Question

3．硅是帶來人類文明的重要元素之一，從傳統(tǒng)材料到信息材料的發(fā)展過程中創(chuàng)造了一個又一個奇跡．
（1）新型陶瓷Si₃N₄的熔點高、硬度大、化學性質(zhì)穩(wěn)定．工業(yè)上可以采用化學氣相沉積法，在H₂的保護下，使SiCl₄與N₂反應生成Si₃N₄沉積在石墨表面，寫出該反應的化學方程．
（2）一種用工業(yè)硅（含少量鉀、鈉、鐵、銅的氧化物），已知硅的熔點是1420℃，高溫下氧氣及水蒸氣能明顯腐蝕氮化硅．一種合成氮化硅的工藝主要流程如圖：

①凈化N₂和H₂時，銅屑的作用是除去原料氣中的氧氣；硅膠的作用是除去生成的水蒸氣．
②在氮化爐中3SiO₂（s）+2N₂（g）═Si₃N₄（s）△H=-727.5kJ/mol，開始時為什么要嚴格控制氮氣的流速以控制溫度該反應為放熱反應，防止局部過熱，導致硅熔化熔合成團，阻礙與N₂的接觸；體系中要通入適量的氫氣是為了將體系中的氧氣轉(zhuǎn)化為水蒸氣，而易被除去．
③X可能是硝酸（選填：“鹽酸”、“硝酸”、“硫酸”、“氫氟酸”）．
（3）工業(yè)上可以通過如下圖所示的流程制取純硅：
①整個制備過程必須嚴格控制無水無氧．SiHCl₃遇水劇烈反應，寫出該反應的化學方程式．
②假設每一輪次制備1mol純硅，且生產(chǎn)過程中硅元素沒有損失，反應I中HCl的利用率為90%，反應II中H₂的利用率為93.75%．則在第二輪次的生產(chǎn)中，補充投入HCl 和H₂的物質(zhì)的量之比是5：1．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)信息：四氯化硅和氮氣在氫氣的氣氛保護下，加強熱發(fā)生反應，除生成氮化硅外還有氯化氫生成；
（2）①Cu能與氧氣反應消耗氧氣，硅膠具有吸水性，常用作干燥劑；
②控制氮氣的流速是防止溫度過高，體系中要通入適量的氫氣可將氧氣轉(zhuǎn)化為水蒸氣；
③氮化硅能與HF酸反應，鹽酸、稀硫酸均不與Cu反應，氮化硅中混有銅粉；
（3）①SiHCl₃遇水劇烈反應生成H₂SiO₃、HCl和氫氣，反應物與生成物來書寫化學反應方程式；
②反應生產(chǎn)1mol純硅需補充HCl：$\frac{3}{90%}$-3，需補充H₂：$\frac{1}{93.95%}$-1．

解答 解：（1）四氯化硅和氮氣在氫氣的氣氛保護下，加強熱發(fā)生反應，可得較高純度的氮化硅以及氯化氫，方程式為：3SiCl₄+2N₂+6H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl，
故答案為：3SiCl₄+2N₂+6H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
（2）①Cu能與氧氣反應，消耗氧氣，所以Cu屑的作用為除去原料氣中的氧氣；硅膠具有吸水性，可除去生成的水蒸氣；
故答案為：除去原料氣中的氧氣；除去生成的水蒸氣；
②氮化爐中3SiO₂（s）+2N₂（g）=Si₃N₄（s）△H=-727.5kJ/mol，該反應為放熱反應，開始時嚴格控制氮氣的流速以控制溫度是防止局部過熱，導致硅熔化熔合成團，阻礙與N₂的接觸；體系中要通入適量的氫氣是為將體系中的氧氣轉(zhuǎn)化為水蒸氣，而易被除去（或整個體系中空氣排盡），
故答案為：該反應為放熱反應，防止局部過熱，導致硅熔化熔合成團，阻礙與N₂的接觸；將體系中的氧氣轉(zhuǎn)化為水蒸氣，而易被除去；
③氮化硅能與HF酸反應，鹽酸、稀硫酸均不與Cu反應，氮化硅中混有銅粉，為除去混有的Cu，可選擇硝酸，Cu與硝酸反應，而氮化硅與硝酸不反應，
故答案為：硝酸；
（3）①SiHCl₃遇水劇烈反應生成H₂SiO₃、HCl和氫氣：3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl，
故答案為：3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl；
②反應生產(chǎn)1mol純硅需補充HCl：$\frac{3}{90%}$-3，需補充H₂：$\frac{1}{93.95%}$-1，補充HCl與H₂的物質(zhì)的量之比為≈5：1．
故答案為：5：1．

點評 本題考查了氮化硅的制備，設計方程式的書寫、實驗的評價等，明確工藝流程及物質(zhì)的性質(zhì)是解答本題的關鍵，題目難度中等．