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(gè)石墨電極插入KOH溶液中，向兩極分別通入CH₄和O₂，構(gòu)成甲烷燃料電池，通入CH₄的一極，其電極反應(yīng)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(yīng)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(xué)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(shí)，將1.0mol CO₂和3.0mol H₂充入2L密閉恒容器中，可發(fā)生反應(yīng)的方程式為CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+2H₂O（g）．充分反應(yīng)達(dá)到平衡后，若容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始壓強(qiáng)之比為a：1，則CO₂轉(zhuǎn)化率為

 

，當(dāng)a=0.875時(shí)，該條件下此反應(yīng)的平衡常數(shù)為

 

（用分?jǐn)?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?dú)饬髦蟹磻?yīng)生成，已知該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)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(yīng)的化學(xué)方程式為

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)電源新型電池,用蓋斯定律進(jìn)行有關(guān)反應(yīng)熱的計(jì)算,化學(xué)平衡的計(jì)算

專題：化學(xué)反應(yīng)中的能量變化,化學(xué)平衡專題,電化學(xué)專題

分析：（1）在燃料電池的負(fù)極上發(fā)生燃料失電子的氧化反應(yīng)，據(jù)此書寫電極反應(yīng)式；根據(jù)蓋斯定律結(jié)合熱化學(xué)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(qiáng)弱，化學(xué)反應(yīng)遵循強(qiáng)酸制弱酸的原理；
（3）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后氣體壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比結(jié)合三行式來計(jì)算化學(xué)平衡常數(shù)；
（4）化學(xué)方程式的系數(shù)之比等于化學(xué)反應(yīng)速率之比，根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式的書寫方法來書寫化學(xué)方程式．

解答： 解：（1）在甲烷燃料電池的負(fù)極上，燃料甲烷發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，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(yīng)：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）可以是

1

2

（①+②），所以該反應(yīng)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(qiáng)于HA，HCO₃^-的酸性弱于HA，所以發(fā)生的反應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)化率為400（1-a）%或4（1-a）×100%或（4-4a）×100%，當(dāng)a=0.875時(shí)，x=0.5，該條件下此反應(yīng)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?dú)饬髦蟹磻?yīng)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)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(xué)方程式的系數(shù)之比等于化學(xué)反應(yīng)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(diǎn)評：本題涉及熱化學(xué)、電化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)速率和平衡的計(jì)算等方面的知識，屬于綜合知識的考查題，難度不大．