Question

碳和硅屬于同主族元素，在生活生產(chǎn)中有著廣泛的用途．
（1）甲烷可用作燃料電池，將兩個石墨電極插入KOH溶液中，向兩極分別通入CH₄和O₂，構成甲烷燃料電池，通入CH₄的一極，其電極反應式是

 

；
CH₄催化還原NO_X可以消除氮氧化物的污染，有望解決汽車尾氣污染問題，反應如下：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ?mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ?mol^-1
則NO₂被甲烷還原為N₂的熱化學方程式為

 

．
（2）已知H₂CO₃?HCO₃^-+H⁺             K_a1（H₂CO₃）=4.45×10^-7
       HCO₃^-?CO₃^2-+H⁺              K_a2（HCO₃^-）=5.61×10^-11
       HA?H⁺+A^-                   K_a（HA）=2.95×10^-8
請依據(jù)以上電離平衡常數(shù)，寫出少量CO₂通入到NaA溶液中的離子方程式

 

．
（3）在T溫度時，將1.0mol CO₂和3.0mol H₂充入2L密閉恒容器中，可發(fā)生反應的方程式為CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+2H₂O（g）．充分反應達到平衡后，若容器內(nèi)的壓強與起始壓強之比為a：1，則CO₂轉化率為

 

，當a=0.875時，該條件下此反應的平衡常數(shù)為

 

（用分數(shù)表示）．
（4）氮化硅（Si₃N₄）是一種新型陶瓷材料，它可由石英（SiO₂）與焦炭在高溫的氮氣流中反應生成，已知該反應的平衡常數(shù)表達式K=[c（CO）]⁶/[c（N₂）]²，若已知CO生成速率為v（CO）=6mol?L^-1?min^-1，則N₂消耗速率為v（N₂）=

 

；該反應的化學方程式為

 

．

Answer 1

考點：化學電源新型電池,用蓋斯定律進行有關反應熱的計算,化學平衡的計算

專題：化學反應中的能量變化,化學平衡專題,電化學專題

分析：（1）在燃料電池的負極上發(fā)生燃料失電子的氧化反應，據(jù)此書寫電極反應式；根據(jù)蓋斯定律結合熱化學方程式的書寫方法來書寫方程式；
（2）根據(jù)電離平衡常數(shù)大小確定酸的強弱，化學反應遵循強酸制弱酸的原理；
（3）根據(jù)化學反應前后氣體壓強之比等于物質的量之比結合三行式來計算化學平衡常數(shù)；
（4）化學方程式的系數(shù)之比等于化學反應速率之比，根據(jù)平衡常數(shù)表達式的書寫方法來書寫化學方程式．

解答： 解：（1）在甲烷燃料電池的負極上，燃料甲烷發(fā)生失電子的氧化反應，即CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，已知
①CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ?mol^-1
②CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ?mol^-1
則反應：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）可以是

1

2

（①+②），所以該反應的△H=

1

2

（-574kJ?mol^-1-1160kJ?mol^-1）=-867kJ?mol^-1，故答案為：
CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ?mol^-1．
（2）根據(jù)電離平衡常數(shù)大小，確定碳酸的酸性強于HA，HCO₃^-的酸性弱于HA，所以發(fā)生的反應為：CO₂+A^-+H₂O=HCO₃^-+HA，故答案為：CO₂+A^-+H₂O=HCO₃^-+HA；
（3）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+2H₂O（g）設二氧化碳的變化量是x，則
初始量：1       3          0          0
變化量：x         3x        x        2x
平衡量：1-x       3-3x          x        2x

1+3

1-x+3-3x+x+2x

=

1

a

，解得x=4-4a，則CO₂轉化率為400（1-a）%或4（1-a）×100%或（4-4a）×100%，當a=0.875時，x=0.5，該條件下此反應的平衡常數(shù)=

0.5×1

0.5×1．53

=

8

27

，故答案為：400（1-a）%或4（1-a）×100%或（4-4a）×100%；

8

27

 L/mol；
（4）石英（SiO₂）與焦炭在高溫的氮氣流中反應，該反應的平衡常數(shù)表達式K=[c（CO）]⁶/[c（N₂）]²，所以知道會生成氮化硅和一氧化碳，方程式為：3SiO₂+6C+2N₂

高溫  .

Si₃N₄+6CO，化學方程式的系數(shù)之比等于化學反應速率之比，則N₂消耗速率為v（N₂）=

1

3

v（CO）=2mol?L^-1?min^-1，
故答案為：2mol?L^-1?min^-1；3SiO₂+6C+2N₂

高溫  .

Si₃N₄+6CO．

點評：本題涉及熱化學、電化學、化學反應速率和平衡的計算等方面的知識，屬于綜合知識的考查題，難度不大．