Question

5．硅是信息產(chǎn)業(yè)、太陽能電池光電轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)材料．鋅還原四氯化硅是一種有著良好應(yīng)用前景的制備硅的方法，該制備過程示意如下：

（1）焦炭在過程Ⅰ中作還原劑．
（2）過程Ⅱ中的Cl₂用電解飽和食鹽水制備，制備Cl₂的化學(xué)方程式是2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑．
（3）整個制備過程必須嚴(yán)格控制無水．
①SiCl₄遇水劇烈水解生成SiO₂和一種酸，反應(yīng)的化學(xué)方程式是SiCl₄+2H₂O═SiO₂+4HCl．
②干燥Cl₂時，從有利于充分干燥和操作安全的角度考慮，需將約90℃的潮濕氯氣先冷卻至12℃，然后再通入到濃H₂SO₄中．冷卻的作用是使水蒸氣冷凝減少進(jìn)入濃硫酸的水量保持持續(xù)的吸水性并降低放出的熱量．
（4）Zn還原SiCl₄的反應(yīng)如下：
反應(yīng)1：400℃～756℃，SiCl₄（g）+2Zn（l） Si（s）+2ZnCl₂（l）△H₁＜0
反應(yīng)2：756℃～907℃，SiCl₄（g）+2Zn（l） Si（s）+2ZnCl₂（g）△H₂＜0
反應(yīng)3：907℃～1410℃，SiCl₄（g）+2Zn（g） Si（s）+2ZnCl₂（g）△H₃＜0
①對于上述三個反應(yīng)，下列說法合理的是bcd．
a．升高溫度會提高SiCl₄的轉(zhuǎn)化率      b．還原過程需在無氧的氣氛中進(jìn)行
c．增大壓強(qiáng)能提高反應(yīng)的速率         d．Na、Mg可以代替Zn還原SiCl₄
②實際制備過程選擇“反應(yīng)3”，選擇的理由是溫度高反應(yīng)速率快；與前兩個反應(yīng)比較更易于使硅分離使化學(xué)平衡向右移動提高轉(zhuǎn)化率．
③已知Zn（l）═Zn（g）△H=+116KJ/mol．若SiCl₄的轉(zhuǎn)化率均為90%，每投入1mol SiCl₄，“反應(yīng)3”比“反應(yīng)2”多放出208.8kJ的熱量．
（5）用硅制作太陽能電池時，為減弱光在硅表面的反射，采用化學(xué)腐蝕法在其表面形成粗糙的多孔硅層．腐蝕劑常用稀HNO₃和HF的混合液．硅表面首先形成SiO₂，最后轉(zhuǎn)化為H₂SiF₆．用化學(xué)方程式表示SiO₂轉(zhuǎn)化為H₂SiF₆的過程SiO₂+6HF═H₂SiF₆+2H₂O．

Answer 1

分析 （1）在氧化還原反應(yīng)中，化合價升高的元素發(fā)生還原反應(yīng)；
（2）電解飽和食鹽水的方法制備氯氣，陽極，溶液中氯離子失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成氯氣，陰極，溶液中氫離子得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，生成氫氣；
（3）①SiCl₄遇水劇烈水解生成SiO₂和一種酸，據(jù)此信息找出反應(yīng)物和生成物，結(jié)合質(zhì)量守恒書寫化學(xué)方程式；
②水的沸點為100℃，濃硫酸具有吸水性，溶于水放熱，據(jù)此解答；
（4）①△H＜0表示放熱，根據(jù)平衡移動的原理解答；
②反應(yīng)2與反應(yīng)1比較，反應(yīng)2產(chǎn)物為固體和氣體比反應(yīng)1更易于分離，反應(yīng)3與反應(yīng)2比較，溫度高，反應(yīng)速率更快；
③根據(jù)蓋斯定律可以計算化學(xué)反應(yīng)的焓變；
（5）氟化氫跟二氧化硅反應(yīng)生成四氟化硅和水，四氟化硅和氟化氫直接反應(yīng)生成H₂SiF₆．

解答 解：（1）在過程Ⅰ中發(fā)生反應(yīng)2C+SiO₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si+2CO↑中，C從0價變?yōu)橐谎趸�碳中�?2價，發(fā)生氧化反應(yīng)是還原劑，故答案為：還原；
（2）電解飽和食鹽水的方法制備氯氣，陽極，溶液中氯離子失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成氯氣，2Cl^--2e=Cl₂↑，陰極，溶液中氫離子得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，生成氫氣，2H⁺+2e^-═H₂↑，總的反應(yīng)為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑，
故答案為：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑；
（3）①根據(jù)SiCl₄遇水劇烈水解生成SiO₂和一種酸信息，反應(yīng)物是SiCl₄和水，生成物為二氧化硅，根據(jù)氧原子守恒，水分子前的系數(shù)為2，根據(jù)氫原子和氯原子守恒，另一產(chǎn)物為氯化氫，氯化氫前的系數(shù)為4，可知化學(xué)反應(yīng)方程式為SiCl₄+2H₂O═SiO₂+4HCl，
故答案為：SiCl₄+2H₂O═SiO₂+4HCl；
②干燥Cl₂時，從有利于充分干燥和操作安全的角度考慮，需將約90℃的潮濕氯氣先冷卻至12℃，此時使水蒸氣冷凝，然后再通入到濃H₂SO₄中，進(jìn)入濃硫酸的水量少了，保證濃硫酸的良好吸水性，水和濃硫酸作用放熱，所以進(jìn)入硫酸的水少了，能降低放出的熱量，
故答案為：使水蒸氣冷凝減少進(jìn)入濃硫酸的水量保持持續(xù)的吸水性并降低放出的熱量；
（4）①對于三個反應(yīng)，反應(yīng)熱都是△H＜0表示放熱，
a．升高溫度，平衡向吸熱的方向移動，所以會降低SiCl₄的轉(zhuǎn)化率，故a錯誤；
b．Si遇氧氣在高溫的條件下反應(yīng)生成二氧化硅，所以還原過程需在無氧的氣氛中進(jìn)行，b正確；
c．有氣體參加的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，能加快反應(yīng)的速率，對于三個反應(yīng)，都有氣體參與，所以增大壓強(qiáng)，能提高反應(yīng)的速率，故c正確；
d．Na、Mg都是還原性比較強(qiáng)的金屬，可以代替Zn還原SiCl₄，故d正確；
故答案為：bcd；
②反應(yīng)2與反應(yīng)1比較，反應(yīng)2產(chǎn)物為固體和氣體比反應(yīng)1更易于分離，反應(yīng)3與反應(yīng)2比較，反應(yīng)物都為氣態(tài)，溫度高，反應(yīng)速率更快，所以實際制備過程選擇“反應(yīng)3”，溫度高反應(yīng)速率快；與前兩個反應(yīng)比較更易于使硅分離使化學(xué)平衡向右移動提高轉(zhuǎn)化率，
故答案為：溫度高反應(yīng)速率快；與前兩個反應(yīng)比較更易于使硅分離使化學(xué)平衡向右移動提高轉(zhuǎn)化率；
③每投入1mol SiCl₄，有2molZn參加反應(yīng)，“反應(yīng)3”與“反應(yīng)2”比較，反應(yīng)2中鋅為液態(tài)，根據(jù)Zn（l）═Zn（g）△H=+116KJ/mol，若SiCl₄的轉(zhuǎn)化率均為90%，“反應(yīng)3”比“反應(yīng)2”多放出116KJ/mol×2×90%=208.8KJ，
故答案為：208.8；
（5）二氧化硅和氫氟酸：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，最后轉(zhuǎn)化為H₂SiF₆的化學(xué)方程式為SiO₂+6HF═H₂SiF₆+2H₂O，
故答案為：SiO₂+6HF═H₂SiF₆+2H₂O．

點評 本題考查鋅還原四氯化硅制備硅，涉及化學(xué)平衡移動、電解等知識，掌握平衡移動原理的運(yùn)用，掌握硅及其化合物的性質(zhì)是解答的關(guān)鍵，題目難度中等．