Question

14．硅是目前半導體工業(yè)中最重要的基礎原料，其導電性對哦雜質等十分敏感，因此，必須制備高純度硅．雖然地殼中硅的含量豐富，但大多數(shù)以化合物形式存在，需要通過化學方法來制備高純度的單晶硅，一種簡單工藝流程如下：

（1）石英砂的主要成分是SiO₂ （填寫化學式），反應器甲中發(fā)生反應的化學方程式為SiO₂+C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si（粗）+2CO↑．
（2）石英砂與焦炭在一定條件下反應也會生成碳化硅，碳化硅又稱金剛砂，其晶體類型為原子晶體．
（3）①反應器乙中發(fā)生的反應為：Si（s）+3HCl（g）=SiHCl₃（g）+H₂（g）△H=-210kJ/mol，工業(yè)上為了加快SiHC1₃的生成速率而又不降低硅的轉化率，可以采用的方法是催化劑、增大壓強或HCl濃度．
②反應器乙所得的反應產物中，SiHCl₃大約占85%，還有SiCl₄等，有關物質的沸點數(shù)據如一下：

物質	Si	SiCl4	SiHCl3	SiH2Cl2	SiH3Cl	HCl
沸點/℃	2355	57.6	31.8	8.2	-30.4	-84.9

提純SiHCl₃的主要工藝操作依次為沉降、冷凝、精餾，其中精餾溫度最好控制在31.8℃．
③SiHCl₃遇水劇烈反應生成H₂SiO₃、HCl和另一種物質，其水解的反應方程式為SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑．
（4）反應器丙中發(fā)生的反應的化學方程式為H₂+SiHCl₃$\frac{\underline{\;1100-1200℃\;}}{\;}$Si+3HCl
（5）該生產工藝中可以循環(huán)使用的物質是氯化氫、氫氣．

Answer 1

分析 （1）石英砂的主要成分是SiO₂；反應器甲中SiO₂與C在高溫下發(fā)生反應生成Si和CO；
（2）碳化硅又稱金剛砂，其熔點高硬度大，屬于原子晶體；
（3）①根據外界條件對速率、平衡的影響；
②根據題中數(shù)據，采用精餾（或蒸餾）方法提純SiHCl₃；
③SiHCl₃水解生成硅酸、氫氣和氯化氫；
（4）反應器丙中為氫氣還原SiHCl₃生成Si和HCl；
（5）根據反應物中和生成物中都有的物質考慮可以循環(huán)使用的物質．

解答 解：（1）石英砂的主要成分是SiO₂；反應器甲中SiO₂與C在高溫下發(fā)生反應生成Si和CO，方程式為：SiO₂+C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si（粗）+2CO↑，
故答案為：SiO₂； SiO₂+C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si（粗）+2CO↑；
（2）碳化硅又稱金剛砂，其熔點高硬度大，屬于原子晶體，故答案為：金剛砂；原子晶體；
（3）①用催化劑、增大壓強或HCl濃度，加快SiHCl₃的生成速率而又不降低硅的轉化率提高，
故答案為：催化劑、增大壓強或HCl濃度；
②根據題中數(shù)據，利用沸點的不同提純SiHCl₃屬于蒸餾，SiHCl₃（沸點31.8℃）中含有少量SiCl₄（沸點57.6℃）和HCl（沸點-84.9℃），由于沸點差別較大，可以通過精餾除去雜質，所以提純SiHCl₃的主要工藝操作依次為沉降、冷凝、精餾，其中精餾溫度最好控制在31.8℃，
故答案為：沉降；精餾；精餾；31.8℃；
③SiHCl₃水解反應方程式為：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑，故答案為：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑；
（4）反應器丙中為氫氣還原SiHCl₃生成Si和HCl，方程式為：H₂+SiHCl₃ $\frac{\underline{\;1100-1200℃\;}}{\;}$Si+3HCl，故答案為：H₂+SiHCl₃ $\frac{\underline{\;1100-1200℃\;}}{\;}$Si+3HCl；
（5）由圖示可知反應物有粗硅、HCl、H₂；反應過程中生成物有：SiHCl₃、H₂、SiCl₄、HCl，所以在反應物中和生成物中都有的物質是HCl、H₂，所以流程中可循環(huán)使用的物質是HCl、H₂，故答案為：氯化氫、氫氣．

點評 本題結合提純粗硅的工藝流程考查了外界條件對平衡的影響、物質的分離、方程式的書寫等，難度較大，考查學生分析和解決問題的能力．