Question

3．硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个又一个奇迹．
（1）新型陶瓷Si₃N₄的熔点高、硬度大、化学性质稳定．工业上可以采用化学气相沉积法，在H₂的保护下，使SiCl₄与N₂反应生成Si₃N₄沉积在石墨表面，写出该反应的化学方程．
（2）一种用工业硅（含少量钾、钠、铁、铜的氧化物），已知硅的熔点是1420℃，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅．一种合成氮化硅的工艺主要流程如图：

①净化N₂和H₂时，铜屑的作用是除去原料气中的氧气；硅胶的作用是除去生成的水蒸气．
②在氮化炉中3SiO₂（s）+2N₂（g）═Si₃N₄（s）△H=-727.5kJ/mol，开始时为什么要严格控制氮气的流速以控制温度该反应为放热反应，防止局部过热，导致硅熔化熔合成团，阻碍与N₂的接触；体系中要通入适量的氢气是为了将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去．
③X可能是硝酸（选填：“盐酸”、“硝酸”、“硫酸”、“氢氟酸”）．
（3）工业上可以通过如下图所示的流程制取纯硅：
①整个制备过程必须严格控制无水无氧．SiHCl₃遇水剧烈反应，写出该反应的化学方程式．
②假设每一轮次制备1mol纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应I中HCl的利用率为90%，反应II中H₂的利用率为93.75%．则在第二轮次的生产中，补充投入HCl 和H₂的物质的量之比是5：1．

Answer 1

分析 （1）根据信息：四氯化硅和氮气在氢气的气氛保护下，加强热发生反应，除生成氮化硅外还有氯化氢生成；
（2）①Cu能与氧气反应消耗氧气，硅胶具有吸水性，常用作干燥剂；
②控制氮气的流速是防止温度过高，体系中要通入适量的氢气可将氧气转化为水蒸气；
③氮化硅能与HF酸反应，盐酸、稀硫酸均不与Cu反应，氮化硅中混有铜粉；
（3）①SiHCl₃遇水剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和氢气，反应物与生成物来书写化学反应方程式；
②反应生产1mol纯硅需补充HCl：$\frac{3}{90%}$-3，需补充H₂：$\frac{1}{93.95%}$-1．

解答 解：（1）四氯化硅和氮气在氢气的气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅以及氯化氢，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；
（2）①Cu能与氧气反应，消耗氧气，所以Cu屑的作用为除去原料气中的氧气；硅胶具有吸水性，可除去生成的水蒸气；
故答案为：除去原料气中的氧气；除去生成的水蒸气；
②氮化炉中3SiO₂（s）+2N₂（g）=Si₃N₄（s）△H=-727.5kJ/mol，该反应为放热反应，开始时严格控制氮气的流速以控制温度是防止局部过热，导致硅熔化熔合成团，阻碍与N₂的接触；体系中要通入适量的氢气是为将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去（或整个体系中空气排尽），
故答案为：该反应为放热反应，防止局部过热，导致硅熔化熔合成团，阻碍与N₂的接触；将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去；
③氮化硅能与HF酸反应，盐酸、稀硫酸均不与Cu反应，氮化硅中混有铜粉，为除去混有的Cu，可选择硝酸，Cu与硝酸反应，而氮化硅与硝酸不反应，
故答案为：硝酸；
（3）①SiHCl₃遇水剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和氢气：3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl，
故答案为：3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl；
②反应生产1mol纯硅需补充HCl：$\frac{3}{90%}$-3，需补充H₂：$\frac{1}{93.95%}$-1，补充HCl与H₂的物质的量之比为≈5：1．
故答案为：5：1．

点评 本题考查了氮化硅的制备，设计方程式的书写、实验的评价等，明确工艺流程及物质的性质是解答本题的关键，题目难度中等．