Question

3．氮化硅（Si₃N₄）是高温结构陶瓷，具有优良的性能，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、永久性模具等机械构件．设计的合成氮化硅工艺流程如下：

（1）①电弧炉中发生的主要反应是SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si（粗硅）+2CO↑．
②用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅，该反应的化学方程式
为SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$SiC+2CO↑，碳化硅又称金刚砂，其晶体结构与金刚石相似．
（2）在流化床反应的产物中，SiCl₄大约占85%，还有Cl₂等，有关物质的沸点数据如下表：

物质	Si	SiCl4	Cl2
沸点/℃	2355	57.6	-34.1

提纯SiCl₄的主要工艺操作依次是沉降、蒸馏，其中温度最好控制在C（填序号）．
A．略小于-34.1℃B．大于57.6℃C．略小于57.6℃D．-34.1℃
（3）①粉末状Si₃N₄遇水能生成一种有刺激性气味、常用做制冷剂的气体和一种难溶性的酸，该反应的方程式是Si₃N₄+9H₂O=4NH₃↑+3H₂SiO₃↓．
②该工艺流程中涉及的主要反应属于氧化还原反应的有2个．

Answer 1

分析 （1）①石英砂主要成分为二氧化硅，二氧化硅和碳在高温的条件下反应生成粗硅和一氧化碳；
②用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热生成碳化硅和一氧化碳，具有金刚石结构的碳化硅俗称金刚砂；
（2）分析数据，结合蒸馏原理分析控制沸点分离物质，所以提纯SiCl₄的主要工艺操作依次是沉降、冷凝；
（3）①Si₃N₄遇水水解，生成常用于做制冷剂的气体为氨气，一种难溶性的酸为硅酸，据此书写；
②有元素的化合价变化的反应一定为氧化还原反应结合该合成氨化硅工艺流程中涉及的主要反应分析．

解答 解：（1）①二氧化硅与碳在高温条件下反应生成硅和一氧化碳，化学方程式为：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si（粗硅）+2CO↑；
故答案为：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si（粗硅）+2CO↑；
②石英砂的主要成分是二氧化硅，在反应中生成碳化硅，反应为：SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$SiC+2CO↑，碳化硅俗称金刚砂，属于原子晶体，其晶体结构与金刚石相似，
故答案为：SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$SiC+2CO↑；金刚砂；金刚石；
（2）在流化床反应的产物中，SiCl₄大约占85%，Si+3HCl$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂，还有Cl₂等，利用沸点的不同提纯SiCl₄属于蒸馏，SiCl₄（沸点57.6℃）中含有少量SiHCl₃（沸点33.0℃）和HCl（沸点-84.7℃）和Cl₂（沸点-34.1℃），由于沸点差别较大，可以通过精馏（或蒸馏）除去杂质，所以提纯SiCl₄的主要工艺操作依次是沉降、冷凝，依据图表数据分析可知，温度应控制在略小于57.6℃，
故答案为：蒸馏；C；
（3）①Si₃N₄遇水水解，生成常用于做制冷剂的气体为氨气，一种难溶性的酸为硅酸，反应为：Si₃N₄+9H₂O=4NH₃↑+3H₂SiO₃↓，
故答案为：Si₃N₄+9H₂O=4NH₃↑+3H₂SiO₃↓；
②该合成氨化硅工艺流程中发生的主要反应是：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si（粗硅）+2CO↑（氧化还原反应），Si+2Cl₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$SiCl₄（氧化还原反应），3SiCl₄+4NH₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl（非氧化还原反应），
故答案为：2．

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，题目难度中等．