Question

2．硅是微電子工業(yè)和太陽能發(fā)電的基礎(chǔ)材料，獲得高純硅的方法很多．
（1）目前已工業(yè)化進(jìn)行的方法是由液氨存在下用NH₄Cl與Mg₂Si 反應(yīng)可制取SiH₄，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+2MgCl₂+4NH₃，硅烷再分解即可得高純硅．
（2）2003年Toshiyuki Nohira等人采用CaCl₂為熔鹽體系，用石墨作陽極，采用圖1特制的陰極，由SiO₂直接電解制得純硅，總反應(yīng)方程式為：SiO₂ $\frac{\underline{\;\;\;\;\;\;\;電解\;\;\;\;\;\;\;}}{熔融CaCl_{2}}$ Si+2O₂↑則陰極的電極反應(yīng)式為SiO₂+4e^-=Si+2O^2-；陽極石墨塊除作為電極外，另一作用是將陽極生成的O₂轉(zhuǎn)變?yōu)镃O₂、CO．

（3）西門子生產(chǎn)高純硅關(guān)鍵工藝之一是SiCl₄氫化為SiHCl₃，原理為：SiCl₄（g）+H₂（g）?SiHCl₃（g）+HCl（g）△H．反應(yīng)的分壓常數(shù)（平衡分壓p代替平衡濃度c，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）與溫度的關(guān)系如圖2．
①該反應(yīng)為△H＞0（選填：“＞”“＜”“=”）
②平衡常數(shù)Kp=$\frac{P（SiHC{l}_{3}）•P（HCl）}{P（CC{l}_{4}）•P（{H}_{2}）}$．
③提高SiCl₄轉(zhuǎn)化為SiHCl₃的轉(zhuǎn)化率除可改變溫度外，還可以采取的措施是提高n（H₂）/n（SiCl₄）投料比．
④該工藝是在無水條件下進(jìn)行的，以避免發(fā)生：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+3HCl+H₂↑，該反應(yīng)中每水解1molSiHCl₃，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為2mol．

Answer 1

分析 （1）反應(yīng)物為NH₄Cl、Mg₂Si，生成物有SiH₄，根據(jù)原子守恒產(chǎn)物還有MgCl₂、NH₃；
（2）電解池陽極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，陽極石墨塊除作為電極外，還將陽極生成的O₂轉(zhuǎn)變?yōu)镃O₂、CO；
（3）①根據(jù)圖2可知：反應(yīng)的分壓常數(shù)（平衡分壓p代替平衡濃度c），隨著溫度的升高而變大，所以升高溫度平衡正向移動(dòng)；
②化學(xué)平衡常數(shù)為生成物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪乘積的比值；
③根據(jù)外界條件對(duì)平衡的影響分析；
④該反應(yīng)中每水解1molSiHCl₃，生成1mol氫氣，轉(zhuǎn)移2mol電子．

解答 解：（1）由液氨存在下用NH₄Cl與Mg₂Si 反應(yīng)，生成物有SiH₄，硅化合價(jià)不變，根據(jù)原子守恒所以產(chǎn)物還有MgCl₂、NH₃，反應(yīng)為Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+2MgCl₂+4NH₃，
故答案為：Mg₂Si+4NH₄Cl=SiH₄+2MgCl₂+4NH₃；
（2）電解時(shí)，陰極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)，根據(jù)SiO₂ $\frac{\underline{\;\;\;\;\;\;\;電解\;\;\;\;\;\;\;}}{熔融CaCl_{2}}$ Si+O₂↑，可知陰極發(fā)生：SiO₂+4e^-=Si+2O^2-，陽極發(fā)生：2O^2--4e^-=O₂↑，陽極石墨塊除作為電極外，碳和氧氣反應(yīng)生成CO₂、CO，將陽極生成的O₂轉(zhuǎn)變?yōu)镃O₂、CO，
故答案為：SiO₂+4e^-=Si+2O^2-；將陽極生成的O₂轉(zhuǎn)變?yōu)镃O₂、CO；
（3）①根據(jù)圖2可知：隨著溫度的升高而變大，反應(yīng)的分壓常數(shù)增大，說明升高溫度，產(chǎn)物增多，所以正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，△H＞0，
故答案為：＞
②因平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積，所以SiCl₄（g）+H₂（g）?SiHCl₃（g）+HCl（g）平衡常數(shù)Kp=$\frac{P（SiHC{l}_{3}）•P（HCl）}{P（CC{l}_{4}）•P（{H}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{P（SiHC{l}_{3}）•P（HCl）}{P（CC{l}_{4}）•P（{H}_{2}）}$；
③升高溫度或增大氫氣與SiHCl₃的物質(zhì)的量之比或增大氫氣濃度，可提高SiCl₄轉(zhuǎn)化為SiHCl₃的轉(zhuǎn)化率，
故答案為：提高n（H₂）/n（SiCl₄）投料比；     
④SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+3HCl+H₂↑，化合價(jià)變化為Si（+2→+4），H（+1→0），每水解1molSiHCl₃，生成1mol氫氣，轉(zhuǎn)移2mol電子，
故答案為：2mol．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了電解原理、化學(xué)平衡有關(guān)知識(shí)，考查學(xué)生分析和解決問題的能力，當(dāng)電極為惰性電極時(shí)，陽極上陰離子放電，陰極上陽離子放電，再結(jié)合物質(zhì)的顏色來分析解答，注意外界條件對(duì)平衡的影響，題目難度中等．