淺析C和SiO2的反應(yīng)

摘 要： 據(jù)調(diào)查，對(duì)于C的還原性弱于Si，C卻能夠還原SiO2，以及C和SiO2的反應(yīng)產(chǎn)物是CO而不是CO2的原理，高中學(xué)生理解困難，大部分學(xué)生理解有誤區(qū)，本文主要從氧化還原的反應(yīng)規(guī)律以及熱力學(xué)角度進(jìn)行分析，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞： 碳；熱力學(xué)；還原產(chǎn)物

一、 教材解讀

高中人教版教材將《無(wú)機(jī)非金屬材料的主角——硅》安排在第三章《金屬及其化合物》之后，不僅是常見無(wú)機(jī)物及其性質(zhì)知識(shí)學(xué)習(xí)的繼續(xù)，也為學(xué)生今后學(xué)習(xí)元素周期律奠定基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，教師融會(huì)貫通的運(yùn)用教材，當(dāng)學(xué)生遇到難以理解的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，及時(shí)解答，使之知其然，更知其所以然。幫助學(xué)生建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)幕瘜W(xué)思維，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

二、 學(xué)生認(rèn)識(shí)的“雷區(qū)”

工業(yè)制取粗硅的反應(yīng)2C+SiO2 高溫 Si+2CO↑，使毫不起眼的沙子轉(zhuǎn)化成精密電路中使用的半導(dǎo)體材料，可以稱之為現(xiàn)代版的“點(diǎn)石成金”。關(guān)于C和SiO2在高溫條件下的反應(yīng)產(chǎn)物，部分學(xué)生認(rèn)為反應(yīng)過程中首先生成CO2，然后過量的C會(huì)繼續(xù)和CO2反應(yīng)生成CO，即發(fā)生以下反應(yīng)：C+SiO2 高溫 Si+CO2↑、C+CO2 高溫 2CO，這種認(rèn)識(shí)是有誤區(qū)的。

三、 “掃雷”依據(jù)

從氧化還原角度分析反應(yīng)方程式2C+SiO2 高溫 Si+2CO↑。對(duì)于自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，氧化劑的氧化性強(qiáng)于氧化產(chǎn)物的氧化性，還原劑的還原性強(qiáng)于還原產(chǎn)物的還原性，這是判斷氧化性還原性強(qiáng)弱的基本規(guī)律。

在元素周期表中，C和Si位于同一主族，C位于Si的上一周期，C的還原性弱于Si，根據(jù)氧化還原反應(yīng)發(fā)生的規(guī)律，還原性弱的C不能制取還原性強(qiáng)的Si，然而此規(guī)則只適用于溶液中發(fā)生的反應(yīng)。工業(yè)制取粗硅的反應(yīng)條件為高溫干態(tài)，上述規(guī)則不再適用于解釋該反應(yīng)發(fā)生的原理。

C和SiO2的反應(yīng)產(chǎn)物CO聚集在氣相，從爐頂及時(shí)分離出去，促進(jìn)反應(yīng)不斷正向進(jìn)行，所以反應(yīng)應(yīng)用的原理可以歸為“高沸點(diǎn)物質(zhì)制低沸點(diǎn)物質(zhì)”。

另外，吉達(dá)俊提出，當(dāng)反應(yīng)溫度低于800K時(shí)，C的氧化產(chǎn)物是CO2，當(dāng)反應(yīng)溫度高于1100K時(shí)，C的氧化產(chǎn)物就是CO。

因此，在高中階段，方程式中反應(yīng)條件為加熱時(shí)，就可以認(rèn)為反應(yīng)產(chǎn)物是CO2，反應(yīng)條件為高溫時(shí)，產(chǎn)物就是CO。

根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)理論，在一定溫度和壓力下，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)的ΔrGm<0時(shí)，該化學(xué)反應(yīng)可以正向自發(fā)進(jìn)行。若忽略溫度對(duì)熱容的影響，可以根據(jù)ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ求出反應(yīng)正向進(jìn)行所需的最低（最高）溫度，其中ΔrGmΘ=∑ΔGmΘ（生成物）-∑ΔGmΘ（反應(yīng)物），ΔrHmΘ=∑ΔHmΘ（生成物）-∑ΔHmΘ（反應(yīng)物），ΔrSmΘ=∑ΔSmΘ（生成物）-∑ΔSmΘ（反應(yīng)物）。

