精做14 硅锗及化合物-备战2021年高考化学化工流程大题精做(原卷版)

专题14 硅锗及化合物
1．(2020届中国人民大学附属中学高三下学期第三次模拟)硅、锗(32Ge，熔点937℃)和镓(31Ga)都是重要的半导体材料，在航空航天测控、核物理探测、光纤通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域都有广泛而重要的应用。

锗与硅是同主族元素。

(1)硅在元素周期表中的位置是________。

(2)硅和锗与氯元素都能形成氯化物RCl4(R代表Si和Ge)，从原子结构角度解释原因_______。

(2)自然界矿石中锗浓度非常低，因此从锗加工废料(含游离态锗)中回收锗是一种非常重要的方法。

如图是一种提取锗的流程：
①NaClO 溶液浸取含锗废料中的锗时发生反应的离子方程式为_____；为了加NaClO 溶液浸取含锗废料的速率，可以采取的措施有_____。

②操作1 和操作2 是____。

③GeO2的熔点为1086℃，利用氢气还原GeO2，每生成146kg 的锗放出akJ 的热量，该反应的热化学方程式为_______。

2．(2019届蚌埠市高三第二次教学质量检查)1871年门捷列夫最早预言了类硅元素锗，1886年德国化学家温克勒发现和分离了锗元素，并以其祖国的名字命名为“Ge”。

锗是重要的半导体材料，其有机化合物在治疗癌症方面有着独特的功效。

下图为工业上利用锗锌矿(主要成分GeO2和ZnS)来制备高纯度锗的流程。

已知：1．丹宁是一种有机沉淀剂，可与四价锗络合形成沉淀；2．GeCl4易水解，在浓盐酸中溶解度低。

(1)简述步骤①中提高酸浸效率的措施___________(写两种)。

(2)步骤②操作A 方法是___________。

(3)步骤③中的物质在___________(填仪器名称)中加热。

(4)步骤④不能用稀盐酸，原因可能是___________。

(5)写出步骤⑤的化学方程式___________。

写出步骤⑦的化学方程式___________。

(6)请写出一种证明步骤⑦反应完全的操作方法___________。

3．(2020届高考化学二轮复习精准训练)锗是一种重要的战略资源，在半导体、航空航天测控等领域都有着广泛的应用。

下图是以一种锗矿(主要成分为2GeS 、2CuFeS 、2SiO )为原料制备锗的工艺流程：
已知：
2GeO ①为两性氧化物。

②“萃取”时用的萃取剂在本实验条件下对4Ge +有很好的选择性。

4GeCl ③的熔、沸点分别为49.5-℃、84℃，极易水解放热。

④“蒸馏”过程中发生的反应为2342Na GeO 6HCl 2NaCl GeCl 3H O +=++。

(1)锗在元素周期表中的位置为第_________周期第________族。

(2)“粉碎”的目的是_______________________。

(3)“焙烧”过程中2GeS 发生反应的化学方程式为________________。

(4)“滤渣”的成分为________________(填化学式)，“水相”中的阳离子除了3Fe +和H +外，还有
__________________(填离子符号)。

(5)“萃取”时，Ge E (锗的萃取率)与V (V 水相
有机相水相与有机相的体积比)的关系如图所示，从生产成本的角度考虑，最适宜的V V 水相
有机相为______________(填序号)。

A.4
B.6
C.8
D.10
(6)“水解”时反应的化学方程式为_________________，该步实验操作必须在冰盐浴中进行的原因除了有利于水解反应正向进行外，还有______________。

(7)假设流程中每步都没有锗元素损失，若akg 锗 (含锗b )％经提纯得到ckg 的锗，则杂质元素的脱除率为_____________(用含a 、b 、c 的式子表示)。

(已知：杂质元素的脱除率
100)=⨯实际脱除杂质元素的质量％理论脱除杂质元素的质量
4．(2020届百师联盟全国高三摸底)锗铜合金是一种常用的标准电阻材料，工业生产中会出现一些技术指标达不到要求的合金，为避免资源浪费可利用如下流程对不达标合金中的锗、铜进行回收，请回答相关问题。

