Question

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

（1）氣一液反應(yīng)法中發(fā)生的主反應(yīng)和副反應(yīng)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(shù)據(jù)如下表所示，△H3=_____kJ/mol。

化學(xué)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(yīng)法主要包括兩步反應(yīng)：

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

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

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

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

（4）用NF3對(duì)多晶硅電子元件進(jìn)行蝕刻時(shí)不會(huì)在電子元件表面形成任何殘留物，其原因是_____。（用化學(xué)用語(yǔ)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(jù)蓋斯定律，由②+④得反應(yīng)3F2(g)+NH3(l)=NF3(g)+3HF(l) △H1=△H2+△H4；

N2F2的結(jié)構(gòu)式是F-N=N-F，反應(yīng)熱=反應(yīng)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(jù)反應(yīng)(NH4)3AlF6(s)+6F2(g)2NF3(g)+8HF(g)+NH4AlF4(s)可得K1=；

根據(jù)反應(yīng)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(qiáng)之比等于氣體的總物質(zhì)的量濃度之比，因此2min時(shí)容器中氣體總濃度為6mol/L，平衡時(shí)氣體總濃度為7.5mol/L。兩個(gè)反應(yīng)中三種氣體的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比相同，計(jì)算濃度時(shí)可根據(jù)一個(gè)計(jì)算；

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

3 1 4 2

2min內(nèi)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(shí)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(jù)圖中信息可知，氫離子向b電極移動(dòng)，則b為陰極。a為陽(yáng)極，需要接電源的正極，陽(yáng)極NH4+失電子產(chǎn)生NF3，生成氣體A的電極反應(yīng)是NH4+-6e-+3F-=NF3+4H+或NH4+-6e-+7F-=NF3+4HF；

（4）用NF3對(duì)多晶硅電子元件進(jìn)行蝕刻時(shí)不會(huì)在電子元件表面形成任何殘留物，因發(fā)生反應(yīng)4NF3+3Si=2N2↑+3SiF4↑。