选题意义实验原理实验方案实验结果实验讨论结论与展望.ppt

选题意义
实验原理
实验方案
实验结果
实验讨论
结论与展望
选题意义
单质硅由于其成熟的生产工艺,生产原料丰富及优异的性能被广泛用于电子行业及太阳能电池的生产等,现阶段对单质硅的需求量是很大的.
其中多晶硅主要是通过对工业硅卤化后再经还原制备的,而工业硅来自于用碳还原石英砂矿石, 这两个生产过程的耗能都十分巨大, 生产温度均高于1000℃.
本实验的目的是在较低的温度条件下,,由此寻求以更低成本来生产硅的工艺.
实验原理-热力学耦合
如果在同一个体系中同时发生两个不可逆过程,例如过程1和过程2,并用diS1和diS2分别表示过程 1和过程 2所引起的熵产生。那么下面的情况是可能发生的, 这并不违反热力学第二定律.
diS1>0, diS2<0, diS1 + diS2≥0
也就是说一个负熵产生过程的负值可以用另一个正熵产生过程的正值来补偿, 只要体系的总熵产生不是负值就可以. 这种发生在两个不可逆过程之间的熵产生补偿现象, 在非平衡热力学的术语中称为不可逆过程之间的热力学耦合.
实验原理-热力学耦合
在等温等压的条件下,反应耦合的判据可以表示为:
(G1)T,p >0,(G2)T,p <0,(G1)T,p + x(G1)T,p≤0 (反应速率比x = r2/r1)
对于用金属钠还原二氧化硅, 其反应方程式及在p和298 K下G为:
SiO2 + 4Na = 2Na2O + Si G = kJ/mol (1)
显然常温常压下甚至高温高压下也难以进行上述反应. 但当体系内同时发生Na2O与CO2的反应,即:
Na2O + CO2 = Na2CO3 G = - kJ/mol (2)
而若两个反应(1)与(2)能够发生热力学耦合, 再加之反应(2)的反应物同时为反应(1)的生成物,则体系内的总反应可以写成:
SiO2 + 4Na + 2CO2 = 2Na2CO3 + Si G = - kJ/mol (3)
实验原理-热力学耦合
可见在耦合的情况下, 当体系中同时存在SiO2、Na和CO2, 用钠还原二氧化硅在热力学上应该是可行的.
但实际上本实验的反应是在二氧化碳的氛围中进行的, 二氧化碳的含量在体系中相对其它物质的量是非常大的. 而碳与硅为同一主族的元素, 在性质上具有相似性, 尽管二氧化碳与二氧化硅的结构相差悬殊.
如果不考虑两者的结构差异, 单纯从各自的G大小来考虑的话, 很明显金属钠也有还原二氧化碳的可能, 其方程式和G分别如下:
4Na + 3CO2 = 2Na2CO3 + C G = - (4)
可见二氧化碳与金属钠之间也是存在反应的可能性的,实际上这是本实验最大的困扰.
实验原理-反应激发
SiO2 + 4Na + 2CO2 = 2Na2CO3 + Si G = - kJ/mol (3)
3CO2 + 4Na = 2Na2CO3 + C G = - (4)
当然要使反应发生还需要突破反应的活化能, 这往往需要高温条件.
经实验发现耦合反应(3)和(4)在实验设定温度下(230℃)都不能发生, 因此本实验利用往体系加少量水使其与钠的激烈反应瞬间产生局部高温, 使反应(3)活化.
而反应(3)为放热反应, 如果反应能够进行的话,由于Si-O键的断裂可能是十分迅速的, 所以可能得到比钠与水反应更高的温度, 从而使反应自维持.
当然也有可能因为产生更高温度而达到活化反应(4)的条件,从而得到单质碳而不是硅.
实验方案-制备实验
图1为制备实验装置图.
图1 实验装置图
1-压力表;2-不锈钢容器;3-封有蒸馏水的玻璃泡;4-金属钠块与石英砂粉末的混合物;
5-电热套;6-密封圈;7-阀门;8-高压反应釜;9-电热套温度控制和显示
实验方案-制备实验
较成熟的实验方案为:
取3g石英砂粉末和6g金属钠().
mL的长颈玻璃泡, mL蒸馏水, 利用酒精喷灯将玻璃泡颈部烧结密封. 把2-3个玻璃泡置于混合后的固体表面, 再将容器放入特制的高压釜中,密封高压釜.
%的CO2约35 g, 此时室温下高压釜的压力表将显示约7MPa, 在高压釜充气前后都进行称重记录.
最后,将高压釜放入电热套中加热至230℃,从开始加热到停止反应共12h,然后将高压釜取出自然冷却.
待冷却到室温缓慢放出C