新高考化学一轮总复习练12第四章第12讲碳、硅无机非金属材料环境保护与绿色化学含解析

第12讲　碳、硅　无机非金属材料　环境保护与绿色化学

A组　基础必做题

1．(2021·山东省实验中学2月月考，2)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　)

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＋H2OH2CO3，H2CO3HCO＋H＋

[解析]　二氧化碳与水经光合作用转化为葡萄糖等有机物，该过程涉及氧化还原反应，将太阳能转化为化学能，故A错误、B正确；氯化钙与碳酸氢钠反应可生成碳酸钙、二氧化碳和水，反应的离子方程式为Ca2＋＋2HCO===CaCO3↓＋CO2↑＋H2O，故C正确；吸收作用中二氧化碳与水反应生成碳酸，反应方程式为CO2＋H2OH2CO3，碳酸电离可生成碳酸氢根离子，其电离方程式为H2CO3HCO＋H＋，故D正确。

2．(2022·安徽肥东县高级中学调研)(双选)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SiO，然后SiO迅速水解生成H4SiO4，下列有关说法正确的是(　AD　)

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

[解析]　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。

3．下列关于某博物院使用材料的相关说法正确的是(　B　)

A．展柜使用的钢化玻璃，其主要成分只有SiO2

B．墙体使用的砖瓦、水泥是硅酸盐制品

C．陈列的元青花瓷的原料有高岭土[Al2Si2O5(OH)4]，也可以表示为Al2O3·SiO2·H2O

D．展示的青铜器上有一层绿色物质，可能是碱式碳酸铜，此绿色物质不溶于盐酸

[解析]　钢化玻璃与普通玻璃的主要成分相同(只是制造的工艺不同)，主要是硅酸钠、硅酸钙和二氧化硅，A错误；砖瓦和水泥都是硅酸盐制品，B正确；高岭土[Al2Si2O5(OH)4]应该表示为Al2O3·2SiO2·2H2O，C错误；铜绿是碱式碳酸铜，该物质可以与盐酸反应生成氯化铜而溶解，D错误。

4．(2021·湖北新高考适应卷，14)水泥是人类最伟大的发明之一，主要成分为硅酸三钙(3CaO·SiO2)。将其与适量的水反应，形成相互交联的结构，反应式如下

2(3CaO·SiO2)＋6H2O===3CaO·2SiO2·3H2O＋3Ca(OH)2　ΔH<0

但是，需要避免交联过程热膨胀及产生的水蒸气在建筑结构中造成空隙。我国三峡大坝的建设者在全世界首创了以冰代水的浇灌方法，有效解决了这一问题，保证了大坝建筑质量，下列说法错误的是(　C　)

A．水泥由黏土和石灰石等研磨、煅烧制得

B．水泥生产过程中加入石膏，可以调节水泥的硬化速率

C．水的作用是提供结晶水以稳定交联结构

D．以冰代水的优点是减少了热膨胀及水蒸气的产生

[解析]　A项，制水泥的原料为黏土和石灰石，正确；B项，水泥中加入石膏的目的是调节水泥的硬化速率，正确；C项，根据题目信息可知水的作用一方面提供结晶水，另一方面与部分氧化钙结合生成氢氧化钙，错误；D项，根据题目信息可知以冰代替水可以减少热膨胀以及水蒸气的产生，正确。

5．(2022·福建三明月考)现有如图所示的转化关系，水和部分产物已略去。

已知：①X和Z是两种透明、不溶于水的坚硬固体，其中Z无固定熔点，是现代建筑不可缺少的装饰和采光材料；

②无色气体A是引起温室效应的主要气体；

③B、D均为难溶于水的白色固体；

④高纯度的F是使用最广泛的半导体材料。

据此回答下列问题：

(1)Z的名称是__玻璃__，工艺师在Z表面刻蚀花纹图案需用的试剂为__氢氟酸__(填名称)。

(2)由X、Y制F的化学方程式为__SiO2＋2C2CO↑＋Si__，此反应中Y作__还原__(填“氧化”或“还原”)剂。

(3)转化①的化学方程式为__SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O__；转化②(A少量)的离子方程式为__SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO__。

