- 非金属及其化合物
- 共31702题
获取知识和信息是现代人不可缺少的素质,信息产业的飞速发展离不开材料科学的推动。信息产业的核心材料是高纯度的硅,单晶硅可用来制作大规模集成电路、整流器等,硅纯度越高,大规模集成电路的性能就越好。高纯度的单晶硅生产方法有:
方法一:三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法,生产过程示意图如下:
方法二:用金属硅化物(Mg2Si)与盐酸作用制得硅烷,再热分解硅烷可得高纯硅。
根据上述信息回答以下问题:
(1)从方法一生产单晶硅的过程看,由焦炭还原得到的硅为何还要进一步处理?_________________________________________________________。
(2)写出方法二中生产高纯硅的两个化学方程式:
①____________________________________________________________;
②__________________________________________________________。
(3)写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式:____________________________________。
(4)在方法一中,整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质,写出配平的化学反应方程式:________________;H2还原SiHCl3过程中若混入O2,可能引起的后果是_____________________________________________________。
(5)比较方法一和方法二,分析一下各自的优缺点____________________________________。
正确答案
(1)由C还原SiO2得到的单质硅中,杂质含量过高,将它用HCl、Cl2处理得到低沸点SiHCl3,便于蒸发提纯,然后再还原得高纯硅
(2)①Mg2Si+4HCl=2MgCl2+SiH4↑
②SiH4Si+2H2
(3)SiHCl3+H2Si+3HCl
(4)SiHCl3+3H2O=H2SiO3+3HCl+H2↑
Si被氧化成SiO2而得不到Si单质, H2和O2混合发生爆炸
(5)方法一的优点是原料来源丰富,但与方法二相比,步骤较复杂,方法二的优点是流程简单,缺点是原料需要制备
(1)C还原SiO2得到的单质硅是粗硅,杂质的含量高,需要进一步的提纯处理;(2)Mg2Si与盐酸作用生成硅烷,同时生成MgCl2;(3)注意副产物为HCl;(4)SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质,写出配平的化学方程式:SiHCl3+3H2O=H2SiO3+H2↑+3HCl;H2还原SiHCl3过程中若混入O2,可能引起的后果是:高温下,H2遇O2发生爆炸。
(10分)工业盐中含有NaNO2,外观和食盐相似,有咸味,人若误食会引起中毒,致死量为0.3g~0.5g。已知NaNO2能发生如下反应:2NO + xI-+ yH+ = 2NO↑+ I2 + zH2O,请回答下列问题:
(1)上述反应中,x的数值是 ,y的数值是 。
(2)根据上述反应,可用化学试纸的生活中常见物质进行实验来鉴别工业盐和食盐,现
有碘化钾淀粉试纸,则还需选用的生活中常见物质的名称为 。
(3)某工厂废切削液中含有2%—5%的NaNO2,直接排放会造成水污染,但加入下列
物质中的某一种就能使NaNO2转化为不引起污染的N2,该物质是 ,
a.NaCl b.H2O2 c.NH4Cl d.浓H2SO4
所发生反应的离子方程式为: 。
正确答案
略
