Question

15．多晶硅是太阳能光伏产业的基础材料．制备多晶硅必须先得到高纯硅．三氯甲硅烷（SiHCl₃）是一种可燃，易与水反应的气体，当前制备高纯硅的主要方法是在一定条件下以三氯甲硅烷为原料用氢气还原，其生产流程如图所示：

物质	Si	SiCl4	SiHCl3	SiH2Cl2	SiH3Cl	HCl	SiH4
沸点/℃	2 355	57.6	31.8	8.2	-30.4	-84.9	-111.9

（1）①流化床反应器中主要反应的化学方程式是Si+3HCl$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂，
在生成的产物中，SiHCl₃大约占85%，还有SiCl₄、SiH₂Cl₂、SiH₃Cl等，提纯SiHCl₃的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和精馏．
②整个制备过程中必须保证无水无氧．SiHCl₃遇H₂O剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和另一种物质，写出该反应的化学方程式：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+3HCl↑+H₂↑．
③H₂还原SiHCl₃过程中若混入O₂，可能引起的后果是O₂与SiHCl₃、H₂混合可能引起爆炸．
（2）该工艺流程可循环利用的物质是H₂和HCl．
（3）Na₂SiO₃的水溶液俗称水玻璃，用水玻璃可制得高纯度SiO₂．取少量水玻璃于试管中，逐滴加入饱和NH₄Cl溶液，振荡．观察到的实验现象是试管中有白色胶状沉淀生成，有刺激性气味气体生成．
（4）电弧炉中制得的粗硅中含有副产物SiC，已知其中Si和SiC的物质的量之比为2：1，
制取粗硅时的化学方程式是3SiO₂+7C═2Si+SiC+6CO↑，
若在反应中生成了2.8g Si，则转移电子数为0.6N_A或3.612×10²³．

Answer 1

分析 石英砂和焦炭高温加热反应生成粗硅和一氧化碳，粗硅在流化床反应器中和HCl反应生成SiHCl₃和氢气，氢气在后面可以循环利用，在还原炉中被氢气还原生成高纯硅，同时生成HCl可循环利用，
（1）①流化床反应器中Si和HCl反应生成SiHCl₃和氢气；根据SiHCl₃、SiCl₄、SiH₂Cl₂、SiH₃Cl的沸点可知，提纯SiHCl₃的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和精馏；
②SiHCl₃遇H₂O剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和另一种物质为H₂，根据元素守恒可写出反应的化学方程式；
③H₂、SiHCl₃是一种可燃性气体，所以若混入O₂，加热后会引起爆炸；
（2）根据上面的分析可知可循环利用的物质；
（3）由于 氯化铵溶液水解呈酸性，所以Na₂SiO₃的水溶液中加入饱和NH₄Cl溶液会生成硅酸沉淀；
（4）电弧炉中用碳还原二氧化硅生Si和SiC的物质的量之比为2：1，根据元素守恒和电荷守恒书写化学方程式，根据反应中电子转移数目可计算出2.8g Si转移电子数．

解答 解：石石英砂和焦炭高温加热反应生成粗硅和一氧化碳，粗硅在流化床反应器中和HCl反应生成SiHCl₃和氢气，氢气在后面可以循环利用，在还原炉中被氢气还原生成高纯硅，同时生成HCl可循环利用，
（1）①流化床反应器中Si和HCl反应生成SiHCl₃和氢气，反应的化学方程式为Si+3HCl$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂，根据SiHCl₃、SiCl₄、SiH₂Cl₂、SiH₃Cl的沸点可知，提纯SiHCl₃的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和精馏，
故答案为：Si+3HCl$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂；精馏；
②SiHCl₃遇H₂O剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和另一种物质为H₂，反应的化学方程式为SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+3HCl↑+H₂↑，
故答案为：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+3HCl↑+H₂↑；
③H₂、SiHCl₃是一种可燃性气体，所以若混入O₂，加热后会引起爆炸，
故答案为：O₂与SiHCl₃、H₂混合可能引起爆炸；
（2）根据上面的分析可知可循环利用的物质为H₂和HCl，
故答案为：H₂和HCl；
（3）由于 氯化铵溶液水解呈酸性，所以Na₂SiO₃的水溶液中加入饱和NH₄Cl溶液会生成硅酸沉淀，同时有氨气生成，所以反应的现象为试管中有白色胶状沉淀生成，有刺激性气味气体生成，
故答案为：试管中有白色胶状沉淀生成，有刺激性气味气体生成；
（4）电弧炉中用碳还原二氧化硅生Si和SiC的物质的量之比为2：1，反应的化学方程式为3SiO₂+7C═2Si+SiC+6CO↑，反应中电子转移数目为12，所以当有2.8g Si即0.1molSi生成时，转移电子数为0.6 N_A或3.612×10²³，
故答案为：3SiO₂+7C═2Si+SiC+6CO↑；0.6 N_A或3.612×10²³．

点评 本题主要考查硅单质及其化合物的性质及其应用，涉及实验原理及基本操作的分析，综合性较强，考查学生的综合思维能力．题目难度中等．