高中化学 专题讲座（八）硅单质的精制 鲁科版必修1-鲁科版高一必修1化学学案

硅单质的精制高纯硅是现代信息、半导体和光伏发电等产业都需要的基础材料。工业生产的硅含有多种杂质，需经提纯处理得到高纯硅。工业生产纯硅制法如下：(1)制粗硅：SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高温),\s\do5())Si(粗)＋2CO↑。(2)粗硅与干燥HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HCleq\o(==,\s\up15(250～300℃),\s\do15(Cu粉或Ag粉))SiHCl3＋H2。(3)SiHCl3与过量H2在1100～1200℃下反应制得纯硅。[练习]________________________________________1．晶体硅是一种重要的非金属材料。制备纯硅的主要步骤如下：①高温下用碳还原二氧化硅制得粗硅；②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl3：Si＋3HCleq\o(=,\s\up15(300℃))SiHCl3＋H2；③SiHCl3与过量H2在1000～1100℃反应制得纯硅。已知SiHCl3能与H2O剧烈反应，在空气中易自燃。请回答下列问题：(1)第①步制备粗硅的化学方程式为_____________________________________________________________________________。(2)用SiHCl3与过量H2反应制备纯硅的装置如图所示(热源及夹持装置均已略去)：①装置B中的试剂是________，装置C中的烧瓶需要加热，其目的是______________________________________________________________________________________________。②反应一段时间后，装置D中观察到的现象是______________________________________________________________________，装置D不能采用普通玻璃管的原因是_________________________________________________________________________，装置D中发生反应的化学方程式为_______________________。③为保证制备纯硅实验的成功，操的关键是检查实验装置气密性，控制好反应温度以及___________________________________。解析：(1)在高温条件下，用C还原SiO2生成Si和CO。(2)因为由Zn、稀硫酸制得的H2中会混有少量H2O，而SiHCl3能与H2O剧烈反应，所以要对H2进行干燥，根据装置应选择液态干燥剂——浓硫酸。装置C用水浴加热SiHCl3使其汽化，和H2进入装置D反应，因为SiHCl3与H2在1000～1100℃下反应，温度很高，普通玻璃会软化，因此不能使用普通玻璃管。因为SiHCl3在空气中易自燃，实验中还要注意先通一段时间H2以排尽装置中的空气。答案：(1)SiO2＋2Ceq\o(=,\s\up15(高温))Si＋2CO↑(2)①浓硫酸使滴入烧瓶中的SiHCl3汽化②有固体物质生成在此反应温度下，普通玻璃会软化SiHCl3＋H2eq\o(==,\s\up15(1000～1100℃))Si＋3HCl③排尽装置中的空气2．硅单质及其化合物应用范围很广。请回答下列问题：(1)制备硅半导体材料必须先得到高纯硅，三氯甲硅烷(SiHCl3)还原法是当前制备高纯硅的主要方法，生产过程示意图如下：eq\x(石英砂)eq\o(→,\s\up15(①焦炭),\s\do15(高温))eq\x(粗硅)eq\o(→,\s\up15(②HCl),\s\do15(573K以上))eq\x(SiHCl3（粗）)eq\o(→,\s\up15(③精馏))eq\x(SiHCl3（纯）)eq\o(→,\s\up15(④H2),\s\do15(1357K))eq\x(高纯硅)①写出由纯SiHCl3制备高纯硅的化学方程式：____________________________________________________________________。②整个制备过程必须严格控制无水无氧。SiHCl3遇水剧烈反应生成H2SiO3、HCl和另一种物质，写出配平的化学反应方程式：_____________________________________________________________________________________________________________；H2还原SiHCl3过程中若混入O2，可能引起的后果是____________________________________________________________________________________________________________。(2)下列有关硅材料的说法正确的是________(填字母)。A．碳化硅硬度大，可用于生产砂纸、砂轮等B．氮化硅硬度大、熔点高，可用于制作高温陶瓷和轴承C．高纯度的二氧化硅可用于制造高性能通讯材料——光导纤维D．普通玻璃是由纯碱、石灰石和石英砂制成的，其熔点很高E．盐酸可以与硅反应，故采用盐酸为抛光液抛光单晶硅解析：(1)①H2还原SiHCl3可制备Si，化学方程式为SiHCl3＋H2eq\o(=,\s\up15(1357K))Si＋3HCl。②SiHCl3和H2O反应生成H2SiO3、HCl和H2；用H2还原SiHCl3过程中若混入O2，则高温下H2与O2反应发生爆炸。(2)A项，碳化硅硬度很大，可用于生产砂纸、砂轮等。B项，氮化硅熔点高，硬度大，可用于制作高温陶瓷和轴承。D项，普通玻璃的主要成分是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2，是由石英砂(SiO2)、石灰石、纯碱高温下反应生成的，化学方程式为Na2CO3＋SiO2eq\o(=,\s\up15(高温))Na2SiO3＋CO2↑，CaCO3＋SiO2eq\o(=,\s\up15(高温))Ca