Aufgabe 1 – Silicium – ein Rohstoff mit Zukunft

Silicium findet in unterschiedlichen Reinheitsgraden Verwendung, unter anderem bei der Herstellung von Solarzellen und Computerchips. Bis 2027 ist mit einer jährlichen globalen Siliciumproduktion von 12 Millionen Tonnen zu rechnen.

Zeige rechnerisch, dass die Reduktion von Quarzsand mit Magnesium bei einer Temperatur von $Formula: 25\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 25\ ^\circ\text{C}$ exergonisch abläuft (M 1).

Begründe durch eine Betrachtung der Vorzeichen, dass die Reduktion von Quarzsand mit Kohlenstoff erst ab einer bestimmten Grenztemperatur exergonisch abläuft (M 1).

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Gib eine Strukturformel eines Trichlorsilan-Moleküls an und stelle eine Reaktionsgleichung für die Umsetzung von Rohsilicium zu Trichlorsilan auf (M 2).

Kennzeichne für diese Reaktion Oxidation und Reduktion unter Angabe aller Oxidationszahlen (M 2).

Stelle ausgehend von der beschriebenen Prozessführung eine Hypothese auf, ob die Bildung von Trichlorsilan exotherm oder endotherm verläuft (M 2).

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Stelle für die Reaktion von Flusssäure mit Siliciumdioxid eine Reaktionsgleichung auf und erläutere an diesem Beispiel das Säure-Base-Konzept nach Brønsted (M 3).

Berechne den pH-Wert der beschriebenen Flusssäure (M 3).

Hinweise: Das Fluorwasserstoff-Molekül kann als schwache Säure betrachtet werden.

Verdünnte Flusssäure hat eine Dichte von etwa $Formula: 1\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1}.$ $Formula: 1\ \text{g}\cdot\text{mL}^{-1}.$

Beurteile, inwiefern die Bezeichnung „Flusssäure“ fachsprachlich problematisch ist (M 3).

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Material M 1: Herstellung von Silicium

Im Labormaßstab kann Silicium durch Reduktion von Quarzsand $Formula: (\ce{SiO2})$ $Formula: (\ce{SiO2})$ mit unedlen Metallen gewonnen werden, z. B. mit Magnesium:

$Formula: \ce{SiO2\,(s) + 2Mg\,(s) \longrightarrow Si\,(s) + 2MgO\,(s)}$ $Formula: \ce{SiO2\,(s) + 2Mg\,(s) \longrightarrow Si\,(s) + 2MgO\,(s)}$

Im industriellen Maßstab wird Silicium durch Reduktion von Quarzsand mit Kohlenstoff im Lichtbogenofen bei Temperaturen von etwa $Formula: 2500\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 2500\ ^\circ\text{C}$ hergestellt.

$Formula: \ce{SiO2\,(l) + C\,(s) \longrightarrow Si\,(l) + CO2\,(g)}$ $Formula: \ce{SiO2\,(l) + C\,(s) \longrightarrow Si\,(l) + CO2\,(g)}$

Zur thermodynamischen Analyse dieser Reaktionen sind die in Tabelle 1 angegebenen Daten erforderlich.

