Question

10．硅单质及其化合物应用范围很广．制备硅半导体材料必须先得到高纯硅，三氯甲硅烷（SiHCl₃）还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如图1：

（1）第①步制备粗硅的化学方程式为SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑．第④步由纯SiHCl₃制备高纯硅的化学方程式为SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl．
（2）用SiHCl₃与过量H₂反应制备纯硅的装置如图2所示（热源及夹持装置均已略去）：

①装置B中的试剂是浓硫酸，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是使滴入烧瓶中的SiHCl₃汽化．
②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是有固体物质生成，装置D不能采用普通玻璃管的原因是在此反应温度下，普通玻璃会软化．
③SiHCl₃遇水剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和另一种物质，写出配平的化学反应方程式：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+3HCl+H₂↑；H₂还原SiHCl₃过程中若混入O₂，可能引起的后果是高温下H₂与O₂混合发生爆炸；整个制备过程必须严格控制无水无氧．
（3）下列有关硅材料的说法正确的是A、B、C（填字母）．
A．碳化硅硬度大，可用于生产砂纸、砂轮等
B．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承
C．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料--光导纤维
D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高
E．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅．

Answer 1

分析 石英砂主要成分为二氧化硅，粗硅提纯是利用碳做还原剂还原二氧化硅为单质硅，二氧化硅和碳在高温下反应生成硅和一氧化碳，反应中二氧化硅为氧化剂，碳为还原剂；
反应①为：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑，反应②是由粗硅制取三氯甲硅烷，反应的化学方程式是：Si+3HCl$\frac{\underline{\;573K以上\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂，反应③精馏得到SiHCl₃，反应④氢气和纯SiHCl₃反应生成高纯硅和氯化氢：SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl．
（1）高温下，碳和二氧化硅反应生成硅和一氧化碳；1357K下，SiHCl₃和H₂反应生成硅和氯化氢；
（2）①浓硫酸具有吸水性，可作干燥剂，防止SiHCl₃与H₂O强烈反应；升高温度能使SiHCl₃气化；
②高温条件下，SiHCl₃和H₂发生氧化还原反应而得到Si单质；不能用普通玻璃，高温下反应时，普通玻璃会软化；
③SiHCl₃遇水剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和氢气，氢气易爆炸；整个制备过程必须严格控制无水无氧；
（3）A．碳化硅（SiC）俗称金刚砂，SiC为原子晶体，硬度很大；B．原子晶体熔点高硬度大；
C．光导纤维的主要成分是二氧化硅；D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英制成的，无固定熔点；E．硅与盐酸不反应．

解答 解：（1）高温下，碳和二氧化硅反应生成硅和一氧化碳，反应方程式为：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑，高温下，SiHCl₃和氢气反应生成硅单质，反应方程式为：SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl，
故答案为：SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑；SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl；
（2）①为防止SiHCl₃与H₂O强烈反应，需要干燥剂干燥氢气，浓硫酸具有吸水性且不和氢气反应，所以装置B中的试剂是浓硫酸；升高温度能使SiHCl₃气化，从而使SiHCl₃和氢气在D中反应，
故答案为：浓硫酸；使滴入烧瓶中的SiHCl₃气化；
②D中发生反应，SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl，Si为固态，所以看到的现象是有固体物质生成，SiHCl₃与过量的H₂在1000℃～1100℃反应制得纯硅，温度太高，普通玻璃管易熔化，
故答案为：有固体物质生成；在此反应温度下，普通玻璃会软化；
③SiHCl₃遇水剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和氢气：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl，氢气遇氧气易爆炸，所以整个制备过程必须严格控制无水无氧，
故答案为：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl；高温下，H₂与O₂混合发生爆炸；无水无氧；
（3）A．SiC为原子晶体，硬度大，碳化硅（SiC）俗称金刚砂，常用作砂轮及高温炉的材料，故A正确；
B．Si₃N₄为原子晶体，硬度大，熔点高，性质稳定，可用于制作高温陶瓷和轴承，故B正确；
C．光导纤维的主要成分是二氧化硅，是利用光的全反射原理，故C正确；
D．普通玻璃的主要成分为Na₂SiO₃和CaSiO₃，它是以石英砂（SiO₂）、石灰石（CaCO₃）和纯碱（Na₂CO₃）为主要原料反应制成的，玻璃属于混合物，没有固定的熔点，故D错误；
E．常温下，Si只能与唯一一种酸HF反应，不与HCl反应，故E错误；
故答案为：ABC．

点评 本题考查较为综合，涉及氯气和二氧化硅的知识，侧重于学生的分析能力和元素化合物知识的综合运用的考查，注意硅及其化合物的性质，题目难度中等．