为测定某石灰石中CaCO3的质量分数,称取W g石灰石样品,加入过量的浓度为6 mol/L的盐酸,使它完全溶解,加热煮沸,除去溶解的CO2,再加入足量的草酸铵[(NH4)2C2O4]溶液后,慢慢加入氨水降低溶液的酸度,则析出草酸钙沉淀,离子方程式为:C2O2-4+Ca2+=CaC2O4↓,过滤出CaC2O4后,用稀硫酸溶解:CaC2O4+H2SO4=H2C2O4 +CaSO4,再用蒸馏水稀释溶液至V0 mL。取出V1 mL用a mol/L的KMnO4酸性溶液滴定,此时发生反应:
2MnO- 4+5H2C2O4+6H+=2Mn2++10CO2↑+8H2O,
若滴定终点时消耗a mol/L的KMnO4 V2 mL,计算样品中CaCO3的质量分数。
正确答案
分析:本题涉及到化学方程式或离子方程式为:
CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑ C2O2-4+Ca2+=CaC2O4↓
CaC2O4+H2SO4=H2C2O4+CaSO4 2MnO- 4+5H2C2O4+6H+=2Mn2++10CO2↑+8H2O
由方程式可以得出相应的关系式:
5CaCO3——5Ca2+——5CaC2O4——5H2C2O4——2MnO-4
5 2
n1(CaCO3) aV2×10-3 mol
n1(CaCO3) =" 2.5" aV2×10-3 mol
样品中:n(CaCO3) = 2.5 aV2×10-3× mol
则:ω(CaCO3) =
硅是信息产业、太阳能电池光电转化的基础材料。锌还原四氯化硅是一种有着良好应用前景的制备硅的方法,该制备过程示意如下:
(1)焦炭在过程Ⅰ中作______剂。
(2)过程Ⅱ中的Cl2用电解饱和食盐水制备,制备Cl2的化学方程式是 。
(3)整个制备过程必须严格控制无水。
①SiCl4遇水剧烈水解生成SiO2和一种酸,反应的化学方程式是 。
②干燥Cl2时,从有利于充分干燥和操作安全的角度考虑,需将约90℃的潮湿氯气先冷却至12℃,然后再通入到浓H2SO4中。冷却的作用是 。
(4)Zn还原SiCl4的反应如下:
反应1: 400℃~756℃ ,SiCl4(g) + 2Zn(l) Si(s) + 2ZnCl2(l) ΔH1 <0
反应2: 756℃~907℃ ,SiCl4(g) + 2Zn(l) Si(s) + 2ZnCl2(g) ΔH2 <0
反应3: 907℃~1410℃,SiCl4(g) + 2Zn(g) Si(s) + 2ZnCl2(g) ΔH3 <0
① 对于上述三个反应,下列说法合理的是_____。
a.升高温度会提高SiCl4的转化率 b.还原过程需在无氧的气氛中进行
c.增大压强能提高反应的速率 d.Na、Mg可以代替Zn还原SiCl4
② 实际制备过程选择“反应3”,选择的理由是 。
③ 已知Zn(l)=Zn(g) ΔH =" +116" KJ/mol 。若SiCl4的转化率均为90%,每投入1mol SiCl4,“反应3”比“反应2”多放出_____kJ的热量。
(5)用硅制作太阳能电池时,为减弱光在硅表面的反射,采用化学腐蚀法在其表面形成粗糙的多孔硅层。腐蚀剂常用稀HNO3和HF的混合液。硅表面首先形成SiO2,最后转化为H2SiF6。用化学方程式表示SiO2转化为H2SiF6的过程 。
正确答案
(1)还原剂(2分)
(2)2NaCl + 2H2O2NaOH + Cl2↑+ H2↑(2分)
(3)① SiCl4 + 2H2O = SiO2 + 4HCl (2分)
② 使水蒸气冷凝,减少进入浓硫酸的水量,保持持续的吸水性,并降低放出的热量(2分)
(4) ① b c d(1分)
② 温度高,反应速率快;与前两个反应比较,更易于使硅分离,使化学平衡向右移动,提高转化率。(2分)
③ 208.8 (1分)
(5) SiO2 +6HF = H2SiF6 + 2H2O (2分)
试题分析:石英砂主要成分是SiO2,被碳还原为粗硅,与氯气化合得到SiCl4,在被还原得高纯硅。SiCl4水解生成的酸根据复分解原理,可推知为盐酸;(4)①a、升高温度,平衡逆向移动,降低SiCl4的转化率,错误;b、锌做还原剂应在无氧的条件下进行,正确;c、增大压强,平衡正向移动,提高SiCl4的转化率,正确;d、Na、Mg的还原性强,可以代替锌,正确。③每投入1mol SiCl4,反应2摩尔锌,热量为332kJ,利用率为90%,可计算出结果208.8kJ。
