Question

【題目】工業上用焦炭與石英在高溫下氮氣流中發生如下反應，3SiO2(s)+6C(s)+2N2(g)Si3N4(s)+6CO(g) +Q(Q>0)，可制得一種新型陶瓷材料氮化硅(Si3N4)，該材料熔點高，硬度大 ，廣泛應用于光伏、軸承、冶金、化工、能源、環保等行業。回答下列問題：

(1)N2的電子式為____________，Si在元素周期表中的位置是_______________，氮化硅晶體屬于__________晶體。

(2)該反應中，還原產物是______________。若測得反應生成22.4 L CO氣體（標準狀況下），則轉移的電子的物質的量為_____________。

(3)該反應的平衡常數表達式K=__________________；若其他條件不變，降低溫度，達到新的平衡時，K值____________(填“增大”、“減小”或“不變”，以下同)。CO的濃度_________，SiO2的質量______________。

(4)已知在一定條件下的2L密閉容器中制備氮化硅，SiO2（純度98.5%，所含雜質不與參與反應）剩余質量和反應時間的關系如右圖所示。CO在0～10min的平均反應速率為 _______ 。

(5)現用四氯化硅、氮氣和氫氣在高溫下發生反應，可得較高純度的氮化硅。反應的化學方程式為______________。

Answer 1

【答案】 第三周期第ⅣA族 原子 Si3N4 2mol 增大 增大 減小 0.1mol/(Lmin) 3SiCl4+2N2+6H2 Si3N4+12HCl

【解析】

(1)N原子最外層有5個電子，在N2分子中2個N原子形成三對共用電子對，從而使每個N原子都達到8個電子的溫度結構，所以N2的電子式為，Si是14號元素，核外電子排布是2、8、4，所以在元素周期表中的位置是第三周期第ⅣA族，在氮化硅晶體中每個Si原子與相鄰的4個N原子形成共價鍵，每個N原子與相鄰的3個Si形成共價鍵，這種結構向空間擴展，就形成了立體網狀結構，因此該晶體屬于原子晶體。

(2)在反應3SiO2(s)+6C(s)+2N2(g)Si3N4(s)+6CO(g) +Q(Q>0)，中C元素的化合價由反應前單質C的0價變為反應后的CO的+2價，化合價升高，失去電子，被氧化，所以CO是氧化產物，N元素的化合價由反應前N2的0價變為反應后Si3N4的-3價，化合價降低，獲得電子，所以該反應中，Si3N4是還原產物。n(CO)= 22.4 L÷22.4L/mol=1mol，每反應產生1molCO，轉移 2mol電子，故反應產生1molCO，反應轉移的電子的物質的量為2mol；

(3)化學平衡常數是可逆反應達到平衡狀態時，各種生成物濃度冪之積與各種反應物濃度冪之積的比，故該反應的平衡常數表達式K=；由于該反應的正反應是放熱反應，所以若其他條件不變，降低溫度，化學平衡向正反應方向移動，所以達到新的平衡時，K值增大；平衡正向移動，反應產生更多的CO氣體，由于容器的容積不變，所以CO的濃度增大；反應不斷正向移動，消耗反應物SiO2，所以SiO2的質量會減少；

(4) 反應中消耗SiO2的質量為m(SiO2)=100g-40g=60g，即消耗1molSiO2，生成CO的物質的量n(CO)=2n(SiO2)=2mol，△c(CO)==1mol/L，所以v(CO)===0.1mol/(Lmin)；

(5)四氯化硅、氮氣和氫氣在高溫下反應生成氮化硅和氯化氫氣體，反應的化學方程式為3SiCl4+2N2+6H2 Si3N4+12HCl。