Question

我國目前制備多晶硅主要采用三氯氫硅氫還原法、硅烷熱解法和四氯化硅氫還原法．由于三氯氫硅還原法具有一定優點，被廣泛應用．其簡化的工藝流程如圖所示：

反應①：Si（粗）+3HCl（g） SiHCl₃（l）+H₂（g）
反應②：SiHCl₃+H₂ Si（純）+3HCl
（1）制備三氯氫硅的反應為：Si（s）+3HCl（g）═SiHCl₃（g）+H₂（g）；△H=-210kJ?mol^-1．伴隨的副反應有：Si（s）+4HCl（g）═SiCl₄（g）+2H₂（g）；△H=-241kJ?mol^-1．SiCl₄在一定條件下與H₂反應可轉化為SiHCl₃，反應的熱化學方程式為：SiCl₄（g）+H₂（g）═SiHCl₃（g）+HCl（g）；△H=______．
（2）假設在每一輪次的投料生產中，硅元素沒有損失，反應①HCl中的利用率為75%，反應②中和H₂的利用率為80%．則在下一輪次的生產中，需補充投入HCl和H₂的體積比是______．
（3）由于SiH₄具有易提純的特點，因此硅烷熱分解法是制備高純硅很有發展潛力的方法．工業上廣泛采用的合成硅烷方法是讓硅化鎂和固體氯化銨在液氨介質中反應得到硅烷，化學方程式是______；
整個制備過程必須嚴格控制無水，否則反應將不能生成硅烷，而是生成硅酸和氫氣等，其化學方程式為______；
整個系統還必須與氧隔絕，其原因是______．
（4）若將硅棒與鐵棒用導線相連浸在氫氧化鈉溶液中構成原電池，則負極的電極反應式為：______
（5）硅能用于合成硅橡膠，右圖是硅橡膠中的一種，其主要優點是玻璃化溫度低，耐輻射性能好，則該硅橡膠的化學式為______．

Answer 1

解：（1）根據蓋斯定律，反應SiCl₄（g）+H₂（g）═SiHCl₃（g）+HCl（g）可以看成是Si（s）+3HCl（g）═SiHCl₃（g）+H₂（g）和反應Si（s）+4HCl（g）═SiCl₄（g）+2H₂（g）的差，所以△H═-210kJ?mol^-1-（-241kJ?mol^-1）=+31 kJ?mol^-1，故答案為：+31 kJ?mol^-1；
（2）根據題意，反應①HCl中的利用率為75%，反應②中和H₂的利用率為80%，即①中有75%的HCl和Si反應，而有25%的HCl和雜質反應了，②中有80%的H₂和SiHCl₃反應，而有20%的H₂和雜質（如氧氣）反應了，根據Si（粗）+3HCl（g）═SiHCl₃（l）+H₂（g），可知4體積的HCl中有3體積和Si反應生成了1體積的H₂，而SiHCl₃+H₂═Si（純）+3HCl中需要的H₂就是1體積，要投放H₂為=1.25體積，所以要補充0.25體積的H₂，生成了3體積的HCl，為了保證有4體積的HCl，就要補充1體積的HCl，所以結果是V（ HCl）：V（H₂）=（4-3）：（1.25-1）=4：1，故案為：4：1；
（3）硅化鎂和固體氯化銨在液氨介質中反應得到硅烷，根據原子守恒，則Mg₂Si+4NH₄Cl═SiH₄↑+2MgCl₂+4NH₃↑，整個系統還必須與氧隔絕，否則容易發生爆炸，硅化鎂和固體氯化銨在水中反應得到硅酸和氫氣等，根據原子守恒，則Mg₂Si+4NH₄Cl+3H₂O═2MgCl₂+H₂SiO₃+4NH₃↑+4H₂↑，
故答案為：Mg₂Si+4NH₄Cl═SiH₄↑+2MgCl₂+4NH₃↑；Mg₂Si+4NH₄Cl+3H₂O═2MgCl₂+H₂SiO₃+4NH₃↑+4H₂↑；由于硅烷在空氣中易燃，濃度高時容易發生爆炸；
（4）自發的氧化還原反應是硅和氫氧化鈉的反應，硅在反應中失去電子作負極，故答案為：Si+6OH^--4e^-=SiO₃^2-+3H₂O；
（5）根據物質的原子構成知分子式為：（C₂₄H₁₈SiO₂）_n，故答案為：（C₂₄H₁₈SiO₂）_n．
分析：（1）根據蓋斯定律可以計算化學反應的焓變；
（2）根據反應①中的HCl和反應②中的H₂的消耗量以及利用率之間的關系結合化學反應進行計算；
（3）根據題目信息和已知條件來書寫方程式；
（4）負極是失去電子的極，自發的氧化還原反應是硅和氫氧化鈉的反應；
（5）根據物質的原子構成來書寫分子式．
點評：本題是一道有關硅和二氧化硅性質的綜合題，難度較大，考查學生分析和解決問題的能力．