(15分)高纯晶体硅是信息技术的关键材料。
(1)硅元素位于周期表的______周期______族。下面有关硅材料的说法中正确的是__________(填字母)。
E.盐酸可以与硅反应,故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅
(2)工业上用石英砂和焦炭可制得粗硅。
已知:
请将以下反应的热化学方程式补充完整:
SiO2(s) + 2C(s) ="==" Si(s) + 2CO(g) △H = ________
(3)粗硅经系列反应可生成硅烷(SiH4),硅烷分解生成高纯硅。已知硅烷的分解温度远低于甲烷,用原子结构解释其原因:_________,Si元素的非金属性弱于C元素,硅烷的热稳定性弱于甲烷。
(4)将粗硅转化成三氯氢硅(SiHCl3),进一步反应也可制得高纯硅。
①SiHCl3中含有的SiCl4、AsCl3等杂质对晶体硅的质量有影响。根据下表数据,可用________ 方法提纯SiHCl3。
②用SiHCl3制备高纯硅的反应为SiHCl3(g) +H2(g) Si(s) + 3HCl(g), 不同温度下,SiHCl3的平衡转化率随反应物的投料比(反应初始时,各反应物的物质的量之比)的变化关系如右图所示。下列说法正确的是________(填字母序号)。
a.该反应的平衡常数随温度升高而增大
b.横坐标表示的投料比应该是
c.实际生产中为提高SiHCl3的利用率,应适当升高温度
③整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质,写出配平的化学反应方程式:____________________。
正确答案
(1)3(1分) ⅣA (1分) BCD(2分)
(2)+638.4 kJ·mol-1(2分) (单位写错扣1分)
(3)C和Si最外层电子数相同(或“是同主族元素”) (2分),C原子半径小于Si(或“C原子电子层数少于Si”) (2分)
(4)①蒸馏(或分馏) (1分) ②a、c(2分)
③SiHCl3+3H2O===H2SiO3↓+H2↑+3HCl↑(2分)
试题分析:(1) 硅元素位于周期表的3周期ⅣA族。碳化硅化学性质稳定,可耐高温,但不可能做水泥,A错;盐酸不能与硅反应,应采用氢氟酸为抛光液抛光单晶硅,E错。
(2)根据两个反应过程能量变化图像可知:Si(s) + O2(s) ="==" SiO2(s) △H=-859.4kJ·mol-1
2C(s) + O2(s)===2CO(g) △H =-221.0kJ·mol-1
用第二个方程式减去第一个方程式得出所需反应,可以计算出△H =+638.4 kJ·mol-1。
(3) 硅烷的分解温度远低于甲烷,是因为C和Si最外层电子数相同(或“是同主族元素”),C原子半径小于Si(或“C原子电子层数少于Si”)
(4)①SiHCl3中含有的SiCl4、AsCl3等杂质,而SiHCl3沸点最低,可采用蒸馏(或分馏)提纯;②a项中,因为反应投料比相同时,温度越高,SiHCl3的转化率越大,说明正反应是吸热反应,故该反应的平衡常数随温度升高而增大;b项中,反应投料比最大,同一温度曲线,SiHCl3的转化率越大,只有加入H2的量才能实现,说明横坐标表示的投料比应该是;c项中,SiHCl3沸点低,实际生产中为提高SiHCl3的利用率,应适当升高温度。
③根据质量守恒定律,可确定产物中H元素不守恒,即添加H2,有SiHCl3+3H2O="==" H2SiO3↓+H2↑+3HCl↑
硅在地壳中的含量较高。硅及其化合物的开发由来已久,在现代生活中有广泛应用。回答下列问题:
(1)1810年瑞典化学家贝采利乌斯在加热石英砂、木炭和铁时,得到一种“金属”。这种“金属”可能是 。
(2)陶瓷、水泥和玻璃是常用的硅酸盐材料。其中,生产普通玻璃的主要原料有 。
