Question

11．硅是帶來人類文明的重要元素之一，從傳統(tǒng)材料到信息材料的發(fā)展過程中創(chuàng)造了一個有一個奇跡．
（1）新型陶瓷Si₃N₄的熔點高、硬度大、化學性質穩(wěn)定．工業(yè)上可以采用化學氣相沉積法，在H₂的保護下，使SiCl₄與N₂反應生成Si₃N₄沉積在石墨表面，寫出該反應的化學方程式3SiCl₄+2N₂+6H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl．
（2）一種工業(yè)用硅（含少量鉀、鈉、鐵、銅的氧化物），已知硅的熔點是1420℃，高溫下氧氣及水蒸氣能明顯腐蝕氮化硅．一種合成氮化硅的工藝主要流程如下：

①凈化N₂和H₂時，銅屑的作用是除去原料氣中的氧氣；硅膠的作用是除去生成的水蒸氣．
②在氮化爐中3SiO₂（s）+2N₂（g）=Si₃N₄（s）△H=-727.5kJ/mol，開始時為什么要嚴格控制氮氣的流速以控制溫度該反應為放熱反應，防止局部過熱，導致硅熔化熔合成團，阻礙與N₂的接觸；體系中要通入適量的氫氣是為了將體系中的氧氣轉化為水蒸氣，而易被除去（或將整個體系中空氣排盡）．
③X可能是硝酸（選填：“鹽酸”、“硝酸”、“硫酸”、“氫氟酸”）．
（3）工業(yè)上可以通過如圖所示的流程制取純硅：

①整個制備過程必須嚴格控制無水無氧．SiHCl₃遇水劇烈反應，寫出該反應的化學方程式3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl．
②假設每一輪次制備1mol純硅，且生產過程中硅元素沒有損失，反應Ⅰ中HCl的利用率為90%，反應Ⅱ中H₂的利用率為93.75%．則在第二輪次的生產中，補充投入HCl 和H₂的物質的量之比是5：1．

Answer 1

分析 （1）根據信息：四氯化硅和氮氣在氫氣的氣氛保護下，加強熱發(fā)生反應，除生成氮化硅外還有氯化氫生成；
（2）①Cu能與氧氣反應，硅膠具有吸水性；
②控制氮氣的流速是防止溫度過高，體系中要通入適量的氫氣可將氧氣轉化為水蒸氣；
③氮化硅能與HF酸反應，鹽酸、稀硫酸均不與Cu反應，氮化硅中混有銅粉；
（3）①SiHCl₃遇水劇烈反應生成H₂SiO₃、HCl和氫氣；
②反應生產1mol純硅需補充HCl：$\frac{3}{90%}$-3，需補充H₂：$\frac{1}{93.95%}$-1．

解答 解：（1）由信息：四氯化硅和氮氣在氫氣的氣氛保護下，加強熱發(fā)生反應，可得較高純度的氮化硅以及氯化氫，方程式為：3SiCl₄+2N₂+6H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl，
故答案為：3SiCl₄+2N₂+6H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
（2）①Cu能與氧氣反應，則Cu屑的作用為除去原料氣中的氧氣；硅膠具有吸水性，可除去生成的水蒸氣，
故答案為：除去原料氣中的氧氣；除去生成的水蒸氣；
②氮化爐中3SiO₂（s）+2N₂（g）=Si₃N₄（s）△H=-727.5kJ/mol，該反應為放熱反應，開始時嚴格控制氮氣的流速以控制溫度是防止局部過熱，導致硅熔化熔合成團，阻礙與N₂的接觸；體系中要通入適量的氫氣是為將體系中的氧氣轉化為水蒸氣，而易被除去（或整個體系中空氣排盡），
故答案為：該反應為放熱反應，防止局部過熱，導致硅熔化熔合成團，阻礙與N₂的接觸；將體系中的氧氣轉化為水蒸氣，而易被除去（或將整個體系中空氣排盡）；
③氮化硅能與HF酸反應，鹽酸、稀硫酸均不與Cu反應，氮化硅中混有銅粉，為除去混有的Cu，可選擇硝酸，Cu與硝酸反應，而氮化硅與硝酸不反應，
故答案為：硝酸；
（3）①SiHCl₃遇水劇烈反應生成H₂SiO₃、HCl和氫氣：3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl，
故答案為：3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl；
②反應生產1mol純硅需補充HCl：$\frac{3}{90%}$-3，需補充H₂：$\frac{1}{93.95%}$-1，補充HCl與H₂的物質的量之比為≈5：1．
故答案為：5：1．

點評 本題考查氮化硅的制備實驗方案的設計，明確制備實驗的裝置中各部分的作用及物質的性質是解答本題的關鍵，注意物質的特性即可解答，題目難度中等．