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第五章 化工生产中的重要非金属元素
第三节 无机非金属材料
1. “高山流水觅知音”。下列中国古乐器中，主要由硅酸盐材料制成的是（ ）。
A．九霄环佩木古琴 B．裴李岗文化骨笛 C．商朝后期陶埙 D．曾侯乙青铜编钟
【答案】C
【解析】A．九霄环佩木古琴主要构成是木材，动物筋制得，A错误；B．裴李岗文化骨笛由动物骨骼构成，B错误；C．商朝后期陶埙属于陶瓷，由硅酸盐制成，C正确；D．曾侯乙青铜编钟主要由合金材料制成，D错误； 故选C。
2. 化学与生产、生活密切相关，下列说法不正确的是（ ）。
A. 闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成
B. 葡萄酒中通常添加少量SO2，既可以杀菌，又可防止营养成分被氧化
C. 《清波杂志》卷十二：“信州铅山胆水自山下注，势若瀑布……古传一人至水滨，遗匙钥，翌日得之，已成铜矣。”这里的胆水是指CuSO4溶液
D. 我国清代《本草纲目拾遗》中记叙 “强水”条目下写道：“性最烈，能蚀五金……其水甚强，五金八石皆能穿第，惟玻璃可盛。”这里的“强水”是指HF
【答案】D
【解析】A．兵马俑是陶制品，属于硅酸盐产品，是由黏土经高温烧结而成，A正确；B．萄酒中通常添加少量SO2，是由于SO2具有一定毒性，能够使蛋白质发生变性，因而具有杀菌作用；同时其具有还原性，可以消除其中少量氧气，又可防止营养成分被氧化变质，B正确；C．钥匙主要成分是Fe，Fe与CuSO4在溶液中反应产生FeSO4和Cu，可知胆水是指CuSO4溶液，C正确；D．硝酸具有强氧化性、强酸性，能腐蚀大多数金属，也能和岩石反应，玻璃可以盛放，所以该强水为硝酸，D错误；故合理选项是D。
3. 工业制备高纯硅的主要过程如图所示：
已知石英晶体部分结构如图。
下列说法错误的是（ ）。
A. 制备粗硅的反应体现了C元素的非金属性比强 B. 石英晶体中不存在分子
C. 原料气和应充分去除水和氧气 D. 流程中可以循环使用
【答案】A
【解析】在高温下焦炭和二氧化硅反应生成硅和一氧化碳，粗硅和氯化氢反应生成SiHCl3，然后在高温下氢气和SiHCl3反应生成纯硅。A．制备粗硅的反应不是在溶液中进行的置换反应，不能体现了C元素的非金属性比强，A错误；B．二氧化硅是由硅原子和氧原子构成的，不存在分子，因此石英晶体中不存在分子，B正确；C．高温下水蒸气能和焦炭反应，氢气和氧气容易发生爆炸，所以原料气和应充分去除水和氧气，C正确；D．流程中第二步反应产生氢气，第三步反应产生氯化氢，因此可以循环使用，D正确。
4. 下列化学方程式或离子方程式书写正确的是（ ）。
A. 工业生产粗硅：
B. 氢氧化亚铁溶于稀硝酸：
C. 碱性镁铝原电池的负极反应：
D. 过量的和稀硝酸反应：
【答案】D
【解析】A．工业生产粗硅为二氧化硅和碳高温生成硅和一氧化碳，，A错误；B．硝酸具有强氧化性，氢氧化亚铁溶于稀硝酸生成硝酸铁和NO、水，，B错误；C．碱性镁铝原电池的负极反应为铝失去电子发生氧化反应生成四羟基合铝酸根离子：，C错误；D．过量的和稀硝酸反应生成硝酸亚铁和NO、水，D正确；故选D。
5. 下表各物质中， A、B、C、D、E均含有同一种短周期元素，其中A是单质，B常温下是气态氢化物，C、D是氧化物，E是D和水反应的产物。则各物质之间通过一步反应就能实现表中所示转化的是（ ）。
物质编号 物质转化关系 A D E
① Si SiO2 H2SiO3
② S SO3 H2SO4
③ Na Na2O2 NaOH
④ N2 NO2 HNO3
A. ②③ B. ②④ C. ①③④ D. ①②③④
【答案】B
【解析】①SiSiH4，Si与O2直接生成SiO2，Si只能生成一种氧化物且SiO2不能与H2O反应生成H2SiO3；②SH2S，SSO2，H2SSO2，SO2SO3H2SO4；
③Na没有气态氢化物；④N2NH3，N2NO，NH3NO，NONO2HNO3。
综合以上分析，各物质之间通过一步反应就能实现表中所示转化的是②④，故选B。
6. 氮化硅()是一种高温结构陶瓷材料，它硬度大、熔点高、化学性质稳定。合成氮化硅的一种工艺流程如图所示，下列说法正确的是（ ）。
