Question

【題目】NF3是微電子工業中常用的一種等離子蝕刻氣體，具有較強的氧化性，工業生產NF3常用的方法有氣一液反應法、氣一固反應法和電解法等。

（1）氣一液反應法中發生的主反應和副反應包括：

3F2(g)+NH3(l)=NF3(g)+3HF(l) △H1

3F2(g)+NH4HF2(l)=NF3(g)+5HF(l) △H2

4F2(g)+2NH3(l)=N2F2(g)+6HF(l) △H3

NH3(l)+2HF(l)=NH4HF2(l) △H4

△H1=_____。部分鍵能數據如下表所示，△H3=_____kJ/mol。

化學鍵	N-N	N=N	NN	H-F	F-F	N-H	N-F
鍵能（kJ/mol）	159	456	946	565	153	389	272

（2）氣一固反應法主要包括兩步反應：

(NH4)3AlF6(s)+6F2(g)2NF3(g)+8HF(g)+NH4AlF4(s) 反應Ⅰ

NH4AlF4(s)+3F2(g)NF3(g)+4HF(g)+ AlF3(s) 反應Ⅱ

反應I的平衡常數K1和反應II的平衡常數的關系是___。若在恒溫、恒容的密閉容器中模擬氣一固反應法（固體足量)，起始時F2的濃度為5mol/L，反應過程中容器中壓強一隨時間變化曲線如圖所示，則前2min的平均反應速率v(NF3)=___mol/(Lmin)，該溫度下K2=___。

（3）電解法是通過電解含氟的熔融鹽生產NF3，其原理如圖所示。a需要接電源的____(填“正極”或“負極”)，生成氣體A的電極反應是____。

（4）用NF3對多晶硅電子元件進行蝕刻時不會在電子元件表面形成任何殘留物，其原因是_____。（用化學用語解釋）

Answer 1

【答案】△H2+△H4 -1444 K1=K22 0.25 400mol2/L2 正極 NH4+-6e-+3F-=NF3+4H+或NH4+-6e-+7F-=NF3+4HF 4NF3+3Si=2N2↑+3SiF4↑

【解析】

(1)已知：②3F2(g)+NH4HF2(l)=NF3(g)+5HF(l) △H2

④NH3(l)+2HF(l)=NH4HF2(l) △H4

根據蓋斯定律，由②+④得反應3F2(g)+NH3(l)=NF3(g)+3HF(l) △H1=△H2+△H4；

N2F2的結構式是F-N=N-F，反應熱=反應物總鍵能-生成物總鍵能，因此△H3=4×153+6×389-6×565-2×272-456=-1444kJ/mol；

(2) 根據反應(NH4)3AlF6(s)+6F2(g)2NF3(g)+8HF(g)+NH4AlF4(s)可得K1=；

根據反應NH4AlF4(s)+3F2(g)NF3(g)+4HF(g)+ AlF3(s)可得K2=；

故K1=K22；

恒溫、恒容的密閉容器中壓強之比等于氣體的總物質的量濃度之比，因此2min時容器中氣體總濃度為6mol/L，平衡時氣體總濃度為7.5mol/L。兩個反應中三種氣體的化學計量數之比相同，計算濃度時可根據一個計算；

NH4AlF4(s)+3F2(g)NF3(g)+4HF(g)+ AlF3(s) △c

3 1 4 2

2min內濃度變化 0.5mol/L (6-5)mol/L

因此v(NF3)=0.25mol/(Lmin)；

用同樣的方法可算出平衡時F2(g)、NF3(g)、HF(g)的濃度依次是1.25mol/L、1.25mol/L、5mol/L，因此K2==400mol2/L2；

（3）根據圖中信息可知，氫離子向b電極移動，則b為陰極。a為陽極，需要接電源的正極，陽極NH4+失電子產生NF3，生成氣體A的電極反應是NH4+-6e-+3F-=NF3+4H+或NH4+-6e-+7F-=NF3+4HF；

（4）用NF3對多晶硅電子元件進行蝕刻時不會在電子元件表面形成任何殘留物，因發生反應4NF3+3Si=2N2↑+3SiF4↑。