Question

3．硅是帶來(lái)人類(lèi)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(guò)程中創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)奇跡．
（1）新型陶瓷Si₃N₄的熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定．工業(yè)上可以采用化學(xué)氣相沉積法，在H₂的保護(hù)下，使SiCl₄與N₂反應(yīng)生成Si₃N₄沉積在石墨表面，寫(xiě)出該反應(yīng)的化學(xué)方程．
（2）一種用工業(yè)硅（含少量鉀、鈉、鐵、銅的氧化物），已知硅的熔點(diǎn)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圖：

①凈化N₂和H₂時(shí)，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(kāi)始時(shí)為什么要嚴(yán)格控制氮?dú)獾牧魉僖钥刂茰囟仍摲磻?yīng)為放熱反應(yīng)，防止局部過(guò)熱，導(dǎo)致硅熔化熔合成團(tuán)，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(zhuǎn)化為水蒸氣，而易被除去．
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(guò)如下圖所示的流程制取純硅：
①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)，寫(xiě)出該反應(yīng)的化學(xué)方程式．
②假設(shè)每一輪次制備1mol純硅，且生產(chǎn)過(guò)程中硅元素沒(méi)有損失，反應(yīng)I中HCl的利用率為90%，反應(yīng)II中H₂的利用率為93.75%．則在第二輪次的生產(chǎn)中，補(bǔ)充投入HCl 和H₂的物質(zhì)的量之比是5：1．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)信息：四氯化硅和氮?dú)庠跉錃獾臍夥毡Ｗo(hù)下，加強(qiáng)熱發(fā)生反應(yīng)，除生成氮化硅外還有氯化氫生成；
（2）①Cu能與氧氣反應(yīng)消耗氧氣，硅膠具有吸水性，常用作干燥劑；
②控制氮?dú)獾牧魉偈欠乐箿囟冗^(guò)高，體系中要通入適量的氫氣可將氧氣轉(zhuǎn)化為水蒸氣；
③氮化硅能與HF酸反應(yīng)，鹽酸、稀硫酸均不與Cu反應(yīng)，氮化硅中混有銅粉；
（3）①SiHCl₃遇水劇烈反應(yīng)生成H₂SiO₃、HCl和氫氣，反應(yīng)物與生成物來(lái)書(shū)寫(xiě)化學(xué)反應(yīng)方程式；
②反應(yīng)生產(chǎn)1mol純硅需補(bǔ)充HCl：$\frac{3}{90%}$-3，需補(bǔ)充H₂：$\frac{1}{93.95%}$-1．

解答 解：（1）四氯化硅和氮?dú)庠跉錃獾臍夥毡Ｗo(hù)下，加強(qiáng)熱發(fā)生反應(yīng)，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(yīng)，消耗氧氣，所以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(yīng)為放熱反應(yīng)，開(kāi)始時(shí)嚴(yán)格控制氮?dú)獾牧魉僖钥刂茰囟仁欠乐咕植窟^(guò)熱，導(dǎo)致硅熔化熔合成團(tuán)，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(zhuǎn)化為水蒸氣，而易被除去（或整個(gè)體系中空氣排盡），
故答案為：該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，防止局部過(guò)熱，導(dǎo)致硅熔化熔合成團(tuán)，阻礙與N₂的接觸；將體系中的氧氣轉(zhuǎn)化為水蒸氣，而易被除去；
③氮化硅能與HF酸反應(yīng)，鹽酸、稀硫酸均不與Cu反應(yīng)，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(yīng)，而氮化硅與硝酸不反應(yīng)，
故答案為：硝酸；
（3）①SiHCl₃遇水劇烈反應(yīng)生成H₂SiO₃、HCl和氫氣：3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl，
故答案為：3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl；
②反應(yīng)生產(chǎn)1mol純硅需補(bǔ)充HCl：$\frac{3}{90%}$-3，需補(bǔ)充H₂：$\frac{1}{93.95%}$-1，補(bǔ)充HCl與H₂的物質(zhì)的量之比為≈5：1．
故答案為：5：1．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了氮化硅的制備，設(shè)計(jì)方程式的書(shū)寫(xiě)、實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)等，明確工藝流程及物質(zhì)的性質(zhì)是解答本題的關(guān)鍵，題目難度中等．