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第24讲　硅　无机非金属材料
(说明:选择题每小题3分)
层次1基础性
1.(2024·广东广州一模)馆藏文物记载着中华文明的灿烂成就。下列文物主要由硅酸盐制成的是 (　　)
A.四羊方尊青铜礼器 B.陶熏炉 C.金漆木雕如意 D.船纹铜提筒
2.(2025·湖北武汉名校联考)我国努力争取2060年前实现碳中和,利用NaOH溶液喷淋捕捉空气中的CO2,反应过程如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.捕捉室中NaOH溶液喷成雾状有利于吸收CO2
B.环节a中物质分离的基本操作是蒸发结晶
C.反应过程中CaO和NaOH是可循环的物质
D.可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液捕捉CO2
3.(2025·广东江门期初调研)2024年4月25日,“神舟十八号”载人飞船在我国酒泉卫星发射中心成功发射,飞船使用了我国自主研发和生产的航天芯片,其中芯片全为我国制造,制作芯片的刻蚀液为硝酸与氢氟酸的混合液,工艺涉及反应为Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2↑+H2O,下列说法错误的是(　　)
A.此反应不能在玻璃容器中进行
B.由此反应可判断氢氟酸是强酸
C.氧化性:HNO3>H2SiF6
D.标准状况下,生成1.12 L H2时,转移电子的物质的量为0.2 mol
4.寿山石是中国传统四大印章石之一,含叶蜡石、高岭石等黏土矿物。下列说法错误的是(　　)
A.寿山石的硬度与金刚石相当
B.叶蜡石、高岭石的主要成分属于硅酸盐
C.寿山石的红色条纹与Fe2O3含量有关
D.寿山石印章要避免与强酸、强碱接触
5.(2025·河南名校联盟联考)材料的开发与研究助力我国航空航天事业飞速发展。下列说法中正确的是(　　)
A.“神舟十六号”宇宙飞船返回舱外表面使用的新型高温结构陶瓷主要成分是硅酸盐
B.火箭芯一级尾段使用的碳纤维材料属于新型无机非金属材料
C.“天问一号”使用的新型SiC增强铝基材料属于新型硅酸盐材料
D.中国空间站核心舱“天和号”推进器的氮化硼陶瓷材料属于传统的无机非金属材料
层次2综合性
6.(2025·四川达州统考)以下是由石英砂(主要成分为二氧化硅)制备高纯硅的工艺流程示意图。
下列说法中不正确的是(　　)
A.步骤①中反应的化学方程式:SiO2+2CSi+2CO↑
B.工艺流程中,从混合物中分离出SiCl4、SiHCl3的方法为分液
C.由粗硅制备高纯硅的过程中,循环使用的物质主要有HCl和H2
D.若混合物分离后,得到SiCl4、SiHCl3、H2的物质的量之比为1∶1∶1,理论上需要额外补充2 mol H2
7.(2025·河北省级重点高中联考)某小组模拟工业上用SiHCl3与H2在1 357 K的条件下制备高纯硅,实验装置如图所示(加热及夹持装置略去)。
已知:①SiHCl3的沸点为33.0 ℃,易溶于有机溶剂,能与H2O剧烈反应,在空气中易被氧化;②CaCl2+xCH3CH2OHCaCl2·xCH3CH2OH。下列说法错误的是(　　)
A.装置B中的试剂是碱石灰
B.实验过程中应先打开活塞K1,再加热石英管
C.装置D中反应的化学方程式为SiHCl3+H2Si+3HCl
D.装置E中CCl4的作用为防倒吸和吸收多余的SiHCl3
8.(2025·安徽合肥六校联考)H2SO4-SiO2法生产多晶硅的流程如图。下列说法错误的是(　　)
A.上述流程说明SiO2可溶于H2SO4
B.合成1反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1
