- 硅酸(原硅酸)的化学性质
- 共829题
单晶硅是信息产业中重要的基础材料。通常用焦炭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 ____________________________。
(2)装置A中g管的作用是________;装置C中的试剂是________;装置E中的h瓶需要冷却的理由是________________________________________。
(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________(填写元素符号)。
(4)为了分析残留物中铁元素的含量,先将残留物预处理,使铁元素还原成Fe2+,再用KMnO4标准溶液在酸性条件下进行氧化还原滴定,反应的离子方程式是:5Fe2++MnO4-+8H+=5Fe3++Mn2++4H2O
滴定前是否要滴加指示剂?________(填“是”或“否”),请说明理由______________________。
②某同学称取5.000 g残留物,经预处理后在容量瓶中配制成100 mL溶液,移取25.00 mL试样溶液,用1.000×10-2 mol·L-1 KMnO4标准溶液滴定。达到滴定终点时,消耗标准溶液20.00 mL,则残留物中铁元素的质量分数是________。
正确答案
(1)MnO2+4H++2Cl- Mn2++Cl2↑+2H2O
(2)平衡压强 浓硫酸 使SiCl4冷凝 (3)Al、P、Cl
(4)①否 KMnO4溶液自身可作指示剂 ②4.480%
(1)A装置是制备Cl2的,注意要求写的是MnO2与浓盐酸的“离子方程式”。
(2)装置A中“g”管的作用是“使分液漏斗与圆底烧瓶压强保持一致,便于液体顺利滴下”,简单说就是“平衡压强”。B是除杂装置,除去Cl2中的HCl气体,C就是干燥装置。干燥Cl2一般用浓硫酸。由于反应温度是450~500 ℃,此时SiCl4是气体,而题目表格中SiCl4通常应是液态的,故装置E中h瓶需要冷却的理由应是便于分离得到SiCl4。
(3)根据已知条件AlCl3、FeCl3、PCl5都会在精馏后的残留物中存在,注意要先答上Cl,容易遗漏。
(4)①由于紫色的KMnO4溶液反应后颜色会褪去,所以不用滴加指示剂。
②根据KMnO4的用量计算出Fe2+的用量,再算其质量分数,属于典型的常见计算,略。
硅是重要的半导体材料,构成了现代电子工业的基础。回答下列问题:
(1)基态Si原子中,电子占据的最高能层符号 ,该能层具有的原子轨道数为 、电子数为 。
(2)硅主要以硅酸盐、 等化合物的形式存在于地壳中。
(3)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体,其中原子与原子之间以 相结合,其晶胞中共有8个原子,其中在面心位置贡献 个原子。
(4)单质硅可通过甲硅烷(SiH4)分解反应来制备。工业上采用Mg2Si和NH4CI在液氨介质中反应制得SiH4,该反应的化学方程式为 。
(5)碳和硅的有关化学键键能如下所示,简要分析和解释下列有关事实:
①硅与碳同族,也有系列氢化物,但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多,原因是 。
②SiH4的稳定性小于CH4,更易生成氧化物,原因是 。
(6)在硅酸盐中,SiO44-四面体(如下图a)通过共用顶角氧离子可形成岛状、链状、层状、骨架网状四大类结构型式。图b为一种无限长单链结构的多硅酸根;其中Si原子的杂化形式为 。Si与O的原子数之比为 化学式为 。
正确答案
(1)M;9;4 (2)二氧化硅; (3)共价键;3
(4)Mg2Si+4NH4Cl=SiH4+4NH3+2MgCl2
(5)①硅烷中的Si-Si键和Si-H键的键能小于烷烃分子中C-C键和C-H键的键能,稳定性差,易断裂,导致长链硅烷难以形成,所以硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多。
②由于键能越大,物质越稳定,C-H键的键能大于C-O键的键能,故C-H键比C-O键稳定;而Si-H键的键能却远小于Si-O键的键能,所以Si-H键不稳定,而倾向于形成稳定性更强的Si-O键,即更易生成氧化物。
(6)sp3;1:3;[SiO3]n2n-(或SiO32-)
(1)基态Si原子中,有14个电子,核外电子排布式为1s22s22p63s23p2,电子占据的最高能层符号为M。该能层具有的原子轨道数为1个s轨道,3个p轨道,5个d轨道。
(2)硅主要以硅酸盐、二氧化硅等化合物的形式存在于地壳中。
(3)单质硅存在与金刚石都属于原子晶体,其中原子与原子之间以共价键相结合,其晶胞中共有8个原子,其中在面心位置贡献为6×1/2=3个原子。
(4)Mg2Si和NH4Cl在液氨介质中反应制得SiH4,该反应的化学方程式为Mg2Si + 4NH4Cl=SiH4+4NH3+2MgCl2。
(5)①硅与碳同族,也有系列氢化物,但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多,原因是①C—C键和C—H键较强,所形成的烷烃稳定。而硅烷中Si—Si键和Si—H键的键能较低,易断裂,导致长链硅烷难以生成。②SiH4的稳定性小于CH4,更易生成氧化物,原因是C—H键的键能大于C—O键,C—H键比C—O键稳定。而Si—H键的键能却远小于Si—O键,所以Si—H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O键。
