Question

14．硅是目前半导体工业中最重要的基础原料，其导电性对哦杂质等十分敏感，因此，必须制备高纯度硅．虽然地壳中硅的含量丰富，但大多数以化合物形式存在，需要通过化学方法来制备高纯度的单晶硅，一种简单工艺流程如下：

（1）石英砂的主要成分是SiO₂ （填写化学式），反应器甲中发生反应的化学方程式为SiO₂+C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si（粗）+2CO↑．
（2）石英砂与焦炭在一定条件下反应也会生成碳化硅，碳化硅又称金刚砂，其晶体类型为原子晶体．
（3）①反应器乙中发生的反应为：Si（s）+3HCl（g）=SiHCl₃（g）+H₂（g）△H=-210kJ/mol，工业上为了加快SiHC1₃的生成速率而又不降低硅的转化率，可以采用的方法是催化剂、增大压强或HCl浓度．
②反应器乙所得的反应产物中，SiHCl₃大约占85%，还有SiCl₄等，有关物质的沸点数据如一下：

物质	Si	SiCl4	SiHCl3	SiH2Cl2	SiH3Cl	HCl
沸点/℃	2355	57.6	31.8	8.2	-30.4	-84.9

提纯SiHCl₃的主要工艺操作依次为沉降、冷凝、精馏，其中精馏温度最好控制在31.8℃．
③SiHCl₃遇水剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和另一种物质，其水解的反应方程式为SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑．
（4）反应器丙中发生的反应的化学方程式为H₂+SiHCl₃$\frac{\underline{\;1100-1200℃\;}}{\;}$Si+3HCl
（5）该生产工艺中可以循环使用的物质是氯化氢、氢气．

Answer 1

分析 （1）石英砂的主要成分是SiO₂；反应器甲中SiO₂与C在高温下发生反应生成Si和CO；
（2）碳化硅又称金刚砂，其熔点高硬度大，属于原子晶体；
（3）①根据外界条件对速率、平衡的影响；
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；
（4）反应器丙中为氢气还原SiHCl₃生成Si和HCl；
（5）根据反应物中和生成物中都有的物质考虑可以循环使用的物质．

解答 解：（1）石英砂的主要成分是SiO₂；反应器甲中SiO₂与C在高温下发生反应生成Si和CO，方程式为：SiO₂+C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si（粗）+2CO↑，
故答案为：SiO₂； SiO₂+C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si（粗）+2CO↑；
（2）碳化硅又称金刚砂，其熔点高硬度大，属于原子晶体，故答案为：金刚砂；原子晶体；
（3）①用催化剂、增大压强或HCl浓度，加快SiHCl₃的生成速率而又不降低硅的转化率提高，
故答案为：催化剂、增大压强或HCl浓度；
②根据题中数据，利用沸点的不同提纯SiHCl₃属于蒸馏，SiHCl₃（沸点31.8℃）中含有少量SiCl₄（沸点57.6℃）和HCl（沸点-84.9℃），由于沸点差别较大，可以通过精馏除去杂质，所以提纯SiHCl₃的主要工艺操作依次为沉降、冷凝、精馏，其中精馏温度最好控制在31.8℃，
故答案为：沉降；精馏；精馏；31.8℃；
③SiHCl₃水解反应方程式为：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑，故答案为：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑；
（4）反应器丙中为氢气还原SiHCl₃生成Si和HCl，方程式为：H₂+SiHCl₃ $\frac{\underline{\;1100-1200℃\;}}{\;}$Si+3HCl，故答案为：H₂+SiHCl₃ $\frac{\underline{\;1100-1200℃\;}}{\;}$Si+3HCl；
（5）由图示可知反应物有粗硅、HCl、H₂；反应过程中生成物有：SiHCl₃、H₂、SiCl₄、HCl，所以在反应物中和生成物中都有的物质是HCl、H₂，所以流程中可循环使用的物质是HCl、H₂，故答案为：氯化氢、氢气．

点评 本题结合提纯粗硅的工艺流程考查了外界条件对平衡的影响、物质的分离、方程式的书写等，难度较大，考查学生分析和解决问题的能力．