Question

高純度單晶硅是典型的無機非金屬材料，是制備半導體的重要材料，它的發現和使用曾引起計算機的一場“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Fe、Al、B、P等雜質），粗硅與氯氣反應生成四氯化硅（反應溫度為450～500℃），四氯化硅經提純后用氫氣還原可得高純硅。以下是實驗室制備四氯化硅的裝置圖。

相關信息：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的氯化物；c．有關物質的物理常數見下表：

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

 
請回答下列問題：
（1）儀器e的名稱為              ，裝置A中f管的作用是                          ，其中發生反應的離子方程式為                                             。
（2）裝置B中的試劑是                     。
（3）某學習小組設計了以下兩種實驗方案：方案甲：g接裝置Ⅰ；方案乙：g接裝置Ⅱ。但是甲乙兩個方案中虛線內裝置均有不足之處，請你評價后填寫下表。

方案	不足之處
甲
乙

 
（4）在上述（3）的評價基礎上，請設計一個合理方案：                                  。
（5）通過上述合理的裝置制取并收集到的粗產物可通過精餾（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元素是           （填寫元素符號）。

Answer 1

（1）蒸餾（具支）燒瓶（1分）；平衡壓強，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空氣中的水蒸氣進入產品收集裝置，使產品水解；②沒有尾氣處理，氯氣 會污染空氣（2分）
乙	①收集產品的導管太短，易堵塞；②沒有冷凝裝置，產品易損失（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）根據儀器的結構可知，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，實驗室用濃鹽酸與二氧化錳在加熱的條件下制取氯氣，因此該反應的離子方程式為MnO₂＋4H^＋＋2Cl^－Mn^2＋＋2H₂O＋Cl₂↑。
（2）由于濃鹽酸易揮發，因此生成的氯氣中含有氯化氫，對后續的實驗造成干擾，需要除去氯化氫，因此裝置B中的試劑是飽和食鹽水，用來除去氯氣中的氯化氫氣體。
（3）由于SiCl₄的沸點很低，只有57.7℃，而反應的溫度達幾百度，故需要冷凝收集。又因為四氯化硅極易水解，而甲方案中g接裝置Ⅰ，h與空氣直接相連，則空氣中的水蒸氣進入產品收集裝置，使產品水解；另外氯氣有毒，需要尾氣處理，而甲方案中沒有尾氣處理，氯氣會污染空氣；在乙方案中g接裝置Ⅱ，由于四氯化硅冷凝后變為固體，易堵塞導管口。另外沒有冷凝裝置，產品易損失。
（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上在裝置I的i處連接干燥管j即可。
（5）從物質的物理性質表可發現，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元素是還應還有Al、P、Cl元素。
考點：考查四氯化硅制備實驗的方案設計與評價