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1、元素化学15：硅及其化合物（时间：2.5小时 满分：100分）第第题（11分）1Si（1分）2三 A（1分）3SiC（1分） 原子（0.5分）4Cl（0.5分） SiCl4（1分）5（1）HNO3 HF（各1分）（2）硝酸是氧化剂，氢氟酸是配合剂（各0.5分）（3）Si4HNO36HFH2SiF64NO24H2O（1.5分）（4）正八面体 四面体空隙 100%（各0.5分）题（11分）元素推理元素M的单晶是一种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器和太阳能电池；M也用于制造多种合金。M的晶体具有金刚石的结构。M不溶于水、盐酸、硝酸，M性质较活泼，高温下能与多种元素化合。1写出M的元素符
2、号_；2元素M为于周期表第_周期_族；3与M处于同一主族的元素X，是生命中最重要的元素之一，它在地壳中的含量极高。元素M和元素X可以形成化合物P，写出其化学式 ，属于 晶体。4M能在Y中燃烧，得到非极性分子Q，且M与Y处于同一周期。请写出Y的元素符号_和Q的化学式是 。5M不溶于单独的浓酸A及酸B。为了溶解M，可使用浓酸A和酸B的混合物。（1）确定酸A、B的化学式（2）解释在M的溶解过程中，酸A和酸B各起什么作用？（3）写出溶解反应方程式。（4）用NaOH中和上述溶解后的产物，可析出晶体A。A是离子晶体，阴离子作立方最密堆积。请指出阴离子的结构特点、阳离子在晶体中占据什么空隙及占有率。第第题（
3、分）1橄榄石中的铁可与镁成任意比。则其必为FeSiO4在MgSiO4中形成的溶液（或相反）。（1.5分）2在一个干燥的烧院中滴入23滴乙醚，使其充满容器，投入5g硅胶。立刻塞紧带有尖嘴玻璃管的橡皮塞（用弹簧夹夹紧连接的乳胶管）。用力摇晃烧瓶片刻，把烧瓶固定在盛水的方槽上面，使乳胶管的尾端伸入水中，打开弹簧夹。用另一副未加硅胶的同样装置重复进行一次上面的实验。现象：装有硅胶的烧瓶，打开弹簧夹后，水槽中的水通过玻璃尖嘴像喷泉似喷出。未装硅胶的烧瓶无此现象。（3分）3Si4OHSiO442H2（1分） SiO444H2OSi(OH)44OH（1分）若写成Si2OHH2OSiO322H2 SiO323
4、H2OSi(OH)42OH，也得同样的分。但写成Si4H2OSi(OH)42H2不得分。写不写（沉淀）和（气体）不影响得分。4（1）3SiO26C2N2Si3N46CO（1分）（2）SiCl46NH3Si(NH)24NH4Cl（Si(NH2)4也可）（1分）3Si(NH)2Si3N42NH3（0.5分）（3）3SiCl44NH3 Si3N412HCl（1分）5（1）H2SiO36KF4HNO3K2SiF64KNO33H2O（1分）K2SiF63H2O2KFH2SiO34HF（1分）HFNaOHNaFH2O（0.5分）（2）(SiO2)cNaOHVNaOHMSiO24ms1000100（1.5分
5、）题（14分）一组小试题1橄榄石的分子式有时写成 (Fe，Mg)2SiO4的形式，表明每2mol金属离子就有1mol原硅酸离子，问橄榄石是化合物还是固体溶液？2硅及其化合物用途非常广泛。常用作干燥剂的多孔硅酸是由硅酸盐（例如Na2SiO4）的水溶液中加入相应的酸生成溶解度较小的硅酸分子，放置一段时间后，硅酸分子逐渐聚合形成硅酸溶胶，进一步处理可得多孔硅胶。多孔硅胶对许多气体如乙醚蒸气等有吸附作用，设计一实验证明硅胶的吸附性，请写出实验步骤、现象及解释。3通常，硅不与水反应，然而，弱碱性水溶液能使一定量的硅溶解，生成Si(OH)4。已知反应分两步进行，试用化学方程式表示上述溶解过程。4Si3N4
