Номер 325, страница 226 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.325. Объясните, почему кремний не удаётся получить восстановлением кварца: а) водородом; б) углём.

а) водородом

Восстановление оксида кремния(IV) (кварца) водородом является термодинамически невыгодным процессом. Химическая связь $Si-O$ в оксиде кремния очень прочная, а сам $SiO_2$ представляет собой атомную кристаллическую решетку, для разрушения которой требуется большое количество энергии. Водород является недостаточно сильным восстановителем, чтобы разорвать эти связи.

Гипотетическое уравнение реакции выглядит так: $SiO_2 + 2H_2 \rightleftharpoons Si + 2H_2O$

Изменение энергии Гиббса ($\Delta G$) для этой реакции при стандартных условиях и даже при высоких температурах имеет большое положительное значение. Это означает, что реакция самопроизвольно не протекает в прямом направлении, и равновесие сильно смещено влево, в сторону исходных веществ. Таким образом, получить кремний этим способом не удаётся.

Ответ: Получить кремний восстановлением кварца водородом не удаётся, так как водород является слишком слабым восстановителем, чтобы разрушить очень прочные химические связи в оксиде кремния(IV). Реакция термодинамически невыгодна ($\Delta G > 0$).

б) углём

Восстановление кварца углём (коксом) является основным промышленным способом получения технического кремния, однако этот процесс сопряжён с определёнными трудностями, из-за которых получение чистого кремния напрямую невозможно. Реакция требует очень высоких температур, порядка 1800-2000 °C, и протекает в электродуговых печах:

$SiO_2 + 2C \xrightarrow{t^\circ} Si + 2CO \uparrow$

Проблема заключается в том, что при таких высоких температурах образующийся расплавленный кремний очень активно реагирует с избытком углерода (который необходим для полноты реакции) с образованием очень тугоплавкого и химически стойкого карбида кремния (карборунда):

$Si + C \xrightarrow{t^\circ} SiC$

В результате прямого восстановления кварца углём получается не чистый кремний, а его сплав с карбидом кремния, либо, при избытке угля, карбид кремния становится основным продуктом. Контролировать процесс для получения чистого кремния крайне сложно. Поэтому в контексте получения чистого элементарного кремния этот метод считается неподходящим.

Ответ: При восстановлении кварца углём реакция требует очень высоких температур, при которых образующийся кремний немедленно реагирует с углём, образуя карбид кремния ($SiC$). Это делает невозможным получение чистого кремния в ходе одной стадии.