Question

【题目】以硅石(主要成分SiO2)为起始原料生产高纯多晶硅的简化工艺流程如下图所示：

(1)在电弧炉中，生成粗硅的化学方程式为____________，该反应氧化剂与还原剂物质的量之比为_____________。

(2)合成炉中有关反应的数据如下表所示：

	热化学方程式	平衡常数
主反应	Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g) △H=-210kJ/mol	K1
副反应	Si(s)+4HCl(g)SiCl4(g)+2H2(g) △H=-241kJ/mol	K2

①主反应的温度需严格控制在280～300℃之间，若温度过低，则__________________；若温度太高，SiHCl3则会转化生成SiCl4，该转化的热化学方程式为_____________________。

②平衡时，的值a随着的值b的变化而变化，则=______(用含K1、K2的代数式表示)。工业上用H2适当稀释HCl来提高的值，请用平衡移动原理加以解释________________________。

(3)还原炉中的主要反应为SiHCl3(g)+H2(g)=Si(s)+3HCl(g) △H>0。实验室中在1.0L密闭容器中研究得到SiHCl3的转化率在不同温度条件下随n(H2)/(SiHCl3)变化的曲线如图所示。t1、t2、t3表示的温度高低顺序为_______；t1温度时平衡常数Ka=______(保留两位小数)。

Answer 1

【答案】SiO2+2C Si+2CO↑ 1：2 反应速率慢，达到平衡需要时间长，物质的平衡含量低，生产效率低下 SiHCl3(g)+ HCl(g)SiCl4(g)+H2(g) △H=-31kJ/mol 增大c(H2)浓度，平衡逆向移动，可降低c(SiCl4)的浓度，增大c(SiHCl3)的浓度从而使增大 t1>t2>t3 76.80

【解析】

(1)根据二氧化硅和焦炭在高温的条件下生成硅和一氧化碳进行分析；并根据氧化还原反应的规律判断氧化剂、还原剂；

(2)①从反应速率和物质平衡含量与温度的关系分析；

②利用平衡常数定义与a、b关系分析判断；

(3)根据该反应的正反应为吸热反应，从温度对物质平衡转化率影响分析；运用三段式法计算a点的化学平衡常数。

(1)二氧化硅和焦炭在高温的条件下生成硅和一氧化碳，化学方程式为：SiO2+2C Si+2CO↑；在该反应中C元素化合价升高，失去电子，作还原剂，SiO2中的Si元素化合价降低，获得电子，SiO2作氧化剂，所以氧化剂与还原剂的物质的量的比为1:2；

(2) ①温度过低，反应速率慢，达到平衡所需要的时间太久，不经济；且主反应的正反应为吸热反应，降低温度，平衡逆向移动，产生的SiHCl3的物质的量偏少，所以要在一定温度下进行；但若温度过高，又会发生副反应，SiHCl3又会转化生成SiCl4，使需要的物质产率降低；将副反应与主反应两式相减，整理可得SiHCl3(g)+ HCl(g)SiCl4(g)+H2(g) △H=-31kJ/mol

②根据热化学方程式可得K1=，K2=，，即；由于K1、K2都是常数，所以从等于常数可知：适当增大c(H2)，化学平衡 SiHCl3(g)+ HCl(g)SiCl4(g)+H2(g)逆向移动，使容器中c(SiCl4)减小，c(SiHCl3)增大，这样就会增大，从而降低了副产物的产生，得到更多SiHCl3，提高了产品的产率和生产效率；

(3)根据图象可知：当其它条件相同而温度不同的情况下，物质SiHCl3的转化率：t1>t2>t3。由于该反应的正反应为吸热反应，在其他条件不变的条件下，升高温度，化学平衡正向移动，SiHCl3转化率提高，所以温度大小关系为：t1>t2>t3；

在a点时假设n(SiHCl3)=1mol，则n(H2)=3.3mol，由于容器的容积是1.0L，故开始时c(SiHCl3)=1mol/L， c(H2)=3.3mol/mol，用三段式进行计算：

SiHCl3(g)+H2(g)=Si(s)+3HCl(g)

c(开始)mol/L 1 3.3 0

c(变化) mol/L 0.8 2.4 2.4

c(平衡) mol/L 0.2 0.9 2.4

则K=