6、作为一种高温结构材料，具有广泛用途，可通过多种途径进行制备。写出下列反应方程式。（1）以三种常见廉价物质为原料（其中两种为单质），混合加热制备；（2）SiCl4在液氨中反应，产物之一高温加热可得Si3N4；（3）SiCl4与氨气在高温下直接反应得到Si3N4。5取ms g硅酸盐试样，同碱熔融分解，然后加入足量3mol/L HNO3，在有足量KCl存在的情况下加入KF，得到沉淀。将沉淀过滤、洗涤，中和剩余的游离酸后，加入沸水，然后用浓度为c mol/L的NaOH标准溶液，耗去VmL。（1）写出有关反应的化学方程式；（2）计算SiO2的质量分数（写出表达式）。第第题（12分）1SiH42O2SiO
7、22H2O（1分）2SiH48AgNO32H2O8AgSiO28HNO3（1.5分）35SiH48KMnO412H2SO48MnSO45H2SiO34K2SO417H2O（1.5分）4方法：SiO24MgMg2Si2MgOMg2Si4NH4BrSiH42MgBr24NH3（在液氨中）方法：SiO22Cl22CSiCl42COSiCl4LiAlH4LiClSiH4AlCl3（在乙醚中）（每个1分）5物理：区域熔炼法或由熔融体拉成单晶（1分）化学：Si2Cl2SiCl4；SiCl42H2Si4HCl（1分）（实际上，炼制芯片级纯硅是先用化学法沉降出高纯硅，再用区域熔炼法制得的。）6SiO2（1分）
8、 因为SiH4水解、氧化所得产物都是SiO2（1分）题（12分）甲硅烷的性质和制备甲硅烷是一种无色气体，遇到空气能发生爆炸性自燃，易分解，可用于制备高纯度硅。1写出甲硅烷自燃反应方程式；2甲硅烷可与AgNO3反应，有沉淀生成，但无气体释放，写出反应方程式；3甲硅烷可以在溶液中使（酸性）高锰酸钾褪色（无气体释放），写出反应方程式；4以SiO2为硅源，在非水溶剂（液氨、乙醚）中制取SiH4，其它反应物有LiAlH4、NH4Br及其它常见无机物。现用两种方法进行制备，写出分步反应方程式。5提出由粗硅制得纯硅的一种物理方法和一种化学方法。6SiH4为原料也可以用来制备Si3N4纳米材料，该制备方法中最
9、可能存在的杂质是什么？请解释该结论。图 cristobalite第第题（9分）1Si：8；O：16（各0.5分）2sp3；109.5（各0.5分）3正八面体：（1分）4SiO22CSi2CO（1分）5（1）Si（s）2Cl2（g）SiCl4（l）（0.5分）（2）正四面体：（0.5分）（3）“C”SiHCl3，极性分子 （1.5分）（4）(1g/32.066g/mol)0.11096.0210231.91012（1分）6掺杂硼的硅晶圆，相邻原子的电子可移动至电洞，而导电性随之提升，故电洞为电荷载体，此为P型半导体。（1.5分）题（9分）硅与二氧化硅的结构问题化学不但可以增进生活质量，也可以使得
10、生活富裕，数千年前，人类已能善用砂制造玻璃，再由玻璃制成镜片，进而制作出望远镜、显微镜、眼镜镜片、甚至化学实验的玻璃器材。近来，砂已成为半导体的起始物。硅为地壳中含量丰富的元素之一，硅以SiO键结存在化合物中，而地表上则以SiO2形式存在。1在cristobalite的晶胞中，各含有多少个Si和O原子？2推测此结构中Si的杂化轨道以及OSiO的键角。3SiO2非常稳定，但却易与氢氟酸（HF）反应，此反应应用在玻璃蚀刻与半导体的制造技术上：SiO2（s）6HFA（aq）2H（aq）2H2O（l）画出A的分子结构4硅可以通过加热SiO2和焦炭至3000的电弧炉中进行制备。假定在此情况下只有一种Le
