问题详情:
多晶硅是制作光伏电池的关键材料。以下是由粗硅制备多晶硅的简易过程。
回答下列问题:
Ⅰ.硅粉与在300℃时反应生成气体和,放出热量,该反应的热化学方程式为________________________。的电子式为__________________。
Ⅱ.将*化为有三种方法,对应的反应依次为:
①
②
③
(1)*化过程中所需的高纯度可用惰*电极电解溶液制备,写出产生的电极名称______(填“阳极”或“*极”),该电极反应方程式为________________________。
(2)已知体系自由能变,时反应自发进行。三个*化反应的与温度的关系如图1所示,可知:反应①能自发进行的最低温度是____________;相同温度下,反应②比反应①的小,主要原因是________________________。
(3)不同温度下反应②中转化率如图2所示。下列叙述正确的是______(填序号)。
a.B点: b.:A点点 c.反应适宜温度:℃
(4)反应③的______(用,表示)。温度升高,反应③的平衡常数______(填“增大”、“减小”或“不变”)。
(5)由粗硅制备多晶硅过程中循环使用的物质除、和外,还有______(填分子式)。
【回答】
*极 或 1000℃ 导致反应②的小 a、c 减小 、
【分析】
I.书写热化学方程式时一定要标注出各物质的状态,要将热化学方程式中焓变的数值与化学计量数对应。本题的反应温度需要标注为条件;
II.(1)惰*电极电解KOH溶液,实质是电解水,产生*气的必为*极,发生还原反应。
(2)“看图说话”,将反应①的纵、横坐标对应起来看,即可顺利找到最低温度。影响自由能变的因素主要是焓变和熵变,分析发现熵变对反应②反而不利,说明焓变影响大,为主要影响因素;
(3)据图判断化学平衡的建立和移动是分析的关键。注意时间是一个不变的量。
(4)此问是盖斯定律的简单应用,对热化学方程式直接进行加减即可。
【详解】
I.参加反应的物质是固态的Si、气态的HCl,生成的是气态的SiHCl3和*气,反应条件是300℃,配平后发现SiHCl3的化学计量数恰好是1,由此可顺利写出该条件下的热化学方程式:Si(s)+3HCl(g) SiHCl3(g)+H2(g) ∆H=-225kJ·mol-1;SiHCl3中硅与1个H、3个Cl分别形成共价单键,由此可写出其电子式为:,注意别漏标3个*原子的孤电子对;
II.(1)电解KOH溶液,阳极发生氧化反应而产生O2、*极发生还原反应才产生H2;*极的电极反应式可以直接写成2H++2e-=H2↑,或写成由水得电子也可以:2H2O+2e-=H2↑+2OH-;
(2)由题目所给的图1可以看出,反应①(最上面那条线)当∆G=0时,对应的横坐标温度是1000℃;从反应前后气体分子数的变化来看,反应①的熵变化不大,而反应②中熵是减小的,可见熵变对反应②的自发更不利,而结果反应②的∆G更负,说明显然是焓变产生了较大的影响,即∆H2<∆H1导致反应②的∆G小(两个反应对应的∆H,一个为正值,一个为负值,大小比较很明显);
(3)图2给的是不同温度下的转化率,注意依据控制变量法思想,此时所用的时间一定是相同的,所以图示中A、B、C点反应均正向进行,D点刚好达到平衡,D点到E点才涉及平衡的移动。在到达平衡状态以前,正反应速率大于逆反应速率,a项正确,B点反应正向进行,正反应速率大于逆反应速率;b点错误,温度越高,反应速率越快,所以E点的正(或逆)反应速率均大于A点;c项正确,C到D点,SiHCl3的转化率较高,选择此温度范围比较合适,在实际工业生产中还要综合考虑催化剂的活*温度。
(4)将反应①反向,并与反应②直接相加可得反应③,所以∆H3=∆H2-∆H1,因∆H2<0、∆H1>0,所以∆H3必小于0,即反应③正反应为放热反应,而放热反应的化学平衡常数随着温度的升高而减小;
(5)反应①生成的HCl可用于流程中粗硅提纯的第1步,三个可逆反应中剩余的H2也可循环使用。
【点睛】
①对于反应的吉布斯自由能大小比较及变化的分析,要紧紧抓住焓判据和熵判据进行分析。②判断图2中时间是一个不变的量,是看清此图的关键。明白了自变量只有温度,因变量是SiCl4的转化率,才能落实好平衡的相关知识的应用,如平衡的建立,平衡的移动以及平衡常数随温度变化的规律等。
知识点:影响化学反应速率的因素
题型:综合题