A．CO2 B．SiO2 C．MgO D．Na2O B　解析：CO2属于酸性氧化物，但为分子晶体，熔点较低，不耐高温，A不符合题意；SiO2属于酸性氧化物，为共价晶体，熔点高，耐高温，B符合题意；MgO为碱性氧化物，C不符合题意；Na2O为碱性氧化物，D不符合题意。 3．北京故宫的屋顶有各种颜色的琉璃瓦，其坚实耐用，经历几百年的风雨洗礼仍能保存完整。下列说法错误的是(　　) A．琉璃瓦的主要成分是硅酸盐 B．制作琉璃瓦的主要原料是黏土 C．琉璃瓦坚实耐用取决于硅酸盐的结构 D．黄色和绿色琉璃瓦中分别含有Fe2+、Cu2+ D　解析：琉璃瓦的主要成分是硅酸盐，故A不符合题意；制作琉璃瓦的主要原料是黏土，故B不符合题意；琉璃瓦坚实耐用取决于硅酸盐的结构，故C不符合题意；黄色琉璃瓦中可能含有Fe3+，故D符合题意。 4．化学与生活、科技、社会发展息息相关。下列说法正确的是(　　) A．“天宫”空间站使用聚乳酸材料餐具，聚乳酸是化合物 B．富勒烯与石墨烯用途广泛，它们都属于新型无机非金属材料 C．冬奥场馆建筑使用碲化镉发电玻璃，碲和镉均属于主族元素 D．中国承建的卡塔尔首座光伏电站中的光伏材料为高纯度二氧化硅 B　解析：聚乳酸是混合物，故A错误；富勒烯与石墨烯属于新型无机非金属材料，故B正确；镉位于元素周期表中的第五周期第ⅡB族，故C错误；制作光伏电池的材料为硅单质，故D错误。 5．科学家用金属钠还原CCl4和SiCl4制得一种一维SiC纳米棒，相关反应的化学方程式为8Na＋CCl4＋SiCl4SiC＋8NaCl。下列说法不正确的是(　　) A．SiC和SiO2中硅元素的化合价相同 B．上述反应中SiC既是氧化产物又是还原产物 C．SiO2制备单质Si、单质Si制备SiCl4均涉及氧化还原反应 D．一维SiC纳米棒比表面积大，对微小粒子有较强的吸附能力 B　解析：SiC和SiO2中硅元素的化合价均为＋4价，A项正确；SiC是还原产物，NaCl是氧化产物，B项错误；SiO2制备单质Si需加入还原剂，单质Si制备SiCl4需加入氧化剂，C项正确；一维粒子上下表面均能与其他物质接触，比表面积大，对微小粒子有较强的吸附能力，D项正确。 6．氮化碳结构如下图所示，其硬度超过金刚石晶体，成为首屈一指的超硬新材料。下列有关氮化碳的说法不正确的是(　　) A．氮化碳属于化合物 B．氮化碳中碳元素显－4价，氮元素显＋3价 C．氮化碳的化学式为C3N4 D．每个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连 B　解析：碳氮原子间以共价键结合，由于氮原子的得电子能力大于碳原子，共用电子对偏向氮原子而使其显负价，根据最外层电子数可得碳元素显＋4价，氮元素显－3 价，据此也可得出氮化硅的化学式为C3N4，A、C正确，B错误；由题图分析得，每一个碳原子与四个氮原子相连，每个氮原子与三个碳原子相连，D正确。 二、选择题：每小题有一个或两个选项符合题意。 7．SiF4广泛应用于电子和半导体产业，可用作水泥的硬化剂和制造单晶硅的中间体，其常压下的沸点为－86 ℃，可利用单质硅和HF溶液进行制备。设NA为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是(　　) A．硅在自然界中主要以游离态存在 B．常温常压下，2.24 L SiF4中含有的共价键数目大于0.4NA C．相对于F，Si更易和O结合 D．H2和SiF4在1 380 K下反应制备出单晶硅的反应为熵增反应 D　解析：硅在自然界中只以化合态形式存在，不存在游离态，A错误；常温常压下，气体摩尔体积大于22.4 L·mol-1，因此常温常压下，2.24 L SiF4的物质的量小于0.1 mol，1个SiF4分子中含有4个Si—F键，故常温常压下，2.24 L SiF4中含有的共价键数目小于0.4NA，B错误；Si是亲氧元素，Si容易与O形成化合物，但SiO2能与HF反应生成SiF4和H2O，说明Si更易和F结合，C错误；H2与SiF4在 1 380 K下反应产生Si、HF，反应方程式为2H2(g)＋SiF4(g)Si(s)＋4HF(g)，生成物的气体物质的量更多，所以该反应为熵增反应，D正确。 