Question

3．氮化硅（Si₃N₄）是一種新型陶瓷材料，它可由石英與焦炭在高溫的氮氣流中，通過以下反應制得：3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）（△H＜0）
（1）該反應的氧化劑是N₂，其還原產物是Si₃N₄．
（2）該反應的平衡常數表達式為K=$\frac{{c}^{6}（CO）}{{c}^{2}（{N}_{2}）}$；若已知CO生成速率為v（CO）=18mol•L^-1•min^-1，則N₂消耗速率為v（N₂）=6mol•L^-1•min^-1．
（3）達到平衡后，改變某一外界條件（不改變N₂、CO的量），反應速率v與時間t的關系如圖．圖中t₄時引起平衡移動的條件可能是升高溫度或增大壓強；圖中表示平衡混合物中CO的含量最高的一段時間是t_3～t₄．
（4）若該反應的平衡常數為 K=729，則在同溫度下1L密閉容器中，足量的SiO₂和C與2mol N₂充分反應，則N₂的轉化率是50% （提示：27²=729）．

Answer 1

分析 （1）3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）中，C元素的化合價升高，N元素的化合價降低；
（2）K=生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比；CO生成速率為v（CO）=18mol•L^-1•min^-1，結合反應速率之比等于化學計量數之比計算v（N₂）；
（3）t₄時正逆反應速率均增大，且逆反應速率大于正反應速率，則為升高溫度或增大壓強；從開始改變條件平衡均向正反應進行，t₄時平衡逆向移動；
（4）在同溫度下1L密閉容器中，足量的SiO₂和C與2mol N₂充分反應，設轉化的氮氣為xmol，則
   3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）
開始                  2mol                 0
轉化                   x                    3x
平衡                   2-x                  3x
$\frac{（3x）^{6}}{（2-x）^{2}}$=729，以此來解答．

解答 解：（1）3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）中，N元素的化合價降低，則N₂為氧化劑，得到電子被還原，對應還原產物為Si₃N₄，
故答案為：N₂；Si₃N₄；
（2）K=生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比，則平衡常數表達式為K=$\frac{{c}^{6}（CO）}{{c}^{2}（{N}_{2}）}$；CO生成速率為v（CO）=18mol•L^-1•min^-1，由反應速率之比等于化學計量數之比可知v（N₂）=18mol•L^-1•min^-1×$\frac{2}{6}$=6 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：K=$\frac{{c}^{6}（CO）}{{c}^{2}（{N}_{2}）}$；6 mol•L^-1•min^-1；
（3）t₄時正逆反應速率均增大，且逆反應速率大于正反應速率，則改變條件為升高溫度或增大壓強；從開始改變條件平衡均向正反應進行，t₄時平衡逆向移動，即表示平衡混合物中CO的含量最高的一段時間是t_3～t₄，
故答案為：升高溫度或增大壓強；t_3～t₄；
（4）在同溫度下1L密閉容器中，足量的SiO₂和C與2mol N₂充分反應，設轉化的氮氣為xmol，則
   3SiO₂（s）+6C（s）+2N₂（g）?Si₃N₄（s）+6CO（g）
開始                  2mol                 0
轉化                   x                    3x
平衡                   2-x                  3x
$\frac{（3x）^{6}}{（2-x）^{2}}$=729，解得x=1mol，
則N₂的轉化率是$\frac{1mol}{2mol}$×100%=50%，故答案為：50%．

點評 本題考查化學平衡的計算，為高頻考點，把握平衡常數的含義、化學平衡移動因素及三段法計算是解答的關鍵，側重分析與計算能力的考查，題目難度不大．