Question

我國(guó)目前制備多晶硅主要采用三氯氫硅氫還原法、硅烷熱解法和四氯化硅氫還原法．由于三氯氫硅還原法具有一定優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用．其簡(jiǎn)化的工藝流程如圖所示：

反應(yīng)①：Si（粗）+3HCl（g） 

553----573K  .

SiHCl₃（l）+H₂（g）
反應(yīng)②：SiHCl₃+H₂ 

1373K  .

 Si（純）+3HCl
（1）制備三氯氫硅的反應(yīng)為：Si（s）+3HCl（g）═SiHCl₃（g）+H₂（g）；△H=-210kJ?mol^-1．伴隨的副反應(yīng)有：Si（s）+4HCl（g）═SiCl₄（g）+2H₂（g）；△H=-241kJ?mol^-1．SiCl₄在一定條件下與H₂反應(yīng)可轉(zhuǎn)化為SiHCl₃，反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：SiCl₄（g）+H₂（g）═SiHCl₃（g）+HCl（g）；△H=

+31kJ?mol^-1

．
（2）假設(shè)在每一輪次的投料生產(chǎn)中，硅元素沒(méi)有損失，反應(yīng)①HCl中的利用率為75%，反應(yīng)②中和H₂的利用率為80%．則在下一輪次的生產(chǎn)中，需補(bǔ)充投入HCl和H₂的體積比是

4：1

．
（3）由于SiH₄具有易提純的特點(diǎn)，因此硅烷熱分解法是制備高純硅很有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ǎ�工業(yè)上廣泛采用的合成硅烷方法是讓硅化鎂和固體氯化銨在液氨介質(zhì)中反應(yīng)得到硅烷，化學(xué)方程式是

Mg₂Si+4NH₄Cl═SiH₄↑+2MgCl₂+4NH₃↑

；
整個(gè)制備過(guò)程必須嚴(yán)格控制無(wú)水，否則反應(yīng)將不能生成硅烷，而是生成硅酸和氫氣等，其化學(xué)方程式為

Mg₂Si+4NH₄Cl+3H₂O═2MgCl₂+H₂SiO₃+4NH₃↑+4H₂↑

；
整個(gè)系統(tǒng)還必須與氧隔絕，其原因是

由于硅烷在空氣中易燃，濃度高時(shí)容易發(fā)生爆炸

．
（4）若將硅棒與鐵棒用導(dǎo)線相連浸在氫氧化鈉溶液中構(gòu)成原電池，則負(fù)極的電極反應(yīng)式為：

Si+6OH^--4e^-=SiO₃^2-+3H₂O

（5）硅能用于合成硅橡膠，右圖是硅橡膠中的一種，其主要優(yōu)點(diǎn)是玻璃化溫度低，耐輻射性能好，則該硅橡膠的化學(xué)式為

（C₂₄H₁₈SiO₂）_n

．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律可以計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的焓變；
（2）根據(jù)反應(yīng)①中的HCl和反應(yīng)②中的H₂的消耗量以及利用率之間的關(guān)系結(jié)合化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算；
（3）根據(jù)題目信息和已知條件來(lái)書(shū)寫(xiě)方程式；
（4）負(fù)極是失去電子的極，自發(fā)的氧化還原反應(yīng)是硅和氫氧化鈉的反應(yīng)；
（5）根據(jù)物質(zhì)的原子構(gòu)成來(lái)書(shū)寫(xiě)分子式．

解答：解：（1）根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)SiCl₄（g）+H₂（g）═SiHCl₃（g）+HCl（g）可以看成是Si（s）+3HCl（g）═SiHCl₃（g）+H₂（g）和反應(yīng)Si（s）+4HCl（g）═SiCl₄（g）+2H₂（g）的差，所以△H═-210kJ?mol^-1-（-241kJ?mol^-1）=+31 kJ?mol^-1，故答案為：+31 kJ?mol^-1；
（2）根據(jù)題意，反應(yīng)①HCl中的利用率為75%，反應(yīng)②中和H₂的利用率為80%，即①中有75%的HCl和Si反應(yīng)，而有25%的HCl和雜質(zhì)反應(yīng)了，②中有80%的H₂和SiHCl₃反應(yīng)，而有20%的H₂和雜質(zhì)（如氧氣）反應(yīng)了，根據(jù)Si（粗）+3HCl（g）═SiHCl₃（l）+H₂（g），可知4體積的HCl中有3體積和Si反應(yīng)生成了1體積的H₂，而SiHCl₃+H₂═Si（純）+3HCl中需要的H₂就是1體積，要投放H₂為

1

0.8

=1.25體積，所以要補(bǔ)充0.25體積的H₂，生成了3體積的HCl，為了保證有4體積的HCl，就要補(bǔ)充1體積的HCl，所以結(jié)果是V（ HCl）：V（H₂）=（4-3）：（1.25-1）=4：1，故案為：4：1；         
（3）硅化鎂和固體氯化銨在液氨介質(zhì)中反應(yīng)得到硅烷，根據(jù)原子守恒，則Mg₂Si+4NH₄Cl═SiH₄↑+2MgCl₂+4NH₃↑，整個(gè)系統(tǒng)還必須與氧隔絕，否則容易發(fā)生爆炸，硅化鎂和固體氯化銨在水中反應(yīng)得到硅酸和氫氣等，根據(jù)原子守恒，則Mg₂Si+4NH₄Cl+3H₂O═2MgCl₂+H₂SiO₃+4NH₃↑+4H₂↑，
故答案為：Mg₂Si+4NH₄Cl═SiH₄↑+2MgCl₂+4NH₃↑；Mg₂Si+4NH₄Cl+3H₂O═2MgCl₂+H₂SiO₃+4NH₃↑+4H₂↑；由于硅烷在空氣中易燃，濃度高時(shí)容易發(fā)生爆炸；          
（4）自發(fā)的氧化還原反應(yīng)是硅和氫氧化鈉的反應(yīng)，硅在反應(yīng)中失去電子作負(fù)極，故答案為：Si+6OH^--4e^-=SiO₃^2-+3H₂O；                                     
（5）根據(jù)物質(zhì)的原子構(gòu)成知分子式為：（C₂₄H₁₈SiO₂）_n，故答案為：（C₂₄H₁₈SiO₂）_n．

點(diǎn)評(píng)：本題是一道有關(guān)硅和二氧化硅性質(zhì)的綜合題，難度較大，考查學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力．