Tabelle 1: ausgewählte thermodynamische Daten

	$Formula: \boldsymbol{\Delta_\textbf{f}H^0}$ $Formula: \boldsymbol{\Delta_\textbf{f}H^0}$ in $Formula: \boldsymbol{\textbf{kJ}\cdot\textbf{mol}^{-1}}$ $Formula: \boldsymbol{\textbf{kJ}\cdot\textbf{mol}^{-1}}$	$Formula: \boldsymbol{S^0}$ $Formula: \boldsymbol{S^0}$ in $Formula: \boldsymbol{\textbf{J}\cdot\textbf{mol}^{-1}\cdot\textbf{K}^{-1}}$ $Formula: \boldsymbol{\textbf{J}\cdot\textbf{mol}^{-1}\cdot\textbf{K}^{-1}}$	Schmelztemperatur in $Formula: \boldsymbol{^\circ\textbf{C}}$ $Formula: \boldsymbol{^\circ\textbf{C}}$
$Formula: \ce{Si\,(s)}$ $Formula: \ce{Si\,(s)}$
$Formula: \ce{Si\,(l)}$ $Formula: \ce{Si\,(l)}$
$Formula: \ce{SiO2\,(s)}$ $Formula: \ce{SiO2\,(s)}$
$Formula: \ce{SiO2\,(l)}$ $Formula: \ce{SiO2\,(l)}$
$Formula: \ce{C\,(s)}$ $Formula: \ce{C\,(s)}$			$Formula: \text{----}$ $Formula: \text{----}$
$Formula: \ce{CO2\,(g)}$ $Formula: \ce{CO2\,(g)}$
$Formula: \ce{Mg\,(s)}$ $Formula: \ce{Mg\,(s)}$
$Formula: \ce{MgO\,(s)}$ $Formula: \ce{MgO\,(s)}$

Material M 2: Vom Rohsilicium zum Reinsilicium

Das durch die Reduktion von Quarzsand gewonnene Silicium enthält zahlreiche Verunreinigungen und wird daher als Rohsilicium bezeichnet. Für die Anwendung in der Mikroelektronik oder für Solarzellen muss das Rohsilicium zu Reinsilicium gereinigt werden. Dies geschieht im Siemens-Verfahren.

Dabei wird Silicium zunächst bei Formula: 300 bis $Formula: 350\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 350\ ^\circ\text{C}$ mit Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan $Formula: (\ce{HSiCl3})$ $Formula: (\ce{HSiCl3})$ und Wasserstoff umgesetzt. Durch mehrfache Destillation wird reines Trichlorsilan abgetrennt. In einem weiteren Schritt wird Trichlorsilan mit Wasserstoff an beheizten Reinsiliciumstäben bei Formula: 1000 bis $Formula: 1200\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 1200\ ^\circ\text{C}$ wieder thermisch zersetzt.

Material M 3: Reinigung von Wafern mit Flusssäure

Silicium wird in Form dünner Scheiben, sogenannter Wafer, als Basis für die Herstellung von Mikrochips verwendet. Dabei stört auf der Oberfläche gebildetes Siliciumdioxid. Zu dessen Entfernung wird eine wässrige Lösung von Fluorwasserstoff $Formula: (\text{HF},$ $Formula: (\text{HF},$ Massenanteil $Formula: \omega=1\,\%)$ $Formula: \omega=1\,\%)$ eingesetzt. Diese Lösung wird auch als „Flusssäure“ bezeichnet. Wirkt Flusssäure auf Siliciumdioxid ein, so bildet sich unter anderem gasförmiges Siliciumtetrafluorid $Formula: (\ce{SiF4}).$ $Formula: (\ce{SiF4}).$

Quellen (ggf. verändert):

M 1:

https://de.wikipedia.org/wiki/Silicium (Zugriff am: 07.10.2025)

Tabelle 1: eigene Darstellung

M 2:

https://www.periodensystem-online.de (Zugriff am: 07.10.2025)

M 3:

https://de.wikipedia.org/wiki/Silicium (Zugriff am: 07.10.2025)

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Zeigen des exergonischen Ablaufs der Reduktion von Quarzsand mit Magnesium

