Question

高纯度单晶硅是典型的无机非金属材料，是制备半导体的重要材料，它的发现和使用曾引起计算机的一场“革命”。高纯硅通常用以下方法制备：用碳在高温下还原二氧化硅制得粗硅（含Fe、Al、B、P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：a．四氯化硅遇水极易水解；b．硼、铝、铁、磷在高温下均能与氯气直接化合生成相应的氯化物；c．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）仪器e的名称为               ，装置A中f管的作用是                           ，其中发生反应的离子方程式为                                              。

（2）装置B中的试剂是                      。

（3）某学习小组设计了以下两种实验方案：方案甲：g接装置Ⅰ；方案乙：g接装置Ⅱ。但是甲乙两个方案中虚线内装置均有不足之处，请你评价后填写下表。

方案	不足之处
甲
乙

 

（4）在上述（3）的评价基础上，请设计一个合理方案：                                   。

（5）通过上述合理的装置制取并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            （填写元素符号）。

 

Answer 1

【答案】

（1）蒸馏（具支）烧瓶（1分）；平衡压强，使液体从分液漏斗中顺利流下（2分）

MnO₂＋4H^＋＋2Cl^－Mn^2＋＋2H₂O＋Cl₂↑（2分）  （2）饱和食盐水（1分）  （3）

方案	不足之处
甲	①空气中的水蒸气进入产品收集装置，使产品水解；②没有尾气处理，氯气 会污染空气（2分）
乙	①收集产品的导管太短，易堵塞；②没有冷凝装置，产品易损失（2分）

 

（4）在装置I的i处连接干燥管j（2分）   （5）Al、P、Cl（3分） 

【解析】

试题分析：（1）根据仪器的结构可知，仪器e是蒸馏（具支）烧瓶。f管是将分液漏斗与烧瓶相连，则它们中的压强是相等的，这样便于分液漏斗中的盐酸能顺利滴下。装置A是制备氯气的，实验室用浓盐酸与二氧化锰在加热的条件下制取氯气，因此该反应的离子方程式为MnO₂＋4H^＋＋2Cl^－Mn^2＋＋2H₂O＋Cl₂↑。

（2）由于浓盐酸易挥发，因此生成的氯气中含有氯化氢，对后续的实验造成干扰，需要除去氯化氢，因此装置B中的试剂是饱和食盐水，用来除去氯气中的氯化氢气体。

（3）由于SiCl₄的沸点很低，只有57.7℃，而反应的温度达几百度，故需要冷凝收集。又因为四氯化硅极易水解，而甲方案中g接装置Ⅰ，h与空气直接相连，则空气中的水蒸气进入产品收集装置，使产品水解；另外氯气有毒，需要尾气处理，而甲方案中没有尾气处理，氯气会污染空气；在乙方案中g接装置Ⅱ，由于四氯化硅冷凝后变为固体，易堵塞导管口。另外没有冷凝装置，产品易损失。

（4）由于四氯化硅易水解，因此需要有干燥装置，所以在方案甲的基础上在装置I的i处连接干燥管j即可。

（5）从物质的物理性质表可发现，AlCl₃、FeCl₃和PCl₅均易升华，故精馏后的残留物中，除铁元素外可能还含有的杂质元素是还应还有Al、P、Cl元素。

考点：考查四氯化硅制备实验的方案设计与评价