Question

5．單質(zhì)硅是信息產(chǎn)業(yè)中重要的基礎(chǔ)材料．通常用碳在高溫下還原二氧化硅制得粗硅（含鐵、鋁、硼、磷等雜質(zhì)），粗硅與氯氣反應(yīng)生成四氯化硅（反應(yīng)溫度為450℃～500℃），四氯化硅經(jīng)提純后用氫氣還原可得高純硅．以下是實(shí)驗(yàn)室制備四氯化硅的裝置圖：

相關(guān)信息如下：①四氯化硅遇水極易水解
②硼、鋁、鐵、磷在高溫下均能與氯氣直接反應(yīng)生成相應(yīng)的氯化物
③有關(guān)物質(zhì)的物理常數(shù)見下表：

物質(zhì)	SiCl4	BCl3	AlCl3	FeCl3	PCl5
沸點(diǎn)/℃	-57.7	12.8	-	315	-
熔點(diǎn)/℃	-70.0	-107.2	-	-	-
升華溫度/℃	-	-	180	300	162

請回答下列問題：（1）寫出裝置A中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式MnO₂+4H⁺+2Cl^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Mn²⁺+Cl₂↑+2H₂O．裝置C中的試劑是濃硫酸．
（2）裝置A中g(shù)管的作用是平衡壓強(qiáng)，使液體順利流出并防止漏氣；
（3）裝置E中h瓶收集到的粗產(chǎn)物可通過精餾（類似多次蒸餾）得到高純度四氯化硅，精餾后的殘留物中，除鐵元素外可能還含有的雜質(zhì)元素是Al、P（填寫元素符號）．
（4）甲方案：f接裝置Ⅰ；乙方案：f接裝置Ⅱ．但是裝置Ⅰ、Ⅱ都有不足之處，請你設(shè)計一個合理方案并用文字表達(dá)：在裝置Ⅰ的i處接干燥管j
（5）為了分析殘留物中鐵元素的含量，先將殘留物預(yù)處理，把鐵元素還原成Fe²⁺，再用KMnO₄標(biāo)準(zhǔn)溶液在酸性條件下進(jìn)行氧化還原滴定，反應(yīng)的離子方程式是：5Fe²⁺+MnO${\;}_{4}^{-}$+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O  某同學(xué)稱取5.000g殘留物，預(yù)處理后在容量瓶中配制成100ml溶液，移取25.00ml，試樣溶液，用1.000×10^-2mol•L^-1KMnO₄標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定．達(dá)到滴定終點(diǎn)時，消耗標(biāo)準(zhǔn)溶液20.00ml，則殘留物中鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是4.480%．（寫出計算過程）

Answer 1

分析 由制備四氯化硅的實(shí)驗(yàn)流程可知，A中發(fā)生二氧化錳與濃鹽酸的反應(yīng)生成氯氣，B中飽和實(shí)驗(yàn)水除去HCl，C裝置中濃硫酸干燥氯氣，D中發(fā)生Si與氯氣的反應(yīng)生成四氯化硅，由信息可知，E裝置制取氫氣，F(xiàn)可防止倒吸，最后氫氣還原SiCl₄；
（1）裝置A是氯氣發(fā)生裝置，A中的離子方程式為MnO₂+4H⁺+2Cl^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Mn²⁺+Cl₂↑+2H₂O；根據(jù)制得的氯氣中含有氯化氫和水，裝置B用飽和食鹽水除去氯化氫，裝置C用濃硫酸吸水；
（2）因濃鹽酸有揮發(fā)性，故分液漏斗要加蓋，加蓋后如沒有g(shù)管，則鹽酸就不易流下去，g管的作用是平衡壓強(qiáng)，使液體順利流出并防止漏氣；
（3）D中氯氣與粗硅反應(yīng)生成SiCl₄，h瓶收集粗產(chǎn)物，精餾粗產(chǎn)品可得高純度四氯化硅，由表中數(shù)據(jù)可以看出，蒸出SiCl₄氣體時，BCl₃早已成氣體被蒸出，而AlCl₃、FeCl₃、PCl₅升華溫度均高于SiCl₄；
（4）收集產(chǎn)品的導(dǎo)管太細(xì)易堵塞導(dǎo)管；制取的四氯化硅需要冷凝；由于尾氣中含有氯氣，要設(shè)置尾氣處理裝置，四氯化硅易水解，要避免空氣中的水蒸氣進(jìn)入產(chǎn)品收集裝置；
（5）結(jié)合元素守恒，利用氧化還原反應(yīng)原理書寫離子反應(yīng)方程式，根據(jù)關(guān)系式5Fe²⁺～MnO₄^-計算出100mL溶液中含有的鐵，最后求出質(zhì)量百分?jǐn)?shù)．

