淺析C和SiO2的反應

摘 要： 據調查，對于C的還原性弱于Si，C卻能夠還原SiO2，以及C和SiO2的反應產物是CO而不是CO2的原理，高中學生理解困難，大部分學生理解有誤區，本文主要從氧化還原的反應規律以及熱力學角度進行分析，并得出相應的結論。

關鍵詞： 碳；熱力學；還原產物

一、 教材解讀

高中人教版教材將《無機非金屬材料的主角——硅》安排在第三章《金屬及其化合物》之后，不僅是常見無機物及其性質知識學習的繼續，也為學生今后學習元素周期律奠定基礎。在教學過程中，教師融會貫通的運用教材，當學生遇到難以理解的知識點時，及時解答，使之知其然，更知其所以然。幫助學生建立嚴謹的化學思維，提高學生的科學素養。

二、 學生認識的“雷區”

工業制取粗硅的反應2C+SiO2 高溫 Si+2CO↑，使毫不起眼的沙子轉化成精密電路中使用的半導體材料，可以稱之為現代版的“點石成金”。關于C和SiO2在高溫條件下的反應產物，部分學生認為反應過程中首先生成CO2，然后過量的C會繼續和CO2反應生成CO，即發生以下反應：C+SiO2 高溫 Si+CO2↑、C+CO2 高溫 2CO，這種認識是有誤區的。

三、 “掃雷”依據

從氧化還原角度分析反應方程式2C+SiO2 高溫 Si+2CO↑。對于自發進行的氧化還原反應，氧化劑的氧化性強于氧化產物的氧化性，還原劑的還原性強于還原產物的還原性，這是判斷氧化性還原性強弱的基本規律。

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，根據氧化還原反應發生的規律，還原性弱的C不能制取還原性強的Si，然而此規則只適用于溶液中發生的反應。工業制取粗硅的反應條件為高溫干態，上述規則不再適用于解釋該反應發生的原理。

C和SiO2的反應產物CO聚集在氣相，從爐頂及時分離出去，促進反應不斷正向進行，所以反應應用的原理可以歸為“高沸點物質制低沸點物質”。

另外，吉達俊提出，當反應溫度低于800K時，C的氧化產物是CO2，當反應溫度高于1100K時，C的氧化產物就是CO。

因此，在高中階段，方程式中反應條件為加熱時，就可以認為反應產物是CO2，反應條件為高溫時，產物就是CO。

根據化學熱力學理論，在一定溫度和壓力下，當化學反應的ΔrGm<0時，該化學反應可以正向自發進行。若忽略溫度對熱容的影響，可以根據ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ求出反應正向進行所需的最低（最高）溫度，其中ΔrGmΘ=∑ΔGmΘ（生成物）-∑ΔGmΘ（反應物），ΔrHmΘ=∑ΔHmΘ（生成物）-∑ΔHmΘ（反應物），ΔrSmΘ=∑ΔSmΘ（生成物）-∑ΔSmΘ（反應物）。

下面根據吉布斯方程ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ 作圖進行分析。

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

反應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，CO的自由能隨溫度的升高呈減小趨勢。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的反應可以正向自發進行。

表1 熱力學相關數據（數據來源百度文庫）

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3：2C（s）+SiO2（s） 高溫 Si（s）+2CO（g）

反應4：C（s）+SiO2（s） 高溫 Si（s）+CO2（g）

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

反應 ΔrGmΘ ΔrHmΘ ΔrSmΘ 說明 反應正向自發進行溫度

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

根據表1數據計算出反應3和反應4的ΔrGmΘ、ΔrHmΘ和ΔrSmΘ（見表2）。C和SiO2反應生成CO和CO2的ΔrGmΘ均大于0，說明反應在常溫不能自發正向進行。反應生成CO的最低反應溫度為1909K，生成CO2的最低反應溫度為2793K。

熔煉純硅實驗，硅的最低穩定溫度為2090K，這個溫度高于生成CO的最低反應溫度，低于生成CO2的最低反應溫度，所以反應能生成CO，不能生成CO2。

四、 結論

常溫時，工業制取粗硅反應的ΔrGmΘ>0，反應不能自發正向進行。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CO的自由能低于SiO2的自由能，即ΔrGmΘ<0時，C還原SiO2的反應就能自發正向進行了。根據以上熱力學計算，C和SiO2反應生成CO所需的熱力學溫度低于硅的穩定溫度，工業制取粗硅時產生CO。

五、 意義

學生學習這個知識點時，會出現誤區，針對誤區教師應該及時糾正，幫助學生客觀正確的分析、認識、掌握知識點。用熱力學理論進行分析，學生易于理解，有利于學生科學的認識問題。科學的分析方法滲透到教學過程中，符合新課程改革的要求，有助于培養學生科學態度和價值觀，提高民族科學素養。

參考文獻：

[1]吉達俊.碳作還原劑時氧化產物的討論[J].化學教學，1992（03）：39-41.

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

作者簡介：

王素蓮，河北省張家口市，宣化區第一實驗中學。