Question

碳和硅屬于同主族元素，在生活生產中有著廣泛的用途。
（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
HAH^＋＋A^－                  K_a(HA)=2.95×10^－8
請依據以上電離平衡常數，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1.0molCO₂和3.0molH₂充入2L密閉恒容器中，可發生反應的方程式為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為_______________(用分數表示)。
（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

（1） CH₄－8e^－+ 10OH^－＝CO₃^2－+ 7H₂O
CH₄(g)+2NO₂(g)=N₂(g)+CO₂(g)+2H₂O(g) △H=－867kJ·mol^-1(3分，方程式1分，數值2分)
（2） CO₂+ A^－+ H₂O = HCO₃^－+ HA
（3） 400(1-a)%或4(1-a)×100%或(4-4a)×100%(3分，沒有表示為百分號形式的不得分)
8/27 L/mol (3分，沒有單位或單位錯誤扣1分)
（4） 2mol·L^-1·min^-1(3分，沒有單位或單位錯誤扣1分)；
3SiO₂+6C+ 2N₂Si₃N₄+ 6CO(沒寫可逆符號或缺少條件的扣1分)

解析試題分析：（1）甲烷在堿性條件下失電子生成CO₃²?，配平可得電極方程式：CH₄－8e^－+ 10OH^－＝CO₃^2－+ 7H₂O；首先寫出NO₂與CH₄反應的化學方程式并注明狀態，然后根據蓋斯定律求?H，第二個反應對比N₂，第一個反應與第二個反應抵消NO，所以?H=1/2?H₁+1/2?H₂=－867kJ·mol^-1，進而寫出熱化學方程式。
（2）根據題目所給信息可知：K_a1（H₂CO₃）> K_a(HA) > K_a2(HCO₃^－)，根據強酸制弱酸的原理，少量CO₂通入到NaA溶液中的離子方程式為：CO₂+ A^－+ H₂O = HCO₃^－+ HA
（3）因為壓強之比等于氣體物質的量之比，設CO₂的轉化率為x，根據三段式進行計算：
CO₂ (g) + 3H₂(g) CH₃OH(g) + 2H₂O(g)
起始物質的量（mol）  1        3           0         0
轉化物質的量（mol）  x        3x          x         2x
平衡物質的量（mol） 1-x      3-3x          x         2x
則（4-x）：4=a：1，解得x=4-4a，所以CO₂的轉化率為：400(1-a)%或4(1-a)×100%或(4-4a)×100%；
a=0.875時，x=0.5，則平衡常數為：0.5mol/L×（1mol?L?¹）²÷[0.5mol/L×(1.5mol?L?¹)³]="8/27" L/mol。
（4）根據平衡常數表達式K=［c(CO)］⁶/［c(N₂)］²，可得化學方程式中CO的系數為6，N₂的系數為2，反應物還有SiO₂和C，生成了Si₃N₄，配平可得化學方程式：3SiO₂+6C+ 2N₂Si₃N₄+ 6CO；v(N₂)＝1/3 v(CO)＝6mol·L^-1·min^-1×1/3= 2mol·L^-1·min^-1。
考點：本題考查電極方程式、離子方程式、化學方程式、熱化學方程式的書寫、化學平衡常數、化學反應速率、轉化率的計算。