Question

5．硅是信息产业、太阳能电池光电转化的基础材料．锌还原四氯化硅是一种有着良好应用前景的制备硅的方法，该制备过程示意如下：

（1）焦炭在过程Ⅰ中作还原剂．
（2）过程Ⅱ中的Cl₂用电解饱和食盐水制备，制备Cl₂的化学方程式是2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑．
（3）整个制备过程必须严格控制无水．
①SiCl₄遇水剧烈水解生成SiO₂和一种酸，反应的化学方程式是SiCl₄+2H₂O═SiO₂+4HCl．
②干燥Cl₂时，从有利于充分干燥和操作安全的角度考虑，需将约90℃的潮湿氯气先冷却至12℃，然后再通入到浓H₂SO₄中．冷却的作用是使水蒸气冷凝减少进入浓硫酸的水量保持持续的吸水性并降低放出的热量．
（4）Zn还原SiCl₄的反应如下：
反应1：400℃～756℃，SiCl₄（g）+2Zn（l） Si（s）+2ZnCl₂（l）△H₁＜0
反应2：756℃～907℃，SiCl₄（g）+2Zn（l） Si（s）+2ZnCl₂（g）△H₂＜0
反应3：907℃～1410℃，SiCl₄（g）+2Zn（g） Si（s）+2ZnCl₂（g）△H₃＜0
①对于上述三个反应，下列说法合理的是bcd．
a．升高温度会提高SiCl₄的转化率      b．还原过程需在无氧的气氛中进行
c．增大压强能提高反应的速率         d．Na、Mg可以代替Zn还原SiCl₄
②实际制备过程选择“反应3”，选择的理由是温度高反应速率快；与前两个反应比较更易于使硅分离使化学平衡向右移动提高转化率．
③已知Zn（l）═Zn（g）△H=+116KJ/mol．若SiCl₄的转化率均为90%，每投入1mol SiCl₄，“反应3”比“反应2”多放出208.8kJ的热量．
（5）用硅制作太阳能电池时，为减弱光在硅表面的反射，采用化学腐蚀法在其表面形成粗糙的多孔硅层．腐蚀剂常用稀HNO₃和HF的混合液．硅表面首先形成SiO₂，最后转化为H₂SiF₆．用化学方程式表示SiO₂转化为H₂SiF₆的过程SiO₂+6HF═H₂SiF₆+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）在氧化还原反应中，化合价升高的元素发生还原反应；
（2）电解饱和食盐水的方法制备氯气，阳极，溶液中氯离子失电子发生氧化反应生成氯气，阴极，溶液中氢离子得到电子发生还原反应，生成氢气；
（3）①SiCl₄遇水剧烈水解生成SiO₂和一种酸，据此信息找出反应物和生成物，结合质量守恒书写化学方程式；
②水的沸点为100℃，浓硫酸具有吸水性，溶于水放热，据此解答；
（4）①△H＜0表示放热，根据平衡移动的原理解答；
②反应2与反应1比较，反应2产物为固体和气体比反应1更易于分离，反应3与反应2比较，温度高，反应速率更快；
③根据盖斯定律可以计算化学反应的焓变；
（5）氟化氢跟二氧化硅反应生成四氟化硅和水，四氟化硅和氟化氢直接反应生成H₂SiF₆．

解答 解：（1）在过程Ⅰ中发生反应2C+SiO₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑中，C从0价变为一氧化碳中的+2价，发生氧化反应是还原剂，故答案为：还原；
（2）电解饱和食盐水的方法制备氯气，阳极，溶液中氯离子失电子发生氧化反应生成氯气，2Cl^--2e=Cl₂↑，阴极，溶液中氢离子得到电子发生还原反应，生成氢气，2H⁺+2e^-═H₂↑，总的反应为2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑，
故答案为：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑；
（3）①根据SiCl₄遇水剧烈水解生成SiO₂和一种酸信息，反应物是SiCl₄和水，生成物为二氧化硅，根据氧原子守恒，水分子前的系数为2，根据氢原子和氯原子守恒，另一产物为氯化氢，氯化氢前的系数为4，可知化学反应方程式为SiCl₄+2H₂O═SiO₂+4HCl，
故答案为：SiCl₄+2H₂O═SiO₂+4HCl；
②干燥Cl₂时，从有利于充分干燥和操作安全的角度考虑，需将约90℃的潮湿氯气先冷却至12℃，此时使水蒸气冷凝，然后再通入到浓H₂SO₄中，进入浓硫酸的水量少了，保证浓硫酸的良好吸水性，水和浓硫酸作用放热，所以进入硫酸的水少了，能降低放出的热量，
故答案为：使水蒸气冷凝减少进入浓硫酸的水量保持持续的吸水性并降低放出的热量；
（4）①对于三个反应，反应热都是△H＜0表示放热，
a．升高温度，平衡向吸热的方向移动，所以会降低SiCl₄的转化率，故a错误；
b．Si遇氧气在高温的条件下反应生成二氧化硅，所以还原过程需在无氧的气氛中进行，b正确；
c．有气体参加的反应，增大压强，能加快反应的速率，对于三个反应，都有气体参与，所以增大压强，能提高反应的速率，故c正确；
d．Na、Mg都是还原性比较强的金属，可以代替Zn还原SiCl₄，故d正确；
故答案为：bcd；
②反应2与反应1比较，反应2产物为固体和气体比反应1更易于分离，反应3与反应2比较，反应物都为气态，温度高，反应速率更快，所以实际制备过程选择“反应3”，温度高反应速率快；与前两个反应比较更易于使硅分离使化学平衡向右移动提高转化率，
故答案为：温度高反应速率快；与前两个反应比较更易于使硅分离使化学平衡向右移动提高转化率；
③每投入1mol SiCl₄，有2molZn参加反应，“反应3”与“反应2”比较，反应2中锌为液态，根据Zn（l）═Zn（g）△H=+116KJ/mol，若SiCl₄的转化率均为90%，“反应3”比“反应2”多放出116KJ/mol×2×90%=208.8KJ，
故答案为：208.8；
（5）二氧化硅和氢氟酸：SiO₂+4HF=SiF₄↑+2H₂O；SiF₄+2HF=H₂SiF₆，所以用稀HNO₃和HF的混合液，硅表面首先形成SiO₂，最后转化为H₂SiF₆的化学方程式为SiO₂+6HF═H₂SiF₆+2H₂O，
故答案为：SiO₂+6HF═H₂SiF₆+2H₂O．

点评 本题考查锌还原四氯化硅制备硅，涉及化学平衡移动、电解等知识，掌握平衡移动原理的运用，掌握硅及其化合物的性质是解答的关键，题目难度中等．