11、wis结构表现出形式电荷的气体生成，写出该反应方程式。5为了得高纯度的硅，可将粗质的硅与氯气反应而产生“B”，或是与氯化氢反应生成“C”。（1）写出Si与氯气反应的方程式。（2）预测“B”的分子结构（3）方程式（Si（s）3HCl（g）“C”（g）H2（g）中的产物“C”是否具有极性？如果有，请简述其偶极矩的方向，并画出“C”的三维空间结构。（4）于1000时，上题方程式之逆反应为自发反应，并产生高纯度的硅。最后纯化过程是熔化，称之为区域精炼，其原理是因为杂质在液相的溶解度大于固相（如图），区域精炼的步骤可重复进行，直到预期的纯度（不纯物应少于0.1 ppb）为止。当不纯物程度达0.1 ppb
12、时，每克的硅晶圆中有多少硅原子被杂质原子取代？6如同其它的半导体，高纯度的硅导电性不好，需要加一低限电压才能导电，若提高电压值，则导电度上升，另一方面，硅的半导体性质可藉由添加少量不同元素来提升。取少量B原子取代硅晶圆中的硅，此时何者为电荷载体 (charge carrier)？此添加后的半导体称为何型半导体？第第题（12分）13K2O3Al2O36SiO22H2O（1分）2Al与Si的半径相近，插入后不会引起结构改变（1分）3（1）2KMg3AlSi3O10(OH)214H2CO3H2O2K6Mg214HCO34H4SiO4Al2Si2O5(OH)4（2分）（2）碳酸较硅酸酸性强，强酸可取代
13、弱酸（1分）（3）中性条件下Al3完全水解，主要以沉淀形式存在（或铝在岩石中主要以共价形式存在）（1分）（4）由于工业化发展，大气中的酸性气体排放到空气中，造成酸雨，酸雨与中长石反应，因此风化速率加快（1分）（5）江水的pH值大于7，呈弱碱性。（1分）4（1）M：Fe（1.5分，x1，2，3讨论）（2）平均氧化数为2.2（1分）（3）3Na2O8FeOFe2O316SiO22H2O（1.5分）题（12分）硅酸盐矿的性质云母是一种重要的硅酸盐，它具有韧度、弹性、透明度、高介电强度、化学惰性和热稳定性。白云母可看作叶腊石中1/4的Si被Al所取代，再由K平衡其电荷后形成的。而叶腊石可以看作SiO2
14、中有1/3的Si被Al取代，再由K平衡其电荷形成的。1白云母写成氧化物形式的化学式；2研究表明，在硅酸盐中，Al很容易取代Si，取代后不会引起原硅酸盐结构大的变化。从立体几何的知识看，Al与Si最直接的关系是什么？3黑云母的化学式为KMg3AlSi3O10(OH)2，在水与二氧化碳的同时作用下，风化为高岭土AI2Si2O5(OH)4。（1）写出离子反应方程式。（2）上述反应为什么能够发生？（3）风化后Al为什么不能以Al3形式被地下水溶解？（4）近年来，由于经济的发展，环境的破坏，岩石的风化速率加快。为什么？（5）某江河流经正长石等花岗岩地区，请你估计一下江水的pH值。4右图是一种钠闪石，其化学式为Na3MXSi8O22(OH)2，颜色从深蓝到黑色不等，解理完全，断口参差状。已知由此化学式计算获知金属M的质量百分含量为29.12%。（1）通过计算确定金属M的元素符号；（2）指出金属M的氧化数；（3）请把此种钠闪石改写为氧化物的形式。第第题（13分）1A：NaF B：NH4Cl SiO2（
