Question

12．硅是無(wú)機(jī)非金屬材料的主角，工業(yè)上可用多種方法制取硅單質(zhì)．
（1）由石英砂可制取粗硅，其相關(guān)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下：SiO₂（s）+2C（s）═Si（s）+2CO△H=akJ/mol
該反應(yīng)可分兩步進(jìn)行，其中一步反應(yīng)為：SiO₂（s）+C（s）═SiO（g）+CO（g）△H=bkJ/mol則另一步反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為C（s）+SiO（s）=Si（s）+CO（g）△H=（a-b）kJ/mol（△H用含a、b的代數(shù)式表示）SiO是反應(yīng)過(guò)程中的中間產(chǎn)物．隔絕空氣時(shí)，SiO與過(guò)量KOH溶液反應(yīng)的（產(chǎn)物之一是硅酸鉀，Si+2KOH+H₂O═K₂SiO₃+2H₂↑）的化學(xué)反應(yīng)方程式：SiO+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂↑．
（2）粗硅提純常用方法之一是先將粗硅與HCl反應(yīng)制得SiHCl₃，經(jīng)提純后再用H₂還原：SiHCl₃（g）+H₂（g）?Si（s）+3HCl（s），不同溫度及不同$\frac{n（{H}_{2}）}{n（SiHC{l}_{3}）}$時(shí)，反應(yīng)物X的平衡轉(zhuǎn)化率關(guān)系如圖所示：
①X是SiHCl₃（填“H₂”或“SiHCl₃”）
②上述反應(yīng)的平衡常數(shù)K （1150℃）＞K（950℃）（填“＞”、“＜”或“=”）
③下列敘述不能證明該反應(yīng)處于平衡狀態(tài)的是AE．
A．H₂的消耗速率等于HCl生成速率的3倍；
B．恒溫恒容條件下體系壓強(qiáng)不隨時(shí)間而變化；
C．絕熱恒容條件下體系的溫度不隨時(shí)間而變化；
D．某溫度下濃度商Qc不隨時(shí)間而變化；
E．c（SiHCl₃）：c（H₂）：c（HCl）=l：l：3
（3）SiH₄（硅烷）法生產(chǎn)高純多晶硅是非常優(yōu)異的方法．
①用粗硅做原料，熔融鹽電解法制取硅烷原理如圖所示，電解時(shí)陽(yáng)極的電極反應(yīng)式：Si+4H⁺-4e^-=SiH₄↑．
②硅基太陽(yáng)能電池需要N、Si兩種元素組成的化合物Y 做鈍化材料，它可由SiH₄與NH₃混合反應(yīng)得到．已知Y 中Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，Y的化學(xué)式為：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，即得所求反應(yīng)；
由元素守恒，可判斷出產(chǎn)物除了Na₂SiO₃外，還有H₂；
（2）①兩種反應(yīng)物，增加其中一種，另一種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率增大，自身的轉(zhuǎn)化率反而減小，橫坐標(biāo)表示氫氣的量增多；
②溫度越高，SiHCl₃的轉(zhuǎn)化率高，即反應(yīng)進(jìn)行的程度大；
③SiHCl₃（g）+H₂（g）?Si（s）+3HCl（s），溫度升高轉(zhuǎn)化率增大，平衡常數(shù)增大，說(shuō)明正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，
（3）①用粗硅作為陽(yáng)極，H⁺移向陽(yáng)極生成SiH₄；
②Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為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，即得所求反應(yīng)，C（s）+SiO（s）=Si（s）+CO（g）△H=（a-b）kJ/mol，
由元素守恒，可判斷出產(chǎn)物除了Na₂SiO₃外，還有H₂，方程式：SiO+2NaOH═Na₂SiO₃+H₂↑，
故答案為：C（s）+SiO（s）=Si（s）+CO（g）△H=（a-b）kJ/mol；SiO+2NaOH═Na₂SiO₃+H₂↑；
（2）①兩種反應(yīng)物，增加其中一種，另一種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率增大，自身的轉(zhuǎn)化率反而減小，橫坐標(biāo)表示氫氣的量增多，所以縱坐標(biāo)表示的轉(zhuǎn)化率提高應(yīng)為SiHCl₃，
故答案為：SiHCl₃；
②當(dāng)$\frac{n（{H}_{2}）}{n（N{a}_{2}Si{O}_{3}）}$一定時(shí)，溫度越高，SiHCl₃的轉(zhuǎn)化率高，即反應(yīng)進(jìn)行的程度大，所以高溫時(shí)的化學(xué)平衡常數(shù)大，
故答案為：＞；
③SiHCl₃（g）+H₂（g）?Si（s）+3HCl（s），溫度升高轉(zhuǎn)化率增大，平衡常數(shù)增大，說(shuō)明正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，
A．H₂的消耗速率等于HCl生成速率的3倍，只能說(shuō)明反應(yīng)正向進(jìn)行，不能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；
B．反應(yīng)前后氣體體積減小，恒溫恒容條件下體系壓強(qiáng)不隨時(shí)間而變化，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．反應(yīng)是吸熱反應(yīng)絕熱恒容條件下體系的溫度不隨時(shí)間而變化，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故C正確；
D．某溫度下濃度商Qc不隨時(shí)間而變化說(shuō)明物質(zhì)濃度不變是平衡標(biāo)志，故D正確；
E．c（SiHCl₃）：c（H₂）：c（HCl）=l：l：3，和反應(yīng)比相同，但不能說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相同，故E錯(cuò)誤；
故選AE；
（3）①此題類似于電解精煉銅的原理，用粗銅作為陽(yáng)極，從圖示知，H⁺移向陽(yáng)極生成SiH₄，電極反應(yīng)式為Si+4H⁺-4e^-=SiH₄↑，故答案為：Si+4H⁺-4e^-=SiH₄↑；
②n（Si）：n（N）=$\frac{69%}{28}$：$\frac{40%}{14}$=3：4，化學(xué)式為Si₃N₄，故答案為：Si₃N₄．

點(diǎn)評(píng) 本題考查熱化學(xué)方程式書(shū)寫，硅及其化合物的性質(zhì)，化學(xué)方程式的書(shū)寫是解題的關(guān)鍵，平衡標(biāo)志和平衡影響因素的分析應(yīng)用，題目難度中等．