8．SiO2是一种化工原料，可以制备一系列物质(如图所示)。下列说法错误的是(　　) A．高炉炼铁时，加入石灰石将铁矿石中的脉石(主要成分为SiO2)转化为易熔的炉渣 B．纯净的SiO2和单晶硅都是信息产业的重要基础材料 C．用硫酸可除去石英砂(主要成分为SiO2)中少量的碳酸钙 D．图中所含反应都不属于氧化还原反应 CD　解析：CaCO3＋SiO2CaSiO3＋CO2↑，CaSiO3的熔点低于SiO2的熔点，A项正确；光导纤维的主要成分是SiO2，芯片的主要成分是单质硅，纯净的SiO2和单晶硅都是信息产业的重要基础材料，B项正确；硫酸钙微溶于水，应该用盐酸，C项错误；SiO2与碳在高温下反应生成硅单质的反应是氧化还原反应，D项错误。 9．实验室用H2还原SiHCl3(沸点：31.85 ℃)制备高纯硅的装置如图所示(夹持装置和尾气处理装置略去)。下列说法正确的是(　　) A．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓硫酸、冰水 B．实验时，应先打开活塞K，再加热管式炉 C．为鉴定制得的硅中是否含有微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、双氧水、KSCN溶液 D．该实验中制备氢气的装置也可用于饱和食盐水与电石反应制备乙炔 BC　解析：制备高纯硅的反应为H2＋SiHCl3Si＋3HCl，此反应应在装置Ⅳ中进行。装置Ⅰ的目的是制取H2，H2中含有水蒸气，对后续实验产生干扰，必须除去，因此装置Ⅱ的目的是除去H2中的水蒸气，即装置Ⅱ中盛放浓硫酸；装置Ⅲ的目的是使SiHCl3汽化，与H2充分混合，因此应在热水浴中加热，A项错误。实验时应先打开活塞K，通入H2，排尽装置中的空气，防止加热时发生爆炸，B项正确。硅不能与盐酸反应，铁与盐酸反应生成Fe2+，Fe2+被H2O2氧化成Fe3+，遇KSCN溶液变红，可以鉴定制得的硅中是否含有铁单质，C项正确。饱和食盐水与电石反应制备乙炔，反应迅速放出大量的热且生成微溶的氢氧化钙，因此不能用启普发生器进行实验，D项错误。 三、非选择题 10．二氯二氢硅(SiH2Cl2)常用作外延法工艺中重要的硅源。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250～260 ℃反应可以制得SiH2Cl2。 (1)以浓硫酸、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SiH2Cl2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SiH2Cl2之外，还会生成H2、________和________等。 (6)制取SiH2Cl2的新方案是往硅粉中先通入Cl2，在300～350 ℃反应生成SiCl4，然后再与HCl在250～260 ℃反应，可以大大提高产率。如果通入气体顺序相反，结果会___________________________________ (用化学方程式表示)。 解析：(1)浓硫酸有吸水性，使浓盐酸更易挥发出HCl。(3)A装置制取HCl，连接C装置干燥，从f进入D中反应，SiH2Cl2从g处挥发出来，在B装置中收集，SiH2Cl2的密度比空气大，导气管应长进短出，为防止空气中的水进入B中，则应在B后接干燥管。(4)前面的装置C是用来干燥HCl气体的，应选用P2O5或CaCl2，后面的装置C的作用为尾气处理和防止空气中的水进入B中，应选碱石灰。(6)如果通入气体顺序相反，SiH2Cl2会与Cl2继续反应，生成SiCl4、SiHCl3。 