Für die Reaktionsenthalpie gilt:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}H^0&=&\displaystyle\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Produkte})-\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Si_{(s)}}\bigr)+2\cdot\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{MgO_{(s)}}\bigr)\right]-\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(s)}}\bigr)+2\cdot\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Mg_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+2\cdot(-601{,}6)\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]-\left[-910{,}7\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+2\cdot0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right] \\[5pt] &=&-292{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}H^0&=&\displaystyle\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Produkte})-\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Si_{(s)}}\bigr)+2\cdot\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{MgO_{(s)}}\bigr)\right]-\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(s)}}\bigr)+2\cdot\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Mg_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+2\cdot(-601{,}6)\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]-\left[-910{,}7\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+2\cdot0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right] \\[5pt] &=&-292{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}H^0&=&\displaystyle\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Produkte})-\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Si_{(s)}}\bigr)+2\cdot\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{MgO_{(s)}}\bigr)\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(s)}}\bigr)+2\cdot\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Mg_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+2\cdot(-601{,}6)\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[-910{,}7\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+2\cdot0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right] \\[5pt] &=&-292{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}H^0&=&\displaystyle\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Produkte})-\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Si_{(s)}}\bigr)+2\cdot\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{MgO_{(s)}}\bigr)\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(s)}}\bigr)+2\cdot\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Mg_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+2\cdot(-601{,}6)\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[-910{,}7\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+2\cdot0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right] \\[5pt] &=&-292{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$

Für die Reaktionsentropie ergibt sich:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}S^0&=&\displaystyle\sum S^0(\text{Produkte})-\sum S^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[S^0\bigl(\ce{Si_{(s)}}\bigr)+2\cdot S^0\bigl(\ce{MgO_{(s)}}\bigr)\right]-\left[S^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(s)}}\bigr)+2\cdot S^0\bigl(\ce{Mg_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[18{,}5\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+2\cdot27{,}0\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right]-\left[41{,}5\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+2\cdot32{,}7\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right] \\[5pt] &=&-34{,}4\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \\[5pt] &=&-0{,}0344\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}S^0&=&\displaystyle\sum S^0(\text{Produkte})-\sum S^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[S^0\bigl(\ce{Si_{(s)}}\bigr)+2\cdot S^0\bigl(\ce{MgO_{(s)}}\bigr)\right]-\left[S^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(s)}}\bigr)+2\cdot S^0\bigl(\ce{Mg_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[18{,}5\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+2\cdot27{,}0\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right]-\left[41{,}5\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+2\cdot32{,}7\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right] \\[5pt] &=&-34{,}4\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \\[5pt] &=&-0{,}0344\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}S^0&=&\displaystyle\sum S^0(\text{Produkte})-\sum S^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[S^0\bigl(\ce{Si_{(s)}}\bigr)+2\cdot S^0\bigl(\ce{MgO_{(s)}}\bigr)\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[S^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(s)}}\bigr)+2\cdot S^0\bigl(\ce{Mg_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[18{,}5\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+2\cdot27{,}0\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[41{,}5\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+2\cdot32{,}7\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right] \\[5pt] &=&-34{,}4\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \\[5pt] &=&-0{,}0344\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}S^0&=&\displaystyle\sum S^0(\text{Produkte})-\sum S^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[S^0\bigl(\ce{Si_{(s)}}\bigr)+2\cdot S^0\bigl(\ce{MgO_{(s)}}\bigr)\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[S^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(s)}}\bigr)+2\cdot S^0\bigl(\ce{Mg_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[18{,}5\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+2\cdot27{,}0\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[41{,}5\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+2\cdot32{,}7\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right] \\[5pt] &=&-34{,}4\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \\[5pt] &=&-0{,}0344\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \end{array}$

Bei einer Temperatur von $Formula: 25\ ^\circ\text{C}=298{,}15\ \text{K}$ $Formula: 25\ ^\circ\text{C}=298{,}15\ \text{K}$ ergibt sich in der Gibbs-Helmholtz-Gleichung:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}G^0&=&\Delta_\text{R}H^0-T\cdot\Delta_\text{R}S^0 \\[5pt] &=&-292{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}-298{,}15\;\text{K}\cdot\left(-0{,}0344\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right) \\[5pt] &=&-282{,}2\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}G^0&=&\Delta_\text{R}H^0-T\cdot\Delta_\text{R}S^0 \\[5pt] &=&-292{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}-298{,}15\;\text{K}\cdot\left(-0{,}0344\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right) \\[5pt] &=&-282{,}2\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$

Da die freie Reaktionsenthalpie $Formula: \Delta_\text{R}G^0\lt0$ $Formula: \Delta_\text{R}G^0\lt0$ ist, läuft die Reduktion von Quarzsand mit Magnesium bei $Formula: 25\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 25\ ^\circ\text{C}$ exergonisch ab.

