硅是帶來人類文明的重要元素之一，從傳統材料到信息材料的發展過程中創造了一個又一個奇蹟。(1)新型陶瓷Si3N4...

問題詳情：

硅是帶來人類文明的重要元素之一，從傳統材料到信息材料的發展過程中創造了一個又一個奇蹟。

(1)新型陶瓷Si3N4的熔點高、硬度大、化學*質穩定。工業上可以採用化學氣相沉積法，在H2的保護下，使SiCl4與N2反應生成Si3N4沉積在石墨表面，寫出該反應的化學方程式_________________________________________________。

(2)一種用工業硅(含少量鉀、*、鐵、銅的氧化物)，已知硅的熔點是1 420 ℃，高温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下：

①淨化N2和H2時，銅屑的作用是：__________________；硅膠的作用是_____________________________________________________________________。

②在氮化爐中3Si(s)＋2N2(g)===Si3N4(s)　ΔH=－727.5 kJ·mol－1，開始時為什麼要嚴格控制氮氣的流速以控制温度______________；體系中要通入適量的*氣是為了_______________________________________________________________。

③X可能是________(選填：“鹽*”、“**”、“硫*”、“***”)。

(3)工業上可以通過如下圖所示的流程製取純硅：

①整個製備過程必須嚴格控制無水無氧。SiHCl3遇水劇烈反應，寫出該反應的化學方程式________________________________________________________。

②假設每一輪次製備1 mol純硅，且生產過程中硅元素沒有損失，反應I中HCl的利用率為90%，反應Ⅱ中H2的利用率為93.75%。則在第二輪次的生產中，補充投入HCl和H2的物質的量之比是________。

【回答】

解析　(1)在H2的保護下，使SiCl4與N2反應生成Si3N4，氮元素的化合價由0價降低到－3價，則*氣中的*元素由0價升高到＋1價生成HCl，根據得失電子守恆和原子守恆配平，反應的化學方程式為3SiCl4＋2N2＋6H2===Si3N4＋12HCl。

(2)①因為高温下氧氣及水蒸氣能明顯腐蝕氮化硅，則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3Si(s)＋2N2(g)===Si3N4(s)　ΔH=－727.5 kJ·mol－1，該反應是放熱反應，防止局部過熱，導致硅熔化熔合成團，阻礙與N2的接觸，開始時要嚴格控制氮氣的流速以控制温度；為了將整個體系中空氣排盡，體系中要通入適量的*氣；③由於硅中含有銅的氧化物，在反應中氧化銅能被還原生成銅，因此要除去銅應該選擇**，鹽*和硫*不能溶解銅，***能腐蝕氮化硅。

(3)①SiHCl3遇水劇烈反應，生成硅*、HCl和*氣，反應的化學方程式SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋3HCl＋H2↑。

②由題中條件可知：Si(粗)＋3HClSiHCl3＋H2

                  1 mol   3 mol           1 mol

SiHCl3＋H2Si(純)＋3HCl

1 mol  1 mol                    3 mol

由以上數據，循環生產中只能產生3 mol HCl，但HCl的利用率是90%，因此需要增加(3÷90%－3)mol HCl，循環生產中只產生1 mol H2，但H2的利用率為93.75%，因此需增加(1÷93.75%－1)mol H2，因此，補充投入HCl 和H2的物質的量之比為：(3÷90%－3)∶(1÷93.75%－1)=5∶1。

*　 (1)3SiCl4＋2N2＋ 6H2===Si3N4＋12HCl

(2)①除去原料氣中的氧氣　除去生成的水蒸氣

②這是放熱反應，防止局部過熱，導致硅熔化熔合成團，阻礙與N2的接觸

將體系中的氧氣轉化為水蒸氣，而易被除去(或將整個體系中空氣排盡)

③**　(3)①SiHCl3＋3H2O===H2SiO3＋3HCl＋H2↑　②5∶1

知識點：非金屬元素的單質及其化合物

題型：綜合題