Question

3．氮化硅（Si₃N₄）是一种新型陶瓷材料，它可由石英与焦炭在高温的氮气流中，通过以下反应制得：3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）（△H＜0）
（1）该反应的氧化剂是N₂，其还原产物是Si₃N₄．
（2）该反应的平衡常数表达式为K=$\frac{{c}^{6}（CO）}{{c}^{2}（{N}_{2}）}$；若已知CO生成速率为v（CO）=18mol•L^-1•min^-1，则N₂消耗速率为v（N₂）=6mol•L^-1•min^-1．
（3）达到平衡后，改变某一外界条件（不改变N₂、CO的量），反应速率v与时间t的关系如图．图中t₄时引起平衡移动的条件可能是升高温度或增大压强；图中表示平衡混合物中CO的含量最高的一段时间是t_3～t₄．
（4）若该反应的平衡常数为 K=729，则在同温度下1L密闭容器中，足量的SiO₂和C与2mol N₂充分反应，则N₂的转化率是50% （提示：27²=729）．

Answer 1

分析 （1）3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）中，C元素的化合价升高，N元素的化合价降低；
（2）K=生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比；CO生成速率为v（CO）=18mol•L^-1•min^-1，结合反应速率之比等于化学计量数之比计算v（N₂）；
（3）t₄时正逆反应速率均增大，且逆反应速率大于正反应速率，则为升高温度或增大压强；从开始改变条件平衡均向正反应进行，t₄时平衡逆向移动；
（4）在同温度下1L密闭容器中，足量的SiO₂和C与2mol N₂充分反应，设转化的氮气为xmol，则
   3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）
开始                  2mol                 0
转化                   x                    3x
平衡                   2-x                  3x
$\frac{（3x）^{6}}{（2-x）^{2}}$=729，以此来解答．

解答 解：（1）3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）中，N元素的化合价降低，则N₂为氧化剂，得到电子被还原，对应还原产物为Si₃N₄，
故答案为：N₂；Si₃N₄；
（2）K=生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比，则平衡常数表达式为K=$\frac{{c}^{6}（CO）}{{c}^{2}（{N}_{2}）}$；CO生成速率为v（CO）=18mol•L^-1•min^-1，由反应速率之比等于化学计量数之比可知v（N₂）=18mol•L^-1•min^-1×$\frac{2}{6}$=6 mol•L^-1•min^-1，
故答案为：K=$\frac{{c}^{6}（CO）}{{c}^{2}（{N}_{2}）}$；6 mol•L^-1•min^-1；
（3）t₄时正逆反应速率均增大，且逆反应速率大于正反应速率，则改变条件为升高温度或增大压强；从开始改变条件平衡均向正反应进行，t₄时平衡逆向移动，即表示平衡混合物中CO的含量最高的一段时间是t_3～t₄，
故答案为：升高温度或增大压强；t_3～t₄；
（4）在同温度下1L密闭容器中，足量的SiO₂和C与2mol N₂充分反应，设转化的氮气为xmol，则
   3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）
开始                  2mol                 0
转化                   x                    3x
平衡                   2-x                  3x
$\frac{（3x）^{6}}{（2-x）^{2}}$=729，解得x=1mol，
则N₂的转化率是$\frac{1mol}{2mol}$×100%=50%，故答案为：50%．

点评 本题考查化学平衡的计算，为高频考点，把握平衡常数的含义、化学平衡移动因素及三段法计算是解答的关键，侧重分析与计算能力的考查，题目难度不大．