Question

【題目】以硅石(主要成分SiO2)為起始原料生產(chǎn)高純多晶硅的簡化工藝流程如下圖所示：

(1)在電弧爐中，生成粗硅的化學(xué)方程式為____________，該反應(yīng)氧化劑與還原劑物質(zhì)的量之比為_____________。

(2)合成爐中有關(guān)反應(yīng)的數(shù)據(jù)如下表所示：

	熱化學(xué)方程式	平衡常數(shù)
主反應(yīng)	Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g) △H=-210kJ/mol	K1
副反應(yīng)	Si(s)+4HCl(g)SiCl4(g)+2H2(g) △H=-241kJ/mol	K2

①主反應(yīng)的溫度需嚴(yán)格控制在280～300℃之間，若溫度過低，則__________________；若溫度太高，SiHCl3則會轉(zhuǎn)化生成SiCl4，該轉(zhuǎn)化的熱化學(xué)方程式為_____________________。

②平衡時，的值a隨著的值b的變化而變化，則=______(用含K1、K2的代數(shù)式表示)。工業(yè)上用H2適當(dāng)稀釋HCl來提高的值，請用平衡移動原理加以解釋________________________。

(3)還原爐中的主要反應(yīng)為SiHCl3(g)+H2(g)=Si(s)+3HCl(g) △H>0。實(shí)驗(yàn)室中在1.0L密閉容器中研究得到SiHCl3的轉(zhuǎn)化率在不同溫度條件下隨n(H2)/(SiHCl3)變化的曲線如圖所示。t1、t2、t3表示的溫度高低順序?yàn)?/span>_______；t1溫度時平衡常數(shù)Ka=______(保留兩位小數(shù))。

Answer 1

【答案】SiO2+2C Si+2CO↑ 1：2 反應(yīng)速率慢，達(dá)到平衡需要時間長，物質(zhì)的平衡含量低，生產(chǎn)效率低下 SiHCl3(g)+ HCl(g)SiCl4(g)+H2(g) △H=-31kJ/mol 增大c(H2)濃度，平衡逆向移動，可降低c(SiCl4)的濃度，增大c(SiHCl3)的濃度從而使增大 t1>t2>t3 76.80

【解析】

(1)根據(jù)二氧化硅和焦炭在高溫的條件下生成硅和一氧化碳進(jìn)行分析；并根據(jù)氧化還原反應(yīng)的規(guī)律判斷氧化劑、還原劑；

(2)①從反應(yīng)速率和物質(zhì)平衡含量與溫度的關(guān)系分析；

②利用平衡常數(shù)定義與a、b關(guān)系分析判斷；

(3)根據(jù)該反應(yīng)的正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，從溫度對物質(zhì)平衡轉(zhuǎn)化率影響分析；運(yùn)用三段式法計(jì)算a點(diǎn)的化學(xué)平衡常數(shù)。

(1)二氧化硅和焦炭在高溫的條件下生成硅和一氧化碳，化學(xué)方程式為：SiO2+2C Si+2CO↑；在該反應(yīng)中C元素化合價升高，失去電子，作還原劑，SiO2中的Si元素化合價降低，獲得電子，SiO2作氧化劑，所以氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量的比為1:2；

(2) ①溫度過低，反應(yīng)速率慢，達(dá)到平衡所需要的時間太久，不經(jīng)濟(jì)；且主反應(yīng)的正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，降低溫度，平衡逆向移動，產(chǎn)生的SiHCl3的物質(zhì)的量偏少，所以要在一定溫度下進(jìn)行；但若溫度過高，又會發(fā)生副反應(yīng)，SiHCl3又會轉(zhuǎn)化生成SiCl4，使需要的物質(zhì)產(chǎn)率降低；將副反應(yīng)與主反應(yīng)兩式相減，整理可得SiHCl3(g)+ HCl(g)SiCl4(g)+H2(g) △H=-31kJ/mol

②根據(jù)熱化學(xué)方程式可得K1=，K2=，，即；由于K1、K2都是常數(shù)，所以從等于常數(shù)可知：適當(dāng)增大c(H2)，化學(xué)平衡 SiHCl3(g)+ HCl(g)SiCl4(g)+H2(g)逆向移動，使容器中c(SiCl4)減小，c(SiHCl3)增大，這樣就會增大，從而降低了副產(chǎn)物的產(chǎn)生，得到更多SiHCl3，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)率和生產(chǎn)效率；

(3)根據(jù)圖象可知：當(dāng)其它條件相同而溫度不同的情況下，物質(zhì)SiHCl3的轉(zhuǎn)化率：t1>t2>t3。由于該反應(yīng)的正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，在其他條件不變的條件下，升高溫度，化學(xué)平衡正向移動，SiHCl3轉(zhuǎn)化率提高，所以溫度大小關(guān)系為：t1>t2>t3；

在a點(diǎn)時假設(shè)n(SiHCl3)=1mol，則n(H2)=3.3mol，由于容器的容積是1.0L，故開始時c(SiHCl3)=1mol/L， c(H2)=3.3mol/mol，用三段式進(jìn)行計(jì)算：

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

c(開始)mol/L 1 3.3 0

c(變化) mol/L 0.8 2.4 2.4

c(平衡) mol/L 0.2 0.9 2.4

則K=