Question

20．高純晶體硅是信息技術(shù)的關(guān)鍵材料．

（1）硅元素位于周期表的位置第三周期第ⅣA族．下面有關(guān)硅材料的說(shuō)法中正確的是BCD（填字母）．
A．碳化硅化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可用于生產(chǎn)耐高溫水泥
B．氮化硅硬度大、熔點(diǎn)高，可用于制作高溫陶瓷和軸承
C．高純度的二氧化硅可用于制造高性能通訊材料---光導(dǎo)纖維
D．普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的，故在玻璃尖口點(diǎn)燃H₂時(shí)出現(xiàn)黃色火焰
E．鹽酸可以與硅反應(yīng)，故采用鹽酸為拋光液拋光單晶硅
（2）工業(yè)上用石英砂和焦炭可制得粗硅．已知：圖1
請(qǐng)將以下反應(yīng)的熱化學(xué)方程式補(bǔ)充完整：SiO₂（s）+2C（s）═Si（s）+2CO（g）△H=+638.4 kJ•mol^-1
（3）粗硅經(jīng)系列反應(yīng)可生成硅烷（SiH₄），硅烷分解生成高純硅．已知硅烷的分解溫度遠(yuǎn)低于甲烷，用原子結(jié)構(gòu)解釋其原因：C和Si最外層電子數(shù)相同，C原子半徑小于Si，Si元素的非金屬性弱于C元素，硅烷的熱穩(wěn)定性弱于甲烷．
（4）將粗硅轉(zhuǎn)化成三氯氫硅（SiHCl₃），進(jìn)一步反應(yīng)也可制得高純硅．
①SiHCl₃中含有的SiCl₄、AsCl₃等雜質(zhì)對(duì)晶體硅的質(zhì)量有影響．根據(jù)下表數(shù)據(jù)，可用蒸餾（或分餾） 方法提純SiHCl₃．

物質(zhì)	SiHCl3	SiCl4	AsCl3
沸點(diǎn)/℃	32.0	57.5	131.6

②用SiHCl₃制備高純硅的反應(yīng)為SiHCl₃（g）+H₂（g） $\stackrel{一定條件下}{?}$Si（s）+3HCl（g），不同溫度下，SiHCl₃的平衡轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)物的投料比（反應(yīng)初始時(shí)，各反應(yīng)物的物質(zhì)的量之比）的變化關(guān)系如圖所示．下列說(shuō)法正確的是ac（填字母序號(hào)）．

a．該反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度升高而增大 
 b．橫坐標(biāo)表示的投料比應(yīng)該是$\frac{n（SiHC{l}_{3}）}{n（{H}_{2}）}$
c．實(shí)際生產(chǎn)中為提高SiHCl₃的利用率，應(yīng)適當(dāng)升高溫度
③整個(gè)制備過(guò)程必須嚴(yán)格控制無(wú)水無(wú)氧．SiHCl₃遇水劇烈反應(yīng)生成H₂SiO₃、HCl和另一種物質(zhì)，寫出配平的化學(xué)反應(yīng)方程式：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+H₂↑+3HCl↑．

Answer 1

分析 （1）硅元素三個(gè)電子層，最外層4個(gè)電子，位于周期表中的第三周期第ⅣA；
A．原子晶體熔點(diǎn)高、性質(zhì)穩(wěn)定；
B．原子晶體熔點(diǎn)高、硬度大；
C．光導(dǎo)纖維的主要成分是二氧化硅；
D．普通玻璃中含有鈉元素；
E．鹽酸不能與硅反應(yīng)；
（2）根據(jù)兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程能量變化圖象可知：Si（s）+O₂（s）═SiO₂（s）△H=-859.4 kJ•mol^-1，2C（s）+O₂（s）═2CO（g）△H=-221.0 kJ•mol^-1，用第二個(gè)方程式減去第一個(gè)方程式得出所需反應(yīng)；
（3）C和Si最外層電子數(shù)相同，C原子半徑小于Si，化學(xué)鍵的強(qiáng)弱分析判斷穩(wěn)定性；
（4）①根據(jù)各物質(zhì)沸點(diǎn)的不同分離提純物質(zhì)，可用蒸餾（或分餾）法；
②a．因?yàn)殡S著溫度的升高，SiHCl₃的轉(zhuǎn)化率增大，平衡右移，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度升高而增大；
b．增大一種反應(yīng)物的濃度，能提高其它反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，而本身的轉(zhuǎn)化率反而降低，故橫坐標(biāo)表示的投料比應(yīng)該是$\frac{n（{H}_{2}）}{n（SiHC{l}_{3}）}$；
c．因?yàn)殡S著溫度的升高，SiHCl₃的轉(zhuǎn)化率增大，平衡右移，故實(shí)際生產(chǎn)中為提高SiHCl₃的利用率，應(yīng)適當(dāng)升高溫度；
③根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可確定產(chǎn)物中H元素不守恒，即添加H₂，結(jié)合原子守恒配平書寫．

