Question

(12分) 氮化硅硬度大、熔点高、不溶于酸（氢氟酸除外），是一种重要的结构陶瓷材料。一种用工业硅（含少量钾、钠、铁、铜的氧化物），已知硅的熔点是1420℃，高温下氧气及水蒸气能明显腐蚀氮化硅。一种合成氮化硅的工艺主要流程如下：

（1）净化N₂和H₂时，铜屑的作用是：                       ；硅胶的作用是                  。

（2）在氮化炉中3SiO₂(s)+2N₂(g)=Si₃N₄(s) △H=－727.5kJ/mol，开始时为什么要严格控制氮气的流速以控制温度：         ；体系中要通入适量的氢气是为了         。

（3）X可能是                  （选填：“盐酸”、“硝酸”、“硫酸”、“氢氟酸”）。

（4）用硅粉作硅源、叠氮化钠（NaN₃）作氮源，直接燃烧生成氮化硅（发生置换反应），该反应的化学方程式为：                  。

 

Answer 1

【答案】

（1）除去原料气中的氧气（2分）；除去生成的水蒸气（2分）。

（2）这是放热反应，防止局部过热，导致硅熔化熔合成团，阻碍与N₂的接触（2分）；

将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去（若答将整个体系中空气排尽也可得分）（2分）。

（3）硝酸（2分）  （4）9Si+4NaN₃3Si₃N₄ +4Na↑（2分）

【解析】（1）由于氧气和水蒸气都能腐蚀氮化硅，而氮气和氢气中含有水蒸气和氧气，所以铜屑的作用是除去氧气，硅胶是除去水蒸气的。

（2）因为这是放热反应，如果温度过高，局部过热，会导致硅熔化熔合成团，阻碍与N₂的接触；通入氢气能将体系中的氧气转化为水蒸气，而易被除去。

（3）由于关于硅中含有铜的氧化物，在反应中氧化铜能被还原生成铜，因此要除去铜应该选择硝酸，盐酸和硫酸不能溶解铜，氢氟酸能腐蚀氮化硅。

（4）由于是置换反应，所以另一种生成物是钠，方程式未9Si+4NaN₃3Si₃N₄ +4Na↑。