（1）锗在元素周期表中的位置是____。

（2）氧化溶解过程中铜参与反应的离子方程式是___。

为加快氧化溶解反应速率可采用的措施有___(任写两种)。

（3）滤渣的成分是_____。

（4）水解过程发生的反应是GeCl4+2H2O=GeO2↓+4HCl，为得到纯净的GeO2，对水解所得混合物要进行过滤、洗涤、干燥等操作，判断GeO2是否洗涤干净的操作是__。

（5）下列金属的冶炼原理与流程中锗的冶炼原理相似的是____(填选项序号)。

A．钠B．铝C．铁D．银
（6）若含锗6.2％的高锗铜合金的质量为50kg，还原过程中参与反应的H2体积为1.792m3(已折合为标准状况)，则锗的回收率为____(保留三位有效数字)。

5．(2021届运城市夏县高三上学期11月联考)某玻璃粉末的主要成分有GeO2、Al2O3和SiO2等物质。

下图为玻璃粉末的回收利用工艺流程：
已知：①GeO2是一种难溶于水的偏弱酸性的两性氧化物
②GeCl4的熔点为－49.5℃，沸点是84℃。

(1)焙烧时发生多个反应，写出GeO2与Na2CO3发生反应的化学方程式___________。

(2)为了提高含锗化合物的浸出率，除了延长浸取时间，还可采取的措施有__________(答两条)。

(3)“滤渣”的主要成分是___________(填化学式)。

(4)调节pH时，盐酸与硅的化合物反应的离子方程式为___________。

(5)“滤液”与7mol∙L−1盐酸反应生成四氯化锗，写出该反应的化学方程式_________。

(6)操作“X”的名称为___________。

6．(2020届梅州市高三上学期期末)今年为门捷列夫发现元素周期律150周年。

门捷列夫预言了很多未知元素，锗是其中一种，工业上用精硫锗矿(主要成分为GeS2)制取高纯度锗，其工艺流程如图所示：
(1)开始将精硫锗矿粉碎的目的是_______。

工艺流程中COCl 2分子中各原子均达到8电子稳定结构，其结构式为_______。

(2)酸浸时温度不能过高的原因是______(用化学方程式表示)。

(3)GeCl 4易水解生成GeO 2·nH 2O ，此过程化学方程式为___________。

温度对GeCl 4水解率的影响如图所示，为提高水解率，实验时可采取的措施为______(填序号)。

A ．冰水溶
B ．冰盐水浴
C ．49℃水浴
(4)GeO 2是锗酸(H 2GeO 3)的酸酐。

请通过计算判断25℃时0.1mol·L —1的 NaHGeO 2溶液pH________(填“＞”
＝”或“＜”)7，理由是__________。

(已知25℃时，H 2GeO 2的-9-13a1a2K =1.710,K =1.910⨯⨯)
7．(2016届福州三中高三模拟)锗及其化合物被广泛应用于半导体、催化剂等领域。

以铅锌矿含锗烟尘为原料可制备GeO 2，其工艺流程图如下。

已知：GeO 2是两性氧化物；GeCl 4易水解，沸点86.6℃
（1）第①步滤渣主要成分有_____________（填化学式），实验室萃取操作用到的玻璃仪器有
__________________。

（2）第③步萃取时，锗的萃取率与V水相/V有机相（水相和有机相的体积比）的关系如下图所示，从生产成
本角度考虑，较适宜的V水相/V有机相的值为________。

（3）第④步加入盐酸的作用__________________________________（答两点即可），应控制温度的方法及
范围____________________________。

（4）第⑤步反应的化学方程式_______________________________。

（5）二氧化锗可先用次亚磷酸钠还原为Ge2+，用淀粉溶液作指示剂，用c mol/L碘酸钾标准溶液滴定，消耗体积VmL,列出烟尘中锗的质量分数的计算式________。

