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

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

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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

 

 
 
(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)。
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+2ClMn2+2H2O+Cl2↑(2分)
(2)饱和食盐水(1分)
(3)
方案
不足之处

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)

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备,因此该反应的离子方程式为MnO2+4H+2ClMn2+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)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。
举一反三
清洗和制绒是硅晶片制作的重要步骤之一,硅片化学清洗的主要目的是除去硅片表面杂质(如某些有机物,无机盐,金属、Si、SiO2粉尘等)。常用的化学清洗剂有高纯水、有机溶剂、双氧水、浓酸、强碱等。其中去除硅的氧化物,通常用一定浓度的HF溶液,室温条件下将硅片浸泡1至数分钟。制绒是在硅片表面形成金字塔形的绒面,增加硅对太阳光的吸收。单晶制绒通常用NaOH,Na2SiO3等混合溶液在75~90℃反应25~35 min,效果良好。
回答下列问题
(1)能否用玻璃试剂瓶来盛HF溶液,为什么?用化学方程式加以解释                          
(2)写出晶片制绒反应的离子方程式                                   ,对单晶制绒1990年化学家Seidel提出了一种的电化学模型,他指出Si与NaOH溶液的反应,首先是Si与OH反应,生成SiO44,然后SiO44迅速水解生成H4SiO4。基于此原理分析反应中氧化剂为                    
(3)本校化学兴趣小组同学,为验证Seidel的理论是否正确,完成以下实验:
 
实验事实
事实一
水蒸汽在600℃时可使粉末状硅缓慢氧化并放出氢气。
事实二
盛放于铂或石英器皿中的纯水长时间对粉末状还原硅无腐蚀作用。
事实三
普通玻璃器皿中的水仅因含有从玻璃中溶出的微量的碱便可使粉末状硅在其中缓慢溶解。
事实四
在野外环境里,用较高百分比的硅铁粉与干燥的Ca(OH)2和NaOH,点着后焖烧,可剧烈放出H2
事实五
1g(0.036mo1)Si和20mL含有lgNaOH(0.025mol)的溶液,小心加热(稍微预热),收集到约1700mL H2,很接近理论值(1600mL)。
 
结论:从实验上说明碱性水溶液条件下,H2O可作                剂;NaOH作              剂,降低反应            。高温无水环境下,NaOH作              剂。
(4)在太阳能电池表面沉积深蓝色减反膜——氮化硅晶膜。常用硅烷(SiH4)与氨气(NH3)在等离子体中反应。硅烷是一种无色、有毒气体,常温下与空气和水剧烈反应。下列关于硅烷、氮化硅的叙述不正确的是               
A.在使用硅烷时要注意隔离空气和水,SiH4能与水发生氧化还原反应生成H2
B.硅烷与氨气反应的化学方程式为:3SiH4+4NH3=Si3N4+12H2↑,反应中NH3作氧化剂;
C.它们具有卓越的抗氧化、绝缘性能和隔绝性能,化学稳定性很好,不与任何酸、碱反应;
D.氮化硅晶体中只存在共价键,Si3N4是优良的新型无机非金属材料。
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硅被誉为无机非金属材料的主角。下列物品用到硅单质的是
A.陶瓷餐具B.石英钟表C.计算机芯片D.光导纤维

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单晶硅是制作电子集成电路的基础材料。科学家预计,到2014年一个电脑芯片上将会集成100亿个晶体管,其功能远比我们想象的要大的多,这对硅的纯度要求很高。用化学方法可制得高纯度硅,其化学方程式为 : 
①SiO2 + 2CSi  + 2CO
②Si + 2Cl2SiCl4
③SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl
其中,反应①和③属于
A.化合反应B.分解反应C.置换反应D.复分解反应o

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金刚石SiC具有优良的耐磨、耐腐蚀特性,应用广泛.
(1)碳与同周期元素Q的单质化合仅能生成两种常见气态化合物,其中一种化合物H为非极性分子,碳元素在周期表中的位置是,Q是,R的电子式为.
(2)一定条件下,Na还原CCl4可制备金刚石,反应结束冷却至室温后,回收CCl4的实验操作名称为,除去粗产品中少量钠的试剂为.
(3)碳还原制SiC,其粗产品中杂质为Si和SiO2.先将20.0g粗产品加入到过量的NaOH溶液中充分反应,收集到0.1mol氢气,过滤得SiC固体11.4g,滤液稀释到1L,生成氢气的离子方程式为,硅酸钠的物质的量浓度为
(4)下列叙述正确的有(填序号),
①Na还原CCl4的反应、Cl2与H2O的反应均是置换反应②水晶、干冰熔化时克服粒子间作用力的类型相同③Na2SiO3溶液与SO3的反应可用于推断Si与S的非金属性强弱
④钠、锂分别在空气中燃烧,生成的氧化物中阴阳离子数目比均为1:2
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在下列各溶液中通入足量CO2气体,最终有浑浊产生的(  )
①饱和Na2CO3溶液;②澄清石灰水;③Ca(ClO)2溶液;④CaCl2溶液;⑤Na2SiO3溶液;⑥NaAlO2溶液
A.全部B.除①④外C.除①②③④外 D.除②③④外

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