Question

（17分）氮化硅是一种新型陶瓷材料，它可由石英晶体与焦炭颗粒在高温的氮气流中，通过如下反应制得：3SiO₂ + 6C + 2N₂ Si₃N₄ + 6CO，该反应过程中的能量变化如图⑵所示；回答下列问题：

（1）上述反应中的还原剂是         ，还原产物是       。
（2）该反应是         （填“吸热”或“放热”）反应。
（3）在一定温度下，上述反应在4L密闭容器内进行，用M、N两种物质描述其物质的量随时间变化的曲线如图⑶所示：

①M、N表示的物质分别为        、         。
②比较t₂时刻，正逆反应速率大小_{（正）     （逆）}。
（填“>”、“=”、“<”）。.
③若t₂=2min，计算反应开始至t₂时刻，M的平均化学反应速率为             。
④t₃时刻化学反应达到平衡时反应物的转化率为         。
（4）①某种氢燃料电池是用固体金属氧化物陶瓷作电解质，某电极上发生的电极反应为：A极H₂－2e^－＋O^2－===H₂O；则A极是电池的      极 (填“正”或“负”)。
②上述合成氮化硅的反应产生的尾气不能排放，经过处理以后可以用下图所示的仪器测量尾气中CO的含量。多孔电极中间的固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质允许O^2-在其间通过，其工作原理如图⑷所示，其中多孔Pt电极a、b分别是气体CO、O₂的载体。

Ⅰ.该电池的正极为          （填a或b）；O² 流向        （填  “正极”或“负极”）
Ⅱ.该电池的正极反应式为                    ，负极反应式为                       。

Answer 1

（1）C；Si₃N₄ ；（2）放热 ；（3）① CO 、N₂； ②_（正）  > _（逆）③ 1mol/(L·min)；④  75% ；
（4）① 负 。②Ⅰ.  b  ；负极； Ⅱ.正极反应为O₂＋4e^－===2O^2－ ；负极反应为CO－2e^－＋O^2－===CO₂。

 
试题分析：（1）在反应3SiO₂ + 6C + 2N₂Si₃N₄ + 6CO中C的化合价由0价→+2价，作还原剂，N元素的化合价由反应前的N₂的0价→-3价，得到电子，作氧化剂，变为还原产物Si₃N₄。（2）由于反应物的能量比生成物的能量高，多余的能量释放出来。所以该反应是放热反应。（3）①由图像可知M是生成物，N的反应物。在反应方程式中，反应物中只有N₂是气体，生成物中只有CO是气体，因此M是CO ，N是N₂。②在t₂时刻，CO 和N₂的物质的量浓度相等，由于反应还没有达到平衡，此时正逆反应速率大小_（正）>_（逆），反应正向进行。③若t₂=2min，从反应开始到t₂时刻，V(M)=" (4mol/L-2mol/L)" ÷2min="1mol/(L·min)." ④t₃时刻化学反应达到平衡时反应物的转化率为(6mol/L÷8mol/L)×100%="75%" ；（4）①由于A电极失去电子，A极是电池的负极；②Ⅰ. 通入燃料CO的电极为负极，通入氧气的电极为正极。由于b电极通入了氧气，所以该电池的正极为b ；根据同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引的原则，O^2-会向正电荷较多的负极移动；Ⅱ.对于该燃料电池来说，正极反应为O₂＋4e^－===2O^2－ ；负极反应为CO－2e^－＋O^2－===CO₂。该电池的总方程式为2CO＋O₂===CO₂。