Question

16．高純晶體硅是信息技術(shù)的關(guān)鍵材料．
（1）工業(yè)上用石英砂和焦炭可制得粗硅．已知：圖1、圖2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
（2）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．
（3）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）?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3所示．
下列說法正確的是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n（SiHCl₃）/n（ H₂）
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上述生產(chǎn)過程所需氯氣和氫氣均由氯堿廠提供，氯堿廠的基本設(shè)備是離子交換膜電解槽（如圖4所示），其中進(jìn)入陽(yáng)極室的溶液是精制的飽和食鹽水，b電極上的電極反應(yīng)式是2H⁺+2e^-═H₂↑．
（4）二氧化硅大量用于生產(chǎn)玻璃．工業(yè)上用SiO₂、Na₂CO₃和CaCO₃共283kg在高溫下完全反應(yīng)時(shí)放出CO₂　44kg，生產(chǎn)出的玻璃可用化學(xué)式Na₂SiO₃•CaSiO₃•xSiO₂表示，則其中x=4．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)兩個(gè)反應(yīng)過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)；
（2）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；
（3）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陽(yáng)極室是氯離子放電，所以陽(yáng)極式應(yīng)充入氯化鈉，b電極是陰極，氫離子在該極放電，所以電極反應(yīng)式是2H⁺+2e^-=H₂↑；
（4）由方程式Na₂CO₃+SiO₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$NaSiO₃+CO₂↑；CaCO₃+SiO₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CaSiO₃+CO₂↑，所以反應(yīng)過程中n（CO₂）=n（Na₂CO₃）+n（CaCO₃）=n（SiO₂反應(yīng)）．

解答 解：（1）根據(jù)兩個(gè)反應(yīng)過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；
（2）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；
（3）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陽(yáng)極室是氯離子放電，所以陽(yáng)極式應(yīng)充入氯化鈉，b電極是陰極，氫離子在該極放電，所以電極反應(yīng)式是2H⁺+2e^-=H₂↑，
故答案為：精制的飽和食鹽水；2H⁺+2e^-═H₂↑
（4）玻璃的化學(xué)組成可根據(jù)反應(yīng)原理得到，
Na₂CO₃+SiO₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$NaSiO₃+CO₂↑；CaCO₃+SiO₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CaSiO₃+CO₂↑；
由化學(xué)式Na₂SiO₃•CaSiO₃•xSiO₂反應(yīng)的Na₂CO₃和CaCO₃的物質(zhì)的量相等，
n（CO₂）=n（Na₂CO₃）+n（CaCO₃）=n（SiO₂反應(yīng)）=$\frac{44kg}{44g}$=1000mol；
n（Na₂CO₃）=n（CaCO₃）=500mol
500molNa₂CO₃的質(zhì)量是53kg，500molCaCO₃的質(zhì)量是50kg，1000molSiO₂的質(zhì)量是60kg，
n（SiO₂過量）=$\frac{283kg-50kg-53kg-60kg}{60g}$=2000mol，
即剩余的二氧化硅和生成的硅酸鈣、硅酸鈉為2000：500：500=4：1：1，
所以x=4，故答案為：4．

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．