C.合成2的反应为SiF4+NaAlH4SiH4+NaAlF4
D.净化、热解中生成的多晶硅为还原产物
9.(2025·辽宁十校联合体联考)实验室用H2还原SiHCl3(沸点:31.85 ℃)制备高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(　　)
A.装置Ⅱ、Ⅲ中依次盛装的是热水、浓硫酸
B.实验时,应先加热管式炉,再打开活塞K
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、双氧水、硫氰化钾溶液
D.该实验中制备氢气的装置也可用于稀氢氧化钠溶液与氯化铵固体反应制备氨
层次3创新性
10.(12分)(2024·浙江湖州二模)氮化硅(Si3N4)具有高强度、低密度、耐高温的特性,有“结构陶瓷之王”的美称。科研人员采用氨解法制备氮化硅。
Ⅰ.制备流程:SiCl4(l)Si(NH)2(s)Si3N4(s)
已知:①SiCl4在潮湿的空气中极易水解;Si(NH)2遇水生成二氧化硅和氨,不稳定易被氧化;
②NH3沸点-33.5 ℃,熔点-77.75 ℃,800 ℃以上会分解;正己烷(作反应溶剂)沸点69 ℃,熔点-95 ℃。
Ⅱ.实验装置如图。
氮化硅前驱体的制备:
氮化硅的制备:
(1)仪器X的名称是　　　　　。
(2)完善虚线框内的装置顺序:　　　→　　　→　　　→D。
(3)写出流程(Ⅱ)中生成Si3N4的化学方程式　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)下列说法正确的是　　　(填字母)。
A.仪器X的主要作用为冷凝回流
B.已知NH4Cl可溶于液氨,采用液氨多次洗涤Si(NH)2的方法可去除杂质NH4Cl
C.装置D可选用冰水混合物做冷却剂
D.F中所装的液体为浓硫酸,D装置中有一处需要改进
(5)经测定,氨解法制备所得的Si3N4晶体中含有碳杂质,请分析原因: 　　　　　。
(6)电位滴定法测定Cl-含量:称取1.000 g试样,加入40 mL水,在恒温加热磁力搅拌器上溶解,过滤、洗涤;再向其中加入22 mL乙醇、4滴硝酸,用0.001 0 mol·L-1硝酸银标准溶液滴定,当到达滴定终点时,消耗硝酸银溶液的体积为a mL。另取40 mL水重复上述实验,消耗硝酸银溶液体积为b mL,请列出样品中杂质Cl-含量的表达式:　　　　　　　 mg·g-1。
第24讲　硅　无机非金属材料
1.B
2.B　解析:NaOH溶液喷成雾状,可增大反应物接触面积,提高CO2吸收率,A正确;环节a为Na2CO3和Ca(OH)2反应生成CaCO3,需从溶液中过滤出来再高温煅烧,故基本操作不是蒸发结晶,B错误;NaOH和CaO在流程中既有消耗,也有生成,可循环利用,C正确;Na2CO3溶液可以与CO2反应,因此可用Na2CO3溶液代替NaOH溶液,D正确。
3.B　解析:氢氟酸能腐蚀玻璃,此反应不能在玻璃容器中进行,A正确;该反应为氧化还原反应,不能由此反应判断氢氟酸是强酸,HF是弱酸,B错误;氧化剂的氧化性大于氧化产物,则氧化性:HNO3>H2SiF6,C正确;据关系式Si~HNO3~H2SiF6~HNO2~H2↑~4e-,则标准状况下,生成1.12 L H2(0.05 mol)时,转移电子的物质的量为0.2 mol,D正确。
4.A　解析:寿山石是中国传统四大印章石之一,雕刻印章时通常用钢刀或金刚石进行,故寿山石的硬度比金刚石小,A错误;黏土属于硅酸盐,故叶蜡石、高岭石的主要成分属于硅酸盐,B正确;Fe2O3是一种红棕色粉末,寿山石的红色条纹与Fe2O3含量有关,C正确;寿山石中含有铝硅酸盐,既能与强酸反应又能与强碱反应,故寿山石印章要避免与强酸、强碱接触,D正确。
5.B　解析:新型高温结构陶瓷属于新型无机非金属材料,不是硅酸盐材料,A错误;新型SiC增强铝基材料属于复合材料,不是硅酸盐材料,C错误;氮化硼陶瓷属于新型无机非金属材料,D错误。
