Question

19．單晶硅是信息產(chǎn)業(yè)中重要的基礎(chǔ)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(zhì)；SiCl₄熔點(diǎn)為-70℃，沸點(diǎn)57.6℃，在潮濕的空氣中能發(fā)生水解反應(yīng)．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(yīng)，該反應(yīng)氧化劑與還原劑物質(zhì)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(xué)方程式是2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑．干燥Cl₂時(shí)，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(jìn)入濃硫酸的水量，保持持續(xù)的吸水性，同時(shí)減少了放出的熱量．
（3）某學(xué)習(xí)小組模擬過程Ⅲ設(shè)計(jì)了以下制取純硅的實(shí)驗(yàn)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(shí)普通玻璃管會(huì)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(yīng)采取的措施是對B裝置進(jìn)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(yīng)的化學(xué)方程式是SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O．
③為保證制備純硅實(shí)驗(yàn)的成功，除檢查實(shí)驗(yàn)裝置的氣密性，控制好反應(yīng)溫度、進(jìn)行尾氣處理外，還應(yīng)對該裝置進(jìn)行的改進(jìn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，裝置B中除產(chǎn)生氣泡和液面下降外，還可觀察到的現(xiàn)象是B中液面上方產(chǎn)生少量白霧，液體中有少量白色膠狀物生成．
④為鑒定產(chǎn)品中是否含有少量鐵單質(zhì)，某同學(xué)將試樣用稀鹽酸溶解．取上層清液，選取現(xiàn)有的下列試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(yīng)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(jià)由0價(jià)變?yōu)?2價(jià)、Si元素化合價(jià)由+4價(jià)變?yōu)?價(jià)，得電子化合價(jià)降低的反應(yīng)物是氧化劑、失電子化合價(jià)升高的反應(yīng)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(shí)，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(jìn)入濃硫酸的水量，同時(shí)能減少放出的熱量；
①由于H₂還原SiCl₄的實(shí)驗(yàn)是在某些方面1000-1100℃的高溫下進(jìn)行的，在此溫度下普通玻璃管會(huì)軟化；
②SiCl₄沸點(diǎn)低（57.6），使SiCl₄從裝置B中逸出與H₂充分混合，應(yīng)該使四氯化硅轉(zhuǎn)化為氣體；尾氣中含有SiCl₄，能與NaOH反應(yīng)生成硅酸鈉、NaCl和水；
③SiCl₄在潮濕的空氣中能發(fā)生水解反應(yīng)，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(chǎn)生白霧，液體中產(chǎn)生白色膠狀物質(zhì)；
④Fe和稀鹽酸反應(yīng)生成亞鐵離子，亞鐵離子能和NaOH反應(yīng)生成白色沉淀，且該白色沉淀不穩(wěn)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(yīng)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(jià)由0價(jià)變?yōu)?2價(jià)、Si元素化合價(jià)由+4價(jià)變?yōu)?價(jià)，得電子化合價(jià)降低的反應(yīng)物是氧化劑、失電子化合價(jià)升高的反應(yīng)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(zhì)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(shí)，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(yīng)方程式為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑；
水蒸氣冷凝后減少了進(jìn)入濃硫酸的水量，從而保持濃硫酸持續(xù)的吸水性，同時(shí)能減少放出的熱量，
故答案為：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑；使水蒸氣冷凝，減少進(jìn)入濃硫酸的水量，保持持續(xù)的吸水性，同時(shí)減少了放出的熱量；
①由于H₂還原SiCl₄的實(shí)驗(yàn)是在某些方面1000-1100℃的高溫下進(jìn)行的，在此溫度下普通玻璃管會(huì)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(shí)普通玻璃管會(huì)軟化，石英管耐高溫；
②SiCl₄沸點(diǎn)低（57.6），使SiCl₄從裝置B中逸出與H₂充分混合，應(yīng)該使四氯化硅轉(zhuǎn)化為氣體，所以對B裝置進(jìn)行水浴加熱；尾氣中含有SiCl₄，能與NaOH反應(yīng)生成硅酸鈉、NaCl和水，反應(yīng)方程式為SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O，
故答案為：對B裝置進(jìn)行水浴加熱；SiCl₄+6NaOH=Na₂SiO₃+4NaCl+3H₂O；
③SiCl₄在潮濕的空氣中能發(fā)生水解反應(yīng)，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(chǎn)生白霧，同時(shí)生成難溶性的硅酸而導(dǎo)致液體中產(chǎn)生白色膠狀物質(zhì)，
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(chǎn)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(yīng)生成亞鐵離子，亞鐵離子能和NaOH反應(yīng)生成白色沉淀，且該白色沉淀不穩(wěn)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(yīng)，沒有明顯選項(xiàng)，故選c．

點(diǎn)評 本題以Si及其化合物為載體考查物質(zhì)制備，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)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(fā)生的反應(yīng)及物質(zhì)性質(zhì)是解本題關(guān)鍵，注意題干中關(guān)鍵詞“SiCl₄熔點(diǎn)為-70℃，沸點(diǎn)57.6℃，在潮濕的空氣中能發(fā)生水解反應(yīng)”，充分利用關(guān)鍵詞解答問題，題目難度不大．