Question

18．晶體硅是一種重要的非金屬材料，工業上用碳在高溫下還原石英砂（主要成份為含鐵、鋁等雜質的二氧化硅）得粗硅，粗硅與氛氣在450-500℃條件下反應生成四氯化硅，四氯化硅經提純后與過量H₂在1100-1200℃條件下反應制得高純硅．以下是實驗室制備SiCl₄的裝置示意圖．

實驗過程中；石英砂中的鐵、鋁等雜質也能轉化為相應氯化物，SiCl₄，A1C1₃，FeC1₃遇水均易水解，有關物質的物理常數見下表：

物質	SiC14	A1C13	FeC13
沸點/℃	57.7	-	315
熔點/℃	-70.0	-	-
升華溫度/℃	-	180	300

請回答下列問題：
（I）實驗室制備氛氣有以下五步操作，其正確操作順序為④③⑤②①（填標號）．
①向燒瓶中裝入二氧化錳固體，向分液漏斗中加入濃鹽酸
②檢查裝置的氣密性
③把酒精燈放在鐵架臺上，根據酒精燈火焰確定鐵圈高度，固定鐵圈，放上石棉網
④在燒瓶上裝好分液漏斗，安裝好導氣管
⑤將燒瓶固定在鐵架臺上
（2）裝置A的硬質玻璃管中發生主要反應的化學方程式是2C+SiO₂+2Cl₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SiCl₄+2CO↑；，置A．B間導管短且粗的原因是防止生成物中的AlCl₃、FeCl₃等雜質凝結成固體堵塞導管，實驗中尾氣處理的方法是連接一個加熱的裝有CuO粉末的反應管．
（3）裝置B中e瓶收集到的粗產物可通過精餾（類似多次蒸餾）得到高純度四氛化硅．在精餾過程中，不可能用到的儀器有CD（填正確答案標號）．
A．圓底燒瓶　B．溫度計　C．吸濾瓶　D球形冷凝管　E．接收器
（4）裝置D中的Na₂SO₃的作用主要是吸收未反應完的Cl₂請設計一個實驗，證明裝置D中的Na₂SO₃已被氧化（簡述實驗步驟）：取少量溶液置于潔凈的試管中，向其中滴加稀鹽酸至不再產生氣體；再向其中滴入氯化鋇溶液，若產生白色沉淀，證明亞硫酸鈉被氧化．
（5）SiCl₄極易水解，其完全水解的產物為H₄SiO₄（或H₂SiO₃）和HCl；H₂還原SiCl₄制得高純硅的過程中若混入O₂，可能引起的后果是可能引起爆炸、硅被氧化得不到高純硅．

Answer 1

分析 A中發生二氧化硅和碳和氯氣反應生成四氯化硅，由信息可知，四氯化硅的沸點低，則B裝置冷卻可收集四氯化硅，C可防止防止B右端的水蒸氣進入B與四氯化硅反應，造成產物不純，最后D處理含氯氣的尾氣．
（1）在實驗室中由濃鹽酸和二氧化錳制備氯氣，按照先下后上，先左后右的原則搭建實驗裝置，因制備氣體，所以需檢查裝置的氣密性，然后裝入藥品進行制備；
（2）在D裝置中二氧化硅和碳和氯氣反應生成四氯化硅和一氧化碳；產物中有AlCl₃、FeCl₃防止凝結成固體堵塞導管，尾氣主要為一氧化碳，可用氧化銅檢驗；
（3）根據精餾（類似多次蒸餾）原理，精餾過程中不可能用到吸濾瓶和球形冷凝器管；
（4）氯氣有強氧化性，亞硫酸根離子有還原性，所以氯氣和亞硫酸根離子能發生氧化還原反應生成硫酸根離子、氯離子和氫離子；如果亞硫酸鈉被氧化會生成硫酸鈉，根據硫酸根離子的檢驗方法檢驗即可；
（5）SiCl₄極易水解，生成原硅酸和氯化氫，氫氣和氧氣混合在加熱的條件下易發生爆炸，硅易與氧氣反應生成氧化硅．

解答 解：（1）加熱條件下，實驗室用濃鹽酸和二氧化錳制取氯氣，二者反應生成氯化錳、氯氣和水，方程式為：MnO₂+4HCl$\frac{\underline{\;加熱\;}}{\;}$MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O，搭建實驗裝置應先下后上，先左后右的原則，所以先在燒瓶上裝好分液漏斗，安裝好導氣管，把酒精燈放在鐵架臺上，根據酒精燈火焰確定鐵圈高度，固定鐵圈，放上石棉，將燒瓶固定在鐵架臺上，因制備氣體，所以需檢查裝置的氣密性，然后裝入藥品，所以檢查裝置的氣密性，向燒瓶中裝入二氧化錳固體，向分液漏斗中加入濃鹽酸，即正確操作順序為④③⑤②①，
故答案為：③⑤②①；
（2）在A裝置中二氧化硅和碳和氯氣反應生成四氯化硅和一氧化碳，反應為：2C+SiO₂+2Cl₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SiCl₄+2CO↑，生成物中有AlCl₃、FeCl₃等雜質，凝結成固體堵塞導管，所以裝置A．B間導管短且粗，尾氣主要為一氧化碳，氧化銅和一氧化碳在加熱的條件下反應生成二氧化碳和銅，銅為紅色固體，所以可用氧化銅驗尾氣，
故答案為：2C+SiO₂+2Cl₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SiCl₄+2CO↑；防止生成物中的AlCl₃、FeCl₃等雜質凝結成固體堵塞導管；連接一個加熱的裝有CuO粉末的反應管；
（3）吸濾瓶用于減壓過濾裝置中，與精餾（類似多次蒸餾）無關，球形冷凝管含有球形部分區域，不適合精餾，蒸餾需圓底燒瓶盛放待蒸餾的液體，需溫度計測量蒸氣的溫度，需接收器接受餾分，
故答案為：CD；
（4）亞硫酸鈉被氧化生成硫酸鈉，只有驗證硫酸根離子的存在就可證明亞硫酸鈉已經被氧化，檢驗硫酸根離子的存在選用試劑稀鹽酸和氯化鋇溶液，實驗設計如下：取少量溶液置于潔凈試管中，向其中加入稀鹽酸至不再產生氣體，再向其中滴入氯化鋇溶液，若產生白色沉淀，證明Na₂SO₃已被氧化，
故答案為：取少量溶液置于潔凈的試管中，向其中滴加稀鹽酸至不再產生氣體；再向其中滴入氯化鋇溶液，若產生白色沉淀，證明亞硫酸鈉被氧化；
（5）SiCl₄水解反應方程式為：SiCl₄+4H₂O═H₄SiO₄↓+4HCl↑，生成原硅酸氯化氫，原硅酸易失去水生成硅酸H₂SiO₃，H₂還原SiCl₄制得高純硅的過程中若混入O₂，可能引起爆炸，硅被氧化得不到高純硅，
故答案為：H₄SiO₄（或H₂SiO₃）和HCl；可能引起爆炸、硅被氧化得不到高純硅．

點評 本題考查制備實驗方案的設計，綜合了氯氣的制法、硅的提純、SiCl₄的制備等實驗知識，注意把握制備原理及實驗流程中的反應、物質的性質等為解答的關鍵，側重分析與實驗能力的綜合考查，題目難度中等．