文档文本内容
3-17 高纯硅的制备
（1）涉及反应
①SiO2＋C
Si＋CO↑
②Si＋Cl2
SiCl4
③SiCl4＋H2
Si＋4HCl
（2）问题探讨
①步骤①中石英砂与焦炭高温下反应时为什么要隔绝空气？
提示：高温下，焦炭和空气中的O2发生反应。
②用石英砂和焦炭制备粗硅的反应中，焦炭的作用是什么？
提示：提供能量，作还原剂。
③粗硅与HCl 完全反应后，经冷凝得到的SiCl4(沸点57.6 ℃)中混有少量的SiHCl3(沸点33 ℃)，提纯
SiCl4采用的方法是什么？
提示：蒸馏。
④由SiO2与C 高温下反应得到的粗硅中可能含有什么杂质？
提示：SiO2、C、SiC 等。
【典例1】
【审题要点】
1．（2025·上海金山·二模）第一代电池的光电转换材料是单晶
硅。某单晶硅制备工艺中涉及的主要物质转化如下：
（1）硅原子核外电子占据的能量最高的电子层符号为
_______；比较元素的电负性：O_______Si(选填“>”或
“＜”)；若硅原子电子排布表示为[Ne]3s23px
2，则违背了
_______。
A．能量最低原理 B．洪特规则 C．泡利不相容原理
（2）太阳能电池板主要材料为单晶硅或多晶硅，单晶硅是一种
_______。
A．导体 B．半导体 C．绝缘体
硅单质有晶体硅和无定形硅两种。区别晶体硅和无定形硅的科
学方法是_______。
（3）下列事实能作为“非金属性C 比Si 强”的证据的是
_______。
A．ⅰ中，C 做还原剂
B．酸性：H2CO3>H2SiO3
C．热稳定性：H2CO3>H2SiO3
（4）ⅰ中，用过量的焦炭在电炉中隔绝空气还原SiO2制取粗硅
时，生成的是CO 而不是CO2。请用化学方程式表示原因
_______。
（5）ⅲ中，利用物质沸点差异，可直接实现高纯硅与SiHCl3的
分离，请从物质结构角度解释其原因_______。
（6）整个过程中必须严格控制无水无氧。在有氧环境下，除了
有不安全因素外，还可能使产品中混有的杂质是_______。
流程主线：石英砂（SiO₂）与焦炭高温
制粗硅 → 粗硅与HCl 反应生成SiHCl₃
→ SiHCl₃ 与H₂ 反应生成高纯硅。
关键信息：涉及元素电负性、原子结
构、晶体类型、非金属性比较、沸点差
异分离、无水无氧条件。
问题类型：电子层符号、电负性比较、
洪特规则、半导体性质、X 射线衍射、
非金属性证据、化学方程式、沸点差异
解释、杂质分析。
【思路分析】
原子结构与规则：
Si
基
态
电
子
排
布
1s²2s²2p⁶3s²3p² ，最高能层为 M
层。
电负性 O > Si（非金属性越强，
电负性越大）。
3p 轨道有两个电子，应分占不同
轨道且自旋平行，若写为 3p_x²
则违背洪特规则。
晶体类型与性质：
单晶硅是半导体，可用于太阳能
电池。
区别晶体与非晶体常用 X 射线衍
射（特征衍射峰）。
非金属性比较：
最高价含氧酸的酸性：H₂CO₃ >
H₂SiO₃，可证明 C 非金属性强于
Si。
还原性强弱、热稳定性不能作为
直接证据。
反应机理：
焦炭过量时，生成的 CO₂ 与 C
反应生成 CO，故粗硅制备产物为
CO 而非 CO₂。
分离原理：
Si 是共价晶体（原子晶体），沸
点极高；SiHCl₃ 是分子晶体，沸
点低，利用沸点差异可分离。
杂质来源：
有氧条件下 Si 与 O₂ 反应生成
SiO₂，混入产品。
【典例2】
【审题要点】
2．（23-24 高三上·浙江·阶段练习）工业上以石英砂为原料生
产高纯硅的工艺路线如下：
已知：电负性Cl>C>H>Si．回答下列问题：
（1）写出石英砂与焦炭反应的化学方程式_______。
（2）下列说法正确的是_______。
A．
中Si 的化合价为+2
B．晶体Si 的熔点高于
C．该工艺流程中的
和HCl 都可循环使用
D．
(沸点33.0℃)中混有少量
(沸点67.6℃)，通过蒸