已知：在潮湿的空气中易水解，产生白雾，中各元素的化合价与相同。
A. 该流程中可循环使用的物质是
B. 第①步反应中产生的气体能使澄清石灰水变浑浊
C. 图示①～④的变化中，属于氧化还原反应的是①②③
D. 第③步反应可用氨水代替
【答案】A
【解析】石英砂与焦炭发生氧化还原反应生成粗硅，粗硅中硅单质与Cl2发生氧化还原反应生成SiCl4；SiCl4和氨气一定温度生成Si(NH)2，Si(NH)2高温下加热可得氮化硅，结合质量守恒可知，还生成氨气；A．由分析可知，Si(NH2)4高温下加热生成的氨气，，可以在③中循环利用，A正确； B．第①步反应中炭和石英砂反应生成粗硅和CO，，CO不能使澄清石灰水变浑浊，B错误；C．第③步反应中SiCl4和氨气一定温度生成Si(NH)2和HCl，不涉及元素化合价改变，不是氧化还原反应，C错误；D．已知：在潮湿的空气中SiCl4易水解，产生白雾，故不能用氨水代替氨气，D错误。
7. 在下列工业生产过程的转化关系中，不能符合生产实际的是（ ）。
A.
B.
C.
D.
【答案】A
【解析】A．工业上制硫酸：最后一步为了减少酸雾，应该用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫，A错误；B．工业上制硅：，B正确；
C．工业上制铝：，C正确；D．工业上制硝酸：，D正确。
8. 工业制备高纯硅的流程如下，下列说法正确的是（ ）。
A. 石英砂与过量焦炭发生的主要反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑
B. 盛装NaOH溶液的玻璃瓶要使用磨口玻璃塞
C. 粗硅与HCl反应时，需要在富氧的环境中进行
D. 高纯硅常用于制备光导纤维
【答案】A
【解析】A．石英砂与过量焦炭发生的主要反应制备粗硅是主要反应，其化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑，A正确；B．玻璃塞和试剂瓶磨口处的SiO2会与NaOH溶液反应生成硅酸钠，硅酸钠溶液具有黏性，则盛装NaOH溶液的玻璃瓶要不能使用磨口玻璃塞，B错误；C．粗硅与HCl反应时，会产生H2，若在富氧的环境中，易发生爆炸且会生成SiO2，C错误；D．SiO2用于制作光导纤维，D错误；故选A。
9. 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：
B. 具有吸水性，需要密封保存
C. 能与，反应生成新盐
D. 与足量盐酸作用，所得固体产物主要为
【答案】D
【解析】将Ca3SiO5改写为氧化物形式后的化学式为：3CaO·SiO2，性质也可与Na2SiO3相比较，据此解答。A.Ca3SiO5与NH4Cl反应的方程式为：Ca3SiO5+4NH4Cl CaSiO3+2CaCl2+4NH3↑+2H2O，A正确；B.CaO能与水反应，所以需要密封保存，B正确；
C.亚硫酸的酸性比硅酸强，当二氧化硫通入到Ca3SiO5溶液时，发生反应：3SO2+H2O+ Ca3SiO5=3 CaSO3+H2SiO3，C正确；D.盐酸的酸性比硅酸强，当盐酸与Ca3SiO5反应时，发生反应：6HCl+ Ca3SiO5=3CaCl2+H2SiO3+2H2O，D不正确。
10. 阅读短文，回答问题。
硅元素在地壳中的含量仅次于氧。人类很早就利用硅酸盐烧陶制瓷、获得玻璃制品。
1824年，人类成功提炼出硅单质。由石英砂制高纯硅的过程如下：
如今，半导体“硅”已经成为信息时代高科技的代名词。由于硅元素储量丰富，且单晶硅具有优异的耐高温与抗腐蚀性能，所以单晶硅成为制造大规模集成电路(俗称“芯片”)的基底材料。
整个芯片制造过程需要许多高精密度的专业设备，其中不乏我国目前还未完全掌握而被“卡脖子”的技术。我国科学家正开发“碳基”芯片来替代硅基芯片，习近平主席评价此项研究“另辟蹊径，柳暗花明”。
（1）请依据以上短文，下列说法正确是___________。
A．硅元素在自然界中以游离态(单质)形式存在，石英砂的主要成分是SiO2
B．单晶硅做芯片的基底材料与硅元素储量丰富，单晶硅导电性好、耐腐蚀性能优异有关
C．制备单质硅的过程中焦炭过多容易生成副产物金刚砂
D．碳和硅在周期表中位于同一主族，性质相似，因此“碳基”芯片有望替代硅基芯片
