Question

碳、硅同为周期表中ⅣA族的元素，是构成自然界各种物质的重要元素．
（一）由碳元素构成的各种单质和化合物都是科学家研究的重要对象．
（1）用特殊方法合成的储氢纳米碳管常伴有大量的碳纳米颗粒（杂质），这种颗粒可用如下方法提纯，请配平该反应的化学方程式：

 

C+

 

KMnO₄+

 

H₂SO₄→

 

CO₂↑+

 

MnSO₄+

 

K₂SO₄+

 

H₂O
（2）汽车尾气中的一氧化碳是大气污染物，可通过反应：CO（g）+

1

2

O₂（g）?CO₂（g）降低其浓度．
①某温度下，在两个容器中进行上述反应，容器中各物质的起始浓度及正逆反应速率关系如下表所示．请填写表中的空格．

容器编号	c（CO）/mol?L-1	c（O2）mol?L-1	c（CO2）mol?L-1	v（正）和v（逆）比较
Ⅰ	2.0×10-4	4.0×10-4	4.0×10-2	v（正）=v（逆）
Ⅱ	3.0×10-4	4.0×10-4	5.0×10-2	v（正）   v（逆）

②相同温度下，某汽车尾气中CO、CO₂的浓度分别为1.0×10^-5mol/L和1.0×10^-4mol/L．若在汽车的排气管上增加一个补燃器，不断补充O₂并使其浓度保持为1.0×10^-4mol/L，则最终尾气中CO的浓度为

 

mol/L（请保留两位有效数字）．
（3）CO₂在自然界循环时可与CaCO₃反应，CaCO₃是一种难溶物质，其K_sp=2.8×10^-9．CaCl₂溶液与Na₂CO₃溶液混合可形成CaCO₃沉淀，现将等体积的CaCl₂溶液与Na₂CO₃溶液混合，若Na₂CO₃溶液的浓度为2×10^-4mol/L，则生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小浓度为

 

．
（二）晶体硅是一种重要的非金属材料，制备纯硅的主要步骤如下：
①高温下用过量的碳还原二氧化硅制得粗硅  
②粗硅与干燥的HCl气体反应制得SiHCl₃
③SiHCl₃与过量的H₂在1000℃～1100℃反应制得纯硅，已知SiHCl₃能与水强烈反应，在空气中易自燃．请回答：
（1）第一步制取粗硅的化学方程式

 

．
（2）粗硅与HCl反应制备三氯氢硅的过程中发生反应的热化学方程式为：
（i）Si（s）+3HCl（g）═SiHCl₃（g）+H₂（g）△H=-210kJ/mol
（ii）Si（s）+4HCl（g）═SiCl₄（g）+2H₂（g）（副反应）△H=-241kJ/mol
①常温下，SiHCl₃和SiCl₄均为液态化合物，二者互溶且均易水解，则分离二者的最佳方法是

 

．
②某反应的能量变化如图所示：则该反应的能量变化E=

 

kJ．

③SiCl₄可转化为SiHCl₃而循环使用，则该反应的热化学方程式为：

 

．

Answer 1

考点：硅和二氧化硅,氧化还原反应方程式的配平,反应热和焓变,热化学方程式,化学平衡的计算

专题：氧化还原反应专题,化学平衡专题,碳族元素

分析：（一）（1）根据氧化还原反应中得失电子数相等和原子守恒来配平化学方程式；
（2）①利用Ⅰ先计算化学平衡常数，再利用Ⅱ中的Q来判断反应进行的方向，从而得出正逆反应速率的关系；
②根据化学平衡的三段法来进行计算；
（3）Na₂CO₃溶液的浓度为2×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=1×10^-4mol/L，根据K_sp=c（CO₃^2-）?c（Ca²⁺）计算沉淀时混合溶液中c（Ca²⁺），原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍；
（二）（1）高温下用碳还原二氧化硅生成硅与一氧化碳；
（2）①HCl易溶于水，而SiHCl₃与H₂O强烈反应，故提纯SiHCl₃的方法只能在无水的条件下利用它们的沸点不同，采用分馏的方法进行；
②根据（ii）运用盖斯定律计算；
③根据盖斯定律计算；

解答： 解：（一）（1）高锰酸钾中锰元素化合价降低7-2=5价，碳元素化合价升高4-0=4价，化合价升高数=化合价降低数，所以高锰酸钾前的系数是4，碳单质前的系数是5，根据原子守恒，二氧化碳前是5，硫酸锰前是4，硫酸钾前面是2，根据硫酸跟守恒，所以硫酸前面是6，据氧原子和氢原子守恒，产物少6个水分子，
故答案为：5；4；6；5；4；2；6；
（2）①由Ⅰ可求K=

4.0×10 -2mol/L

2.0×10-4mol/L× 4.0×10-4mol/L

=10⁴L

1

2

?mol

1

2

，
由Ⅱ可求Q=

5.0×10 -2mol/L

3.0×10-4mol/L× 4.0×10-4mol/L

=

5

6

×10⁴L

1

2

?mol

1

2

＜K，
故平衡右移，v（正）＞v（逆），
故答案为：＞；
 ②CO（g）+

1

2

O₂（g）?CO₂（g）．
起始   1.0×10^-5mol             0             1.0×10^-4mol
△n       nmol                

1

2

nmol             nmol
平衡1.0×10^-5mol-nmol       1.0×10^-4mol      1.0×10^-4mol+nmol     
则K=

1.0×10-4+n

1.0×10-4×(1.0×10-5- n)

=10⁴，
解得，n=8.91×10^-6mol/L，
故CO浓度为1.0×10^-5mol-8.91×10^-6mol=1.1×10^-6mol/L，
故答案为：1.1×10^-6．
（3）Na₂CO₃溶液的浓度为2×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=

1

2

×2×10^-4mol/L=1×10^-4mol/L，根据K_sp=c（CO₃^2-）?c（Ca²⁺）=2.8×10^-9可知，
c（Ca²⁺）=

2.8×10-9

1×10 -4

mol/L=2.8×10^-5mol/L，
原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍，
故原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为2×2.8×10^-5mol/L=5.6×10^-5mol/L．
故答案为：5.6×10^-5mol/L．
（二）（1）高温下用碳还原二氧化硅生成硅与一氧化碳，反应方程式为SiO₂+2C

高温  .

Si+2CO↑，
故答案为：SiO₂+2C

高温  .

Si+2CO↑；
（2）①HCl易溶于水，而SiHCl₃与H₂O强烈反应，故提纯SiHCl₃的方法只能在无水的条件下利用它们的沸点不同，采用分馏的方法进行，
故答案为：蒸馏；
②反应热化学方程式为：Si（s）+4HCl（g）═SiCl₄（g）+2H₂（g）（副反应）△H=-241kJ/mol，若反应0.5mol硅和2molHCl，则放出120.5kJ热量，
故答案为：120.5；
③将（i）-（ii）可得SiCl₄（g）+H₂（g）═SiHCl₃（g）+HCl（g）△H₁=+31kJ/mol，
故答案为：SiCl₄（g）+H₂（g）═SiHCl₃（g）+HCl（g）△H₁=+31kJ/mol；

点评：本题是一综合题，考查热化学方程式书写、计算、以及化学平衡常数的计算等重点知识，关键问题在于知识的理解和运用．并注意化学反应原理是高考中的重要考点，核心知识为热化学方程式、化学平衡等问题，复习过程中要加强重视程度，以理解方法、原理为主．