浅析C和SiO2的反应

摘 要： 据调查，对于C的还原性弱于Si，C却能够还原SiO2，以及C和SiO2的反应产物是CO而不是CO2的原理，高中学生理解困难，大部分学生理解有误区，本文主要从氧化还原的反应规律以及热力学角度进行分析，并得出相应的结论。

关键词： 碳；热力学；还原产物

一、 教材解读

高中人教版教材将《无机非金属材料的主角——硅》安排在第三章《金属及其化合物》之后，不仅是常见无机物及其性质知识学习的继续，也为学生今后学习元素周期律奠定基础。在教学过程中，教师融会贯通的运用教材，当学生遇到难以理解的知识点时，及时解答，使之知其然，更知其所以然。帮助学生建立严谨的化学思维，提高学生的科学素养。

二、 学生认识的“雷区”

工业制取粗硅的反应2C+SiO2 高温 Si+2CO↑，使毫不起眼的沙子转化成精密电路中使用的半导体材料，可以称之为现代版的“点石成金”。关于C和SiO2在高温条件下的反应产物，部分学生认为反应过程中首先生成CO2，然后过量的C会继续和CO2反应生成CO，即发生以下反应：C+SiO2 高温 Si+CO2↑、C+CO2 高温 2CO，这种认识是有误区的。

三、 “扫雷”依据

从氧化还原角度分析反应方程式2C+SiO2 高温 Si+2CO↑。对于自发进行的氧化还原反应，氧化剂的氧化性强于氧化产物的氧化性，还原剂的还原性强于还原产物的还原性，这是判断氧化性还原性强弱的基本规律。

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的还原性弱于Si，根据氧化还原反应发生的规律，还原性弱的C不能制取还原性强的Si，然而此规则只适用于溶液中发生的反应。工业制取粗硅的反应条件为高温干态，上述规则不再适用于解释该反应发生的原理。

C和SiO2的反应产物CO聚集在气相，从炉顶及时分离出去，促进反应不断正向进行，所以反应应用的原理可以归为“高沸点物质制低沸点物质”。

另外，吉达俊提出，当反应温度低于800K时，C的氧化产物是CO2，当反应温度高于1100K时，C的氧化产物就是CO。

因此，在高中阶段，方程式中反应条件为加熱时，就可以认为反应产物是CO2，反应条件为高温时，产物就是CO。

根据化学热力学理论，在一定温度和压力下，当化学反应的ΔrGm<0时，该化学反应可以正向自发进行。若忽略温度对热容的影响，可以根据ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ求出反应正向进行所需的最低（最高）温度，其中ΔrGmΘ=∑ΔGmΘ（生成物）-∑ΔGmΘ（反应物），ΔrHmΘ=∑ΔHmΘ（生成物）-∑ΔHmΘ（反应物），ΔrSmΘ=∑ΔSmΘ（生成物）-∑ΔSmΘ（反应物）。

下面根据吉布斯方程ΔrGmΘ=ΔrHmΘ-TΔrSmΘ 作图进行分析。

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

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

图 CO和SiO2吉布斯自由能随温度变化

由上图可以看出SiO2的自由能随温度的升高呈增大趋势，CO的自由能随温度的升高呈减小趋势。因此，在较高温度下，CO的自由能低于SiO2的自由能，ΔrGm<0，C还原SiO2的反应可以正向自发进行。

表1 热力学相关数据（数据来源百度文库）

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

反应3：2C（s）+SiO2（s） 高温 Si（s）+2CO（g）

反应4：C（s）+SiO2（s） 高温 Si（s）+CO2（g）

表2 25℃化学反应的ΔrGmΘ（kJ/mol）、ΔrHmΘ（kJ/mol）、ΔrSmΘ（J·K-1·mol）

反应 ΔrGmΘ ΔrHmΘ ΔrSmΘ 说明 反应正向自发进行温度

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

根据表1数据计算出反应3和反应4的ΔrGmΘ、ΔrHmΘ和ΔrSmΘ（见表2）。C和SiO2反应生成CO和CO2的ΔrGmΘ均大于0，说明反应在常温不能自发正向进行。反应生成CO的最低反应温度为1909K，生成CO2的最低反应温度为2793K。

熔炼纯硅实验，硅的最低稳定温度为2090K，这个温度高于生成CO的最低反应温度，低于生成CO2的最低反应温度，所以反应能生成CO，不能生成CO2。

四、 结论

常温时，工业制取粗硅反应的ΔrGmΘ>0，反应不能自发正向进行。但是CO的自由能随着温度的升高而降低，SiO2的自由能随着温度的升高而升高，在较高温度条件下，当CO的自由能低于SiO2的自由能，即ΔrGmΘ<0时，C还原SiO2的反应就能自发正向进行了。根据以上热力学计算，C和SiO2反应生成CO所需的热力学温度低于硅的稳定温度，工业制取粗硅时产生CO。

五、 意义

学生学习这个知识点时，会出现误区，针对误区教师应该及时纠正，帮助学生客观正确的分析、认识、掌握知识点。用热力学理论进行分析，学生易于理解，有利于学生科学的认识问题。科学的分析方法渗透到教学过程中，符合新课程改革的要求，有助于培养学生科学态度和价值观，提高民族科学素养。

参考文献：

[1]吉达俊.碳作还原剂时氧化产物的讨论[J].化学教学，1992（03）：39-41.

[2]Н.В.Тoлcтогyзов.硅生产过程中二氧化硅碳热还原的机理和模型[J].铁合金，1990（02）：46-50.

作者简介：

王素莲，河北省张家口市，宣化区第一实验中学。