（2）制备高纯硅过程必须严格控制无水无氧，因为SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出该反应的化学方程式___________。
（3）有一类组成最简单的有机硅化合物叫硅烷，硅烷的组成、结构与相应的烷烃相似，化学性质活泼，可在空气中自燃，写出乙硅烷在空气中自燃的化学方程式___________。
【答案】（1） CD （2）
（3）2Si2H6+7O2=4SiO2+6H2O
【解析】石英砂在高温时和焦炭反应生成粗硅，再和氯化氢反应生成粗SiHCl3，精馏后用氢气还原出其中的硅，以此解题。（1）A．硅元素在自然界中以化合态形式存在，A错误；B．单晶硅不是具有很好的导电性，B错误；C．过量的碳在高温时可以和硅反应生成金刚砂，C正确；D．碳和硅在周期表中均位于ⅣA族，性质相似，因此“碳基”芯片有望替代硅基心片，D正确；故选CD；
（2）根据题意SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，结合元素守恒可知，方程式为：；
（3）类比甲烷可知，硅烷燃烧生成二氧化硅和水，方程式为：2Si2H6+7O2=4SiO2+6H2O。
11. 硅单质及其化合物应用广泛。请回答下列问题：
（1）硅元素在元素周期表的位置是___________。
（2）沙子可用作建筑材料和制玻璃的原料，下列说法正确的是___________(填字母)。
A．SiO2可用于制造光导纤维而不能直接作芯片
B．SiO2既能溶于氢氟酸、也能溶于氢氧化钠，是两性氧化物
C．普通玻璃是由SiO2、石灰石和纯碱制成的，其熔点很高
（3）硅单质可作为硅半导体材料。三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程如图：
①该生产过程中可以循环使用的物质是___________。
②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和一种气体单质，写出发生反应的化学方程式___________。
（4）新型陶瓷材料氮化硅(Si3N4)可应用于原子反应堆，一种制备氮化硅的反应如下：
3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO。若生成标准状况下33.6 L CO时，反应过程中转移的电子为___________mol。
（5）某同学设计的如图实验装置证明非金属性：N＞C＞Si。
所用到的试剂：①稀HNO3；②碳酸钙；③Na2SiO3溶液。
你认为该同学实验能否说明N、C、Si非金属性强弱，
若能或者不能，请用必要的文字及化学方程式说明___________。
【答案】（1）第三周期第ⅣA族 （2）A （3） ①. H2、HCl ②. SiHCl3+3H2O=H2SiO3↓+H2↑+3HCl
（4）3 （5）硝酸具有挥发性，所以生成的硅酸可能是硝酸和硅酸钠反应得到的，2HNO3 +Na2SiO3=2NaNO3+H2SiO3↓
【解析】(3)石英砂主要成分是SiO2，石英砂与焦炭在高温下反应产生粗硅Si、CO，粗硅与HCl在573 K条件下反应产生粗SiHCl3、H2，粗SiHCl3经精馏得到纯净SiHCl3，纯净SiHCl3与H2在1357 K高温下发生还原反应得到高纯硅。(5)元素的非金属性越强，其最高价氧化物对应的水化物的酸性就越强，强酸与弱酸盐可以发生复分解反应制取弱酸，据此判断元素的非金属性强弱。在图示中是利用酸性：HNO3＞H2CO3＞H2SiO3来判断元素的非金属性N＞C＞Si，但HNO3是挥发性的酸，在CO2气体中含有HNO3蒸气进入装置C中会发生反应2HNO3 +Na2SiO3=2NaNO3+H2SiO3↓
，因此不能证明酸性H2CO3＞H2SiO3。
