Question

10．硅及其化合物的開發由來已久，在現代生活中有廣泛應用．回答下列問題．
（1）工業上提純硅有多種路線，其中一種工藝流程示意圖及主要反應如圖：

	發生的主要反應
電弧爐	SiO2+2C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$si+2CO
流化床反應器	Si+3HCl$\frac{\underline{\;250-300\;}}{\;}$SiHCl3+H2
還原爐

①還原爐中發生主要反應的化學方程式為SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+3HCl，該工藝中可循環使用的物質為HCl和H₂（填化學式）．用石英砂和焦炭在電弧爐中高溫加熱也可以生產碳化硅，該反應的化學方程式為SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SiC+2CO↑．
②在流化床反應的產物中，SiHCl₃大約占85%，還有SiCl₄、SiH₂Cl₂、SiH₃Cl等，有關物質的沸點數據如表，提純SiHCl₃的主要工藝操作依次是沉降、冷凝和精餾．

物質	Si	SiCl4	SiHCl3	SiH2Cl2	SiH3Cl	HCl	SiH4
沸點/°C	2355	57.6	31.8	8.2	-30.4	-84.9	-111.9

③SiHCl₃極易水解，其完全水解的化學方程式為SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑．
（2）氮化硅（Si₃N₄）是一種高溫結構材料，粉末狀態的Si₃N₄可以由SiCl₄的蒸氣和NH₃反應制取．粉末狀Si₃N₄遇空氣和水都不穩定，但將粉末狀的Si₃N₄和適量氧化鎂在230×1.01×10⁵Pa和185℃的密閉容器中進行熱處理，可以制得結構十分緊密、對空氣和水都相當穩定的固體材料，同時還得到遇水不穩定的Mg₃N₂．
①由SiCl₄和NH₃反應制取Si₃N₄的化學方程式為3SiCl₄+4NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl．
②四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛保護下，加強熱發生反應，使生成的Si₃N₄沉積在石墨表面可得較高純度的氮化硅，該反應的化學方程式為3SiCl₄+2N₂+6H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl．
③Si₃N₄和適量氧化鎂在230×1.01×10⁵Pa和185℃的密閉容器中進行熱處理的過程中，除生成Mg₃N₂外，還可能生成SiO₂物質（填化學式）．熱處理后除去MgO和Mg₃N₂的方法是加足量稀鹽酸過濾．

Answer 1

分析 （1）石英砂主要成分為二氧化硅，粗硅提純是利用碳做還原劑還原二氧化硅為單質硅，二氧化硅和碳在高溫的條件下反應生成碳化硅和一氧化碳，還原爐中SiHCl₃和氫氣發生反應生成硅和氯化氫；
①還原爐中SiHCl₃和氫氣發生反應生成硅和氯化氫；可循環使用的物質是參與反應過程，最后又從新生成的物質；石英砂主要成分為二氧化硅，粗硅提純是利用碳做還原劑還原二氧化硅為單質硅，二氧化硅和碳在高溫的條件下反應生成碳化硅和一氧化碳；
②根據題中數據，采用精餾（或蒸餾）方法提純SiHCl₃；
③SiHCl₃水解生成硅酸、氫氣和氯化氫；
（2）①由SiCl₄和NH₃反應制取Si₃N₄，根據反應物和生成物寫出化學方程式；
②化學氣相沉積法是兩種或兩種以上的氣態原材料導入到一個反應室內，然后他們相互之間發生化學反應，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上得較高純度的氮化硅，根據反應物和生成物寫出化學方程式；
③Si₃N₄與MgO反應除生成Mg₃N₂外還可能生成SiO₂，SiO₂與鹽酸不反應，而Mg₃N₂、MgO溶于鹽酸的性質．

解答 解：（1）①還原爐中SiHCl₃和氫氣發生反應制得純硅，SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+3HCl，流程分析可知可循環使用的物質為HCl和H₂；用石英砂和焦炭在電弧爐中高溫加熱也可以生產碳化硅，石英砂的主要成分是二氧化硅，制備粗硅發生置換反應，SiO₂+2C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑，同時，在反應中，也可能生成碳化硅，反應為SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SiC+2CO↑，
故答案為：SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+3HCl；HCl和H₂；SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SiC+2CO↑；
②利用沸點的不同提純SiHCl₃屬于蒸餾，SiHCl₃（沸點33.0℃）中含有少量SiCl₄（沸點57.6℃）和HCl（沸點-84.7℃），由于沸點差別較大，可以通過精餾（或蒸餾）除去雜質；
故答案為：精餾（或蒸餾）；
③SiHCl₃水解反應生成硅酸、氫氣和氯化氫，反應的方程式為：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑，故答案為：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑；
（2）①SiCl₄和NH₃反應生成Si₃N₄和氯化氫，反應化學反應方程式：3SiCl₄+4NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl，故答案為：3SiCl₄+4NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
②SiCl₄與N₂、H₂反應生成Si₃N₄，還應生成HCl，化學方程式為：3SiCl₄+2N₂+6H₂ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl，故答案為：3SiCl₄+2N₂+6H₂ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
③由元素守恒判斷，Si₃N₄與MgO反應除生成Mg₃N₂外還可能生成SiO₂，利用SiO₂與鹽酸不反應，而Mg₃N₂、MgO溶于鹽酸的性質，可采用加入足量稀鹽酸的方法，使MgO、Mg₃N₂溶解后過濾；
故答案為：SiO₂；加足量稀鹽酸過濾．

點評 本題考查了實驗方案設計的有關知識，側重考查了硅及其化合物的有關知識，注意粗硅的提純反應原理，注意根據質量守恒書寫化學方程式，題目難度中等．