Begründung des exergonischen Ablaufs der Reduktion mit Kohlenstoff erst ab einer Grenztemperatur

Für die Reaktionsenthalpie gilt:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}H^0&=&\displaystyle\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Produkte})-\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Si_{(l)}}\bigr)+\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{CO2_{(g)}}\bigr)\right]-\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(l)}}\bigr)+\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{C_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[48{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}-393{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]-\left[-901{,}1\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right] \\[5pt] &=&556{,}1\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}H^0&=&\displaystyle\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Produkte})-\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Si_{(l)}}\bigr)+\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{CO2_{(g)}}\bigr)\right]-\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(l)}}\bigr)+\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{C_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[48{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}-393{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]-\left[-901{,}1\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right] \\[5pt] &=&556{,}1\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}H^0&=&\displaystyle\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Produkte})-\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Si_{(l)}}\bigr)+\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{CO2_{(g)}}\bigr)\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(l)}}\bigr)+\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{C_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[48{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}-393{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[-901{,}1\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right] \\[5pt] &=&556{,}1\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}H^0&=&\displaystyle\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Produkte})-\sum\Delta_\text{f}H^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{Si_{(l)}}\bigr)+\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{CO2_{(g)}}\bigr)\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(l)}}\bigr)+\Delta_\text{f}H^0\bigl(\ce{C_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[48{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}-393{,}5\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[-901{,}1\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}+0\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\right] \\[5pt] &=&556{,}1\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}} \end{array}$

Für die Reaktionsentropie ergibt sich:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}S^0&=&\displaystyle\sum S^0(\text{Produkte})-\sum S^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[S^0\bigl(\ce{Si_{(l)}}\bigr)+S^0\bigl(\ce{CO2_{(g)}}\bigr)\right]-\left[S^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(l)}}\bigr)+S^0\bigl(\ce{C_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[44{,}6\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+213{,}8\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right]-\left[46{,}3\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+5{,}7\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right] \\[5pt] &=&206{,}4\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \\[5pt] &=&0{,}2064\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}S^0&=&\displaystyle\sum S^0(\text{Produkte})-\sum S^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[S^0\bigl(\ce{Si_{(l)}}\bigr)+S^0\bigl(\ce{CO2_{(g)}}\bigr)\right]-\left[S^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(l)}}\bigr)+S^0\bigl(\ce{C_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[44{,}6\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+213{,}8\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right]-\left[46{,}3\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+5{,}7\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right] \\[5pt] &=&206{,}4\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \\[5pt] &=&0{,}2064\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \end{array}$

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}S^0&=&\displaystyle\sum S^0(\text{Produkte})-\sum S^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[S^0\bigl(\ce{Si_{(l)}}\bigr)+S^0\bigl(\ce{CO2_{(g)}}\bigr)\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[S^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(l)}}\bigr)+S^0\bigl(\ce{C_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[44{,}6\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+213{,}8\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[46{,}3\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+5{,}7\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right] \\[5pt] &=&206{,}4\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \\[5pt] &=&0{,}2064\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \Delta_\text{R}S^0&=&\displaystyle\sum S^0(\text{Produkte})-\sum S^0(\text{Edukte}) \\[5pt] &=&\left[S^0\bigl(\ce{Si_{(l)}}\bigr)+S^0\bigl(\ce{CO2_{(g)}}\bigr)\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[S^0\bigl(\ce{SiO2_{\,(l)}}\bigr)+S^0\bigl(\ce{C_{(s)}}\bigr)\right] \\[5pt] &=&\left[44{,}6\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+213{,}8\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right]\\[5pt]&\phantom{=}&-\left[46{,}3\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}+5{,}7\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}}\right] \\[5pt] &=&206{,}4\;\dfrac{\text{J}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \\[5pt] &=&0{,}2064\;\dfrac{\text{kJ}}{\text{mol}\cdot\text{K}} \end{array}$