（1）Si是14号元素，原子核外电子排布是2、8、4，根据原子核外电子排布与元素位置的关系可知：硅元素在元素周期表的位置是第三周期第ⅣA族；（2）A．SiO2能够使光线全反射，因此可用于制造光导纤维，制芯片的原料是晶体硅，而不是二氧化硅，A正确；B．SiO2能溶于氢氧化钠，反应产生Na2SiO3和H2O，虽然也能溶于氢氟酸，但反应产生SiF4不是盐，因此不能说SiO2是两性氧化物，它属于酸性氧化物，B错误； C．普通玻璃是由SiO2、石灰石和纯碱制成的，是混合物，属于玻璃态物质，而不是化合物，因此没有固定的熔沸点，只能在一定温度范围内逐渐软化，C错误；故合理选项是A；（3）①石英砂与焦炭在高温下反应产生粗硅Si、CO，粗硅与HCl在573 K条件下反应产生粗SiHCl3、H2，粗SiHCl3经精馏得到纯净SiHCl3，然后与H2在1357 K高温下发生还原反应产生高纯硅Si、HCl，可见该生产过程中可以循环使用的物质是H2、HCl；②整个制备过程必须严格控制无水无氧。这是由于SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和一种气体单质，根据元素守恒、电子守恒，可知还产生了可燃性气体H2，SiHCl3+3H2O=H2SiO3↓+H2↑+3HCl；
（4）在反应3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO中，每反应产生6 mol CO气体，反应过程中转移12 mol电子。若生成标准状况下33.6 L CO，其物质的量n(CO)==1.5 mol，则反应过程中转移的电子的物质的量为n(e-)=×12 mol=3 mol；（5）元素的非金属性越强，其最高价氧化物的水化物的酸性就越强。HNO3能够与CaCO3发生复分解反应：CaCO3+2HNO3=Ca(NO3)2+CO2↑+H2O。可证明酸性：HNO3＞H2CO3，反应产生的CO2进入盛有饱和Na2SiO3溶液的装置中，会发生反应：CO2+H2O+Na2SiO3=Na2CO3+H2SiO3↓，若在装置C中仅发生该反应，可以证明酸性： H2CO3＞H2SiO3，但由于硝酸具有挥发性，挥发的硝酸蒸气也会进入装置C中，与其中的Na2SiO3溶液发生反应：2HNO3+Na2SiO3=2NaNO3+H2SiO3↓，可见：生成的硅酸可能是硝酸和硅酸钠反应得到的，也可能是CO2气体与硅酸钠溶液反应得到的，因此不能根据上述实验判断元素的非金属性：N＞C＞Si。第五章 化工生产中的重要非金属元素
第三节 无机非金属材料
1. “高山流水觅知音”。下列中国古乐器中，主要由硅酸盐材料制成的是（ ）。
A．九霄环佩木古琴 B．裴李岗文化骨笛 C．商朝后期陶埙 D．曾侯乙青铜编钟
2. 化学与生产、生活密切相关，下列说法不正确的是（ ）。
A. 闻名世界的秦兵马俑是陶制品，由黏土经高温烧结而成
B. 葡萄酒中通常添加少量SO2，既可以杀菌，又可防止营养成分被氧化
C. 《清波杂志》卷十二：“信州铅山胆水自山下注，势若瀑布……古传一人至水滨，遗匙钥，翌日得之，已成铜矣。”这里的胆水是指CuSO4溶液
D. 我国清代《本草纲目拾遗》中记叙 “强水”条目下写道：“性最烈，能蚀五金……其水甚强，五金八石皆能穿第，惟玻璃可盛。”这里的“强水”是指HF
3. 工业制备高纯硅的主要过程如图所示：
已知石英晶体部分结构如图。
下列说法错误的是（ ）。
A. 制备粗硅的反应体现了C元素的非金属性比强 B. 石英晶体中不存在分子
C. 原料气和应充分去除水和氧气 D. 流程中可以循环使用
4. 下列化学方程式或离子方程式书写正确的是（ ）。
A. 工业生产粗硅：
B. 氢氧化亚铁溶于稀硝酸：
C. 碱性镁铝原电池的负极反应：
D. 过量的和稀硝酸反应：
5. 下表各物质中， A、B、C、D、E均含有同一种短周期元素，其中A是单质，B常温下是气态氢化物，C、D是氧化物，E是D和水反应的产物。则各物质之间通过一步反应就能实现表中所示转化的是（ ）。
物质编号 物质转化关系 A D E
① Si SiO2 H2SiO3
② S SO3 H2SO4
③ Na Na2O2 NaOH
④ N2 NO2 HNO3
A. ②③ B. ②④ C. ①③④ D. ①②③④
6. 氮化硅()是一种高温结构陶瓷材料，它硬度大、熔点高、化学性质稳定。合成氮化硅的一种工艺流程如图所示，下列说法正确的是（ ）。
已知：在潮湿的空气中易水解，产生白雾，中各元素的化合价与相同。
A. 该流程中可循环使用的物质是
B. 第①步反应中产生的气体能使澄清石灰水变浑浊
C. 图示①～④的变化中，属于氧化还原反应的是①②③
D. 第③步反应可用氨水代替
7. 在下列工业生产过程的转化关系中，不能符合生产实际的是（ ）。
A.
