Question

20．氮化硅（Si₃N₄）是一種優良的高溫結構陶瓷，在航天航空、汽車發動機、機械等領域有著廣泛的用途．工業上有多種方法來制備氮化硅，常見的方法有：
（1）在1 300-l 400℃時，高純粉狀硅與純氮氣化合，其反應方程式為3Si+2N₂$\frac{\underline{\;1300～1400℃\;}}{\;}$Si₃N₄．
（2）在高溫條件下利用四氯化硅氣體、純氮氣、氫氣反應生成氮化硅和HCl．
①已知：25℃，101kPa條件下的熱化學方程式：
3Si（s）+2N₂（g）═Si₃N₄（s）△H═-750.2kJ/mol
Si（s）+2Cl₂（g）═SiCl₄（g）△H═-609.6kJ/mol
H₂（g）+Cl₂（g）═HCl（g）△H═-92.3kJ/mol
四氯化硅氣體與氮氣、氫氣反應的熱化學方程式為3SiCl₄（g）+2N₂（g）+6H₂（g）=Si₃N₄（g）+12HCl（g）△H=-29.0kJ/mol．
②工業上制取高純硅和四氯化硅的生產流程如圖1：

已知：X，高純硅、原料B的主要成分都可與Z反應，Y與X在光照或點燃條件下可反應，Z的焰色呈黃色．
上述生產流程中電解A的水溶液時，陽極材料能否用Cu？不能（填“能”或“不能”）．寫出Cu為陽極電解A的水溶液開始一段時間陰陽極的電極方程式．陽極：Cu-2e^-=Cu²⁺；陰極：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-．
（3）由石英砂合成氮化硅粉末的路線圖如圖2所示

①石英砂不能與堿性物質共同存放，以NaOH為例，用化學方程式表示其原因：SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂O．
②圖示 I-V的變化中，屬于氧化還原反應的是I、Ⅱ．
③SiCl₄在潮濕的空氣中劇烈水解，產生白霧，軍事工業中用于制造煙霧劑．SiCl₄水解的化學方程式為SiCl₄+3H₂O=4HCl↑+H₂SiO₃↓．
④在反應Ⅳ中四氯化硅與氨氣反應生成Si（NH₂）₄和一種氣體HCl（填分子式）；在反應V中Si（NH₂）₄受熱分解，分解后的另一種產物的分子式為NH₃．

Answer 1

分析 （1）硅與氮氣反應生成Si₃N₄；
（2）①已知：Ⅰ.3Si（s）+2N₂（g）=Si₃N₄（s）△H=-750.2kJ/mol
Ⅱ．Si（s）+2Cl₂（g）=SiCl₄（g）△H=-609.6kJ/mol
Ⅲ.$\frac{1}{2}$H₂（g）+$\frac{1}{2}$Cl₂（g）=HCl（g）△H=-92.3kJ/mol
根據蓋斯定律，Ⅰ-Ⅱ×3+Ⅲ×12可得：3SiCl₄（g）+2N₂（g）+6H₂（g）=Si₃N₄（g）+12HCl（g），反應熱也進行相應的計算；
②原料B與碳得到粗產品與X反應生成SiCl₄，則X為氯氣，原料B與碳得到粗產品為Si，故B為SiO₂．Y與氯氣在光照或點燃條件下可反應，且與SiCl₄反應得到高純度Si，則Y為氫氣．Z的焰色呈黃色，含有Na元素，電解A得到氫氣、氯氣與Z，則Z為NaOH、A為NaCl；
（3）①二氧化硅與氫氧化鈉反應生成硅酸鈉與水；
②反應Ⅰ為置換反應，反應Ⅱ為有單質參加的化合反應，Ⅲ中物質未發生變化，Ⅳ中元素化合物均為發生變化；
③SiCl₄水解得到HCl、H₂SiO₃；
④在反應IV中四氯化硅與氨氣反應生成Si（NH₂）₄和一種氣體，由元素守恒可知，該氣體為HCl；在反應V中Si（NH₂）₄受熱分解生成Si₃N₄，由原子守恒可知另一種產物為NH₃．

解答 解：（1）硅與氮氣反應生成Si₃N₄，反應方程式為：3Si+2N₂$\frac{\underline{\;1300～1400℃\;}}{\;}$Si₃N₄，
故答案為：3Si+2N₂$\frac{\underline{\;1300～1400℃\;}}{\;}$Si₃N₄；
（2）①已知：Ⅰ.3Si（s）+2N₂（g）=Si₃N₄（s）△H=-750.2kJ/mol
Ⅱ．Si（s）+2Cl₂（g）=SiCl₄（g）△H=-609.6kJ/mol
Ⅲ.$\frac{1}{2}$H₂（g）+$\frac{1}{2}$Cl₂（g）=HCl（g）△H=-92.3kJ/mol
根據蓋斯定律，Ⅰ-Ⅱ×3+Ⅲ×12可得：3SiCl₄（g）+2N₂（g）+6H₂（g）=Si₃N₄（g）+12HCl（g），故△H=-750.2kJ/mol-3×（-609.6kJ/mol）+12×（-92.3kJ/mol）=-29.0kJ/mol，
故答案為：3SiCl₄（g）+2N₂（g）+6H₂（g）=Si₃N₄（g）+12HCl（g）△H=-29.0kJ/mol；
②原料B與碳得到粗產品與X反應，生成SiCl₄，則X為氯氣，原料B與碳得到粗產品為Si，故B為SiO₂．Y與氯氣在光照或點燃條件下可反應，且與SiCl₄反應得到高純度Si，則Y為氫氣．Z的焰色呈黃色，含有Na元素，電解A得到氫氣、氯氣與Z，則Z為NaOH、A為NaCl．
上述生產流程中電解NaCl的水溶液時，陽極氯離子放電生成氯氣，陽極材料若為Cu，則Cu放電，氯離子不能放電生成氯氣，故陽極材料不能為Cu；
Cu為陽極電解NaCl的水溶液開始一段時間，陽極Cu放電生成銅離子，陽極電極反應式為：Cu-2e^-=Cu²⁺，
陰極水放電生成氫氣與氫氧根離子，陰極電極反應式為：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，
故答案為：不能；Cu-2e^-=Cu²⁺；2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；
（3）①二氧化硅與氫氧化鈉反應生成硅酸鈉與水，反應方程式為：SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂O，
故答案為：SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+H₂O；
②反應Ⅰ為置換反應，反應Ⅱ為有單質參加的化合反應，二者均屬于氧化還原反應，Ⅲ中物質未發生變化，未發生化學變化，Ⅳ中元素化合物均為發生變化，屬于非氧化還原反應，
故答案為：I、Ⅱ；
③SiCl₄水解得到HCl、H₂SiO₃，反應方程式為：SiCl₄+3H₂O=4HCl↑+H₂SiO₃↓，
故答案為：SiCl₄+3H₂O=4HCl↑+H₂SiO₃↓；
④在反應IV中四氯化硅與氨氣反應生成Si（NH₂）₄和一種氣體，由元素守恒可知，該氣體為HCl；在反應V中Si（NH₂）₄受熱分解生成Si₃N₄，由原子守恒可知另一種產物為NH₃，
故答案為：HCl；NH₃．

點評 本題屬于拼合型題目，涉及化學工藝流程、無機物推斷、電解原理、熱化學方程式書寫等，有利用學生能力的考查，需要學生具備扎實的基礎與靈活運用能力．