Question

8．硅及其化合物的开发由来已久，在现代生活中有广泛应用．回答下列问题．
（1）高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料．工业上提纯硅有多种路线，其中一种工艺流程示意图及主要反应如图．

	发生的主要反应
电弧炉	SiO2+2C$\frac{\underline{\;1600-1800℃\;}}{\;}$Si+2CO↑
流化床反应器	Si+3HCl$\frac{\underline{\;250-300\;}}{\;}$SiHCl3+H2
还原炉

①还原炉中发生主要反应的化学方程式为SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+3HCl．该工艺中可循环使用的物质为HCl和H₂（填化学式）．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↑．
②在流化床反应的产物中，SiHCl3大约占85%，还有SiCl₄、SiH₂Cl₂、SiH₃Cl等，有关物质的沸点数据如下表，提纯SiHCl₃的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和精馏（或蒸馏）．

物质	Si	SiCl4	SiHCl3	SiH2Cl2	SiH3Cl	HCl	SiH4
沸点/°C	2355	57.6	31.8	8.2	-30.4	-84.9	-111.9

③SiHCl₃极易水解，其完全水解的化学方程式为SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑．
（2）氮化硅（Si₃N₄）是一种高温结构材料，粉末状态的Si₃N₄可以由SiCl₄的蒸气和NH₃反应制取．粉末状Si₃N₄遇空气和水都不稳定．但将粉末状的Si₃N₄和适量氧化镁在230×1.01×105Pa和185°C的密闭容器中进行热处理，可以制得结构十分紧密、对空气和水都相当稳定的固体材料，同时还得到遇水不稳定的Mg₃N₂．
①由SiCl₄和NH₃反应制取Si₃N₄的化学方程式为3SiCl₄+4NH₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl．
②四氯化硅和氮气在氢气气氛保护下，加强热发生反应，使生成的Si₃N₄沉积在石墨表面可得较高纯度的氮化硅，该反应的化学方程式为3SiCl₄+2N₂+6H₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl．
③Si₃N₄和适量氧化镁在230×1.01×105Pa和185°C的密闭容器中进行热处理的过程中，除生成Mg₃N₂外，还可能生成SiO₂物质（填化学式）．热处理后除去MgO和Mg₃N₂的方法是加足量稀盐酸过滤．

Answer 1

分析 （1）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的条件下反应生成碳化硅和一氧化碳，还原炉中SiHCl₃和氢气发生反应生成硅和氯化氢；
①还原炉中SiHCl₃和氢气发生反应生成硅和氯化氢；可循环使用的物质是参与反应过程，最后又从新生成的物质；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的条件下反应生成碳化硅和一氧化碳；
②根据题中数据，采用精馏（或蒸馏）方法提纯SiHCl₃；
③SiHCl₃水解生成硅酸、氢气和氯化氢；
（2）①由SiCl₄和NH₃反应制取Si₃N₄，根据反应物和生成物写出化学方程式；
②化学气相沉积法是两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上得较高纯度的氮化硅，根据反应物和生成物写出化学方程式；
③Si₃N₄与MgO反应除生成Mg₃N₂外还可能生成SiO₂，SiO₂与盐酸不反应，而Mg₃N₂、MgO溶于盐酸的性质．

解答 解：（1）①还原炉中SiHCl₃和氢气发生反应制得纯硅，SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+3HCl，流程分析可知可循环使用的物质为HCl和H₂；用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅，石英砂的主要成分是二氧化硅，制备粗硅发生置换反应，SiO₂+2C $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑，同时，在反应中，也可能生成碳化硅，反应为SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$SiC+2CO↑，
故答案为：SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+3HCl；HCl和H₂；SiO₂+3C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$SiC+2CO↑；
②利用沸点的不同提纯SiHCl₃属于蒸馏，SiHCl₃（沸点33.0℃）中含有少量SiCl₄（沸点57.6℃）和HCl（沸点-84.7℃），由于沸点差别较大，可以通过精馏（或蒸馏）除去杂质；
故答案为：精馏（或蒸馏）；
③SiHCl₃水解反应生成硅酸、氢气和氯化氢，反应的方程式为：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑；
故答案为：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl↑；
（2）①SiCl₄和NH₃反应生成Si₃N₄和氯化氢，反应化学反应方程式：3SiCl₄+4NH₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
故答案为：3SiCl₄+4NH₃$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
②SiCl₄与N₂、H₂反应生成Si₃N₄，还应生成HCl，化学方程式为：3SiCl₄+2N₂+6H₂ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
故答案为：3SiCl₄+2N₂+6H₂ $\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
③由元素守恒判断，Si₃N₄与MgO反应除生成Mg₃N₂外还可能生成SiO₂，利用SiO₂与盐酸不反应，而Mg₃N₂、MgO溶于盐酸的性质，可采用加入足量稀盐酸的方法，使MgO、Mg₃N₂溶解后过滤；
故答案为：SiO₂；加足量稀盐酸过滤．

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，注意根据质量守恒书写化学方程式，题目难度中等．