(3)高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业上提纯硅有多种路线,其中一种工艺流程示意图及主要反应如下:
①用石英砂和焦炭在电弧炉中高温加热也可以生产碳化硅,该反应的化学方程式为 ;碳化硅又称 ,其晶体结构与 相似。
②在流化床反应的产物中,SiHCl3大约占85%,还有SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl等,有关物质的沸点数据如下表,提纯SiHCl3的主要工艺操作依次是沉降、冷凝和 。
③SiHCl3极易水解,其完全水解的产物为 。
(4)氯碱工业可为上述工艺生产提供部分原料,这些原料是 。
正确答案
(1)含有硅、碳的铁合金(或硅铁);
(2)石英砂、纯碱和石灰石;
(3)①SiO2+3CSiC+2CO↑;金刚砂;金刚石(或单晶硅);
②精馏(或蒸馏)③H4SiO4(或H2SiO3)、H2、HCl
(4)H2、HCl
(1)加热石英砂、木炭、铁,得到一种金属,说明了这种金属是合金。即含硅、炭的铁的合金;
(2)生成玻璃的原料是石英砂、纯碱和石灰石;
(3)在电炉里发生反应,除生成硅外,还可能生成SiC,SiO2+3CSiC+2CO,碳化硅又名金刚砂,它的结构与金刚石相似。得到的硅是粗硅与HCl的反应,得到一系列化合物,由于沸点存在着差异,可以采取蒸馏的方法分离得到SiHCl3,SiHCl3易水解,生成硅酸和HCl、H2;上述工艺需要HCl和H2,方程式是SiHCl3+3H2O═H2SiO3+H2↑+3HCl↑,这些都可以通过氯碱工业上提供。
[化学——选修3:物质结构与性质](15分)
硅是重要的半导体材料,构成了现代电子工业的基础。回答下列问题:
(1)基态Si原子中,电子占据的最高能层符号为____ ,该能层具有的原子轨道数为____ 、电子数为 。
(2)硅主要以硅酸盐、____ 等化合物的形式存在于地壳中。
(3)单质硅存在与金刚石结构类似的晶体,其中原子与原子之间以 相结合,其晶胞中共有8个原子,其中在面心位置贡献____ 个原子。
(4)单质硅可通过甲硅烷(SiH4)分解反应来制备。工业上采用Mg2Si和NH4C1在液氨介质中反应制得SiH4,该反应的化学方程式为___ 。
(5)碳和硅的有关化学键键能如下所示,简要分析和解释下列有关事实:
①硅与碳同族,也有系列氢化物,但硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多,原因是 。
②SiH4的稳定性小于CH4,更易生成氧化物,原因是____ 。
(6)在硅酸盐中,SiO44-四面体(如下图(a))通过共用顶角氧离子可形成岛状、链状、层状、骨架网状四大类结构型式。图(b)为一种无限长单链结构的多硅酸根,其中Si原子的杂化形式为 。Si与O的原子数之比为 。
正确答案
(1)M 9 4
(2)二氧化硅
(3)共价键 3
(4)Mg2Si+4NH4Cl=SiH4+4NH3+2MgCl2
(5)①C—C键和C—H键较强,所形成的烷烃稳定。而硅烷中Si—Si键和Si—H键的键能较低,易断裂。导致长链硅烷难形成。
②C—H键的键能大于C—O键,C—H键比C—O键稳定。而,Si—H键的键能远小于Si—O键,所以Si—H键不稳定而倾向于形成稳定性更强的Si—O键
(6)sp3 1:3 SiO32-
试题分析:⑴根据硅的原子序数为14,其基态原子的电子排布式为1s22s22p63s23p2,则电子占据的最高能层符号为M(第三层),该能层具有的原子轨道数为9,电子数为4。
⑵硅主要以硅酸盐、二氧化硅等化合物的形式存在于地壳中。
⑶单质硅属于原子晶体,其中原子与原子之间以共价键相结合,其晶胞中共有8个原子,有6个位于面心,故在面心位置贡献3个原子。
⑷Mg2Si和NH4C1反应制备SiH4,据原子守恒生成物还有NH3和MgCl2,最后根据观察法将其配平。
⑸①由于非金属性C>Si,又据表中C-C键和C-H键的键能比Si-Si 、Si-H的键能大,故形成的烷烃比硅烷稳定,同时也导致长链硅烷难以生成,故硅烷在种类和数量上都远不如烷烃多。