下面根據(jù)吉布斯方程ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ 作圖進(jìn)行分析。

反應(yīng)1：Si（s）+O2（g） SiO2（s） ΔrGmΘ=-910.7kJ/mol+T×0.18kJ·K-1·mol-1

反應(yīng)2：C（s）+ 1 2 O2（g） CO（g） ΔrGmΘ=-110.5kJ/mol-T×0.089kJ·K-1·mol-1

圖 CO和SiO2吉布斯自由能隨溫度變化

由上圖可以看出SiO2的自由能隨溫度的升高呈增大趨勢(shì)，CO的自由能隨溫度的升高呈減小趨勢(shì)。因此，在較高溫度下，CO的自由能低于SiO2的自由能，ΔrGm<0，C還原SiO2的反應(yīng)可以正向自發(fā)進(jìn)行。

表1 熱力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)來(lái)源百度文庫(kù)）

ΔHmΘ（kJ/mol） ΔGmΘ（kJ/mol） ΔSmΘ（J·K-1·mol）

C（石墨） 0 0 5.7

CO -110.5 -137.2 197.7

CO2 -393.5 -394.4 213.6

Si 0 0 18.8

SiO2 -910.7 -856.3 41.5

O2 0 0 205.2

反應(yīng)3：2C（s）+SiO2（s） 高溫 Si（s）+2CO（g）

反應(yīng)4：C（s）+SiO2（s） 高溫 Si（s）+CO2（g）

表2 25℃化學(xué)反應(yīng)的ΔrGmΘ（kJ/mol）、ΔrHmΘ（kJ/mol）、ΔrSmΘ（J·K-1·mol）

反應(yīng) ΔrGmΘ ΔrHmΘ ΔrSmΘ 說(shuō)明 反應(yīng)正向自發(fā)進(jìn)行溫度

1 581.9 689.7 361.3 焓增熵增 T>1909K

2 816.9 517.2 185.2 焓增熵增 T>2793K

根據(jù)表1數(shù)據(jù)計(jì)算出反應(yīng)3和反應(yīng)4的ΔrGmΘ、ΔrHmΘ和ΔrSmΘ（見表2）。C和SiO2反應(yīng)生成CO和CO2的ΔrGmΘ均大于0，說(shuō)明反應(yīng)在常溫不能自發(fā)正向進(jìn)行。反應(yīng)生成CO的最低反應(yīng)溫度為1909K，生成CO2的最低反應(yīng)溫度為2793K。

熔煉純硅實(shí)驗(yàn)，硅的最低穩(wěn)定溫度為2090K，這個(gè)溫度高于生成CO的最低反應(yīng)溫度，低于生成CO2的最低反應(yīng)溫度，所以反應(yīng)能生成CO，不能生成CO2。

四、 結(jié)論

常溫時(shí)，工業(yè)制取粗硅反應(yīng)的ΔrGmΘ>0，反應(yīng)不能自發(fā)正向進(jìn)行。但是CO的自由能隨著溫度的升高而降低，SiO2的自由能隨著溫度的升高而升高，在較高溫度條件下，當(dāng)CO的自由能低于SiO2的自由能，即ΔrGmΘ<0時(shí)，C還原SiO2的反應(yīng)就能自發(fā)正向進(jìn)行了。根據(jù)以上熱力學(xué)計(jì)算，C和SiO2反應(yīng)生成CO所需的熱力學(xué)溫度低于硅的穩(wěn)定溫度，工業(yè)制取粗硅時(shí)產(chǎn)生CO。

五、 意義

學(xué)生學(xué)習(xí)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)誤區(qū)，針對(duì)誤區(qū)教師應(yīng)該及時(shí)糾正，幫助學(xué)生客觀正確的分析、認(rèn)識(shí)、掌握知識(shí)點(diǎn)。用熱力學(xué)理論進(jìn)行分析，學(xué)生易于理解，有利于學(xué)生科學(xué)的認(rèn)識(shí)問題?？茖W(xué)的分析方法滲透到教學(xué)過程中，符合新課程改革的要求，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀，提高民族科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吉達(dá)俊.碳作還原劑時(shí)氧化產(chǎn)物的討論[J].化學(xué)教學(xué)，1992（03）：39-41.

[2]Н.В.Тoлcтогyзов.硅生產(chǎn)過程中二氧化硅碳熱還原的機(jī)理和模型[J].鐵合金，1990（02）：46-50.

作者簡(jiǎn)介：

王素蓮，河北省張家口市，宣化區(qū)第一實(shí)驗(yàn)中學(xué)。