答案：(1)吸水 (2)Si＋2HClSiH2Cl2 (3)d　e　f　g　b　c　d (4)P2O5(或CaCl2)　SiH2Cl2尾气处理和防止空气中的水进入B中　(5)SiCl4　SiHCl3 (6)SiH2Cl2＋2Cl2SiCl4＋2HCl(或SiH2Cl2＋Cl2SiHCl3＋HCl 11．(2023·湖北卷)工业制备高纯硅的主要过程如下所示： 石英砂粗硅高纯硅 下列说法错误的是(　　) A．制备粗硅的反应方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑ B．1 mol Si含Si—Si键的数目约为4×6.02×1023 C．原料气HCl和H2应充分去除水和氧气 D．生成SiHCl3的反应为熵减过程 B　解析：制备粗硅的化学方程式为SiO2＋2CSi(粗)＋2CO↑，A说法正确；1 mol Si中含有Si—Si键的数目为1 mol×2×6.02×1023 mol-1＝2×6.02×1023，B说法错误；题给流程图中后面两步反应有Si和SiHCl3生成，Si易与氧气反应，SiHCl3易发生水解，故原料气HCl和H2应充分去除水和氧气，C说法正确；生成SiHCl3的反应为Si(s)＋3HCl(g)SiHCl3(g)＋H2(g)，该反应为气体分子数减少的反应，即为熵减过程，D说法正确。 12．冰晶石(Na3AlF6)微溶于水，工业上用萤石(CaF2含量为96%)、SiO2为原料，采用氟硅酸钠法制备冰晶石，其工艺流程如图所示。据此分析，下列说法不正确的是(　　) A．滤渣A的主要成分是CaSO4 B．上述流程中，所涉反应均为非氧化还原反应 C．“操作i”可用硅酸盐质设备进行分离 D．流程中可循环使用的物质除H2SO4、SiO2外，滤液B经浓缩后也能循环使用 C　解析：萤石和SiO2在硫酸酸浸中生成H2SiF6，还生成CaSO4，过滤分离，滤渣A的主要成分为CaSO4，可能含有SiO2等。H2SiF6再与Na2SO4反应生成Na2SiF6和H2SO4，H2SO4可以循环使用，Na2SiF6与浓氨水反应生成NaF、NH4F和SiO2，经操作ⅰ过滤分离出SiO2，SiO2也可循环使用，反应③为2NaF＋4NH4F＋Na[Al(OH)4]===Na3AlF6＋4NH3·H2O或2NaF＋4NH4F＋Na[Al(OH)4]===Na3AlF6＋4NH3＋4H2O，滤液B含氨水，可循环使用，经操作ⅱ过滤分离出冰晶石。滤渣A的主要成分为CaSO4，A正确；所有反应都没有元素化合价变化，都为非氧化还原反应，B正确；溶液中的F－可水解生成HF，腐蚀硅酸盐质设备，C错误；由以上分析可知，D正确。 13．SiHCl3是硅生产工艺的重要中间物，“”的生产工艺备受关注，总反应方程式为3SiCl4(g)＋2H2(g)＋Si(s)===4SiHCl3(g)　ΔH　K，该工艺源于对如下反应的研究： 反应ⅰ：SiCl4(g)＋H2(g)⥫⥬SiHCl3(g)＋HCl(g)　ΔH1　K1 反应ⅱ：Si(s)＋3HCl(g)⥫⥬SiHCl3(g)＋H2(g)　ΔH2　K2 Ⅰ.探究反应ⅰ制备SiHCl3工艺 (1)图甲为使用催化剂与不使用催化剂反应过程的能量变化。使用催化剂时，决速步的活化能为________kJ·mol-1。 (2)pK1(pK1＝－lg K1)随温度T变化的曲线为图乙中的________(填“X”或“Y”)，判断的理由是_______________________________________ ____________________________________________________________。 (3)400 ℃时，若往刚性容器中通入SiCl4和H2，初始浓度均为2.0 mol· L-1。 ①由图乙计算该温度下SiCl4的平衡转化率约为________。 ②为提高该温度下SiCl4的平衡转化率，可采取的措施有_____________ _____________________________________________________(填一条)。 (4)按一定比例和流速通入SiCl4和H2进行催化反应，相同时间内SiCl4的转化率与温度关系如图丙所示。温度低于200 ℃时，SiCl4的转化率很低的原因是________________________________________________ ____________________________________________________(填一条)。 Ⅱ.探究反应ⅱ及对生产工艺的影响 已知：①标准摩尔生成焓(ΔfH)是指由元素最稳定的单质生成1 mol纯化合物时的反应焓变。某些物质的标准摩尔生成焓如下表所示： 物质 Si(s) H2(g) SiHCl3(g) HCl(g) ΔfH/ (kJ·mol-1) 0 0 －496 －92 ②400 ℃时，K2＝1.2×1010。 (5)ΔH2＝________kJ·mol-1。 (6)依据化学平衡移动原理分析，与反应ⅰ的制备工艺相比，“SiCl4­Si­H2”生产工艺的优点是___________________________ _____________________________________________________________。 解析：(1)使用催化剂时能降低反应的活化能，改变反应路径，活化能越大反应速率越小，最慢的一步决定整个反应速率，则决速步的活化能为84 kJ·mol-1。(2)由图甲可知，反应ⅰ的反应物总能量低于生成物总能量，则反应ⅰ为吸热反应，温度升高，平衡正向移动，K1变大，pK1变小，则图乙中的Y代表pK1随温度T变化的曲线。(3)①400 ℃时，反应ⅰ的pK1＝4，则K1＝10-4，列“三段式”： SiCl4(g)＋H2(g)⥫⥬SiHCl3(g)＋HCl(g) 起始/(mol·L-1)　 2　　　2　　 0　　　0 转化/(mol·L-1) x x x x 平衡/(mol·L-1) 2－x 2－x x x 则K＝＝10-4，解得x≈0.02，该温度下SiCl4的平衡转化率约为×100%＝1%。②增大反应物浓度或减少生成物浓度均能使平衡正向移动，为提高该温度下SiCl4的平衡转化率，可采取的措施有增大H2浓度或及时移走SiHCl3或HCl等。(4)温度低于200 ℃时，SiCl4的转化率很低的原因是温度低，化学反应速率较小，反应未达到平衡状态或温度低，化学平衡常数较小或温度低，催化剂活性差，化学反应速率较小等。(5)根据表中数据可知，①Si(s)＋H2(g)＋Cl2(g)⥫⥬SiHCl3(g)　ΔH＝－496 kJ·mol-1，②H2(g)＋Cl2(g)⥫⥬ HCl(g)　ΔH＝－92 kJ·mol-1，依据盖斯定律可知①－3×②即得Si(s)＋3HCl(g)⥫⥬SiHCl3(g)＋H2(g)　ΔH2＝[－496－3×(－92)] kJ·mol-1＝－220 kJ·mol-1。(6)与反应ⅰ的制备工艺相比，“SiCl4­Si­H2”生产工艺的优点是SiCl4­Si­H2生产工艺包含了反应ⅰ和ⅱ，反应ⅱ为放热反应，体系温度升高，促使反应ⅰ的平衡正向移动或反应ⅱ消耗反应ⅰ生成的HCl，生成的H2增大了反应ⅰ的反应物浓度，促使反应ⅰ的平衡正向移动或反应ⅰ的化学平衡常数较小，反应ⅱ的化学平衡常数较大，两反应耦合后的总反应平衡常数比反应ⅰ大。 答案：(1)84　(2)Y　反应ⅰ为吸热反应，温度升高，平衡正向移动，K1变大，pK1变小 (3)①1%　②增大H2浓度(或及时移走SiHCl3或HCl，答案合理即可) (4)温度低，化学反应速率较小，反应未达到平衡状态(或温度低，化学平衡常数较小或温度低，催化剂活性差，化学反应速率较小，答案合理即可) (5)－220　(6)SiCl4­Si­H2生产工艺包含了反应ⅰ和ⅱ，反应ⅱ为放热反应，体系温度升高，促使反应ⅰ的平衡正向移动(或反应ⅱ消耗反应ⅰ生成的HCl，生成的H2增大了反应ⅰ的反应物浓度，促使反应ⅰ的平衡正向移动或反应ⅰ的化学平衡常数较小，反应ⅱ的化学平衡常数较大，两反应耦合后的总反应平衡常数比反应ⅰ大) 学科网（北京）股份有限公司 $$