Somit ist $Formula: \Delta_\text{R}H^0\gt0$ $Formula: \Delta_\text{R}H^0\gt0$ und $Formula: \Delta_\text{R}S^0\gt0.$ $Formula: \Delta_\text{R}S^0\gt0.$ Damit gilt für die freie Enthalpie in der Gibbs-Helmholtz-Gleichung:

$Formula: \Delta_\text{R}G^0=\underbrace{\Delta_\text{R}H^0}_{+}-T\cdot\underbrace{\Delta_\text{R}S^0}_{+}$ $Formula: \Delta_\text{R}G^0=\underbrace{\Delta_\text{R}H^0}_{+}-T\cdot\underbrace{\Delta_\text{R}S^0}_{+}$

Bei niedrigen Temperaturen überwiegt die positive Reaktionsenthalpie, weshalb die Reaktion endergonisch ist. Mit steigender Temperatur wird der Term $Formula: -T\cdot\Delta_\text{R}S^0$ $Formula: -T\cdot\Delta_\text{R}S^0$ immer größer, bis er schließlich ab einer Grenztemperatur überwiegt, sodass $Formula: \Delta_\text{R}G^0\lt0$ $Formula: \Delta_\text{R}G^0\lt0$ und die Reaktion exergonisch ist.

Angeben einer Strukturformel des Trichlorsilan-Moleküls

Aufstellen einer Reaktionsgleichung für die Umsetzung von Rohsilicium zu Trichlorsilan

$Formula: \ce{Si_{(s)} + 3HCl_{(g)} \longrightarrow SiHCl3_{\,(g)} + H2_{\,{(g)}}}$ $Formula: \ce{Si_{(s)} + 3HCl_{(g)} \longrightarrow SiHCl3_{\,(g)} + H2_{\,{(g)}}}$

Kennzeichnen von Oxidation und Reduktion

$Formula: \overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{Si}}\, + \,3\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\;-\text{I}}}{\text{HCl}}\:\longrightarrow \overset{\color{#0096C8}{+\text{IV}\,-\text{I}\:-\text{I}\;\;}}{\text{SiHCl}_3} + \;\overset{\color{#0096C8}{0}\;}{\text{H}_2}$ $Formula: \overset{\color{#0096C8}{0}}{\text{Si}}\, + \,3\,\overset{\color{#0096C8}{+\text{I}\;-\text{I}}}{\text{HCl}}\:\longrightarrow \overset{\color{#0096C8}{+\text{IV}\,-\text{I}\:-\text{I}\;\;}}{\text{SiHCl}_3} + \;\overset{\color{#0096C8}{0}\;}{\text{H}_2}$

Oxidation:	Silicium-Atome ändern ihre Oxidationszahl von im elementaren Silicium zu $Formula: +\text{IV}$ $Formula: +\text{IV}$ im Trichlorsilan-Molekül (Abgabe von jeweils vier Elektronen).
Reduktion:	Wasserstoff-Atome ändern ihre Oxidationszahl von $Formula: +\text{I}$ $Formula: +\text{I}$ im Chlorwasserstoff-Molekül zu $Formula: -\text{I}$ $Formula: -\text{I}$ im Trichlorsilan-Molekül und im Wasserstoff-Molekül (Aufnahme von jeweils zwei bzw. einem Elektron).

Aufstellen einer Hypothese zur Reaktionsenthalpie der Bildung von Trichlorsilan

Die Bildung von Trichlorsilan läuft bei Formula: 300 bis $Formula: 350\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 350\ ^\circ\text{C}$ ab, wohingegen die Rückreaktion, also die thermische Zersetzung von Trichlorsilan, bei Formula: 1000 bis $Formula: 1200\ ^\circ\text{C}$ $Formula: 1200\ ^\circ\text{C}$ durchgeführt wird.

