题目内容
2.硅及其化合物的开发由来已久,在现代生活中有广泛应用.回答下列问题.(1)工业上提纯硅有多种路线,其中一种工艺流程示意图及主要反应如图.
发生的主要反应 | |
电弧炉 | SiO2+2C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si+2CO↑ |
流化床反应器 | Si+3HCl$\frac{\underline{\;250-300\;}}{\;}$SiHCl3+H2 |
还原炉 |
②在流化床反应的产物中,SiHCl3大约占85%,还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等,有关物质的沸点数据如下表,提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和精馏(或蒸馏).
物质 | Si | SiCl4 | SiHCl3 | SiH2Cl2 | SiH3Cl | HCl | SiH4 |
沸点/°C | 2355 | 57.6 | 31.8 | 8.2 | -30.4 | -84.9 | -111.9 |
(2)氮化硅(Si3N4)是一种高温结构材料,粉末状态的Si3N4可以由SiCl4的蒸气和NH3反应制取.粉末状Si3N4遇空气和水都不稳定.但将粉末状的Si3N4和适量氧化镁在230×1.01×105Pa和185°C的密闭容器中进行热处理,可以制得结构十分紧密、对空气和水都相当稳定的固体材料,同时还得到遇水不稳定的Mg3N2.
①由SiCl4和NH3反应制取Si3N4的化学方程式为3SiCl4+4NH3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si3N4+12HCl.
②四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下,加强热发生反应,使生成的Si3N4沉积在石墨表面可得较高纯度的氮化硅,该反应的化学方程式为3SiCl4+2N2+6H2 $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si3N4+12HCl.
③Si3N4和适量氧化镁在230×1.01×105Pa和185°C的密闭容器中进行热处理的过程中,除生成Mg3N2外,还可能生成SiO2物质(填化学式).热处理后除去MgO和Mg3N2的方法是加足量稀盐酸过滤.
分析 (1)石英砂主要成分为二氧化硅,粗硅提纯是利用碳做还原剂还原二氧化硅为单质硅,二氧化硅和碳在高温的条件下反应生成碳化硅和一氧化碳,还原炉中SiHCl3和氢气发生反应生成硅和氯化氢;
①还原炉中SiHCl3和氢气发生反应生成硅和氯化氢;可循环使用的物质是参与反应过程,最后又从新生成的物质;石英砂主要成分为二氧化硅,粗硅提纯是利用碳做还原剂还原二氧化硅为单质硅,二氧化硅和碳在高温的条件下反应生成碳化硅和一氧化碳;
②根据题中数据,采用精馏(或蒸馏)方法提纯SiHCl3;
③SiHCl3水解生成硅酸、氢气和氯化氢;
(2)①由SiCl4和NH3反应制取Si3N4,根据反应物和生成物写出化学方程式;
②化学气相沉积法是两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内,然后他们相互之间发生化学反应,形成一种新的材料,沉积到晶片表面上得较高纯度的氮化硅,根据反应物和生成物写出化学方程式;
③Si3N4与MgO反应除生成Mg3N2外还可能生成SiO2,SiO2与盐酸不反应,而Mg3N2、MgO溶于盐酸的性质.
解答 解:(1)①还原炉中SiHCl3和氢气发生反应制得纯硅,SiHCl3+H2$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+3HCl,流程分析可知可循环使用的物质为HCl和H2;用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅,石英砂的主要成分是二氧化硅,制备粗硅发生置换反应,SiO2+2C $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑,同时,在反应中,也可能生成碳化硅,反应为SiO2+3C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$SiC+2CO↑,
故答案为:SiHCl3+H2$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+3HCl;HCl和H2;SiO2+3C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$SiC+2CO↑;
②利用沸点的不同提纯SiHCl3属于蒸馏,SiHCl3(沸点33.0℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6℃)和HCl(沸点-84.7℃),由于沸点差别较大,可以通过精馏(或蒸馏)除去杂质;
故答案为:精馏(或蒸馏);
③SiHCl3水解反应生成硅酸、氢气和氯化氢,反应的方程式为:SiHCl3+3H2O═H2SiO3+H2↑+3HCl↑,故答案为:SiHCl3+3H2O═H2SiO3+H2↑+3HCl↑;
(2)①SiCl4和NH3反应生成Si3N4和氯化氢,反应化学反应方程式:3SiCl4+4NH3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si3N4+12HCl,故答案为:3SiCl4+4NH3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si3N4+12HCl;
②SiCl4与N2、H2反应生成Si3N4,还应生成HCl,化学方程式为:3SiCl4+2N2+6H2 $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si3N4+12HCl,故答案为:3SiCl4+2N2+6H2 $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si3N4+12HCl;
③由元素守恒判断,Si3N4与MgO反应除生成Mg3N2外还可能生成SiO2,利用SiO2与盐酸不反应,而Mg3N2、MgO溶于盐酸的性质,可采用加入足量稀盐酸的方法,使MgO、Mg3N2溶解后过滤;
故答案为:SiO2;加足量稀盐酸过滤.
点评 本题考查了实验方案设计的有关知识,侧重考查了硅及其化合物的有关知识,注意粗硅的提纯反应原理,注意根据质量守恒书写化学方程式,题目难度中等.
A. | 生石灰 | B. | 钻石 | C. | 水晶 | D. | 苏打 |
A. | 砹的最高正化合价为+7 | B. | 砹化氢很稳定不易分解 | ||
C. | 砹是有色固体 | D. | 砹化银不溶于水 |
X | Y | Z | |
例 | 氧化物 | 化合物 | 纯净物 |
A | 苯的同系物 | 芳香烃 | 芳香族化合物 |
B | 胶体 | 分散系 | 混合物 |
C | 电解质 | 离子化合物 | 化合物 |
D | 碱性氧化物 | 金属氧化物 | 氧化物 |
A. | A | B. | B | C. | C | D. | D |
A. | 稀氨水 | B. | 硝酸 | C. | 矿物质水 | D. | 氢氟酸 |
A. | 非金属单质 | B. | 金属单质 | C. | 化合物 | D. | 混合物 |