[解析]　由题意可知X为SiO2；无色气体A为CO2；B、D均为难溶于水的白色固体，由流程分析可知B为CaCO3，D为H2SiO3；高纯度F是使用最广泛的半导体材料，F为Si。由流程可知Y为焦炭，C为Na2SiO3。(1)由题意判断Z为玻璃；工艺师在Z表面刻蚀花纹图案需用的试剂为氢氟酸。(2)由X、Y制F的化学方程式为SiO2＋2C2CO↑＋Si，C作还原剂。(3)转化①的化学方程式为SiO2＋2NaOH===Na2SiO3＋H2O；A为CO2，转化②(A少量)的离子方程式为SiO＋CO2＋H2O===H2SiO3↓＋CO。

6．(2022·六安模拟)光纤通讯是光导纤维传送信号的一种通讯手段，合成光导纤维及氮化硅(一种无机涂层)的工艺流程如图：

回答下列问题：

(1)反应Ⅰ的化学方程式为__SiO2＋2CSi＋2CO↑__，氧化剂为__SiO2__(填化学式)。

(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__精馏(或蒸馏)__；PCl3的电子式为__ __。

(3)反应Ⅲ和Ⅳ中尾气的用途为__制取盐酸(或其他合理答案)__；

反应Ⅳ的化学方程式为__3SiCl4＋4NH3Si3N4＋12HCl__。

[解析]　(1)反应Ⅰ是焦炭还原SiO2，反应方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑；氧化剂是所含元素化合价降低的物质，根据反应方程式可知，二氧化硅中硅的化合价由＋4→0，即SiO2是氧化剂。(2)根据表格数据，除HCl、BCl3和SiH2Cl2常温下是气体外，其余为液体，因此采用精馏(或蒸馏)的方法得到SiCl4；PCl3是共价化合物，最外层都满足8电子稳定结构，其电子式为。(3)反应Ⅲ中得到的物质为SiO2和HCl，尾气是HCl，反应Ⅳ中发生的反应是3SiCl4＋4NH3Si3N4＋12HCl，尾气是HCl，因此尾气的用途是制备盐酸。

B组　能力提升题

7．(2022·山东聊城模拟)(双选)实验室用H2还原SiHCl3(沸点：31.85 ℃)制备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(　CD　)

A．装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是浓H2SO4、冰水

B．实验时，应先加热管式炉，再打开盛装稀硫酸的分液漏斗

C．为鉴定制得的硅中是否含微量铁单质，需要用到的试剂为盐酸、过氧化氢、硫氰化钾溶液

D．该实验中制备氢气的装置不能用于氢氧化钠稀溶液与氯化铵同体反应制备氨气

[解析]　Ⅰ为氢气的发生装置，Ⅱ为干燥装置，浓硫酸是常用的干燥剂，装置Ⅲ需水浴加热，目的是加快反应的速率，且保持稳定恒定；装置Ⅳ不能采用普通玻璃管的原因是温度太高，普通玻璃管易熔化；保证实验成功的关键是装置要严密，控制好温度等，以此解答该题。装置Ⅲ需水浴加热，目的是使SiHCl3汽化，与氢气反应，故A错误；应先通入氢气，以排出装置内空气，防止在加热时爆炸，故B错误；检验是否含有铁，加入盐酸生成氯化亚铁，加入过氧化氢可生成氯化铁，然后用KSCN检验，故C正确；氨气易溶于水，不能用氢氧化钠稀溶液制备氨气，故D正确。

8．(2022·福建南平期中)我国成功地发射了嫦娥一号探测卫星，对月球土壤中14种元素的分布及含量进行探测等。月球的矿产资源极为丰富，仅月球表层5 cm厚的沙土就含铁单质有上亿吨，月球上的主要矿物有辉石(CaMgSi2O6)、斜长石(NaAlSi3O8)和橄榄石[(Mg，Fe)2SiO4]等。下列说法或分析不正确的是(　B　)

A．辉石、斜长石及橄榄石均属于硅酸盐矿

B．斜长石的氧化物形式可表示为Na2O·Al2O3·3SiO2

C．月球表层沙土中含有游离态铁是因为月球的表面几乎没有氧气

D．橄榄石中铁元素为＋2价

[解析]　辉石、斜长石及橄榄石的成分均为硅酸盐类，属于硅酸盐矿，A项正确；斜长石(NaAlSi3O8)改写成氧化物的形式应为Na2O·Al2O3·6SiO2，B项错误；月球上含有游离态铁是因为月球环境中没有氧化金属铁的物质或者条件，故月球的表面几乎没有氧气，C项正确；橄榄石[(Mg，Fe)2SiO4]中，Si、O元素分别为＋4价和－2价，由化合价代数和为0，可确定铁元素为＋2价，D项正确。

