Question

6．硅是带来人类文明的重要元素之一，从传统材料到信息材料的发展过程中创造了一个有一个奇迹．
（1）新型陶瓷Si₃N₄的熔点高、硬度大、化学性质稳定．工业上可以采用化学气相沉积法，在H₂的保护下，使SiCl₄与N₂反应生成Si₃N₄沉积在石墨表面，写出该反应的化学方程式3SiCl₄+2N₂+6H₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl．
（2）一种用工业硅（含少量钾、钠、铁、铜的氧化物），已知硅的熔点是1420℃，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅．一种合成氮化硅的工艺主要流程如图：

①净化N₂和H₂时，铜屑的作用是：除去原料气中的氧气；硅胶的作用是除去生成的水蒸气．
②在氮化炉中3SiO₂（s）+2N₂（g）═Si₃N₄（s）△H=-727.5kJ/mol，开始时为什么要严格控制氮气的流速以控制温度该反应为放热反应，防止局部过热，导致硅熔化熔合成团，阻碍与N₂的接触；体系中要通入适量的氢气是为了将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去（或将整个体系中空气排尽）．
③X可能是硝酸（选填：“盐酸”、“硝酸”、“硫酸”、“氢氟酸”）．
（3）工业上可以通过如图所示的流程制取纯硅：

①整个制备过程必须严格控制无水无氧．SiHCl₃遇水剧烈反应，写出该反应的化学方程式3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl．
②假设每一轮次制备1mol纯硅，且生产过程中硅元素没有损失，反应Ⅰ中HCl的利用率为90%，反应Ⅱ中H₂的利用率为93.75%．则在第二轮次的生产中，补充投入HCl和H₂的物质的量之比是5：1．

Answer 1

分析 （1）根据信息：四氯化硅和氮气在氢气的气氛保护下，加强热发生反应，除生成氮化硅外还有氯化氢生成；
（2）①Cu能与氧气反应，硅胶具有吸水性；
②控制氮气的流速是防止温度过高，体系中要通入适量的氢气可将氧气转化为水蒸气；
③氮化硅能与HF酸反应，盐酸、稀硫酸均不与Cu反应，氮化硅中混有铜粉；
（3）①SiHCl₃遇水剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和氢气；
②反应生产1mol纯硅需补充HCl：$\frac{3}{90%}$-3，需补充H₂：$\frac{1}{93.95%}$-1．

解答 解：（1）由信息：四氯化硅和氮气在氢气的气氛保护下，加强热发生反应，可得较高纯度的氮化硅以及氯化氢，方程式为：3SiCl₄+2N₂+6H₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl，
故答案为：3SiCl₄+2N₂+6H₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Si₃N₄+12HCl；
（2）①Cu能与氧气反应，则Cu屑的作用为除去原料气中的氧气；硅胶具有吸水性，可除去生成的水蒸气，
故答案为：除去原料气中的氧气；除去生成的水蒸气；
②氮化炉中3SiO₂（s）+2N₂（g）=Si₃N₄（s）△H=-727.5kJ/mol，该反应为放热反应，开始时严格控制氮气的流速以控制温度是防止局部过热，导致硅熔化熔合成团，阻碍与N₂的接触；体系中要通入适量的氢气是为将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去（或整个体系中空气排尽），
故答案为：该反应为放热反应，防止局部过热，导致硅熔化熔合成团，阻碍与N₂的接触；将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去（或将整个体系中空气排尽）；
③氮化硅能与HF酸反应，盐酸、稀硫酸均不与Cu反应，氮化硅中混有铜粉，为除去混有的Cu，可选择硝酸，Cu与硝酸反应，而氮化硅与硝酸不反应，
故答案为：硝酸；
（3）①SiHCl₃遇水剧烈反应生成H₂SiO₃、HCl和氢气：3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl，
故答案为：3SiHCl₃+3H₂O═H₂SiO₃+H₂↑+3HCl；
③反应生产1mol纯硅需补充HCl：$\frac{3}{90%}$-3，需补充H₂：$\frac{1}{93.95%}$-1，补充HCl与H₂的物质的量之比为（$\frac{3}{90%}$-3）：（$\frac{1}{93.95%}$-1）≈5：1．
故答案为：5：1．

点评 本题考查氮化硅的制备实验方案的设计，明确制备实验的装置中各部分的作用及物质的性质是解答本题的关键，注意物质的特性即可解答，题目难度中等．