Question

12．硅是无机非金属材料的主角，工业上可用多种方法制取硅单质．
（1）由石英砂可制取粗硅，其相关反应的热化学方程式如下：SiO₂（s）+2C（s）═Si（s）+2CO△H=akJ/mol
该反应可分两步进行，其中一步反应为：SiO₂（s）+C（s）═SiO（g）+CO（g）△H=bkJ/mol则另一步反应的热化学方程式为C（s）+SiO（s）=Si（s）+CO（g）△H=（a-b）kJ/mol（△H用含a、b的代数式表示）SiO是反应过程中的中间产物．隔绝空气时，SiO与过量KOH溶液反应的（产物之一是硅酸钾，Si+2KOH+H₂O═K₂SiO₃+2H₂↑）的化学反应方程式：SiO+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂↑．
（2）粗硅提纯常用方法之一是先将粗硅与HCl反应制得SiHCl₃，经提纯后再用H₂还原：SiHCl₃（g）+H₂（g）?Si（s）+3HCl（s），不同温度及不同$\frac{n（{H}_{2}）}{n（SiHC{l}_{3}）}$时，反应物X的平衡转化率关系如图所示：
①X是SiHCl₃（填“H₂”或“SiHCl₃”）
②上述反应的平衡常数K （1150℃）＞K（950℃）（填“＞”、“＜”或“=”）
③下列叙述不能证明该反应处于平衡状态的是AE．
A．H₂的消耗速率等于HCl生成速率的3倍；
B．恒温恒容条件下体系压强不随时间而变化；
C．绝热恒容条件下体系的温度不随时间而变化；
D．某温度下浓度商Qc不随时间而变化；
E．c（SiHCl₃）：c（H₂）：c（HCl）=l：l：3
（3）SiH₄（硅烷）法生产高纯多晶硅是非常优异的方法．
①用粗硅做原料，熔融盐电解法制取硅烷原理如图所示，电解时阳极的电极反应式：Si+4H⁺-4e^-=SiH₄↑．
②硅基太阳能电池需要N、Si两种元素组成的化合物Y 做钝化材料，它可由SiH₄与NH₃混合反应得到．已知Y 中Si的质量分数为60%，Y的化学式为：Si₃N₄．

Answer 1

分析 （1）SiO₂（s）+2C（s）═Si（s）+2CO△H=akJ/mol，②、SiO₂（s）+C（s）═SiO（g）+CO（g）△H=bkJ/mol
①乘以2加②，即得所求反应；
由元素守恒，可判断出产物除了Na₂SiO₃外，还有H₂；
（2）①两种反应物，增加其中一种，另一种物质的转化率增大，自身的转化率反而减小，横坐标表示氢气的量增多；
②温度越高，SiHCl₃的转化率高，即反应进行的程度大；
③SiHCl₃（g）+H₂（g）?Si（s）+3HCl（s），温度升高转化率增大，平衡常数增大，说明正反应是吸热反应，
（3）①用粗硅作为阳极，H⁺移向阳极生成SiH₄；
②Si的质量分数为60%，氧的质量分数为40%．

解答 解：（1）①、SiO₂（s）+2C（s）═Si（s）+2CO△H=akJ/mol，
②、SiO₂（s）+C（s）═SiO（g）+CO（g）△H=bkJ/mol
①×2+②，即得所求反应，C（s）+SiO（s）=Si（s）+CO（g）△H=（a-b）kJ/mol，
由元素守恒，可判断出产物除了Na₂SiO₃外，还有H₂，方程式：SiO+2NaOH═Na₂SiO₃+H₂↑，
故答案为：C（s）+SiO（s）=Si（s）+CO（g）△H=（a-b）kJ/mol；SiO+2NaOH═Na₂SiO₃+H₂↑；
（2）①两种反应物，增加其中一种，另一种物质的转化率增大，自身的转化率反而减小，横坐标表示氢气的量增多，所以纵坐标表示的转化率提高应为SiHCl₃，
故答案为：SiHCl₃；
②当$\frac{n（{H}_{2}）}{n（N{a}_{2}Si{O}_{3}）}$一定时，温度越高，SiHCl₃的转化率高，即反应进行的程度大，所以高温时的化学平衡常数大，
故答案为：＞；
③SiHCl₃（g）+H₂（g）?Si（s）+3HCl（s），温度升高转化率增大，平衡常数增大，说明正反应是吸热反应，
A．H₂的消耗速率等于HCl生成速率的3倍，只能说明反应正向进行，不能说明反应达到平衡状态，故A错误；
B．反应前后气体体积减小，恒温恒容条件下体系压强不随时间而变化，说明反应达到平衡状态，故B正确；
C．反应是吸热反应绝热恒容条件下体系的温度不随时间而变化，说明反应达到平衡状态，故C正确；
D．某温度下浓度商Qc不随时间而变化说明物质浓度不变是平衡标志，故D正确；
E．c（SiHCl₃）：c（H₂）：c（HCl）=l：l：3，和反应比相同，但不能说明正逆反应速率相同，故E错误；
故选AE；
（3）①此题类似于电解精炼铜的原理，用粗铜作为阳极，从图示知，H⁺移向阳极生成SiH₄，电极反应式为Si+4H⁺-4e^-=SiH₄↑，故答案为：Si+4H⁺-4e^-=SiH₄↑；
②n（Si）：n（N）=$\frac{69%}{28}$：$\frac{40%}{14}$=3：4，化学式为Si₃N₄，故答案为：Si₃N₄．

点评 本题考查热化学方程式书写，硅及其化合物的性质，化学方程式的书写是解题的关键，平衡标志和平衡影响因素的分析应用，题目难度中等．