B.
C.
D.
8. 工业制备高纯硅的流程如下，下列说法正确的是（ ）。
A. 石英砂与过量焦炭发生的主要反应的化学方程式为SiO2+2CSi+2CO↑
B. 盛装NaOH溶液的玻璃瓶要使用磨口玻璃塞
C. 粗硅与HCl反应时，需要在富氧的环境中进行
D. 高纯硅常用于制备光导纤维
9. 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：
B. 具有吸水性，需要密封保存
C. 能与，反应生成新盐
D. 与足量盐酸作用，所得固体产物主要为
10. 阅读短文，回答问题。
硅元素在地壳中的含量仅次于氧。人类很早就利用硅酸盐烧陶制瓷、获得玻璃制品。
1824年，人类成功提炼出硅单质。由石英砂制高纯硅的过程如下：
如今，半导体“硅”已经成为信息时代高科技的代名词。由于硅元素储量丰富，且单晶硅具有优异的耐高温与抗腐蚀性能，所以单晶硅成为制造大规模集成电路(俗称“芯片”)的基底材料。
整个芯片制造过程需要许多高精密度的专业设备，其中不乏我国目前还未完全掌握而被“卡脖子”的技术。我国科学家正开发“碳基”芯片来替代硅基芯片，习近平主席评价此项研究“另辟蹊径，柳暗花明”。
（1）请依据以上短文，下列说法正确是___________。
A．硅元素在自然界中以游离态(单质)形式存在，石英砂的主要成分是SiO2
B．单晶硅做芯片的基底材料与硅元素储量丰富，单晶硅导电性好、耐腐蚀性能优异有关
C．制备单质硅的过程中焦炭过多容易生成副产物金刚砂
D．碳和硅在周期表中位于同一主族，性质相似，因此“碳基”芯片有望替代硅基芯片
（2）制备高纯硅过程必须严格控制无水无氧，因为SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出该反应的化学方程式___________。
（3）有一类组成最简单的有机硅化合物叫硅烷，硅烷的组成、结构与相应的烷烃相似，化学性质活泼，可在空气中自燃，写出乙硅烷在空气中自燃的化学方程式___________。
11. 硅单质及其化合物应用广泛。请回答下列问题：
（1）硅元素在元素周期表的位置是___________。
（2）沙子可用作建筑材料和制玻璃的原料，下列说法正确的是___________(填字母)。
A．SiO2可用于制造光导纤维而不能直接作芯片
B．SiO2既能溶于氢氟酸、也能溶于氢氧化钠，是两性氧化物
C．普通玻璃是由SiO2、石灰石和纯碱制成的，其熔点很高
（3）硅单质可作为硅半导体材料。三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程如图：
①该生产过程中可以循环使用的物质是___________。
②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和一种气体单质，写出发生反应的化学方程式___________。
（4）新型陶瓷材料氮化硅(Si3N4)可应用于原子反应堆，一种制备氮化硅的反应如下：
3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO。若生成标准状况下33.6 L CO时，反应过程中转移的电子为___________mol。
（5）某同学设计的如图实验装置证明非金属性：N＞C＞Si。
所用到的试剂：①稀HNO3；②碳酸钙；③Na2SiO3溶液。
你认为该同学实验能否说明N、C、Si非金属性强弱，
若能或者不能，请用必要的文字及化学方程式说明___________。

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