Question

20．高纯晶体硅是信息技术的关键材料．

（1）硅元素位于周期表的位置第三周期第ⅣA族．下面有关硅材料的说法中正确的是BCD（填字母）．
A．碳化硅化学性质稳定，可用于生产耐高温水泥
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，故在玻璃尖口点燃H₂时出现黄色火焰
E．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
（2）工业上用石英砂和焦炭可制得粗硅．已知：图1
请将以下反应的热化学方程式补充完整：SiO₂（s）+2C（s）═Si（s）+2CO（g）△H=+638.4 kJ•mol^-1
（3）粗硅经系列反应可生成硅烷（SiH₄），硅烷分解生成高纯硅．已知硅烷的分解温度远低于甲烷，用原子结构解释其原因：C和Si最外层电子数相同，C原子半径小于Si，Si元素的非金属性弱于C元素，硅烷的热稳定性弱于甲烷．
（4）将粗硅转化成三氯氢硅（SiHCl₃），进一步反应也可制得高纯硅．
①SiHCl₃中含有的SiCl₄、AsCl₃等杂质对晶体硅的质量有影响．根据下表数据，可用蒸馏（或分馏） 方法提纯SiHCl₃．

物质	SiHCl3	SiCl4	AsCl3
沸点/℃	32.0	57.5	131.6

②用SiHCl₃制备高纯硅的反应为SiHCl₃（g）+H₂（g） $\stackrel{一定条件下}{?}$Si（s）+3HCl（g），不同温度下，SiHCl₃的平衡转化率随反应物的投料比（反应初始时，各反应物的物质的量之比）的变化关系如图所示．下列说法正确的是ac（填字母序号）．

a．该反应的平衡常数随温度升高而增大 
 b．横坐标表示的投料比应该是$\frac{n（SiHC{l}_{3}）}{n（{H}_{2}）}$
c．实际生产中为提高SiHCl₃的利用率，应适当升高温度
③整个制备过程必须严格控制无水无氧．SiHCl₃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↓+H₂↑+3HCl↑．

Answer 1

分析 （1）硅元素三个电子层，最外层4个电子，位于周期表中的第三周期第ⅣA；
A．原子晶体熔点高、性质稳定；
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．普通玻璃中含有钠元素；
E．盐酸不能与硅反应；
（2）根据两个反应过程能量变化图象可知：Si（s）+O₂（s）═SiO₂（s）△H=-859.4 kJ•mol^-1，2C（s）+O₂（s）═2CO（g）△H=-221.0 kJ•mol^-1，用第二个方程式减去第一个方程式得出所需反应；
（3）C和Si最外层电子数相同，C原子半径小于Si，化学键的强弱分析判断稳定性；
（4）①根据各物质沸点的不同分离提纯物质，可用蒸馏（或分馏）法；
②a．因为随着温度的升高，SiHCl₃的转化率增大，平衡右移，则该反应的平衡常数随温度升高而增大；
b．增大一种反应物的浓度，能提高其它反应物的转化率，而本身的转化率反而降低，故横坐标表示的投料比应该是$\frac{n（{H}_{2}）}{n（SiHC{l}_{3}）}$；
c．因为随着温度的升高，SiHCl₃的转化率增大，平衡右移，故实际生产中为提高SiHCl₃的利用率，应适当升高温度；
③根据质量守恒定律，可确定产物中H元素不守恒，即添加H₂，结合原子守恒配平书写．

解答 解：（1）硅元素三个电子层，最外层4个电子，位于周期表的3周期ⅣA族；
A．碳化硅属于原子晶体，化学性质稳定且熔点较高，但不可用于生产耐高温水泥，故A错误；
B．氮化硅陶瓷是新型无机非金属材料之一，氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承，故B正确；
C．光导纤维是高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料，故C正确；
D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，含有钠元素，在玻璃尖口点燃H₂时出现黄色火焰，故D正确；
E．盐酸不与硅反应，硅和氢氟酸反应，采用的是氢氟酸为抛光液抛光单晶硅，故E错误；
故答案为：BCD；
（2）根据两个反应过程能量变化图象可知：Si（s）+O₂（s）═SiO₂（s）△H=-859.4 kJ•mol^-1
2C（s）+O₂（s）═2CO（g）△H=-221.0 kJ•mol^-1，用第二个方程式减去第一个方程式得出所需反应，SiO₂（s）+2C（s）═Si（s）+2CO（g）△H=+638.4 kJ•mol^-1，得到△H=+638.4 kJ•mol^-1，
故答案为：+638.4 kJ•mol^-1；
（3）硅烷的分解温度远低于甲烷，是因为C和Si最外层电子数相同，C原子半径小于Si，Si元素的非金属性弱于C元素，硅烷的热稳定性弱于甲烷，
故答案为：C和Si最外层电子数相同，C原子半径小于Si；
（4）①根据各物质沸点的不同分离提纯物质，可用蒸馏（或分馏）法，故答案为：蒸馏（或分馏）；
②a．因为随着温度的升高，SiHCl₃的转化率增大，平衡右移，则该反应的平衡常数随温度升高而增大，故a正确；
b．增大一种反应物的浓度，能提高其它反应物的转化率，而本身的转化率反而降低，故横坐标表示的投料比应该是$\frac{n（{H}_{2}）}{n（SiHC{l}_{3}）}$，故b错误；
c．因为随着温度的升高，SiHCl₃的转化率增大，平衡右移，故实际生产中为提高SiHCl₃的利用率，应适当升高温度，故c正确；
故选ac；
③根据质量守恒定律，可确定产物中H元素不守恒，即添加H₂，有SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+H₂↑+3HCl↑，
故答案为：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+H₂↑+3HCl↑．

点评 本题主要考查的是元素周期表的应用、盖斯定律应用、化学平衡常数和平衡移动等，题目难度中等，注意相关知识的积累．