Question

4．硅在无机非金属材料中，扮演着主要角色，请利用相关知识回答下列问题：
（1）硅有非常重要的用途，请写出其中的一种制半导体、制电路板、制太阳能电池板、制硅钢等．
（2）古瓷中所用颜料成分一直是个谜，近年来科学家才得知大多为硅酸盐，如蓝紫色的硅酸铜钡（BaCuSi₂O_x，铜为+2价），下列关于硅酸铜钡的说法不正确的是D．
A．可用氧化物形式表示为BaO•CuO•2SiO₂     
B．性质稳定，不易脱色
C．x等于6                                 
D．易溶解于强酸和强碱
（3）工业上提纯硅有多种路线，其中一种工艺流程示意图如下：

①在电弧炉中发生的反应需要在高温条件进行，写出该反应化学方程式2C+SiO₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CO↑+Si，再利用化学反应进行的方向的知识判断该反应的△H＞0（填＜、＞或=）．
②SiCl₄极易水解，其完全水解的化学方程式为SiCl₄+3H₂O=H₂SiO₃↓+4HCl．
③在流化床反应的产物中，除SiCl₄外，还有SiHCl₃、SiH₂Cl₂、SiH₃Cl、FeCl₃等，有关物质的沸点数据如下表，分离SiCl₄和其他杂质的方法为蒸馏（精馏）．

物质	Si	SiCl4	SiHCl3	SiH2Cl2	SiH3Cl	HCl	SiH4
沸点/℃	2355	57.6	31.8	8.2	-30.4	-84.9	-111.9

④分离出SiCl₄后的残余物中含有铁元素，为了测量残余物中铁元素的含量，先将残余物预处理，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：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O，某同学称取1.000g残余物后，经预处理后在容量瓶中配制成100mL溶液，移取20.00mL试样溶液，用1.000×10^-3mol/LKMnO₄标准溶液滴定．达到滴定终点时，消耗标准溶液20.00mL，则残余物中铁元素的质量分数是2.8%．

Answer 1

分析 （1）硅位于金属和非金属分界线附近，常用作半导体材料，为无机非金属材料的主角；
（2）A．根据硅酸盐中氧化物的书写顺序来书写；
B．硅酸盐性质稳定；
C．硅酸铜钡的化学式为BaCuSi₂O_X，利用钡、铜、硅、氧元素的化合价及化合物中正负化合价的代数和为0来解答；
D．硅酸盐能和强酸反应；
（3）①石英砂主要成分为二氧化硅，粗硅提纯是利用碳做还原剂还原二氧化硅为单质硅；根据反应不能自发进行△H-T△S＞0判断；
②SiCl₄水解生成硅酸和氯化氢；
③根据题中数据，采用精馏（或蒸馏）方法提纯SiCl₄；
④根据KMnO₄溶液具有强氧化性，把二价铁氧化成三价铁，本身被还原成二价锰离子结合得失电子守恒配平；先根据关系式5Fe²⁺～MnO₄^-计算出100mL溶液中含有的铁，最后求出质量百分数．

解答 解：（1）硅位于金属和非金属分界线附近，常用作半导体材料，为无机非金属材料的主角，计算机芯片的主要成分为单质硅，太阳能电池的主要成分是硅单质，所以硅可制半导体、制电路板、制太阳能电池板、制硅钢等，
故答案为：制半导体、制电路板、制太阳能电池板、制硅钢等；
（2）A．硅酸盐用氧化物形式表示时，书写顺序为：活泼金属氧化物、不活泼金属氧化物、二氧化硅、水，所以硅酸铜钡用氧化物形式表示：BaO•CuO•2SiO₂，故A正确；
B．BaCuSi₂O₆中铜显+2价，二价铜离子不容易被还原，所以性质较稳定，不容易褪色，故B正确；
C．在硅酸铜钡中的铜元素化合价为+2，硅元素化合价为+4，氧元素的化合价为-2价，钡元素的化合价为+2价，则由化学式为BaCuSi₂O_X，根据化合物中正负化合价的代数和为0可得：（+2）+（+2）+（+4）×2+（-2）×x=0，解得x=6，故C正确；
D．BaCuSi₂O₆是弱酸盐，所以能和强酸反应，和强碱不反应，故D错误；
故答案为：D；
（3）①石英砂的主要成分是二氧化硅，制备粗硅发生置换反应，SiO₂+2C $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑，该反应为△S为正值的反应△S＞0，该反应不能自发进行，△H-T△S＞0，所以△H＞0，
故答案为：2C+SiO₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CO↑+Si；＞；
②SiCl₄水解生成硅酸和氯化氢，反应的方程式为：SiCl₄+3H₂O=H₂SiO₃↓+4HCl，故答案为：SiCl₄+3H₂O=H₂SiO₃↓+4HCl；
③利用沸点的不同提纯SiCl₄属于蒸馏，SiCl₄（沸点57.6℃）中含有少量SiHCl₃（沸点33.0℃）和FeCl₃（离子化合物沸点很高），SiH₂Cl₂（沸点8.2℃）、SiH₃Cl（沸点-30.4℃）、由于沸点差别较大，可以通过精馏（或蒸馏）除去杂质，
故答案为：精馏（或蒸馏）；
④KMnO₄溶液具有强氧化性，把二价铁氧化成三价铁，本身被还原成二价锰离子，再根据得失电子守恒配平，则离子方程式为：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O，利用关系式法计算：
       5Fe^2+_～MnO₄^-
        5     1
  n（Fe²⁺）    1.000×10^-3mol•L^-1×0.02L×5   
解得：n（Fe²⁺）=5×10^-4mol  
铁元素的质量为：5×10^-4mol×56g/mol=2.8×10^-3g，铁元素的质量分数$\frac{2.8×1{0}^{-3}g}{1g}$×100%=2.8%，
故答案为：MnO₄^-+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O；2.8%．

点评 本题考查了实验方案设计的有关知识，综合了氯气的制法、硅的提纯、滴定法等实验知识，侧重考查了硅及其化合物的有关知识，注意粗硅的提纯反应原理，明确硅酸盐用氧化物形式表示时书写顺序，氧化还原的计算，题目难度中等．