题目内容

【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280300℃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K1K2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。t1t2t3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)

【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

a点时假设n(SiHCl3)=1mol,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

K=

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