解答 解：（1）裝置A是氯氣發(fā)生裝置，A中的離子方程式為MnO₂+4H⁺+2Cl^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Mn²⁺+Cl₂↑+2H₂O，制得的氯氣中含有氯化氫和水，裝置B用飽和食鹽水除去氯化氫，裝置C用濃硫酸吸水；
故答案為：MnO₂+4H⁺+2Cl^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Mn²⁺+Cl₂↑+2H₂O；濃硫酸；
（2）濃鹽酸有揮發(fā)性，故分液漏斗要加蓋，加蓋后如沒有g(shù)管，則鹽酸就不易流下去，g管的作用是平衡壓強(qiáng)，使液體順利流出并防止漏氣；產(chǎn)物SiCl₄沸點(diǎn)低，需要冷凝收集；
故答案為：平衡壓強(qiáng)，使液體順利流出并防止漏氣；
（3）D中氯氣與粗硅反應(yīng)生成SiCl₄，h瓶收集粗產(chǎn)物，精餾粗產(chǎn)品可得高純度四氯化硅，由表中數(shù)據(jù)可以看出，蒸出SiCl₄氣體時，BCl₃早已成氣體被蒸出，而AlCl₃、FeCl₃、PCl₅升華溫度均高于SiCl₄的沸點(diǎn)，所以當(dāng)SiCl₄蒸出后，而AlCl₃、FeCl₃、PCl₅還為固體留在瓶里，除鐵元素外可能還含有的雜質(zhì)元素是Al、P，
故答案為：Al、P；
（4）四氯化硅在常溫下易液化，如果收集產(chǎn)品的導(dǎo)管太細(xì)易堵塞導(dǎo)管；制取的四氯化硅需要冷凝；由于尾氣中含有氯氣，要設(shè)置尾氣處理裝置，四氯化硅易水解，要避免空氣中的水蒸氣進(jìn)入產(chǎn)品收集裝置，在裝置Ⅰ的i處接干燥管j，
故答案為：在裝置Ⅰ的i處接干燥管j；
（5）用KMnO₄標(biāo)準(zhǔn)溶液在酸性條件下進(jìn)行氧化還原滴定，反應(yīng)的離子方程式是：5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O，MnO₄^-轉(zhuǎn)變成Mn²⁺溶液顏色有紫色變成無色，KMnO₄標(biāo)準(zhǔn)溶液在酸性條件下進(jìn)行氧化還原滴定時，不需要指示劑，判斷是否達(dá)到滴定終點(diǎn)的方法為：當(dāng)?shù)稳胱詈笠坏蜬MnO₄溶液時，溶液顏色由無色變?yōu)樽仙�，�?0秒不褪色，利用關(guān)系式法計算：
     5Fe^2+_～MnO₄^-
4×10^-3mol 1.000×10^-2mol•L^-1×0.02L×$\frac{100}{25}$
鐵元素的質(zhì)量為：4×10^-3mol×56g/mol=2.24×10^-1g，鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)$\frac{2.24×1{0}^{-1}g}{5.000g}$×100%=4.480%，
故答案為：4.480%．

點(diǎn)評 本題為傳統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計題，綜合了氯氣的制法、硅的提純、滴定法等了實(shí)驗(yàn)知識，注意滴定食鹽的定量計算分析，掌握基礎(chǔ)是關(guān)鍵，題目難度增中等．