Question

14．硅是目前半導(dǎo)體工業(yè)中最重要的基礎(chǔ)原料，其導(dǎo)電性對(duì)哦雜質(zhì)等十分敏感，因此，必須制備高純度硅．雖然地殼中硅的含量豐富，但大多數(shù)以化合物形式存在，需要通過化學(xué)方法來制備高純度的單晶硅，一種簡單工藝流程如下：

（1）石英砂的主要成分是SiO₂ （填寫化學(xué)式），反應(yīng)器甲中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO₂+C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si（粗）+2CO↑．
（2）石英砂與焦炭在一定條件下反應(yīng)也會(huì)生成碳化硅，碳化硅又稱金剛砂，其晶體類型為原子晶體．
（3）①反應(yīng)器乙中發(fā)生的反應(yīng)為：Si（s）+3HCl（g）=SiHCl₃（g）+H₂（g）△H=-210kJ/mol，工業(yè)上為了加快SiHC1₃的生成速率而又不降低硅的轉(zhuǎn)化率，可以采用的方法是催化劑、增大壓強(qiáng)或HCl濃度．
②反應(yīng)器乙所得的反應(yīng)產(chǎn)物中，SiHCl₃大約占85%，還有SiCl₄等，有關(guān)物質(zhì)的沸點(diǎn)數(shù)據(jù)如一下：

物質(zhì)	Si	SiCl4	SiHCl3	SiH2Cl2	SiH3Cl	HCl
沸點(diǎn)/℃	2355	57.6	31.8	8.2	-30.4	-84.9

提純SiHCl₃的主要工藝操作依次為沉降、冷凝、精餾，其中精餾溫度最好控制在31.8℃．
③SiHCl₃遇水劇烈反應(yīng)生成H₂SiO₃、HCl和另一種物質(zhì)，其水解的反應(yīng)方程式為SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑．
（4）反應(yīng)器丙中發(fā)生的反應(yīng)的化學(xué)方程式為H₂+SiHCl₃$\frac{\underline{\;1100-1200℃\;}}{\;}$Si+3HCl
（5）該生產(chǎn)工藝中可以循環(huán)使用的物質(zhì)是氯化氫、氫氣．

Answer 1

分析 （1）石英砂的主要成分是SiO₂；反應(yīng)器甲中SiO₂與C在高溫下發(fā)生反應(yīng)生成Si和CO；
（2）碳化硅又稱金剛砂，其熔點(diǎn)高硬度大，屬于原子晶體；
（3）①根據(jù)外界條件對(duì)速率、平衡的影響；
②根據(jù)題中數(shù)據(jù)，采用精餾（或蒸餾）方法提純SiHCl₃；
③SiHCl₃水解生成硅酸、氫氣和氯化氫；
（4）反應(yīng)器丙中為氫氣還原SiHCl₃生成Si和HCl；
（5）根據(jù)反應(yīng)物中和生成物中都有的物質(zhì)考慮可以循環(huán)使用的物質(zhì)．

解答 解：（1）石英砂的主要成分是SiO₂；反應(yīng)器甲中SiO₂與C在高溫下發(fā)生反應(yīng)生成Si和CO，方程式為：SiO₂+C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si（粗）+2CO↑，
故答案為：SiO₂； SiO₂+C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si（粗）+2CO↑；
（2）碳化硅又稱金剛砂，其熔點(diǎn)高硬度大，屬于原子晶體，故答案為：金剛砂；原子晶體；
（3）①用催化劑、增大壓強(qiáng)或HCl濃度，加快SiHCl₃的生成速率而又不降低硅的轉(zhuǎn)化率提高，
故答案為：催化劑、增大壓強(qiáng)或HCl濃度；
②根據(jù)題中數(shù)據(jù)，利用沸點(diǎn)的不同提純SiHCl₃屬于蒸餾，SiHCl₃（沸點(diǎn)31.8℃）中含有少量SiCl₄（沸點(diǎn)57.6℃）和HCl（沸點(diǎn)-84.9℃），由于沸點(diǎn)差別較大，可以通過精餾除去雜質(zhì)，所以提純SiHCl₃的主要工藝操作依次為沉降、冷凝、精餾，其中精餾溫度最好控制在31.8℃，
故答案為：沉降；精餾；精餾；31.8℃；
③SiHCl₃水解反應(yīng)方程式為：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑，故答案為：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑；
（4）反應(yīng)器丙中為氫氣還原SiHCl₃生成Si和HCl，方程式為：H₂+SiHCl₃ $\frac{\underline{\;1100-1200℃\;}}{\;}$Si+3HCl，故答案為：H₂+SiHCl₃ $\frac{\underline{\;1100-1200℃\;}}{\;}$Si+3HCl；
（5）由圖示可知反應(yīng)物有粗硅、HCl、H₂；反應(yīng)過程中生成物有：SiHCl₃、H₂、SiCl₄、HCl，所以在反應(yīng)物中和生成物中都有的物質(zhì)是HCl、H₂，所以流程中可循環(huán)使用的物質(zhì)是HCl、H₂，故答案為：氯化氫、氫氣．

點(diǎn)評(píng) 本題結(jié)合提純粗硅的工藝流程考查了外界條件對(duì)平衡的影響、物質(zhì)的分離、方程式的書寫等，難度較大，考查學(xué)生分析和解決問題的能力．