6.B　解析:工艺流程中,各物质沸点不同,从混合物中分离出SiCl4、SiHCl3的方法为分馏,B错误;结合反应过程,HCl和H2可循环使用,C正确;根据SiCl4+H2SiHCl3+HCl、SiHCl3+H2Si+3HCl,1 mol SiCl4、SiHCl3完全转化为Si需要3 mol氢气,SiCl4、SiHCl3、H2的物质的量之比为1∶1∶1,则理论上需要额外补充2 mol H2,D正确。
7.A　解析:装置B中盛有无水氯化钙用于吸收挥发的乙醇,防止干扰反应,A错误;为防止装置中空气中的氧气共热反应,应先打开弹簧夹K1,排尽装置中的空气,再加热石英管,B正确;装置D中发生的反应为氢气与三氯硅烷在加热条件下反应生成硅和氯化氢,化学方程式为SiHCl3+H2Si+3HCl,C正确;装置E中四氯化碳和水用于吸收未反应的三氯硅烷和反应生成的氯化氢,同时防止极易溶于水的氯化氢与水接触产生倒吸,D正确。
8.A　解析:SiO2不溶于H2SO4,SiO2溶于HF,A错误;合成1反应为Na+Al+2H2NaAlH4,Na、Al化合价升高,H2中H元素化合价降低,Na、Al是还原剂,H2是氧化剂,则氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶1,B正确;根据元素守恒,合成2的反应为SiF4+NaAlH4SiH4+NaAlF4,C正确;净化、热解中Si元素化合价降低发生还原反应,生成的多晶硅为还原产物,D正确。
9.C　解析:制备高纯硅的反应为H2+SiHCl3Si+3HCl,在装置Ⅳ中进行,装置Ⅰ的目的是制备氢气,氢气中含有水蒸气,对后续实验产生干扰,必须除去,因此装置Ⅱ的作用是除去氢气中的水蒸气,即装置Ⅱ中盛放浓硫酸,装置Ⅲ的作用是提供SiHCl3气体,因此在水浴中加热,A错误;实验时应先通入氢气,目的是排出装置中的空气,防止发生危险,B错误;硅单质不与盐酸反应,铁与盐酸反应生成F,F被H2O2氧化成F,F与KSCN溶液反应,溶液变红色,可以鉴定是否含有铁单质,C正确;用稀NaOH溶液制备氨,需要加热,装置Ⅰ中没有加热装置,因此不能制备氨,D错误。
10.答案 (1)球形冷凝管
(2)C　B　A
(3)3Si(NH)2Si3N4+2NH3↑
(4)ABD
(5)少部分吸附在Si(NH)2表面的正己烷在Si(NH)2热解缩聚过程中夹杂在其中,最后随着高温加热转变为C杂质
(6)3.55(a-b)×10-2
解析:装置C制取氨气,B中为碱石灰,干燥氨气,通过A液体石蜡,作用是通过观察气泡,判断NH3的通入速率,通入D制取Si(NH)2,再加热Si(NH)2得到Si3N4。
(4)仪器X的主要作用为冷凝回流,A正确;NH4Cl可溶于液氨,采用液氨多次洗涤Si(NH)2的方法可去除杂质NH4Cl,B正确;冰水混合物温度无法达到-40 ℃,C错误;F中所装的液体为浓硫酸,吸收氨气,防止空气污染,D装置球形冷凝管上方需要连接干燥管,防止空气中水蒸气进入三颈烧瓶,使SiCl4水解,使Si(NH)2与水反应,D正确。
(5)少部分吸附在Si(NH)2表面的正己烷在Si(NH)2热解缩聚过程中夹杂在其中,最后随着高温加热转变为C杂质。
(6)根据关系式Cl-~AgNO3~AgCl可知,n(Cl-)=n(AgNO3)=0.001 0 mol·L-1×(a-b)×10-3 L=(a-b)×10-6 mol,m(Cl-)=(a-b)×10-6 mol×35.5 g·mol-1=3.55×10-5(a-b) g=3.55×10-2(a-b) mg,故样品中杂质Cl-含量的表达式为=3.55(a-b)×10-2 mg·g-1。
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