Question

【題目】工業(yè)上用焦炭與石英在高溫下氮?dú)饬髦邪l(fā)生如下反應(yīng)，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(diǎn)高，硬度大 ，廣泛應(yīng)用于光伏、軸承、冶金、化工、能源、環(huán)保等行業(yè)。回答下列問(wèn)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(yīng)中，還原產(chǎn)物是______________。若測(cè)得反應(yīng)生成22.4 L CO氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），則轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為_____________。

(3)該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=__________________；若其他條件不變，降低溫度，達(dá)到新的平衡時(shí)，K值____________(填“增大”、“減小”或“不變”，以下同)。CO的濃度_________，SiO2的質(zhì)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(zhì)不與參與反應(yīng)）剩余質(zhì)量和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系如右圖所示。CO在0～10min的平均反應(yīng)速率為 _______ 。

(5)現(xiàn)用四氯化硅、氮?dú)夂蜌錃庠诟邷叵掳l(fā)生反應(yīng)，可得較高純度的氮化硅。反應(yīng)的化學(xué)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(gè)電子，在N2分子中2個(gè)N原子形成三對(duì)共用電子對(duì)，從而使每個(gè)N原子都達(dá)到8個(gè)電子的溫度結(jié)構(gòu)，所以N2的電子式為，Si是14號(hào)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(gè)Si原子與相鄰的4個(gè)N原子形成共價(jià)鍵，每個(gè)N原子與相鄰的3個(gè)Si形成共價(jià)鍵，這種結(jié)構(gòu)向空間擴(kuò)展，就形成了立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此該晶體屬于原子晶體。

(2)在反應(yīng)3SiO2(s)+6C(s)+2N2(g)Si3N4(s)+6CO(g) +Q(Q>0)，中C元素的化合價(jià)由反應(yīng)前單質(zhì)C的0價(jià)變?yōu)榉磻?yīng)后的CO的+2價(jià)，化合價(jià)升高，失去電子，被氧化，所以CO是氧化產(chǎn)物，N元素的化合價(jià)由反應(yīng)前N2的0價(jià)變?yōu)榉磻?yīng)后Si3N4的-3價(jià)，化合價(jià)降低，獲得電子，所以該反應(yīng)中，Si3N4是還原產(chǎn)物。n(CO)= 22.4 L÷22.4L/mol=1mol，每反應(yīng)產(chǎn)生1molCO，轉(zhuǎn)移 2mol電子，故反應(yīng)產(chǎn)生1molCO，反應(yīng)轉(zhuǎn)移的電子的物質(zhì)的量為2mol；

(3)化學(xué)平衡常數(shù)是可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，各種生成物濃度冪之積與各種反應(yīng)物濃度冪之積的比，故該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=；由于該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以若其他條件不變，降低溫度，化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，所以達(dá)到新的平衡時(shí)，K值增大；平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)產(chǎn)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(yīng)不斷正向移動(dòng)，消耗反應(yīng)物SiO2，所以SiO2的質(zhì)量會(huì)減少；

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

(5)四氯化硅、氮?dú)夂蜌錃庠诟邷叵路磻?yīng)生成氮化硅和氯化氫氣體，反應(yīng)的化學(xué)方程式為3SiCl4+2N2+6H2 Si3N4+12HCl。