工业生产粗硅的主要原理为： SiO ₂ ＋ 2C Si( 粗 ) ＋ 2CO↑

(1) 若在制粗硅的过程中同时生成了碳化硅，请写出该反应的方程式： ___________ 。

(2) 若在制粗硅的过程中同时生成了碳化硅，且生成的硅和碳化硅的物质的量之比为 5∶1 ，则参加反应的 C 和 SiO ₂ 的质量比为 __________ 。

(3) 工业上可通过如下流程由粗硅制取纯硅：

Si( 粗 ) SiCl ₄ (l) Si( 纯 )

若上述反应中 Si （粗）和 SiCl ₄ 的利用率均为 80% ，制粗硅时有 10% 的 SiO ₂ 转化为 SiC ，则生产 100.8t 纯硅，需纯度为 75% 的石英砂（主要成分为 SiO ₂ ）多少吨？ _____________

(4) 工业上还可以通过下图所示的流程来制取纯硅：

反应 ① ： Si( 粗 ) ＋ 3HCl(g)=SiHCl ₃ (l) ＋ H ₂ (g)

反应 ② ： SiHCl ₃ ＋ H ₂ =Si( 纯 ) ＋ 3HCl

假设在每一轮次的投料生产中，硅元素没有损失，反应 ① 中 HCl 的利用率为 75% ，反应 ② 中 H ₂ 的利用率为 80% ，则在下轮次的生产中，需补充投入 HCl 和 H ₂ 的体积比为多少？ _____________

答案

SiO ₂ ＋ 3C SiC ＋ 2CO     13:30     500t     4:1

【解析】

【分析】

(1) 根据反应 SiO ₂ +2C Si( 粗 )+2CO↑ ， SiO ₂ +3C SiC+2CO↑ 及硅和碳化硅的物质的量之比为 5∶1 ，计算出参加反应的 C 和 SiO ₂ 的质量比；

(2) 根据石英砂和硅之间关系式进行计算；

(3) 由工艺流程与反应 ① 、反应 ② 可知，补充的 HCl 等于损失的 HCl 、补充的氢气等于损失的氢气，分别计算出损失的氯化氢和氢气的物质的量。

【详解】

(1) SiO ₂ ＋ 2C Si( 粗 ) ＋ 2CO↑ ，硅与碳又反应生成了碳化硅，反应的方程式为，故答案为： SiO ₂ ＋ 3C SiC ＋ 2CO↑ ；

(2) 设硅的物质的量为 5xmol ，则碳化硅的物质的量为 xmol ，根据方程式 SiO ₂ +2C Si( 粗 )+2CO↑ ， SiO ₂ +3C SiC+2CO↑ ，生成 5xmol 硅、 xmol 碳化硅需要碳的物质的量是 10x+3x=13xmol ，二氧化硅的物质的量是 5xmol+xmol=6xmol 、所以参加反应的 C 和 SiO ₂ 的质量比 =(13x×12)g∶(6x×60)g=13∶30 ，故答案为： 13∶30 ；

(3) 设需要生产 100.8t 纯硅，需纯度为 75% 石英砂 m 吨，则：

= ，解得： m=500t ，故答案为： 500t ；

(4) 由工艺流程与反应 ① 、反应 ② 可知，补充的 HCl 等于损失的 HCl 、补充的氢气等于损失的氢气，制备 1mol 纯硅需要 1mol 粗硅，由反应 ① 可知需要 HCl 物质的量为 3mol ，故实际通入的 HCl 为 ，补充的 HCl 为 -3mol=1mol ，由反应 ② 可知，需要氢气的物质的量为 1mol ，实际通入氢气为 mol ，补充的氢气为 -1mol=0.25mol ，故需补充投入 HCl 和 H ₂ 的物质的量之比是 1∶0.25=4∶1 ，故答案为： 4∶1 。