Question

Purificarea Si impur se poate face in 2 pasi: (i) oxidarea cu Cl2 , si (ii) reducerea cu H2 a produsului obtinut in (i). Descrieti acest procedeu, si calculati:
(a) masa de Si pur ce se poate obtine dintr-un kg Si impur, condiderand ambele reactii de randament unitar, si faptul ca s-a pornit de la un siliciu 80%;
(b) puritatea Si impur folosit ca materie prima, daca din 500 g Si impur s-au obtinut 448 g Si pur, lucrandu-se cu randament teoretic(unitar) in ambii pasi

Answer 1

Răspuns:  Propunerea mea, cu multe explicații este:

Reacțiile chimice, ce au loc la obținerea siliciului pur, prin tratarea lui cu clor gazos  și apoi reducerea SiCl₄ cu hidrogen sunt:

Si + 2Cl₂ ( la temperatură de 500 gradeC) = SiCl₄  nr.1

SiCl₄ + 2H₂ (la temperatură, tuburi încălzite, sau filament incandescent)=

= Si + 4 HCl  nr 2

Mai departe, prin topirea zonală a siliciului rezultat, se obține un siliciu super-pur, corespunzător cerințelor de calitate la fabricarea semiconductorilor.

Calcule

a) masa de Si pur  obținut din reacțiile de mai sus=? o notăm cu X, dacă avem 1 kg de Siliciu impur cu puritatea de 80%

Date

-masa de siliciu impur=1 kg, o notăm m i

-puritatea siliciu, adică conținutul % de Si pur=80%, o notăm cu p

-masa de Si pur = ?.mp

-randament în obținerea SiCl₄ = randament în obținerea Si= 1 (100%)

-relația matematică pentru randament, η, este:

η = mp .100/mt

unde:

ct = masa teoretică de substanță obținută prin calcul stoechiometric la ecuația reacției de obținere

c p = masa practic obținută de substanță, în condițiile reale din tehnologie.

cp ∠ct, la randamente ∠ 100%

⇒ pentru problema dată, la η=1, că mp = mt, nu sunt pierderi (în realitate nu este posibil un asemenea randament).

- c t de Si obținut din proces =c p =? (kg)

Etape de calcul:

1) masa de Si pur, din 1 kg de siliciu cu 80% puritate = mp=?

Puritatea, p:

p= mp.100/m i,  mp = p.mi/100

mp Si = 80%.1 Kg /100 %=0,80 kg

2) cantitatea (masa) teoretică de Si, din proces, dacă intră 0,8 kg, randament este 100%.

A Si = 28 g/mol (tabel sistem periodic)

Se află prin calcul stoechiometric aplicat la cele două reacții chimice, de mai sus, astfel:

0,8 kgSi..........

 Si + 2 Cl₂ = SiCl₄

raport stoechiometric molar:

1molSi ..............1mol SiCl₄

și mai departe:

 SiCl₄ + 2 H₂  = Si + 4HCl

raport stoechiomteric molar:

1mol SiCl₄.....1mol Si pur

Deci rezultă, că:

1 mol de Si supus reacțiilor.......produce 1mol SiCl₄...din care rezultă 1 mol Si

1 mol= M (g/mol)

Rezultă, că:

28 kg/kmol katom Si reactant.....................produce  28 kg/kmol.katom  Si

atunci din 0,80 kg de Si reactant.............rezultă.......mt Si (kg)

mt = 0,80 kg Si

mp=mt= 0,80 kg, la randament unitar (1, sau 100)

R: 0,80 kg de Si

Calcul b: Puritatea, p, se calculează cu relația prezentată mai sus:

p= mp.100/mi

unde:

mp=masa pură de substanță, care se află alături de impurități

mi = masa impură de substanță, adică substanța pură + impuritățile

Impurități = substanțe străine

Deci:

mp = 448 g Si pur

mi=500 g siliciu impur

p= 448g.100%/500 g=89,6%

R: 89,6 % puritate

Explicație: