Question

5．单质硅是信息产业中重要的基础材料．通常用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅（含铁、铝、硼、磷等杂质），粗硅与氯气反应生成四氯化硅（反应温度为450℃～500℃），四氯化硅经提纯后用氢气还原可得高纯硅．以下是实验室制备四氯化硅的装置图：

相关信息如下：①四氯化硅遇水极易水解
②硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接反应生成相应的氯化物
③有关物质的物理常数见下表：

物质	SiCl4	BCl3	AlCl3	FeCl3	PCl5
沸点/℃	-57.7	12.8	-	315	-
熔点/℃	-70.0	-107.2	-	-	-
升华温度/℃	-	-	180	300	162

请回答下列问题：（1）写出装置A中发生反应的离子方程式MnO₂+4H⁺+2Cl^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Mn²⁺+Cl₂↑+2H₂O．装置C中的试剂是浓硫酸．
（2）装置A中g管的作用是平衡压强，使液体顺利流出并防止漏气；
（3）装置E中h瓶收集到的粗产物可通过精馏（类似多次蒸馏）得到高纯度四氯化硅，精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是Al、P（填写元素符号）．
（4）甲方案：f接装置Ⅰ；乙方案：f接装置Ⅱ．但是装置Ⅰ、Ⅱ都有不足之处，请你设计一个合理方案并用文字表达：在装置Ⅰ的i处接干燥管j
（5）为了分析残留物中铁元素的含量，先将残留物预处理，把铁元素还原成Fe²⁺，再用KMnO₄标准溶液在酸性条件下进行氧化还原滴定，反应的离子方程式是：5Fe²⁺+MnO${\;}_{4}^{-}$+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O  某同学称取5.000g残留物，预处理后在容量瓶中配制成100ml溶液，移取25.00ml，试样溶液，用1.000×10^-2mol•L^-1KMnO₄标准溶液滴定．达到滴定终点时，消耗标准溶液20.00ml，则残留物中铁元素的质量分数是4.480%．（写出计算过程）

Answer 1

分析 由制备四氯化硅的实验流程可知，A中发生二氧化锰与浓盐酸的反应生成氯气，B中饱和实验水除去HCl，C装置中浓硫酸干燥氯气，D中发生Si与氯气的反应生成四氯化硅，由信息可知，E装置制取氢气，F可防止倒吸，最后氢气还原SiCl₄；
（1）装置A是氯气发生装置，A中的离子方程式为MnO₂+4H⁺+2Cl^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Mn²⁺+Cl₂↑+2H₂O；根据制得的氯气中含有氯化氢和水，装置B用饱和食盐水除去氯化氢，装置C用浓硫酸吸水；
（2）因浓盐酸有挥发性，故分液漏斗要加盖，加盖后如没有g管，则盐酸就不易流下去，g管的作用是平衡压强，使液体顺利流出并防止漏气；
（3）D中氯气与粗硅反应生成SiCl₄，h瓶收集粗产物，精馏粗产品可得高纯度四氯化硅，由表中数据可以看出，蒸出SiCl₄气体时，BCl₃早已成气体被蒸出，而AlCl₃、FeCl₃、PCl₅升华温度均高于SiCl₄；
（4）收集产品的导管太细易堵塞导管；制取的四氯化硅需要冷凝；由于尾气中含有氯气，要设置尾气处理装置，四氯化硅易水解，要避免空气中的水蒸气进入产品收集装置；
（5）结合元素守恒，利用氧化还原反应原理书写离子反应方程式，根据关系式5Fe²⁺～MnO₄^-计算出100mL溶液中含有的铁，最后求出质量百分数．

解答 解：（1）装置A是氯气发生装置，A中的离子方程式为MnO₂+4H⁺+2Cl^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Mn²⁺+Cl₂↑+2H₂O，制得的氯气中含有氯化氢和水，装置B用饱和食盐水除去氯化氢，装置C用浓硫酸吸水；
故答案为：MnO₂+4H⁺+2Cl^-$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Mn²⁺+Cl₂↑+2H₂O；浓硫酸；
（2）浓盐酸有挥发性，故分液漏斗要加盖，加盖后如没有g管，则盐酸就不易流下去，g管的作用是平衡压强，使液体顺利流出并防止漏气；产物SiCl₄沸点低，需要冷凝收集；
故答案为：平衡压强，使液体顺利流出并防止漏气；
（3）D中氯气与粗硅反应生成SiCl₄，h瓶收集粗产物，精馏粗产品可得高纯度四氯化硅，由表中数据可以看出，蒸出SiCl₄气体时，BCl₃早已成气体被蒸出，而AlCl₃、FeCl₃、PCl₅升华温度均高于SiCl₄的沸点，所以当SiCl₄蒸出后，而AlCl₃、FeCl₃、PCl₅还为固体留在瓶里，除铁元素外可能还含有的杂质元素是Al、P，
故答案为：Al、P；
（4）四氯化硅在常温下易液化，如果收集产品的导管太细易堵塞导管；制取的四氯化硅需要冷凝；由于尾气中含有氯气，要设置尾气处理装置，四氯化硅易水解，要避免空气中的水蒸气进入产品收集装置，在装置Ⅰ的i处接干燥管j，
故答案为：在装置Ⅰ的i处接干燥管j；
（5）用KMnO₄标准溶液在酸性条件下进行氧化还原滴定，反应的离子方程式是：5Fe²⁺+MnO₄^-+8H⁺=5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O，MnO₄^-转变成Mn²⁺溶液颜色有紫色变成无色，KMnO₄标准溶液在酸性条件下进行氧化还原滴定时，不需要指示剂，判断是否达到滴定终点的方法为：当滴入最后一滴KMnO₄溶液时，溶液颜色由无色变为紫色，且30秒不褪色，利用关系式法计算：
     5Fe^2+_～MnO₄^-
4×10^-3mol 1.000×10^-2mol•L^-1×0.02L×$\frac{100}{25}$
铁元素的质量为：4×10^-3mol×56g/mol=2.24×10^-1g，铁元素的质量分数$\frac{2.24×1{0}^{-1}g}{5.000g}$×100%=4.480%，
故答案为：4.480%．

点评 本题为传统的综合实验方案设计题，综合了氯气的制法、硅的提纯、滴定法等了实验知识，注意滴定食盐的定量计算分析，掌握基础是关键，题目难度增中等．