Question

20．硅单质及其化合物应用范围很广．请回答下列问题
（1）制备硅半导体材料必须先得到高纯硅的主要方法，其生产过程示意图如图所示．

①写出由纯SiHCl₃制备高纯硅的化学反应方程式SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl
②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，H₂还原SiHCl₃过程中若混入O₂，可能引起的后果是高温下，H₂遇O₂发生爆炸．
（2）硅酸钠水溶液俗称水玻璃．取少量硅酸钠溶液于试管中，逐滴加入饱和氯化铵溶液，振荡．写出实验现象其产生原因：生成白色絮状沉淀，又刺激性气味的气体生成，SiO₃^2-与NH₄⁺发生双水解反应，生成氨气和硅酸沉淀．
①2O₂（g）+N₂（g）=N₂O₄，（l）△H₁
②N₂（g）+2H₂（g）=N₂H₄（l）△H₂
③O₂（g）+2H₂（g）=2H₂O（g）△H₃
④2N₂ H₄ （1）+N₂O₄ （1）=3N₂ （g）+4H₂O（g）△H₄=-1048.9kJ/mol
上述反应热效应之间的关系式为△H₄=2△H₃-2△H₂-△H₁，联氨和N₂O₄可作为火箭助推剂，折算在标准状况下的数据，燃爆后气体的体积与燃爆前的体积之比为：1228.6．

	N2H4	N2O4
密度/g/cm3	1.004	1.44

（4）联氨为二元弱減，在水中的电离方程式与氨相似，联氨第一步电离反应的平衡常数值为（已知：N₂H₄+H⁺?N₂H₅⁺的K=8.7×10⁷；K_W=1.0×10^-14），．联氨与硫酸形成的酸式盐的化学式为N₂H₆（HSO₄）₂．
（5）联氨是一种常用的还原剂．向装有少量AgBr的试管中加入联氨溶液，观察到的现象是固体逐渐变黑，并有气泡产生．联氨可用于处理锅炉水中的氧；防止锅炉被腐蚀，理论上1kg的联氨可除去水中溶解的O₂1 kg；与使用Na₂SO₃处理水中溶解的O₂相比，联氨的优点是N₂H₄的用量少，不产生其他杂质（反应产物为N₂和H₂O），而Na₂SO₃产生Na₂SO₄．

Answer 1

分析 （1）二氧化硅和焦炭反应制取粗硅SiO₂+2C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si+2CO↑，粗硅和氯化氢反应Si+3HCl$\frac{\underline{\;573K\;}}{\;}$SiHCl₃+H₂，生成三氯硅烷，氢气在高温下与三氯硅烷反应提纯粗硅，反应为SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl，得到纯硅．①SiHCl₃与氢气发生置换反应生成硅和氯化氢；②写出反应物和给出的生成物H₂SiO₃和HCl，用原子守恒法找出另一种生成物为H₂，并配平；氢气遇氧气易爆炸；
（2）SiO₃^2-与NH₄⁺发生双水解反应，生成氨气和硅酸沉淀；
（3）依据热化学方程式和盖斯定律计算，③×2-②×2-①得目标方程式，据此计算△H₄，同一条件下，体积比等于物质的量之比，根据2N₂ H₄ （1）+N₂O₄ （1）=3N₂ （g）+4H₂O（g）以及N₂H₄、N₂O₄的密度计算；
（4）联氨为二元弱碱，在水中的电离方式与氨相似．联氨第一步电离方程式为N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-，平衡常数K_b=$\frac{C（{N}_{2}{{H}_{5}}^{+}）C（O{H}^{-}）}{C（{N}_{2}{H}_{4}）}$=$\frac{C（{N}_{2}{{H}_{5}}^{+}）C（O{H}^{-}）}{C（{N}_{2}{H}_{4}）}$×$\frac{C（{H}^{+}）}{C（{H}^{+}）}$=K×K_w，由于是二元碱，因此联氨与硫酸形成的酸式盐为N₂H₆（HSO₄）₂；
（5）联胺被银离子氧化，银离子被还原生成单质银，联胺被氧化失电子N₂H₄～N₂-4e^-，O₂～4e^-，依据守恒计算判断，依据锅炉的质地以及反应产物性质解答．