②由于C-H键的键能大于C-O键,说明C-H键比C-O键稳定,而Si-H键的键能却远小于Si-O键,所以Si-H键不稳定更倾向于生成更稳定的Si-O键,故SiH4的稳定性小于CH4,更易生成氧化物。
⑹根据“SiO44-的四面体”结构,可知其Si原子的杂化形式为sp3;Si与O的原子数之比为1:(2+2×)=1:3(注意:每个结构单元中有2个氧原子与其它2个结构单元共用)。
晶体硅是一种重要的非金属材料,制备纯硅的主要步骤如下:
①高温下用过量的碳还原二氧化硅制得粗硅,同时得到一种可燃性气体;
②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3(Si+3HClSiHCl3+H2);
③SiHCl3与过量的H2在1 100~1 200 ℃的温度下反应制得纯硅,已知SiHCl3能与水剧烈反应,在空气中易自燃。
请回答:
(1)第一步制取粗硅的化学反应方程式为 。
(2)粗硅与HCl气体反应完全后,经冷凝得到的SiHCl3(沸点33.0 ℃)中含有少量SiCl4(沸点57.6 ℃)和HCl(沸点-84.7 ℃),提纯SiHCl3采用的方法为 。
(3)实验室用SiHCl3与过量的H2反应制取纯硅装置如图所示(加热和夹持装置略去):
①装置B中的试剂是 ,装置C中的烧杯需要加热,目的是 。
②反应一段时间后,装置D中观察到的现象是 ,装置D不能采用普通玻璃管的原因是 ,装置D中发生反应的化学方程式是 。
③为保证制备纯硅实验的成功,操作的关键是检查实验装置的气密性,控制好反应温度以及 。
正确答案
(1)SiO2+2CSi+2CO↑
(2)分馏(或蒸馏)
(3)①浓硫酸 使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化
②有固体物质生成 在题给反应温度下(1 100~1 200 ℃),普通的玻璃会软化
SiHCl3+H2Si+3HCl
③排尽装置中的空气
(3)①因SiHCl3与水强烈反应,故A中产生的H2必须干燥,因此B中的试剂为浓H2SO4,且C烧瓶需加热,其目的是使SiHCl3汽化,加快其与H2的反应速率。②石英管中产生的物质应为硅,故D中有固体产生,由题给信息,制纯硅的反应条件为1 100~1 200 ℃,此温度下普通的玻璃容易软化。③因高温下H2与O2反应容易爆炸,故还应排尽装置中的空气。
氮化硅可用作高温陶瓷复合材料,在航空航天、汽车发动机、机械等领域有着广泛的应用。由石英砂合成氮化硅粉末的路线如下图所示:
其中-NH2中各元素的化合价与NH3相同。请回答下列问题:
(1)石英砂不能与碱性物质共同存放,以NaOH为例,用化学反应方程式表示其原因: 。
(2)图示①~⑤的变化中,属于氧化还原反应的是 。(3)SiCl4在潮湿的空气中剧烈水解,产生白雾,军事工业中用于制造烟雾剂。SiCl4水解的化学反应方程式为 。
(4)在反应⑤中,3 mol Si(NH2)4,在高温下加热可得1 mol氮化硅粉末和8 mol A气体,则氮化硅的化学式为 。
(5)在高温下将SiCl4在B和C两种气体的气氛中,也能反应生成氮化硅,B和C两种气体在一定条件下化合生成A。写出SiCl4与B和C两种气体反应的化学方程式 。
正确答案
(1)SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O
(2)①②
(3)SiCl4+3H2O=4HCl↑+H2SiO3↓
(4)Si3N4
(5)3SiCl4+2N2+6H2Si3N4+12HCl。
石英砂不能与碱性物质共同存放的实质是SiO2与碱性物质可以发生反应。反应①是石英砂与焦炭发生氧化还原反应,反应②是硅单质与Cl2反应,也是氧化还原反应。SiCl4水解可以看做Si结合四个OH-生成H4SiO4,H4SiO4不稳定失水生成H2SiO3,Cl-结合H+生成HCl。氮化硅的化学式可通过题目信息,运用质量守恒求得。结合题给信息,SiCl4与N2、H2反应可得到Si3N4和HCl。
