Question

10．被譽為“信息革命的催化劑”的硅晶體晶體可作為優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，硅也可用于制備新型無機非金屬材料，工業(yè)上制備高純硅并以其為原料制備Si₃N₄的流程如下：

（1）氣體W的化學(xué)式為CO，反應(yīng)⑤的另一產(chǎn)物的所屬類別是酸（選填“酸”、“堿”、“鹽”、“氧化物”或“單質(zhì)”）．
（2）反應(yīng)②的化學(xué)方程式為Si+3HCl$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂；提高反應(yīng)⑤速率的措施可能是增大壓強、升高溫度、選擇高效催化劑（寫出兩條）．
（3）整個制備過程中，必須確保無氧、無水，否則SiHCl₃遇水劇烈反應(yīng)生成H₂SiO₃、HCl和另一種單質(zhì)，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為SiHCl₃+3H₂O=H₂SiO₃+3HCl↑+H₂↑．
（4）硅的熔沸點分別為1 410℃、2 355℃，四氯化硅的熔、沸點分別為-70℃、57.6℃．分離提純反應(yīng)④產(chǎn)品的操作方法是蒸餾．
（5）假設(shè)每一輪次制備1mol純硅，且生產(chǎn)過程中硅元素沒有損失，反應(yīng)②中HCl的利用率為75%，反應(yīng)③中H₂的利用率為80%，則在第二輪次的生產(chǎn)中，補充投入HCl和H₂的物質(zhì)的量之比為4：1．

Answer 1

分析 （1）焦炭與二氧化硅在高溫條件下反應(yīng)生成硅和一氧化碳；依據(jù)原子個數(shù)守恒判斷SiHCl₃與NH₃產(chǎn)物；
（2）硅與氯化氫在加熱條件下生成三氯硅烷和氫氣；依據(jù)溫度、壓強、催化劑對速率的影響解答；
（3）三氯硅烷水解生成硅酸、氯化氫和氫氣；
（4）蒸餾可以用來分離熔沸點不同相互溶解的液體；
（5）由工藝流程與反應(yīng)①、反應(yīng)②可知，補充的HCl等于損失的HCl、補充的氫氣等于損失的氫氣，分別計算出損失的氯化氫和氫氣的物質(zhì)的量即可．

解答 解：（1）焦炭與二氧化硅在高溫條件下反應(yīng)生成硅和一氧化碳，所以W為CO，依據(jù)原子個數(shù)守恒可知：SiHCl₃與NH₃反應(yīng)生成產(chǎn)物除了氮化硅外，還有氯化氫，氯化氫為酸；
故答案為：CO；酸；
（2）硅與氯化氫在加熱條件下生成三氯硅烷和氫氣，化學(xué)方程式：Si+3HCl$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂；增大壓強、升高溫度、選擇高效催化劑都能夠提高反應(yīng)速率；
故答案為：Si+3HCl$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂；增大壓強、升高溫度、選擇高效催化劑；
（3）三氯硅烷水解生成硅酸、氯化氫和氫氣，化學(xué)方程式：SiHCl₃+3H₂O=H₂SiO₃+3HCl↑+H₂↑，故答案為：SiHCl₃+3H₂O=H₂SiO₃+3HCl↑+H₂↑；
（4）由題意知：硅的熔沸點分別為1 410℃、2 355℃，四氯化硅的熔、沸點分別為-70℃、57.6℃，所以可以選擇蒸餾的方法分離，故答案為：蒸餾；
（5）由工藝流程與反應(yīng)①、反應(yīng)②可知，補充的HCl等于損失的HCl、補充的氫氣等于損失的氫氣，制備1mol純硅需要1mol粗硅，由反應(yīng)①可知需要HCl物質(zhì)的量為3mol，故實際通入的HCl為$\frac{3nol}{75%}$，補充的HCl為$\frac{3mol}{75%}$-3mol=1mol，
由反應(yīng)②可知，需要氫氣的物質(zhì)的量為1mol，實際通入氫氣為mol，補充的氫氣為$\frac{1mol}{80%}$-1mol=0.25mol，故需補充投入HCl和H₂的物質(zhì)的量之比是1：0.25=4：1；
故答案為：4：1．

點評 本題考查了工業(yè)制取硅的工藝流程，涉及到方程式的書寫，影響反應(yīng)速率因素，物質(zhì)的分離方法，題目綜合性較強，難度中等．