(6)中心原子Si原子的杂化形式为sp3,Si与O的原子数之比为1∶3,化学式为[SiO3]n2n-(或SiO32-)。
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一个又一个奇迹。
(1)硅在元素周期表中的位置是_______。
(2)工业生产粗硅的反应有:SiO2+2CSi(粗)+2CO↑,SiO2+3C
SiC+2CO↑。若产品中单质硅与碳化硅的物质的量之比为1:1,则参加反应的C和SiO2的质量之比为 。
(3)工业上可以通过如下图所示的流程制取纯硅:
①若反应I为 Si(粗)+3HClSiHCl3+H2,
则反应II的化学方程式为 。
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和另 一种物质,写出该反应的化学方程式: 。
③假设每一轮次制备1mol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 。
正确答案
(1)第三周期IVA族 (2)1:2
(3)①SiHCl3+H2 Si(纯)+3HCl
②SiHCl3+3H2O = H2SiO3+3HCl+H2↑
③5:1
试题分析:(1)硅在周期表中位于第三周期第IVA族。
(2)将两方程式叠加,可知C和SiO2的物质的量之比为5:2,因此质量比为:(5×12):(2×60)=1:2。
(3)①由流程图可知反应II是SiHCl3和H2反应生成纯硅和HCl,因此方程式为:SiHCl3+H2 Si(纯)+3HCl。
②写出方程式中已知物质:SiHCl3+3H2O — H2SiO3+3HCl,由原子守恒可知另一种物质为H2,故方程式为SiHCl3+3H2O = H2SiO3+3HCl+H2↑。
③由题中条件可知:
Si(粗)+ 3HCl SiHCl3 + H2
1mol 3mol 1mol
SiHCl3+H2 Si(纯)+3HCl
1mol 1mol 3mol
由以上数据,循环生产中只能产生3molHCl,但HCl的利用率是90%,因此需要增加()molHCl,循环生产中只产生1molH2,但H2的利用率为93.75%,因此需增加(
)molH2,因此,补充投入HCl 和H2的物质的量之比为:(
):(
)=5:1。
(12分)回收再利用锗产品加工废料,是生产GeO2的重要途径,其流程如下图。
(1)Ge2+与氧化剂H2O2反应生成Ge4+,写出该反应的离子方程式:
▲ 。
(2)蒸馏可获得沸点较低的GeCl4,在此过程中加入浓盐酸的原因是:
▲ 。
(3)GeCl4水解生成GeO2·nH2O,此过程用化学方程式可表示为: ▲ 。温度对GeCl4的水解率产生的影响如右图所示。为控制最佳的反应温度,实验时可采取的措施为 ▲ 。(填字母)
A.用冰水混合物 B.49℃水浴 C.用冰盐水
(4)根据下表1 中不同pH下二氧化锗的溶解率,结合Ge在元素周期表中的位置及“对角线”法则,分析GeO2溶解率随pH 变化的原因 ▲ ,用离子方程式表示pH>8时GeO2溶解率增大可能发生的反应 ▲ 。
表1 不同pH下二氧化锗的溶解率
正确答案
(1)Ge2++H2O2+2H+=Ge4++2H2O (2)抑制GeCl4水解
(3)GeCl4+ (2+n) H2O = GeO2·nH2O+ 4HC1 C
(4)二氧化锗具有两性, GeO2+2OH-=GeO+H2O
(1)根据氧化还原反应的本质:锗的失去电子,化合价上升;则氧得到电子,化合价下降生成水。再根据化学反应前后原子守恒,可配平化学反应:Ge2++H2O2+2H+=Ge4++2H2O
(2)-(3):由于GeCl4强酸弱碱盐,在加热的很容更易发生水解反应,即,当加入浓盐酸可以抑制反应向右进行,即抑制水解。温度越低越不利于水解反应,冰盐水可以降低冰的凝固点,使温度更低。所以选C。
(4)锗的对角是铝,氧化铝是两性金属氧化物,既可以与酸反应,又可以与碱反应。所以氧化锗是两性氧化物,既可以与酸反应,又可以与碱反应,且酸碱性越强反应越剧烈。当pH>8时,生成偏锗酸盐和水,即GeO2+2OH-=GeO32-+H2O。
(共18分) W、X、Y、Z是四种常见的短周期元素,其原子半径随原子序数变化如下图所示。
已知W的一种核素的质量数为18,中子数为10;X和Ne原子的核外电子数相差1;Y的单质是一种常见的半导体材料;Z是是同周期中非金属性最强的元素。
(1)X位于元素周期表的位置 ,X与硫元素形成的化合物的电子式为
(2) Z的气态氢化物和溴化氢相比,较稳定的是 (写化学式)。理由为 。
(3)Y与Z形成的化合物硬度小、熔点低、沸点低,其晶体中有存在的作用力有
其分子属于 (填极性分子、非极性分子),它和足量水反应,有白色胶状沉淀产生,该反应的化学方程式是 。
(4)在25ºC、101 kPa下,已知Y的气态氢化物在氧气中完全燃烧后恢复至原状态,平均每转移1mol 电子放热190.0kJ,该反应的热化学方程是 。
正确答案
(共18分,除注明3分的外其余每空2分)
(1)第三周期、IA族 Na+[eq \o(\s\up 7(‥eq \o(\s\up 3(.]2-Na+
(2) HCl , 氯元素的非金属性强于溴元素,所以HCl比HBr稳定;
(3)范德华力、(或分子间作用力)极性共价键(或共价键); 非极性分子
SiCl4+3H2O=H2SiO3↓+4HCl 或 SiCl4+4H2O=H4SiO4↓+4HCl (3分)
(4) SiH4(g)+2O2(g)=SiO2(s)+2H2O(l) △H=-1520.0kJ/mol (3分)
略
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