馏可提纯
（3）
的水解过程可以表示为：
已知
比
易水解，导致这一现象的原因是_______。设
计实验验证
水解后溶液中的主要离子_______。
（4）写出
与足量乙醇反应生成A 的化学方程式_______。
流程主线：石英砂（SiO₂）与焦炭制粗
硅 → 粗硅与 HCl 生成 SiHCl₃ → 提
纯 → 与 H₂ 反应得高纯硅。
关键信息：电负性 Cl > C > H > Si；
SiHCl₃ 中 H 为 -1 价；SiCl₄ 比 CCl₄
易水解；Si 有 3d 空轨道。
问题类型：化学方程式、化合价判断、
晶体熔点比较、物质循环、蒸馏提纯、
水解机理、离子检验、乙醇反应。
【思路分析】
反应与循环：
SiO₂ + 2C → Si + 2CO（粗硅）。
Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂，SiHCl₃
+ H₂ → Si + 3HCl，HCl 和 H₂ 可
循环。
化合价判断：
电负性 Cl > H > Si，SiHCl₃ 中 H
显 -1 价，Cl 显 -1 价，Si 为
+4 价。
晶体熔点比较：
SiO₂ 和 Si 均为共价晶体，Si-O
键键能大于 Si-Si 键，故 SiO₂ 熔
点更高。
蒸馏提纯：
SiHCl₃（沸点 33.0℃）与 SiCl₄
（沸点 67.6℃）沸点差大，可用
蒸馏分离。
水解机理：
SiCl₄ 比 CCl₄ 易水解，因 Si 有
空的 3d 轨道，易受水分子进攻，
且 Si-Cl 键能较小。
水解产物为 H₂SiO₃ 和 HCl，可用
石蕊检验 H⁺，AgNO₃ 检验 Cl⁻。
醇解反应：
SiCl₄ 与乙醇反应类似水解，生成
Si(OC₂H₅)₄ 和 HCl。
1．（23-24 高二下·湖北·期中）如今，半导体“硅”已经成为信息时代高科技的代名词，高纯硅是现代信
息、半导体和光伏发电等产业的基础材料。制备高纯硅的主要工艺流程如图所示：
已知：
极易水解，反应过程中会产生氢气。
回答下列问题：
（1）二氧化硅和硅酸盐是构成地壳中大部分岩石、沙子和土壤的主要微粒，
的晶体类型为
________。
（2）写出④的化学方程式为________。
（3）以上①~⑤的流程中，包含置换反应的是______(填序号)。整个操作流程都需隔绝空气，原因是
________(答出两条即可)。
（4）氮化硼陶瓷基复合材料电推进系统及以SiC 单晶制作器件，在航空航天特殊环境下具有广泛的应用前
景。科学家用金属钠、四氯化碳和四氯化硅制得了SiC 纳米棒，反应的化学方程式为____。
（5）在硅酸盐中，
四面体［如下图(a)］通过共用顶角氧离子可形成岛状、链状、层状、骨架网状四
大结构型式。图(b)为一种链状结构的多硅酸根，其中Si 原子的杂化形式为_____，其化学式为
______。
2．（2023 高三·全国·专题练习）我国能够造出几百万一颗的卫星芯片，但是在智能手机芯片上却屡屡遭到
美国垄断。制造手机芯片需要高纯硅，工业上制取高纯硅的流程如图。请根据所学知识回答下列问
题。
（1）石英砂的主要成分为_______(填化学式)，实验室不能用石英坩埚熔融氢氧化钠的原因是_______。
（2）整个过程中可以循环利用的物质为_______(填化学式)。
（3）晶体硅为灰黑色固体，溶于氢氟酸可生成氢气。写出晶体硅与氢氟酸反应的化学方程式：_______。
（4）磷化铟(InP)是一种半导体材料，可用于光纤通信技术，其晶胞结构如图所示。
①结构化学上常用原子坐标参数表示晶胞内部各原子的相对位置，晶胞中P 原子的坐标参数分别有；
P(0，0，0)，P(
，0，
)；P(0，
，
)等，则距离上述三个P 原子最近且等离的In 原子的坐标参数
为_______。
②已知晶胞参数
，则InP 晶体的密度为_______
(计算结果保留两位小数)。
