Question

8．硅及其化合物的開發(fā)由來已久，在現(xiàn)代生活中有廣泛應(yīng)用．回答下列問題．
（1）高純硅是現(xiàn)代信息、半導(dǎo)體和光伏發(fā)電等產(chǎn)業(yè)都需要的基礎(chǔ)材料．工業(yè)上提純硅有多種路線，其中一種工藝流程示意圖及主要反應(yīng)如圖．

	發(fā)生的主要反應(yīng)
電弧爐	SiO2+2C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si+2CO↑
流化床反應(yīng)器	Si+3HCl$\frac{\underline{\;250-300\;}}{\;}$SiHCl3+H2
還原爐

①還原爐中發(fā)生主要反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+3HCl．該工藝中可循環(huán)使用的物質(zhì)為HCl和H₂（填化學(xué)式）．用石英砂和焦炭在電弧爐中高溫加熱也可以生產(chǎn)碳化硅，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$ SiC+2CO↑．
②在流化床反應(yīng)的產(chǎn)物中，SiHCl3大約占85%，還有SiCl₄、SiH₂Cl₂、SiH₃Cl等，有關(guān)物質(zhì)的沸點數(shù)據(jù)如下表，提純SiHCl₃的主要工藝操作依次是沉降、冷凝和精餾（或蒸餾）．

物質(zhì)	Si	SiCl4	SiHCl3	SiH2Cl2	SiH3Cl	HCl	SiH4
沸點/°C	2355	57.6	31.8	8.2	-30.4	-84.9	-111.9

③SiHCl₃極易水解，其完全水解的化學(xué)方程式為SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑．
（2）氮化硅（Si₃N₄）是一種高溫結(jié)構(gòu)材料，粉末狀態(tài)的Si₃N₄可以由SiCl₄的蒸氣和NH₃反應(yīng)制�。�粉末狀Si₃N₄遇空氣和水都不穩(wěn)定．但將粉末狀的Si₃N₄和適量氧化鎂在230×1.01×105Pa和185°C的密閉容器中進(jìn)行熱處理，可以制得結(jié)構(gòu)十分緊密、對空氣和水都相當(dāng)穩(wěn)定的固體材料，同時還得到遇水不穩(wěn)定的Mg₃N₂．
①由SiCl₄和NH₃反應(yīng)制取Si₃N₄的化學(xué)方程式為3SiCl₄+4NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl．
②四氯化硅和氮氣在氫氣氣氛保護下，加強熱發(fā)生反應(yīng)，使生成的Si₃N₄沉積在石墨表面可得較高純度的氮化硅，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為3SiCl₄+2N₂+6H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl．
③Si₃N₄和適量氧化鎂在230×1.01×105Pa和185°C的密閉容器中進(jìn)行熱處理的過程中，除生成Mg₃N₂外，還可能生成SiO₂物質(zhì)（填化學(xué)式）．熱處理后除去MgO和Mg₃N₂的方法是加足量稀鹽酸過濾．

Answer 1

分析 （1）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(zhì)硅，二氧化硅和碳在高溫的條件下反應(yīng)生成碳化硅和一氧化碳，還原爐中SiHCl₃和氫氣發(fā)生反應(yīng)生成硅和氯化氫；
①還原爐中SiHCl₃和氫氣發(fā)生反應(yīng)生成硅和氯化氫；可循環(huán)使用的物質(zhì)是參與反應(yīng)過程，最后又從新生成的物質(zhì)；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(zhì)硅，二氧化硅和碳在高溫的條件下反應(yīng)生成碳化硅和一氧化碳；
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；
（2）①由SiCl₄和NH₃反應(yīng)制取Si₃N₄，根據(jù)反應(yīng)物和生成物寫出化學(xué)方程式；
②化學(xué)氣相沉積法是兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個反應(yīng)室內(nèi)，然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上得較高純度的氮化硅，根據(jù)反應(yīng)物和生成物寫出化學(xué)方程式；
③Si₃N₄與MgO反應(yīng)除生成Mg₃N₂外還可能生成SiO₂，SiO₂與鹽酸不反應(yīng)，而Mg₃N₂、MgO溶于鹽酸的性質(zhì)．

解答 解：（1）①還原爐中SiHCl₃和氫氣發(fā)生反應(yīng)制得純硅，SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+3HCl，流程分析可知可循環(huán)使用的物質(zhì)為HCl和H₂；用石英砂和焦炭在電弧爐中高溫加熱也可以生產(chǎn)碳化硅，石英砂的主要成分是二氧化硅，制備粗硅發(fā)生置換反應(yīng)，SiO₂+2C $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑，同時，在反應(yīng)中，也可能生成碳化硅，反應(yīng)為SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SiC+2CO↑，
故答案為：SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+3HCl；HCl和H₂；SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$SiC+2CO↑；
②利用沸點的不同提純SiHCl₃屬于蒸餾，SiHCl₃（沸點33.0℃）中含有少量SiCl₄（沸點57.6℃）和HCl（沸點-84.7℃），由于沸點差別較大，可以通過精餾（或蒸餾）除去雜質(zhì)；
故答案為：精餾（或蒸餾）；
③SiHCl₃水解反應(yīng)生成硅酸、氫氣和氯化氫，反應(yīng)的方程式為：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑；
故答案為：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑；
（2）①SiCl₄和NH₃反應(yīng)生成Si₃N₄和氯化氫，反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)方程式：3SiCl₄+4NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
故答案為：3SiCl₄+4NH₃$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
②SiCl₄與N₂、H₂反應(yīng)生成Si₃N₄，還應(yīng)生成HCl，化學(xué)方程式為：3SiCl₄+2N₂+6H₂ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
故答案為：3SiCl₄+2N₂+6H₂ $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
③由元素守恒判斷，Si₃N₄與MgO反應(yīng)除生成Mg₃N₂外還可能生成SiO₂，利用SiO₂與鹽酸不反應(yīng)，而Mg₃N₂、MgO溶于鹽酸的性質(zhì)，可采用加入足量稀鹽酸的方法，使MgO、Mg₃N₂溶解后過濾；
故答案為：SiO₂；加足量稀鹽酸過濾．

點評 本題考查了實驗方案設(shè)計的有關(guān)知識，側(cè)重考查了硅及其化合物的有關(guān)知識，注意粗硅的提純反應(yīng)原理，注意根據(jù)質(zhì)量守恒書寫化學(xué)方程式，題目難度中等．