解答 解：（1）硅元素三個(gè)電子層，最外層4個(gè)電子，位于周期表的3周期ⅣA族；
A．碳化硅屬于原子晶體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且熔點(diǎn)較高，但不可用于生產(chǎn)耐高溫水泥，故A錯(cuò)誤；
B．氮化硅陶瓷是新型無(wú)機(jī)非金屬材料之一，氮化硅硬度大、熔點(diǎn)高，可用于制作高溫陶瓷和軸承，故B正確；
C．光導(dǎo)纖維是高純度的二氧化硅可用于制造高性能通訊材料，故C正確；
D．普通玻璃是由純堿、石灰石和石英砂制成的，含有鈉元素，在玻璃尖口點(diǎn)燃H₂時(shí)出現(xiàn)黃色火焰，故D正確；
E．鹽酸不與硅反應(yīng)，硅和氫氟酸反應(yīng)，采用的是氫氟酸為拋光液拋光單晶硅，故E錯(cuò)誤；
故答案為：BCD；
（2）根據(jù)兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程能量變化圖象可知：Si（s）+O₂（s）═SiO₂（s）△H=-859.4 kJ•mol^-1
2C（s）+O₂（s）═2CO（g）△H=-221.0 kJ•mol^-1，用第二個(gè)方程式減去第一個(gè)方程式得出所需反應(yīng)，SiO₂（s）+2C（s）═Si（s）+2CO（g）△H=+638.4 kJ•mol^-1，得到△H=+638.4 kJ•mol^-1，
故答案為：+638.4 kJ•mol^-1；
（3）硅烷的分解溫度遠(yuǎn)低于甲烷，是因?yàn)镃和Si最外層電子數(shù)相同，C原子半徑小于Si，Si元素的非金屬性弱于C元素，硅烷的熱穩(wěn)定性弱于甲烷，
故答案為：C和Si最外層電子數(shù)相同，C原子半徑小于Si；
（4）①根據(jù)各物質(zhì)沸點(diǎn)的不同分離提純物質(zhì)，可用蒸餾（或分餾）法，故答案為：蒸餾（或分餾）；
②a．因?yàn)殡S著溫度的升高，SiHCl₃的轉(zhuǎn)化率增大，平衡右移，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度升高而增大，故a正確；
b．增大一種反應(yīng)物的濃度，能提高其它反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，而本身的轉(zhuǎn)化率反而降低，故橫坐標(biāo)表示的投料比應(yīng)該是$\frac{n（{H}_{2}）}{n（SiHC{l}_{3}）}$，故b錯(cuò)誤；
c．因?yàn)殡S著溫度的升高，SiHCl₃的轉(zhuǎn)化率增大，平衡右移，故實(shí)際生產(chǎn)中為提高SiHCl₃的利用率，應(yīng)適當(dāng)升高溫度，故c正確；
故選ac；
③根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可確定產(chǎn)物中H元素不守恒，即添加H₂，有SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+H₂↑+3HCl↑，
故答案為：SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃↓+H₂↑+3HCl↑．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查的是元素周期表的應(yīng)用、蓋斯定律應(yīng)用、化學(xué)平衡常數(shù)和平衡移動(dòng)等，題目難度中等，注意相關(guān)知識(shí)的積累．