6.1gSiO2跟足量的NaOH溶液反应,然后再用适量盐酸滴加至中性,生成的硅酸沉淀质量为7.8g。求此SiO2的纯度。
正确答案
98.4%
设实有SiO2为x g
SiO2 — H2SiO3
60 78
x 7.8
求得:x="6" g
SiO2纯度:
为了证明一氧化碳具有还原性,有人设计了下列实验:
(1)装置B中最适宜的试剂是 。
(2)装置D中发生反应的化学方程式是 , 。
(3)必须用装置C吸收除去气体中水蒸气的理由是 , 。
(4)若根据F中石灰水变浑浊的现象也能确定CO具有还原性,应在上图中装置 与 之间连接下列装置中的 (填序号)。
正确答案
(1)饱和NaHCO3溶液
(2)CO2+C2CO
(3)水蒸气进入D中在高温下能跟碳反应产生H2,H2也能使CuO还原,不能证明CO具有还原性
(4)D E ④
解答本题注意以下两点:(1)该实验的原理,先制取纯净、干燥的CO2,再用C将CO2还原为CO,利用CO的还原性来检验CO的存在。(2)注意排除水蒸气对实验的干扰。
普通玻璃中,Na2SiO3、CaSiO3、SiO2的物质的量之比是Na2SiO3∶CaSiO3∶SiO2=1∶1∶4。
(1)若以aNa2O·bCaO·mSiO2形式表示此玻璃的组成,则a∶b∶m=____________。
(2)若要制备1 000 kg上述玻璃,需要原料各多少千克?共可产生标准状况下的CO2气体多少升?
正确答案
(1)1∶1∶6
(2)Na2CO3:221.8 kg;CaCO3:209.2 kg;SiO2∶753.1 kg;CO2:9.37×104 L
(1)根据原子个数相等的原则,Na2SiO3∶CaSiO3∶4SiO2等同于Na2O·CaO·6SiO2,即a∶b∶m=1∶1∶6.
(2)制造玻璃的原料是Na2CO3、CaCO3和SiO2,根据反应原理:Na2CO3+SiO2Na2SiO3+CO2↑,CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑。玻璃的化学式为Na2O·CaO·6SiO2,由元素守恒可得关系式:Na2O·CaO·6SiO2→Na2CO3→CaCO3→6SiO2→2CO2。据此可计算出所需的原料和放出CO2的体积。另外还可以用制造1 000 kg玻璃所需的原料和1 000 kg玻璃的差值计算出CO2的质量,继而计算其体积。
生态溶液涉及农家肥料的综合利用,某种肥料经发酵得到一种含有甲烷、二氧化碳、氮气的混合气体。2.016L(标准状况)该气体通过盛有红色CuO粉末的硬质玻璃管,发生的反应为:CH4+4CuOCO2+2H2O+4Cu。当甲烷完全反应后,硬质玻璃管的质量减轻4.8g。将反应后产生的气体通过过量的澄清石灰水,充分吸收,生成沉淀8.5g。试计算:
(1)原混合气体中甲烷的物质的量是____________;二氧化碳的质量是 。
(2)原混合气体中氮气的体积分数为 。
正确答案
(1)0.075mol(2分);0.44g(2分)(2)5.56%(2分)。
解析:由于硬质玻璃管减少的质量为CuO中的氧的质量,所以n(CuO)==0.3mol,由方程式可知反应的CH4的物质的量为0.075mol。生成的CO2也为0.075mol,将气体通过澄清的石灰水生成8.5g沉淀,所以n(CO2)=0.085mol,原混合气体中的n(CO2)=0.01mol,而气体的总物质的量为:=0.09mol,所以n(N2)=0.005mol,N2的体积分数为:×100%=5.56%。
略
(10分)工业生产粗硅的反应有:
SiO2+2CSi(粗)+2CO↑;SiO2+3C
SiC+2CO↑。
(1)若产品中粗硅与碳化硅的物质的量之比为1∶1,则参加反应的C 和SiO2的质量比为______________。
(2)粗硅进一步制备纯硅的原理如下:
Si(粗)+2Cl2(g) SiCl4(l); SiCl4+2H2
Si(纯)+4HCl。
