Question

高純度單晶硅是典型的無(wú)機(jī)非金屬材料，是制備半導(dǎo)體的重要材料，它的發(fā)現(xiàn)和使用曾引起計(jì)算機(jī)的一場(chǎng)“革命”。高純硅通常用以下方法制備：用碳在高溫下還原二氧化硅制得粗硅（含F(xiàn)e、Al、B、P等雜質(zhì)），粗硅與氯氣反應(yīng)生成四氯化硅（反應(yīng)溫度為450～500℃），四氯化硅經(jīng)提純后用氫氣還原可得高純硅。以下是實(shí)驗(yàn)室制備四氯化硅的裝置圖。

相關(guān)信息：a．四氯化硅遇水極易水解；b．硼、鋁、鐵、磷在高溫下均能與氯氣直接化合生成相應(yīng)的氯化物；c．有關(guān)物質(zhì)的物理常數(shù)見下表：

物質(zhì)	SiCl4	BCl3	AlCl3	FeCl3	PCl5
沸點(diǎn)/℃	57.7	12.8	—	315	—
熔點(diǎn)/℃	－70.0	－107.2	—	—	—
升華溫度/℃	—	—	180	300	162

 

請(qǐng)回答下列問題：

（1）儀器e的名稱為____________，裝置A中f管的作用是_______________________________________，其中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為_____        ____________________________________     _______。

（2）裝置B中的試劑是____________。

（3）某學(xué)習(xí)小組設(shè)計(jì)了以下兩種實(shí)驗(yàn)方案：方案甲：g接裝置Ⅰ；方案乙：g接裝置Ⅱ。但是甲乙兩個(gè)方案中虛線內(nèi)裝置均有不足之處，請(qǐng)你評(píng)價(jià)后填寫下表。

方案	不足之處
甲
乙

 

（4）在上述（3）的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)合理方案：___________     ________                  。

（5）通過上述合理的裝置制取并收集到的粗產(chǎn)物可通過精餾（類似多次蒸餾）得到高純度四氯化硅，精餾后的殘留物中，除鐵元素外可能還含有的雜質(zhì)元素是    （填寫元素符號(hào)）。

 

Answer 1

【答案】

（1）蒸餾（具支）燒瓶（1分）；平衡壓強(qiáng)，使液體從分液漏斗中順利流下（2分）

MnO₂＋4H^＋＋2Cl^－Mn^2＋＋2H₂O＋Cl₂↑（2分）

（2）飽和食鹽水（1分）

（3）

方案	不足之處
甲	①空氣中的水蒸氣進(jìn)入產(chǎn)品收集裝置，使產(chǎn)品水解；②沒有尾氣處理，氯氣 會(huì)污染空氣（2分）
乙	①收集產(chǎn)品的導(dǎo)管太短，易堵塞；②沒有冷凝裝置，產(chǎn)品易損失（2分）

 

（4）在裝置I的i處連接干燥管j（2分）

（5）Al、P、Cl（3分）

【解析】

試題分析：（1）根據(jù)儀器的結(jié)構(gòu)可知，儀器e是蒸餾（具支）燒瓶。f管是將分液漏斗與燒瓶相連，則它們中的壓強(qiáng)是相等的，這樣便于分液漏斗中的鹽酸能順利滴下。裝置A是制備氯氣的，實(shí)驗(yàn)室用濃鹽酸與二氧化錳在加熱的條件下制備，因此該反應(yīng)的離子方程式為MnO₂＋4H^＋＋2Cl^－Mn^2＋＋2H₂O＋Cl₂↑。

（2）由于濃鹽酸易揮發(fā)，因此生成的氯氣中含有氯化氫，對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)造成干擾，需要除去氯化氫，因此裝置B中的試劑是飽和食鹽水，用來(lái)除去氯氣中的氯化氫氣體。

（3）SiCl₄的沸點(diǎn)很低，只有57.7℃，而反應(yīng)的溫度達(dá)幾百度，故需要冷凝收集。又因?yàn)樗穆然�硅極易水解，而甲方案中g(shù)接裝置Ⅰ，h與空氣直接相連，則空氣中的水蒸氣進(jìn)入產(chǎn)品收集裝置，使產(chǎn)品水解；另外氯氣有毒，需要尾氣處理，而甲方案中沒有尾氣處理，氯氣會(huì)污染空氣；在乙方案中g(shù)接裝置Ⅱ，由于四氯化硅冷凝后變?yōu)楣腆w，易堵塞導(dǎo)管口。另外沒有冷凝裝置，產(chǎn)品易損失。

（4）由于四氯化硅易水解，因此需要有干燥裝置，所以在方案甲的基礎(chǔ)上在裝置I的i處連接干燥管j即可。

（5）從物質(zhì)的物理性質(zhì)表可發(fā)現(xiàn)，AlCl₃、FeCl₃和PCl₅均易升華，故精餾后的殘留物中，除鐵元素外可能還含有的雜質(zhì)元素是還應(yīng)還有Al、P、Cl元素。

考點(diǎn)：考查四氯化硅制備實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)