Question

20．氮化硅（Si₃N₄）是高溫結構陶瓷，具有優良的性能，人們常常利用它來制造軸承、氣輪葉片、永久性模具等機械構件．設計的合成氮化硅工藝流程如下：

（1）①電弧爐中發生的主要化學反應方程式是SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si（粗硅）+2CO↑．
②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↑，碳化硅俗稱金剛砂，具有金剛石結構．
（2）在流化床反應的產物中，SiCl₄大約占85%，還有Cl₂等，有關物質沸點數據如下表：

物質	Si	SiCl4	Cl2
沸點/℃	2355	57.6	-34.1

提純SiCl₄的主要工藝操作依次是沉降、冷凝，其中溫度最好控制在C（填字母）．
A．略小于-34.1℃B．大于57.6℃C．略小于57.6℃D．-34.1℃
（3）①粉末狀Si₃N₄遇水能生成刺激性氣味，常用于做制冷劑的氣體和一種難溶性的酸，該反應的化學方程式是Si₃N₄+9H₂O=4NH₃↑+3H₂SiO₃↓．
②該合成氨化硅工藝流程中涉及的主要反應屬于氧化還原反應的有2個．

Answer 1

分析 （1）①石英砂主要成分為二氧化硅，二氧化硅和碳在高溫的條件下反應生成粗硅和一氧化碳；
②用石英砂和焦炭在電弧爐中高溫加熱生成碳化硅和一氧化碳，具有金剛石結構的碳化硅俗稱金剛砂；
（2）分析數據，結合蒸餾原理分析控制沸點分離物質；
（3）①Si₃N₄遇水水解，生成常用于做制冷劑的氣體為氨氣，一種難溶性的酸為硅酸，據此書寫；
②有元素的化合價變化的反應一定為氧化還原反應結合該合成氨化硅工藝流程中涉及的主要反應分析．

解答 解：（1）①二氧化硅與碳在高溫條件下反應生成硅和一氧化碳，化學方程式為：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si（粗硅）+2CO↑；
故答案為：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si（粗硅）+2CO↑；
②石英砂的主要成分是二氧化硅，在反應中生成碳化硅，反應為：SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SiC+2CO↑，碳化硅俗稱金剛砂，
故答案為：SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SiC+2CO↑；金剛砂；
（2）在流化床反應的產物中，SiCl₄大約占85%，Si+3HCl═SiHCl₃+H₂，還有Cl₂等，利用沸點的不同提純SiCl₄屬于蒸餾，SiCl₄（沸點57.6℃）中含有少量SiHCl₃（沸點33.0℃）和HCl（沸點-84.7℃）和Cl₂（沸點-34.1℃），由于沸點差別較大，可以通過精餾（或蒸餾）除去雜質，依據圖表數據分析可知，溫度應控制在略小于57.6℃，
故答案為：C；
（3）①Si₃N₄遇水水解，生成常用于做制冷劑的氣體為氨氣，一種難溶性的酸為硅酸，反應為：Si₃N₄+9H₂O=4NH₃↑+3H₂SiO₃↓，
故答案為：Si₃N₄+9H₂O=4NH₃↑+3H₂SiO₃↓；
②該合成氨化硅工藝流程中發生的主要反應是：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si（粗硅）+2CO↑（氧化還原反應），Si+2Cl₂$\frac{\underline{\;△\;}}{\;}$SiCl₄（氧化還原反應），3SiCl₄+4NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl（非氧化還原反應），
故答案為：2．

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，題目難度中等．