Question

10．硅單質及其化合物應用范圍很廣．制備硅半導體材料必須先得到高純硅，三氯甲硅烷（SiHCl₃）還原法是當前制備高純硅的主要方法，生產過程示意圖如圖1：

（1）第①步制備粗硅的化學方程式為SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑．第④步由純SiHCl₃制備高純硅的化學方程式為SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl．
（2）用SiHCl₃與過量H₂反應制備純硅的裝置如圖2所示（熱源及夾持裝置均已略去）：

①裝置B中的試劑是濃硫酸，裝置C中的燒瓶需要加熱，其目的是使滴入燒瓶中的SiHCl₃汽化．
②反應一段時間后，裝置D中觀察到的現(xiàn)象是有固體物質生成，裝置D不能采用普通玻璃管的原因是在此反應溫度下，普通玻璃會軟化．
③SiHCl₃遇水劇烈反應生成H₂SiO₃、HCl和另一種物質，寫出配平的化學反應方程式：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+3HCl+H₂↑；H₂還原SiHCl₃過程中若混入O₂，可能引起的后果是高溫下H₂與O₂混合發(fā)生爆炸；整個制備過程必須嚴格控制無水無氧．
（3）下列有關硅材料的說法正確的是A、B、C（填字母）．
A．碳化硅硬度大，可用于生產砂紙、砂輪等
B．氮化硅硬度大、熔點高，可用于制作高溫陶瓷和軸承
C．高純度的二氧化硅可用于制造高性能通訊材料--光導纖維
D．普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的，其熔點很高
E．鹽酸可以與硅反應，故采用鹽酸為拋光液拋光單晶硅．

Answer 1

分析 石英砂主要成分為二氧化硅，粗硅提純是利用碳做還原劑還原二氧化硅為單質硅，二氧化硅和碳在高溫下反應生成硅和一氧化碳，反應中二氧化硅為氧化劑，碳為還原劑；
反應①為：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑，反應②是由粗硅制取三氯甲硅烷，反應的化學方程式是：Si+3HCl$\frac{\underline{\;573K以上\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂，反應③精餾得到SiHCl₃，反應④氫氣和純SiHCl₃反應生成高純硅和氯化氫：SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl．
（1）高溫下，碳和二氧化硅反應生成硅和一氧化碳；1357K下，SiHCl₃和H₂反應生成硅和氯化氫；
（2）①濃硫酸具有吸水性，可作干燥劑，防止SiHCl₃與H₂O強烈反應；升高溫度能使SiHCl₃氣化；
②高溫條件下，SiHCl₃和H₂發(fā)生氧化還原反應而得到Si單質；不能用普通玻璃，高溫下反應時，普通玻璃會軟化；
③SiHCl₃遇水劇烈反應生成H₂SiO₃、HCl和氫氣，氫氣易爆炸；整個制備過程必須嚴格控制無水無氧；
（3）A．碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，SiC為原子晶體，硬度很大；B．原子晶體熔點高硬度大；
C．光導纖維的主要成分是二氧化硅；D．普通玻璃是由純堿、石灰石和石英制成的，無固定熔點；E．硅與鹽酸不反應．

解答 解：（1）高溫下，碳和二氧化硅反應生成硅和一氧化碳，反應方程式為：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑，高溫下，SiHCl₃和氫氣反應生成硅單質，反應方程式為：SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl，
故答案為：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑；SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl；
（2）①為防止SiHCl₃與H₂O強烈反應，需要干燥劑干燥氫氣，濃硫酸具有吸水性且不和氫氣反應，所以裝置B中的試劑是濃硫酸；升高溫度能使SiHCl₃氣化，從而使SiHCl₃和氫氣在D中反應，
故答案為：濃硫酸；使滴入燒瓶中的SiHCl₃氣化；
②D中發(fā)生反應，SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl，Si為固態(tài)，所以看到的現(xiàn)象是有固體物質生成，SiHCl₃與過量的H₂在1000℃～1100℃反應制得純硅，溫度太高，普通玻璃管易熔化，
故答案為：有固體物質生成；在此反應溫度下，普通玻璃會軟化；
③SiHCl₃遇水劇烈反應生成H₂SiO₃、HCl和氫氣：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl，氫氣遇氧氣易爆炸，所以整個制備過程必須嚴格控制無水無氧，
故答案為：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl；高溫下，H₂與O₂混合發(fā)生爆炸；無水無氧；
（3）A．SiC為原子晶體，硬度大，碳化硅（SiC）俗稱金剛砂，常用作砂輪及高溫爐的材料，故A正確；
B．Si₃N₄為原子晶體，硬度大，熔點高，性質穩(wěn)定，可用于制作高溫陶瓷和軸承，故B正確；
C．光導纖維的主要成分是二氧化硅，是利用光的全反射原理，故C正確；
D．普通玻璃的主要成分為Na₂SiO₃和CaSiO₃，它是以石英砂（SiO₂）、石灰石（CaCO₃）和純堿（Na₂CO₃）為主要原料反應制成的，玻璃屬于混合物，沒有固定的熔點，故D錯誤；
E．常溫下，Si只能與唯一一種酸HF反應，不與HCl反應，故E錯誤；
故答案為：ABC．

點評 本題考查較為綜合，涉及氯氣和二氧化硅的知識，側重于學生的分析能力和元素化合物知識的綜合運用的考查，注意硅及其化合物的性質，題目難度中等．