Химия
8 класс
Вопрос
В производстве интегральных микросхем используется следующий способ получения пленок сверхчистого германия: подложку и образец германия располагают в противоположных концах запаянной стеклянной трубки, туда же помещают несколько кристаллов йода. Трубку вакуумируют, затем нагревают так, чтобы температура изменялась по ее длине от $300^{\circ} С$ (в той части, где находится германий) до $250^{\circ} С$ (в конце с подложкой). После определенного времени термостатирования всю трубку нагревают до $600^{\circ} С$ и откачивают пары йода. В результате операции на подложке получается пленка германия заданной толщины, часть германия остается на стенках трубки. На каких химических реакциях и равновесиях основан описанный способ? Каковы будут максимально возможные потери германия, если пары из трубки откачать: а) при $300^{\circ} С$; б) при $250^{\circ} С$? Исходная масса германия - 1,450 г; йода - 0,063 г.
Ответ
При $600^{\circ} С$ равновесие реакции германия с йодом сильно сдвинуто к исходным веществам - из трубки откачиваются практически только пары йода.
Для осуществления переноса германия, который сам не испаряется при указанных температурах, йод должен давать с ним два летучих соединения, в одном из которых па одно и то же количество йода приходится больше германия, чем в другом. Тогда соединение германии с низкой валентностью может диспропорционировать на соединение с более высокой валентностью и германий:
$Ge + I_2 \rightleftharpoons GeI_2$; (1)
$2GeI_2 \rightleftharpoons GeI_4 + Ge$. (2)
Очевидно, что первая реакция осуществляется при $300^{\circ} С$. Когда пары $GeI_2$ диффундируют в «холодный» конец трубки ($250^{\circ} С$), равновесие (2) смещается вправо. В результате диффузии тетрайодид германия переносится в горячий конец трубки, где реагирует с германием - равновесие (2) сдвинуто при более высокой температуре влево. Таким образом, Geb является переносчиком германия.
В трубке находятся $\frac{1,450}{72,5} = 0,02$ моль $Ge$ и $\frac{0,063}{127} = 0,005$ моль $I_2$. Если произвести откачку паров из сосуда при $300^{\circ} С$, когда в газовой фазе будет находиться $GeI_2$, потери могут составить
$\frac {1450 \cdot 0,005}{2} = 0,0036$ г $Ge$.
При $250^{\circ} С$ потери германия будут меньше в два раза:
$\frac {1450 \cdot 0,005}{4} = 0,0018$ г $Ge$.
Реальные потери будут, конечно, гораздо меньше (ведь первая реакция тоже обратимая). Повышением температуры перед откачкой равновесие (1) почти полностью сдвигают влево.