9．A、B、C、D、E五种物质中均含有同一种短周期主族元素R，它们能发生如图所示的转化关系，已知A、B、D、E四种物质均难溶于水，单质R能与NaOH溶液反应生成盐和氢气。

下列说法正确的是(　B　)

A．反应①中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1︰1

B．化合物A既能溶于NaOH又能溶于氢氟酸

C．反应④的离子方程式为2R＋2OH－＋2H2O===2RO＋3H2↑

D．化合物C的溶液与反应①产生的气体能够发生化学反应

[解析]　单质R能与NaOH溶液反应生成盐和氢气，常见的是Al或Si，由图中转化关系可知，若R是Al，则C应为NaAlO2，但NaAlO2与过量盐酸反应生成NaCl和AlCl3的混合溶液，不能生成难溶物，所以R是Si，A在高温下能与焦炭和石灰石反应，说明A是SiO2，根据图中转化关系可推知，B为CaSiO3、D为Si、C为Na2SiO3、E为H2SiO3。A项，反应①的化学方程式为SiO2＋2CSi＋2CO↑，由方程式可知，氧化剂与还原剂的物质的量之比为1︰2，错误；B项，SiO2既能与NaOH溶液反应，又能和氢氟酸反应，正确；C项，反应④的离子方程式为Si＋2OH－＋H2O===SiO＋2H2↑，错误；D项，反应①产生的气体是CO，Na2SiO3溶液与CO不反应，错误。

10．(2022·江西奉新一中月考)工业上制备高纯硅有多种方法，其中的一种工艺流程如下：

已知：流化床反应的产物中，除SiCl4外，还有SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、FeCl3等，下列说法正确的是(　B　)

A．电弧炉中发生的反应为C＋SiO2CO2↑＋Si

B．SiCl4进入还原炉之前需要经过蒸馏提纯

C．每生产1 mol高纯硅，需要44.8 L Cl2(标准状况)

D．该工艺中Si的产率高，符合绿色化学要求

[解析]　A项，石英砂(主要成分为SiO2)与焦炭在高温下反应生成粗硅和一氧化碳，电弧炉中发生的反应为2C＋SiO22CO↑＋Si，错误；B项，在流化床反应的产物中除SiCl4外，还有SiHCl3、SiH2Cl2、SiH3Cl、FeCl3等，SiCl4进入还原炉之前需要经过蒸馏提纯，正确；C项，粗硅中的Si不能完全转化为高纯硅，因此每生产1 mol高纯硅，需要Cl2的物质的量大于2 mol，错误；D项，该工艺中产生氯化氢气体且有氯气参与，容易造成空气污染，不符合绿色化学要求，错误。

11．(2022·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300 ℃时反应生成1 mol SiHCl3气体和H2，放出225 kJ热量，该反应的热化学方程式为

__Si(s)＋3HCl(g)===SiHCl3(g)＋H2(g)　ΔH＝－225 kJ·mol－1__。

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)　ΔH1>0

②3SiCl4(g)＋2H2(g)＋Si(s)―→4SiHCl3(g)　ΔH2<0

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__阴极__(填“阳极”或“阴极”)，该电极的电极反应为__2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－__。

(2)反应③的ΔH3＝__ΔH2－ΔH1__(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__HCl、H2__(填分子式)。

12．单晶硅是信息产业中重要的基础材料，通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅(含铁、铝、硼、磷等杂质)，粗硅与氯气反应生成四氯化硅(反应温度450～500 ℃)，四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅以下是实验室制备四氯化硅的装置示意图。

相关信息如下：

a．四氯化硅遇水极易水解；

b．硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物；

c．有关物质的物理常数见下表：

请回答下列问题：

(1)写出装置A中发生反应的离子方程式：__MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O__。

(2)装置A中g管的作用是__平衡气压__；装置C中的试剂是__浓H2SO4__；装置E中的h瓶需要冷却的理由是__SiCl4沸点较低，用冷却液冷却可得到液态SiCl4__。

(3)装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏(类似多次蒸馏)得到高纯度四氯化硅，精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是__Al、B、P__(填元素符号)。

[解析]　依据题中信息可知A为Cl2的发生装置，B、C为Cl2的净化装置，B中为饱和食盐水，作用是将氯化氢气体除去；C中应为浓H2SO4，作用是除去Cl2中混有的水蒸气，D中发生反应2Cl2＋SiSiCl4，生成的SiCl4用E收集，由表中数据可知SiCl4沸点较低，故用冷却液冷却可得到液态SiCl4。