Question

碳和硅属于同主族元素，在生活生产中有着广泛的用途．
（1）甲烷可用作燃料电池，将两个石墨电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH₄和O₂，构成甲烷燃料电池，通入CH₄的一极，其电极反应式是

 

；
CH₄催化还原NO_X可以消除氮氧化物的污染，有望解决汽车尾气污染问题，反应如下：
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
则NO₂被甲烷还原为N₂的热化学方程式为

 

．
（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
请依据以上电离平衡常数，写出少量CO₂通入到NaA溶液中的离子方程式

 

．
（3）在T温度时，将1.0mol CO₂和3.0mol H₂充入2L密闭恒容器中，可发生反应的方程式为CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+2H₂O（g）．充分反应达到平衡后，若容器内的压强与起始压强之比为a：1，则CO₂转化率为

 

，当a=0.875时，该条件下此反应的平衡常数为

 

（用分数表示）．
（4）氮化硅（Si₃N₄）是一种新型陶瓷材料，它可由石英（SiO₂）与焦炭在高温的氮气流中反应生成，已知该反应的平衡常数表达式K=[c（CO）]⁶/[c（N₂）]²，若已知CO生成速率为v（CO）=6mol?L^-1?min^-1，则N₂消耗速率为v（N₂）=

 

；该反应的化学方程式为

 

．

Answer 1

考点：化学电源新型电池,用盖斯定律进行有关反应热的计算,化学平衡的计算

专题：化学反应中的能量变化,化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）在燃料电池的负极上发生燃料失电子的氧化反应，据此书写电极反应式；根据盖斯定律结合热化学方程式的书写方法来书写方程式；
（2）根据电离平衡常数大小确定酸的强弱，化学反应遵循强酸制弱酸的原理；
（3）根据化学反应前后气体压强之比等于物质的量之比结合三行式来计算化学平衡常数；
（4）化学方程式的系数之比等于化学反应速率之比，根据平衡常数表达式的书写方法来书写化学方程式．

解答： 解：（1）在甲烷燃料电池的负极上，燃料甲烷发生失电子的氧化反应，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
则反应：CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）可以是

1

2

（①+②），所以该反应的△H=

1

2

（-574kJ?mol^-1-1160kJ?mol^-1）=-867kJ?mol^-1，故答案为：
CH₄（g）+2NO₂（g）=N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-867kJ?mol^-1．
（2）根据电离平衡常数大小，确定碳酸的酸性强于HA，HCO₃^-的酸性弱于HA，所以发生的反应为：CO₂+A^-+H₂O=HCO₃^-+HA，故答案为：CO₂+A^-+H₂O=HCO₃^-+HA；
（3）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+2H₂O（g）设二氧化碳的变化量是x，则
初始量：1       3          0          0
变化量：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，则CO₂转化率为400（1-a）%或4（1-a）×100%或（4-4a）×100%，当a=0.875时，x=0.5，该条件下此反应的平衡常数=

0.5×1

0.5×1．53

=

8

27

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

8

27

 L/mol；
（4）石英（SiO₂）与焦炭在高温的氮气流中反应，该反应的平衡常数表达式K=[c（CO）]⁶/[c（N₂）]²，所以知道会生成氮化硅和一氧化碳，方程式为：3SiO₂+6C+2N₂

高温  .

Si₃N₄+6CO，化学方程式的系数之比等于化学反应速率之比，则N₂消耗速率为v（N₂）=

1

3

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

高温  .

Si₃N₄+6CO．

点评：本题涉及热化学、电化学、化学反应速率和平衡的计算等方面的知识，属于综合知识的考查题，难度不大．