Question

【题目】工业上用焦炭与石英在高温下氮气流中发生如下反应，3SiO2(s)+6C(s)+2N2(g)Si3N4(s)+6CO(g) +Q(Q>0)，可制得一种新型陶瓷材料氮化硅(Si3N4)，该材料熔点高，硬度大 ，广泛应用于光伏、轴承、冶金、化工、能源、环保等行业。回答下列问题：

(1)N2的电子式为____________，Si在元素周期表中的位置是_______________，氮化硅晶体属于__________晶体。

(2)该反应中，还原产物是______________。若测得反应生成22.4 L CO气体（标准状况下），则转移的电子的物质的量为_____________。

(3)该反应的平衡常数表达式K=__________________；若其他条件不变，降低温度，达到新的平衡时，K值____________(填“增大”、“减小”或“不变”，以下同)。CO的浓度_________，SiO2的质量______________。

(4)已知在一定条件下的2L密闭容器中制备氮化硅，SiO2（纯度98.5%，所含杂质不与参与反应）剩余质量和反应时间的关系如右图所示。CO在0～10min的平均反应速率为 _______ 。

(5)现用四氯化硅、氮气和氢气在高温下发生反应，可得较高纯度的氮化硅。反应的化学方程式为______________。

Answer 1

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

【解析】

(1)N原子最外层有5个电子，在N2分子中2个N原子形成三对共用电子对，从而使每个N原子都达到8个电子的温度结构，所以N2的电子式为，Si是14号元素，核外电子排布是2、8、4，所以在元素周期表中的位置是第三周期第ⅣA族，在氮化硅晶体中每个Si原子与相邻的4个N原子形成共价键，每个N原子与相邻的3个Si形成共价键，这种结构向空间扩展，就形成了立体网状结构，因此该晶体属于原子晶体。

(2)在反应3SiO2(s)+6C(s)+2N2(g)Si3N4(s)+6CO(g) +Q(Q>0)，中C元素的化合价由反应前单质C的0价变为反应后的CO的+2价，化合价升高，失去电子，被氧化，所以CO是氧化产物，N元素的化合价由反应前N2的0价变为反应后Si3N4的-3价，化合价降低，获得电子，所以该反应中，Si3N4是还原产物。n(CO)= 22.4 L÷22.4L/mol=1mol，每反应产生1molCO，转移 2mol电子，故反应产生1molCO，反应转移的电子的物质的量为2mol；

(3)化学平衡常数是可逆反应达到平衡状态时，各种生成物浓度幂之积与各种反应物浓度幂之积的比，故该反应的平衡常数表达式K=；由于该反应的正反应是放热反应，所以若其他条件不变，降低温度，化学平衡向正反应方向移动，所以达到新的平衡时，K值增大；平衡正向移动，反应产生更多的CO气体，由于容器的容积不变，所以CO的浓度增大；反应不断正向移动，消耗反应物SiO2，所以SiO2的质量会减少；

(4) 反应中消耗SiO2的质量为m(SiO2)=100g-40g=60g，即消耗1molSiO2，生成CO的物质的量n(CO)=2n(SiO2)=2mol，△c(CO)==1mol/L，所以v(CO)===0.1mol/(Lmin)；

(5)四氯化硅、氮气和氢气在高温下反应生成氮化硅和氯化氢气体，反应的化学方程式为3SiCl4+2N2+6H2 Si3N4+12HCl。