Question

12．硅是無機非金屬材料的主角，工業(yè)上可用多種方法制取硅單質．
（1）由石英砂可制取粗硅，其相關反應的熱化學方程式如下：SiO₂（s）+2C（s）═Si（s）+2CO△H=akJ/mol
該反應可分兩步進行，其中一步反應為：SiO₂（s）+C（s）═SiO（g）+CO（g）△H=bkJ/mol則另一步反應的熱化學方程式為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是反應過程中的中間產物．隔絕空氣時，SiO與過量KOH溶液反應的（產物之一是硅酸鉀，Si+2KOH+H₂O═K₂SiO₃+2H₂↑）的化學反應方程式：SiO+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂↑．
（2）粗硅提純常用方法之一是先將粗硅與HCl反應制得SiHCl₃，經提純后再用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，反應物X的平衡轉化率關系如圖所示：
①X是SiHCl₃（填“H₂”或“SiHCl₃”）
②上述反應的平衡常數(shù)K （1150℃）＞K（950℃）（填“＞”、“＜”或“=”）
③下列敘述不能證明該反應處于平衡狀態(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不隨時間而變化；
C．絕熱恒容條件下體系的溫度不隨時間而變化；
D．某溫度下濃度商Qc不隨時間而變化；
E．c（SiHCl₃）：c（H₂）：c（HCl）=l：l：3
（3）SiH₄（硅烷）法生產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，電解時陽極的電極反應式：Si+4H⁺-4e^-=SiH₄↑．
②硅基太陽能電池需要N、Si兩種元素組成的化合物Y 做鈍化材料，它可由SiH₄與NH₃混合反應得到．已知Y 中Si的質量分數(shù)為60%，Y的化學式為：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；
由元素守恒，可判斷出產物除了Na₂SiO₃外，還有H₂；
（2）①兩種反應物，增加其中一種，另一種物質的轉化率增大，自身的轉化率反而減小，橫坐標表示氫氣的量增多；
②溫度越高，SiHCl₃的轉化率高，即反應進行的程度大；
③SiHCl₃（g）+H₂（g）?Si（s）+3HCl（s），溫度升高轉化率增大，平衡常數(shù)增大，說明正反應是吸熱反應，
（3）①用粗硅作為陽極，H⁺移向陽極生成SiH₄；
②Si的質量分數(shù)為60%，氧的質量分數(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，C（s）+SiO（s）=Si（s）+CO（g）△H=（a-b）kJ/mol，
由元素守恒，可判斷出產物除了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）①兩種反應物，增加其中一種，另一種物質的轉化率增大，自身的轉化率反而減小，橫坐標表示氫氣的量增多，所以縱坐標表示的轉化率提高應為SiHCl₃，
故答案為：SiHCl₃；
②當$\frac{n（{H}_{2}）}{n（N{a}_{2}Si{O}_{3}）}$一定時，溫度越高，SiHCl₃的轉化率高，即反應進行的程度大，所以高溫時的化學平衡常數(shù)大，
故答案為：＞；
③SiHCl₃（g）+H₂（g）?Si（s）+3HCl（s），溫度升高轉化率增大，平衡常數(shù)增大，說明正反應是吸熱反應，
A．H₂的消耗速率等于HCl生成速率的3倍，只能說明反應正向進行，不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故A錯誤；
B．反應前后氣體體積減小，恒溫恒容條件下體系壓強不隨時間而變化，說明反應達到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．反應是吸熱反應絕熱恒容條件下體系的溫度不隨時間而變化，說明反應達到平衡狀態(tài)，故C正確；
D．某溫度下濃度商Qc不隨時間而變化說明物質濃度不變是平衡標志，故D正確；
E．c（SiHCl₃）：c（H₂）：c（HCl）=l：l：3，和反應比相同，但不能說明正逆反應速率相同，故E錯誤；
故選AE；
（3）①此題類似于電解精煉銅的原理，用粗銅作為陽極，從圖示知，H⁺移向陽極生成SiH₄，電極反應式為Si+4H⁺-4e^-=SiH₄↑，故答案為：Si+4H⁺-4e^-=SiH₄↑；
②n（Si）：n（N）=$\frac{69%}{28}$：$\frac{40%}{14}$=3：4，化學式為Si₃N₄，故答案為：Si₃N₄．

點評 本題考查熱化學方程式書寫，硅及其化合物的性質，化學方程式的書寫是解題的關鍵，平衡標志和平衡影響因素的分析應用，題目難度中等．