若上述反应中Si(粗)和SiCl4的利用率均为80%,制粗硅时有10%的SiO2转化为SiC,则生产25.2吨纯硅需纯度为75%石英砂_______________吨。
(3)工业上还可以通过如下图所示的流程制取纯硅:
若反应①为:Si(粗)+3HCl(g)SiHCl3(l)+H2(g);
则反应②的化学方程式为___________________________________ 。
假设每一轮次生产过程中,硅元素没有损失,反应①中HCl的利用率为α1,反应②中H2的利用率为α2,,若制备1mol纯硅,在第二轮次的生产中,现补充投入HCl和H2的物质的量之比是5∶1。则α1与α2的代数关系式为____________________________。
正确答案
(10分)
(1)1∶2(2分)
(2)125t(3分)
(3)SiHCl3+H2Si(纯)+3HCl (2分) 5α1= 3α2 + 2α1α2 (3分)
略
工业生产粗硅的主要原理为:SiO2+2C 3273K Si(粗)+2CO↑。
(1)若在制粗硅的过程中同时生成了碳化硅,且生成的硅和碳化硅的物质的量之比为5∶1,则参加反应的C和SiO2的质量比为 。
(2)工业上可通过如下流程由粗硅制取纯硅:
Si(粗) SiCl4(l) Si(纯)
若上述反应中Si(粗)和SiCl4的利用率均为80%,制粗硅时有10%的SiO2转化为SiC,则生产100.8t纯硅需纯度为75%的石英砂多少吨?
(3)工业上还可以通过下图所示的流程来制取纯硅:
反应①: Si(粗)+3HCl(g) 553~573K SiHCl3(l)+H2(g)
反应②: SiHCl3+H2 1373K Si(纯)+3HCl
假设在每一轮次的投料生产中,硅元素没有损失,反应①中HCl的利用率为75%,反应②中H2的利用率为80%,则在下轮次的生产中,需补充投入HCl和H2的体积比为多少?
正确答案
(1)① SiO2+2C 3273K Si(粗)+2CO↑ ② Si+ C="SiC" 若①×6+ ②得
6SiO2+13C 3273K 5Si(粗)+SiC+ 12CO↑ ,此时两者质量比为(12×13):(60×6)=13:30
(2)设需纯度为75%的石英砂x。
根据题意有下列关系式:
SiO2 ~ Si ~ SiCl4 ~ Si(纯)
60 28
x×75%×(1-10%)×80%×80% 100.8t (2分)
解得:x="500t " (2分)
(3)设每轮生产投入的粗硅中含1molSi
则由反应①可知:
消耗HCl的物质的量为3 mol /75%=4mol,生成H2的物质的量为1mol(1分)
由反应②可知:
消耗H2的物质的量为1mol/80%=1.25mol,生成HCl的物质的量为3mol (1分)
则在一轮次的生产中,需补充投入HCl和H2的物质的量之比(即体积比)为:
(4mol-3mol)∶(1.25mol-1mol)=4∶1(1分)
(1)① SiO2+2C 3273K Si(粗)+2CO↑ ② Si+ C="SiC" 若①×6+ ②得
6SiO2+13C 3273K 5Si(粗)+SiC+ 12CO↑ ,此时两者质量比为(12×13):(60×6)=13:30
(2)设需纯度为75%的石英砂x。
根据题意有下列关系式:
SiO2 ~ Si ~ SiCl4 ~ Si(纯)
60 28
x×75%×(1-10%)×80%×80% 100.8t (2分)
解得:x="500t " (2分)
(3)设每轮生产投入的粗硅中含1molSi
则由反应①可知:
消耗HCl的物质的量为3 mol /75%=4mol,生成H2的物质的量为1mol(1分)
由反应②可知:
消耗H2的物质的量为1mol/80%=1.25mol,生成HCl的物质的量为3mol (1分)
则在一轮次的生产中,需补充投入HCl和H2的物质的量之比(即体积比)为:
(4mol-3mol)∶(1.25mol-1mol)=4∶1(1分)
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