Daraus lässt sich die Hypothese ableiten, dass die Bildung von Trichlorsilan exotherm verläuft, da für die thermische Zersetzung, welche im Wesentlichen der Rückreaktion entspricht, sehr hohe Temperaturen erforderlich sind. Demnach ist die Rückreaktion vermutlich endotherm und folglich die Bildung von Trichlorsilan exotherm.

Aufstellen der Reaktionsgleichung

$Formula: \ce{4HF_{(aq)} + SiO2_{\,(s)} \longrightarrow SiF4_{\,(g)} + 2H2O_{(l)}}$ $Formula: \ce{4HF_{(aq)} + SiO2_{\,(s)} \longrightarrow SiF4_{\,(g)} + 2H2O_{(l)}}$

Erläuterung des Säure-Base-Konzepts nach Brønsted

Nach Brønsted sind Säuren Protonendonatoren und Basen Protonenakzeptoren. Fluorwasserstoff wirkt als Säure und gibt Protonen ab, während Sauerstoff-Atome des Siliciumdioxids diese aufnehmen, wobei Wasser-Moleküle entstehen. In wässriger Lösung (Flusssäure) überträgt Fluorwasserstoff außerdem Protonen auf Wassermoleküle, wobei Oxonium-Ionen und Fluorid-Ionen gebildet werden.

Berechnung des pH-Werts der Flusssäure

Für die beschriebene Flusssäure gilt:

$Formula: \rho\approx1\;\text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$ $Formula: \rho\approx1\;\text{g}\cdot\text{mL}^{-1}$

$Formula: \omega=1\,\%$ $Formula: \omega=1\,\%$

Die Massenkonzentration beträgt somit $Formula: 10\ \text{g}\cdot\text{L}^{-1}.$ $Formula: 10\ \text{g}\cdot\text{L}^{-1}.$ Für die Stoffmengenkonzentration ergibt sich:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} c(\text{HF})&=&\dfrac{m}{M} \\[5pt] &=&\dfrac{10\;\frac{\text{g}}{\text{L}}}{20\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}} \\[5pt] &=&0{,}5\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} c(\text{HF})&=&\dfrac{m}{M} \\[5pt] &=&\dfrac{10\;\frac{\text{g}}{\text{L}}}{20\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}} \\[5pt] &=&0{,}5\;\dfrac{\text{mol}}{\text{L}} \end{array}$

Für schwache Säuren gilt:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} \text{pH}&=&\dfrac{1}{2}\cdot\bigl(\text{p}K_\text{S}-\lg\{c_0(\text{HF})\}\bigr) \\[5pt] &=&\dfrac{1}{2}\cdot\bigl(3{,}20-\lg\{0{,}5\}\bigr) \\[5pt] &\approx&1{,}75 \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} \text{pH}&=&\dfrac{1}{2}\cdot\bigl(\text{p}K_\text{S}-\lg\{c_0(\text{HF})\}\bigr) \\[5pt] &=&\dfrac{1}{2}\cdot\bigl(3{,}20-\lg\{0{,}5\}\bigr) \\[5pt] &\approx&1{,}75 \end{array}$

Beurteilung der Bezeichnung „Flusssäure“

Die Bezeichnung Flusssäure ist dahingehend problematisch, dass damit eine wässrige Lösung des Gases Fluorwasserstoff $Formula: (\text{HF})$ $Formula: (\text{HF})$ bezeichnet wird. Nach Brønsted sind jedoch die Fluorwasserstoff-Moleküle die Säure. Die Stoffkonzepte Reinstoff und Lösung werden vermischt. Die Bezeichnung Flusssäure ist zwar etabliert und gebräuchlich, aber nicht ganz präzise.

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