Question

19．單晶硅是信息產業中重要的基礎材料．以石英砂為原料制備硅的過程示意如下：

從資料中查知：粗硅中含鐵、鋁等雜質；SiCl₄熔點為-70℃，沸點57.6℃，在潮濕的空氣中能發生水解反應．請回答下列問題：
（1）過程Ⅰ中石英砂的主要成分SiO₂與焦炭反應，該反應氧化劑與還原劑物質的量之比為1：2．
（2）過程Ⅱ中的Cl₂用電解飽和食鹽水制備，制備Cl₂的化學方程式是2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑．干燥Cl₂時，從有利于充分干燥和操作安全的角度考慮，需將約90℃的潮濕氯氣先冷卻至12℃，然后再通入到濃H₂SO₄中．這樣冷卻的作用是使水蒸氣冷凝，減少進入濃硫酸的水量，保持持續的吸水性，同時減少了放出的熱量．
（3）某學習小組模擬過程Ⅲ設計了以下制取純硅的實驗裝置（熱源及夾持裝置略去）．

①裝置C用石英管而不用普通玻璃管的原因是高溫時普通玻璃管會軟化，石英管耐高溫．
②使SiCl₄從裝置B中逸出與H₂充分混合，應采取的措施是對B裝置進行水浴加熱．為防止空氣污染，含有SiCl₄的尾氣要通入盛有NaOH溶液的燒杯中，反應的化學方程式是SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O．
③為保證制備純硅實驗的成功，除檢查實驗裝置的氣密性，控制好反應溫度、進行尾氣處理外，還應對該裝置進行的改進是在A與B之間連接一盛有濃硫酸的洗氣瓶或盛有堿石灰的干燥管．如果只按如圖裝置進行實驗，裝置B中除產生氣泡和液面下降外，還可觀察到的現象是B中液面上方產生少量白霧，液體中有少量白色膠狀物生成．
④為鑒定產品中是否含有少量鐵單質，某同學將試樣用稀鹽酸溶解．取上層清液，選取現有的下列試劑進行實驗，其中最適宜是c．
a．碘水         b．KSCN溶液       c．NaOH溶液       d．Na₂SO₃溶液．

Answer 1

分析 高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑，粗硅與干燥的Cl₂反應制得SiCl₄：Si+2C1₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$SiCl₄，高溫下制得純硅：SiCl₄+2H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+4HCl，
（1）SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑中C元素化合價由0價變為+2價、Si元素化合價由+4價變為0價，得電子化合價降低的反應物是氧化劑、失電子化合價升高的反應物是還原劑；
（2）過程Ⅱ中的Cl₂用電解飽和食鹽水制備，用惰性電極電解飽和食鹽水時，陽極上氯離子放電生成氯氣、陰極上水得電子生成氫氣和氫氧根離子；
水蒸氣冷凝后減少了進入濃硫酸的水量，同時能減少放出的熱量；
①由于H₂還原SiCl₄的實驗是在某些方面1000-1100℃的高溫下進行的，在此溫度下普通玻璃管會軟化；
②SiCl₄沸點低（57.6），使SiCl₄從裝置B中逸出與H₂充分混合，應該使四氯化硅轉化為氣體；尾氣中含有SiCl₄，能與NaOH反應生成硅酸鈉、NaCl和水；
③SiCl₄在潮濕的空氣中能發生水解反應，為防止四氯化硅水解，需要使用干燥的氯氣；四氯化硅水解生成HCl而產生白霧，液體中產生白色膠狀物質；
④Fe和稀鹽酸反應生成亞鐵離子，亞鐵離子能和NaOH反應生成白色沉淀，且該白色沉淀不穩定，易被氧化生成紅褐色沉淀．

解答 解：高溫下用碳還原二氧化硅制得粗硅：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑，粗硅與干燥的Cl₂反應制得SiCl₄：Si+2C1₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$SiCl₄，高溫下制得純硅：SiCl₄+2H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+4HCl，
（1）SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑中C元素化合價由0價變為+2價、Si元素化合價由+4價變為0價，得電子化合價降低的反應物是氧化劑、失電子化合價升高的反應物是還原劑，二氧化硅是氧化劑、C是還原劑，則氧化劑和還原劑的物質的量之比為1：2，故答案為：1：2；
（2）過程Ⅱ中的Cl₂用電解飽和食鹽水制備，用惰性電極電解飽和食鹽水時，陽極上氯離子放電生成氯氣、陰極上水得電子生成氫氣和氫氧根離子，反應方程式為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑；
水蒸氣冷凝后減少了進入濃硫酸的水量，從而保持濃硫酸持續的吸水性，同時能減少放出的熱量，
故答案為：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑；使水蒸氣冷凝，減少進入濃硫酸的水量，保持持續的吸水性，同時減少了放出的熱量；
①由于H₂還原SiCl₄的實驗是在某些方面1000-1100℃的高溫下進行的，在此溫度下普通玻璃管會軟化，石英玻璃耐高溫，所以用石英管而不用普通玻璃管，故答案為：高溫時普通玻璃管會軟化，石英管耐高溫；
②SiCl₄沸點低（57.6），使SiCl₄從裝置B中逸出與H₂充分混合，應該使四氯化硅轉化為氣體，所以對B裝置進行水浴加熱；尾氣中含有SiCl₄，能與NaOH反應生成硅酸鈉、NaCl和水，反應方程式為SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O，
故答案為：對B裝置進行水浴加熱；SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O；
③SiCl₄在潮濕的空氣中能發生水解反應，為防止四氯化硅水解，需要使用干燥的氯氣，所以需要在A與B之間連接一盛有濃硫酸的洗氣瓶或盛有堿石灰的干燥管；四氯化硅水解生成HCl而產生白霧，同時生成難溶性的硅酸而導致液體中產生白色膠狀物質，
故答案為：在A與B之間連接一盛有濃硫酸的洗氣瓶或盛有堿石灰的干燥管；B中液面上方產生少量白霧，液體中有少量白色膠狀物生成；
④Fe和稀鹽酸反應生成亞鐵離子，亞鐵離子能和NaOH反應生成白色沉淀，且該白色沉淀不穩定，易被氧化生成紅褐色沉淀，碘水、亞硫酸鈉和KSCN都不與亞鐵離子反應，沒有明顯選項，故選c．

點評 本題以Si及其化合物為載體考查物質制備，為高頻考點，側重考查學生分析及獲取信息利用信息解答問題能力，明確流程圖中發生的反應及物質性質是解本題關鍵，注意題干中關鍵詞“SiCl₄熔點為-70℃，沸點57.6℃，在潮濕的空氣中能發生水解反應”，充分利用關鍵詞解答問題，題目難度不大．