Question

高純度單晶硅是典型的無機非金屬材料，是制備半導體的重要材料，它的發(fā)現(xiàn)和使用曾引起計算機的一場“革命”．高純硅通常用以下方法制備：用碳在高溫下還原二氧化硅制得粗硅（含F(xiàn)e、Al、B、P等雜質），粗硅與氯氣反應生成四氯化硅（反應溫度為450～500℃），四氯化硅經(jīng)提純后用氫氣還原可得高純硅．圖1是實驗室制備四氯化硅的裝置圖．

相關信息：a．四氯化硅遇水極易水解；b．硼、鋁、鐵、磷在高溫下均能與氯氣直接化合生成相應的氯化物；c．有關物質的物理常數(shù)見下表：

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

請回答下列問題：
（1）儀器e的名稱為

 

，裝置A中f管的作用是

 

，其中發(fā)生反應的離子方程式為

 

．
（2）裝置B中的試劑是

 

．
（3）某學習小組設計了以下兩種實驗方案：方案甲：g接裝置Ⅰ；方案乙：g接裝置Ⅱ．但是甲乙兩個方案中虛線內裝置均有不足之處，請你評價后填寫下表．

方案	不足之處
甲
乙

（4）在上述（3）的評價基礎上，請設計一個合理方案：

 

．
（5）通過上述合理的裝置制取并收集到的粗產(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元素是

 

（填寫元素符號）．

Answer 1

考點：制備實驗方案的設計,硅和二氧化硅

專題：碳族元素

分析：（1）儀器e的名稱是蒸餾燒瓶，裝置A中f管有平衡壓強作用，二氧化錳和濃鹽酸發(fā)生氧化還原反應生成氯化錳、氯氣和水；
（2）裝置B中的試劑應該吸收氯化氫而不能吸收氯氣；
（3）收集產(chǎn)品的導管太細易堵塞導管；制取的四氯化硅需要冷凝；由于尾氣中含有氯氣，要設置尾氣處理裝置，四氯化硅易水解，要避免空氣中的水蒸氣進入產(chǎn)品收集裝置；
（4）應避免空氣中的水蒸氣進入裝置；
（5）D中氯氣與粗硅反應生成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升華溫度均低于SiCl₄．

解答： 解：（1）儀器e的名稱是蒸餾燒瓶，裝置A中f管有平衡壓強作用，以使液體從分液漏斗中順利流下，二氧化錳和濃鹽酸發(fā)生氧化還原反應生成氯化錳、氯氣和水，離子方程式為MnO₂+4H⁺+2Cl^-

△   .

Mn²⁺+Cl₂↑+2H₂O，
故答案為：蒸餾燒瓶；平衡壓強，使液體從分液漏斗中順利流下；MnO₂+4H⁺+2Cl^-

△   .

Mn²⁺+Cl₂↑+2H₂O；
（2）濃鹽酸具有揮發(fā)性，加熱促進揮發(fā)，導致制取的氯氣中含有氯化氫，為除去氯化氫，裝置B中的試劑應該吸收氯化氫而不能吸收氯氣，為飽和食鹽水，
故答案為：飽和食鹽水；
（3）四氯化硅在常溫下易液化，如果收集產(chǎn)品的導管太細易堵塞導管；制取的四氯化硅需要冷凝；由于尾氣中含有氯氣，要設置尾氣處理裝置，四氯化硅易水解，要避免空氣中的水蒸氣進入產(chǎn)品收集裝置，故答案為：

方案	優(yōu)點	缺點
甲	①收集產(chǎn)品的導管粗，不會堵塞導管 ②冷凝產(chǎn)品，減少產(chǎn)品損失	①空氣中的水蒸氣進入產(chǎn)品收集裝置，使四氯化硅水解 ②尾氣沒有處理，污染環(huán)境
乙	①有尾氣處理裝置，注重環(huán)保 ②避免空氣中的水蒸氣進入裝置	①產(chǎn)品易堵塞導管 ②沒有冷凝裝置，產(chǎn)品易損失

；
（4）應避免空氣中的水蒸氣進入裝置，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）D中氯氣與粗硅反應生成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升華溫度均低于SiCl₄，所以當SiCl₄蒸出后，而AlCl₃、FeCl₃、PCl₅還為固體留在瓶里，故答案為：Al、P．

點評：本題以硅、二氧化硅為載體考查了實驗方案制備，明確反應原理是解本題關鍵，再結合物質的性質、環(huán)境保護、實驗設計等知識點來分析解答，題目難度中等．