Question

11．晶體硅是一種重要的非金屬材料，制備純硅的主要步驟如下：
①高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅；
②粗硅與干燥 HCl 氣體反應制得 SiHCl₃：Si+3HCl$\frac{\underline{\;300℃\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂；
③SiHCl₃與過量 H₂在1 000～1 100℃反應制得純硅．已知 SiHCl₃能與 H₂O 強烈反應，在空氣中易自燃．
請回答下列問題：
（1）第①步制備粗硅的化學方程式為SiO₂+2C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑．
（2）粗硅與 HCl 反應完全后，經冷凝得到的 SiHCl₃（沸點33.0℃）中含有少量 SiCl₄（沸點 57.6℃）和 HCl（沸點-84.7℃），提純 SiHCl₃采用的方法為分餾．
（3）用 SiHCl₃與過量 H₂反應制備純硅的裝置如圖（熱源及夾持裝置略去）：

①裝置B中的試劑是濃硫酸．裝置C中的燒瓶需要加熱，其目的是使滴入燒瓶中的SiHCl₃氣化．
②裝置D中發生反應的化學方程式為SiHCl₃+H₂ $\frac{\underline{\;1000-1100℃\;}}{\;}$Si+3HCl．
③為保證制備純硅實驗的成功，操作的關鍵是檢查實驗裝置的氣密性，控制好反應溫度以及通一段時間H₂，將裝置中的空氣排盡；． ④SiHCl₃遇水劇烈反應生成 H₂SiO₃、HCl 和另一種物質，寫出配平的化學方程式SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl．

Answer 1

分析 （1）高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅和一氧化碳；
（2）粗硅與干燥 HCl 氣體反應制得 SiHCl₃：Si+3HCl$\frac{\underline{\;300℃\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂；SiHCl₃與過量 H₂在1 000～1 100℃反應制得純硅．已知 SiHCl₃能與 H₂O 強烈反應，在空氣中易自燃，高溫下，碳和二氧化硅反應生成硅和一氧化碳；根據題中數據，采用分餾方法提純SiHCl₃；
（3）①生成的氫氣含有水蒸氣，用濃H₂SO₄干燥；加熱促使SiHCl₃氣化；
②SiHCl₃和氫氣反應有硅單質生成，根據硅的顏色判斷D裝置中的顏色變化；反應溫度較高，普通玻璃會軟化；SiHCl₃和H₂反應生成硅和氯化氫；
③氫氣屬于易燃氣體，和氧氣混合在加熱條件下易產生爆炸；
④SiHCl₃易和水發生水解反應．

解答 解：（1）高溫下，碳和二氧化硅反應生成硅和一氧化碳，反應方程式為：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑，
故答案為：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑； 
（2）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，可以通過分餾除去雜質，
故答案為：分餾；
（3）①鋅和稀硫酸的反應是放熱反應，所以生成的氫氣含有水蒸氣，為干燥氫氣，一般選用濃H₂SO₄干燥；氣體的反應速率較大，所以加熱的目的是使SiHCl₃氣化，
故答案為：濃硫酸；使滴入燒瓶中的SiHCl₃氣化；
②高溫下，SiHCl₃和氫氣反應生成硅單質，硅單質是灰黑色固體，所以D裝置中的現象是：石英管的內壁附有灰黑色晶體；反應方程式為：SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+3HCl，
故答案為：SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1000-1100℃\;}}{\;}$Si+3HCl；
③氫氣屬于易燃氣體，和氧氣混合在加熱條件下易產生爆炸，所以實驗開始前應該通一段時間H₂，為保證制備純硅實驗的成功，操作的關鍵是檢查實驗裝置的氣密性，控制好反應溫度以及排盡裝置中的空氣．故答案為：通一段時間H₂，將裝置中的空氣排盡；
④SiHCl₃易和水發生水解反應，SiHCl₃遇水劇烈反應生成 H₂SiO₃、HCl 和另一種物質，依據電子守恒和原子守恒得到發生反應的化學方程式為：為SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl；
故答案為：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl．

點評 本題考查了實驗方案設計的有關知識，鐵離子和亞鐵離子的檢驗在高考題中出現，這種類型的題是高考的熱點，是學習的重點，會根據實驗目的和物質的性質選取實驗裝置和實驗藥品，然后進行相應的實驗，題目難度中等．