（有关反应式为：3Ge2++IO3-+6H+＝3Ge4++I-+3H2O，IO3-+5I-+6H+＝3I2+3H2O）。

8．(2021届北京市石景山区高三上学期期末)门捷列夫在研究周期表时预言了“类硅”元素锗和“类铝”元素镓等11种元素。

锗及其化合物应用于航空航天测控、光纤通讯等领域。

一种提纯二氧化锗粗品(主要含GeO2、As2O3)的工艺如下：
已知：℃.GeO2与碱反应生成Na2GeO3.℃.GeCl4极易水解，GeCl4沸点86.6℃。

℃.As位于同主族P的下一周期，As2O3+2NaOH = 2NaAsO2+H2O。

(1)Ge位于同主族Si的下一周期，则Ge在周期表中的位置是_______。

(2)从原子结构角度解释Ge和Si金属性递变的原因_______。

(3)“氧化”过程是将NaAsO2氧化为Na3AsO4，其离子方程式为_______。

(4)加盐酸蒸馏生成GeCl4，反应的化学方程式为_______。

(5)高纯二氧化锗的含量采用碘酸钾滴定法进行测定。

称取ag高纯二氧化锗样品，加入氢氧化钠在电炉溶解，用次亚磷酸钠还原为Ge2+，以淀粉为指示剂，用bmol/L的碘酸钾标准溶液滴定，消耗碘酸钾的体积为V mL。

(20℃以下，次亚磷酸钠不会被碘酸钾和碘氧化)
资料：3Ge2++IO-3+6H+ = 3Ge4++I-+3H2O，IO-3+5I-+6H+ = 3I2+3H2O。

此样品中二氧化锗的质量分数是_______(用表达式表示)。

9．(2020届东北三省三校高三第二次联合模拟)高纯硅是制作光伏电池的关键材料，如图是一种生产高纯硅的工艺流程示意图：
已知：①流化床反应器主反应：32250300Si+3HCl
SiHCl +H ℃； ②还原炉主反应：1100~120032SiHCl H Si 3HCl −−−+−→+℃
；
③3SiHCl 极易水解：32232SiHCl 3H O H SiO H 3HCl +=+↑+↑。

回答下列问题：
(1)石英砂的主要成分为2SiO ，2SiO 是一种酸性氧化物，能与烧碱反应生成盐和水，下列物质中也能与烧碱反应生成盐和水的是______(填标号)
A ．Al
B ．23Al O
C ．CuO
D ．3NaHCO 2SiO 还能在一种常见的酸中溶解，生成一种气态含硅物质，这种酸的电子式为________。

(2)电弧炉中生成粗硅，反应的化学方程式为_____________。

若电弧炉中焦炭过量，还会有SiC 生成，石英砂和焦炭生成SiC 的反应中，氧化剂和还原剂的物质的量之比为___________。

(3)整个操作流程都需隔绝空气，原因是_____________(答出两条即可)。

(4)流化床反应器中除3SiHCl 外，还可能发生副反应，生成其他含硅化合物(如4SiCl 、
22SiH Cl 、3SiH Cl 等)，可以用分馏的方法加以分离，该操作方法的理论依据是________________。

(5)上述操作流程中可以循环利用的物质是________________
10．(2020届北京市海淀区高三三模)镓（31Ga ）、锗（32Ge ）都是重要的稀有金属，在化学催化剂、半导体材料、新能源等领域应用广泛，可从锗煤燃烧后的粉煤灰（含 Ga 2O 3、GeO 2、SiO 2、Al 2O 3）中提取， 部分流程如下：
已知：
（1）滤渣的主要成分为_____。

（2）①中发生的反应有Al2O3+6H+=2Al3++3H2O、Ga2O3+6H+=2Ga3++3H2O 和_____。

（3）操作a 的名称是_____，②中控制温度的范围是_____（填字母序号）。

a．20~84℃ b．84~183℃ c．84~201℃
（4）④中发生反应的化学方程式是__________________________________________。

（5）镓能与沸水剧烈反应生成氢气，锗在加热条件下与盐酸或稀硫酸不反应。

从原子结构角度解释其原因：______________________
（6）用浓盐酸酸化的磷酸三丁酯（TBP）可以从残液中萃取Ga3+，相关反应为：TBP+GaCl3+HCl
TBPH+·GaCl-。

用稀NaOH 溶液对有机相进行反萃取，用盐酸调节反萃取液pH 至5~6，然后升温至
4
85~95℃水解得到Ga(OH)3，经后续处理得到粗镓。

结合化学用语解释用稀NaOH 溶液对有机相进行反萃取的原因：_________________。

，（7）电解法可以提纯粗镓，具体原理如图所示。

镓在阳极溶解生成的Ga3+与NaOH 溶液反应生成GaO-
2 GaO-
在阴极放电的电极反应式是_____________________。

2。