解答 解；（1）①在1357K的条件下，氢气和纯SiHCl₃反应生成高纯硅和氯化氢：SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl，
故答案为：SiHCl₃+H₂$\frac{\underline{\;1357K\;}}{\;}$Si+3HCl；
②SiHCl₃遇水剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和氢气：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+H₂↑+3HCl↑，H₂还原SiHCl₃过程中若混入O₂，高温下，可能引起爆炸，
故答案为：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+3HCl↑+H₂↑；高温下，H₂遇O₂发生爆炸；
（2）SiO₃^2-与NH₄⁺发生双水解反应生成白色絮状沉淀，又刺激性气味的气体生成，方程式为：SiO₃^2-+2NH₄⁺+2H₂O═2NH₃•H₂O+H₂SiO₃↓，
故答案为：生成白色絮状沉淀，又刺激性气味的气体生成，SiO₃^2-与NH₄⁺发生双水解反应，生成氨气和硅酸沉淀；
（3）①2O₂（g）+N₂（g）═N₂O₄（l）△H₁
②N₂（g）+2H₂（g）═N₂H₄（l）△H₂
③O₂（g）+2H₂（g）═2H₂O（g）△H₃
依据热化学方程式和盖斯定律计算③×2-②×2-①得到④2N₂H₄（l）+N₂O₄（l）═3N₂（g）+4H₂O（g）△H₄=2△H₃-2△H₂-△H₁，根据反应④可知，折算在标准状况下的数据，燃爆后气体的体积与燃爆前的体积之比为：$\frac{V后}{V前}$=$\frac{7×22.4×1000}{\frac{2×32}{1.004}+\frac{92}{1.44}}$=1228.6，
故答案为：2△H₃-2△H₂-△H₁；1228.6；
（4）联氨为二元弱碱，在水中的电离方式与氨相似．联氨第一步电离方程式为N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-，平衡常数K_b=$\frac{C（{N}_{2}{{H}_{5}}^{+}）C（O{H}^{-}）}{C（{N}_{2}{H}_{4}）}$=$\frac{C（{N}_{2}{{H}_{5}}^{+}）C（O{H}^{-}）}{C（{N}_{2}{H}_{4}）}$，×$\frac{C（{H}^{+}）}{C（{H}^{+}）}$=K×K_w=8.7×10⁷×1.0×10^-14=8.7×10^-7，第二步电离方程式为N₂H₅⁺+H₂O?N₂H₆²⁺+OH^-，因此联氨与硫酸形成的酸式盐为N₂H₆（HSO₄）₂，
故答案为：8.7×10^-7；N₂H₆（HSO₄）₂；
（5）联胺被银离子氧化，银离子被还原生成单质银，-2价的N元素被氧化为N₂，反应方程式为：N₂H₄+4AgBr=4Ag↓+N₂↑+4HBr，因此反应出现现象为：固体逐渐变黑，并有气泡产生，由于肼的氧化产物是氮气，不会对锅炉造成腐蚀，而亚硫酸钠被氧化产物为硫酸钠，易生成硫酸盐沉淀影响锅炉的安全使用，联胺被氧化失电子N₂H₄→N₂失去4e^-，O₂→O^2-得到4e^-，联胺和氧气摩尔质量都是32g/mol，则等质量联胺和氧气物质的量相同，理论上1kg的联氨可除去水中溶解的O₂1kg，与使用Na₂SO₃处理水中溶解的O₂相比，联氨的优点是用量少，不产生其他杂质（反应产物为N₂和H₂O），而Na₂SO₃产生Na₂SO₄，
故答案为：固体逐渐变黑，并有气泡产生；1；N₂H₄的用量少，不产生其他杂质（反应产物为N₂和H₂O），而Na₂SO₃产生Na₂SO₄．

点评 本题考查了硅及其化合物知识、氮及其化合物性质、物质结构、热化学方程式和盖斯定律计算应用、平衡常数的计算方法，熟悉相关物质的性质是解答关键，注意粗硅提纯、硅、二氧化硅用途，注意盖斯定律的熟练应用，题目难度中等．