Question

据报道，2017年4月26日下水的国产航母采用了很多在国际上领先的新技术、新材料，如碳纤维、隐形涂层、新的防腐蚀技术等；航母的发动机—“中国心”的主要材料Si₃N₄是具备抗冲击、耐腐蚀、耐高温等特点的新型陶瓷。工业上制备纯净的Si₃N₄陶瓷需要综合各方面技术。

（1）以氮气、氢气、氯气和粗硅为原料制备纯净氮化硅的主要反应如下：

①Si(粗、s) + 2Cl₂(g) = SiCl₄(g)                          ΔH₁= -609.6 kJ/mol

②SiCl₄(g)+ 2H₂(g) = Si(纯、s)+ 4HCl(g)                   ΔH₂= a kJ/mol

③3SiCl₄(g)+ 6H₂(g)+ 2 N₂(g)= Si₃N₄(s) + 12HCl(g)          ΔH₃= -29kJ/mol

④3Si(纯、s) + 2 N₂(g) = Si₃N₄(s)                         ΔH₄= -750.2 kJ/mol

则a为____________。

（2）采用化学气相沉积法使氨气和甲硅烷在600℃的加热基板上生成氮化硅。

①写出甲硅烷的电子式___________________。

②用化学反应方程式表示制备氮化硅的反应原理__________________________。

③反应所利用的原料甲硅烷具有易提纯的特点，因此甲硅烷热分解法是制备高纯硅很有发展潜力的方法。但制备和使用甲硅烷过程必须控制无氧环境，请你分析原因____________________________________________________________________。

（3）利用原料SiO₂ 和焦炭为原料采用碳热还原法在1400-1450℃的氮气气氛下合成氮化硅

SiO₂ + C+ N₂ Si₃N₄ + CO（反应未配平）

①工业上通常用该反应的一个副反应来制备粗硅，请写出该副反应的化学方程式__________。

②为了保证石英和焦炭尽可能的转化，氮气要适当过量。某次反应用了25 mol氮气，反应生成6 mol一氧化碳，则反应中转移电子数为____N_A ，此时混合气体的平均摩尔质量为_______。（N_A表示阿伏加德罗常数的数值）

Answer

+240.4 4NH3+3SiH4Si3N4+12H2 若混入O2，SiH4和O2发生反应，甚至可能发生爆炸。 SiO2+2C Si+2CO↑ 12 28g/mol

【解析】（1）根据②SiCl4(g)+ 2H2(g) = Si(纯、s)+ 4HCl(g) = a kJ/mol ③3SiCl4(g)+ 6H2(g)+ 2 N2(g)= Si3N4(s) + 12HCl(g) ΔH3= -29kJ/mol，③-②3=④3Si(纯、s) + 2 N2(g) = Si3N4(s) ΔH4= -750.2 kJ/mol，所以ΔH4= -750.2 kJ/mol =ΔH3-3ΔH2 = -29kJ/mol-3 a kJ/mol，解之得a=240.4。

（2）①甲硅烷的电子式。

②用化学反应方程式表示制备氮化硅的反应原理4NH3+3SiH4Si3N4+12H2 。

③制备和使用甲硅烷过程必须控制无氧环境，若混入O2，SiH4和O2发生反应，甚至可能发生爆炸。

（3）①工业上制备粗硅反应的化学方程式为SiO2+2C Si+2CO↑。

②某次反应用了25 mol氮气，氮气因为有适当过量，所以不能按氮气来计算。反应生成6 mol一氧化碳，因为碳的化合价由0升高到+2，所以反应中转移电子数为12NA .反应后得到CO和N2组成的混合气体，两种组分的摩尔质量相等，所以此时混合气体的平均摩尔质量为28g/mol 。