Question

【題目】歐盟原定于2012年1月1日起征收航空碳排稅以應(yīng)對(duì)冰川融化和全球變暖，使得對(duì)如何降低大氣中CO2的含量及有效地開發(fā)利用碳資源的研究顯得更加緊迫。請(qǐng)運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理的相關(guān)知識(shí)研究碳及其化合物的性質(zhì)。

(1)近年來(lái)，我國(guó)儲(chǔ)氫納米碳管研究取得重大進(jìn)展，用電弧法合成的碳納米管中常伴有大量碳納米顆粒(雜質(zhì))，這種碳納米顆粒可用氧化氣化法提純，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

__C+__K2Cr2O7+__→__CO2↑+__K2SO4+__Cr2(SO4)3+_H2O

請(qǐng)完成并配平上述化學(xué)方程式。

(2)甲醇是一種新型燃料，甲醇燃料電池即將從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化生產(chǎn)。工業(yè)上一般以CO和H2為原料合成甲醇，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=-116 kJmol-1

①下列措施中有利于增大該反應(yīng)的反應(yīng)速率的是___；

A.隨時(shí)將CH3OH與反應(yīng)混合物分離 B.降低反應(yīng)溫度

C.增大體系壓強(qiáng) D.使用高效催化劑

②已知：CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=-283 kJmol-1；

H2(g)+O2(g)=H2O(g) △H3=-242 kJmol-1

則表示1 mol氣態(tài)甲醇完全燃燒生成CO2和水蒸氣時(shí)的熱化學(xué)方程式為___；

③在容積為1 L的恒容容器中，分別研究在230℃、250℃和270℃三種溫度下合成甲醇的規(guī)律。如圖是上述三種溫度下不同的H2和CO的起始組成比(起始時(shí)CO的物質(zhì)的量均為1 mol)與CO平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。

請(qǐng)回答：

ⅰ)在上述三種溫度中，曲線Z對(duì)應(yīng)的溫度是______；

ⅱ)利用圖中a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，計(jì)算出曲線Z在對(duì)應(yīng)溫度下CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的平衡常數(shù)K=___。

(3)CO2在自然界循環(huán)時(shí)可與CaCO3反應(yīng)，CaCO3是一種難溶物質(zhì)，其Ksp=2.8×10-9。CaCl2溶液與Na2CO3溶液混合可形成CaCO3沉淀，現(xiàn)將等體積的CaCl2溶液與Na2CO3溶液混合，若Na2CO3溶液的濃度為7×10-4 mol/L，則生成沉淀所需CaCl2溶液的最小濃度為___。

Answer 1

【答案】3 2 8H2SO4 3 2 2 8 CD CH3OH(g)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=-651 kJ/mol 270℃ 4 L2mol-2 1.6×10-5 mol/L

【解析】

(1)反應(yīng)中C元素的化合價(jià)由0升高為+4價(jià)，Cr元素的化合價(jià)由+6價(jià)降低為+3價(jià)，結(jié)合化合價(jià)升降總數(shù)相等以及質(zhì)量守恒定律配平；

(2)①根據(jù)平衡移動(dòng)原理進(jìn)行判斷，溫度升高，反應(yīng)速率加快，使用催化劑，反應(yīng)速率加快；

②根據(jù)蓋斯定律和題中熱化學(xué)方程式寫出甲醇完全燃燒生成二氧化碳的熱化學(xué)方程式；

③�。└鶕�(jù)溫度對(duì)平衡移動(dòng)的影響分析；

ⅱ）根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式和一氧化碳的轉(zhuǎn)化率求算；

(3)根據(jù)Ksp=c(Ca2+)c(CO32-)計(jì)算。

(1)反應(yīng)中C元素的化合價(jià)由0升高為+4價(jià)，一個(gè)碳原子化合價(jià)變化4，Cr元素的化合價(jià)由+6價(jià)降低為+3價(jià)，1個(gè)K2Cr2O7化合價(jià)變化6，4和6的最小公倍數(shù)為12，由化合價(jià)升降總數(shù)相等可知，C的化學(xué)計(jì)量數(shù)為3，K2Cr2O7的化學(xué)計(jì)量數(shù)為2，由于產(chǎn)物中有Cr2(SO4)3，所以未知的反應(yīng)物為H2SO4，最后由質(zhì)量守恒定律可知得化學(xué)反應(yīng)為3C+2K2Cr2O7+8H2SO4=3CO2↑+2K2SO4+2Cr2(SO4)3+8H2O，故缺項(xiàng)由前到后依次為：3、2、8H2SO4、3、2、2、8；

(2)①A. 隨時(shí)將CH3OH與反應(yīng)混合物分離，反應(yīng)速率減小，A錯(cuò)誤；

B. 溫度降低，反應(yīng)速率變小，B錯(cuò)誤；

C. 壓強(qiáng)增大，反應(yīng)速率加快，C正確；

D. 使用催化劑，反應(yīng)速率加快，D正確；

故合理選項(xiàng)是CD；

②(i)根據(jù)反應(yīng)①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=-116 kJmol-1，

(ii)CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=-283 kJmol-1；

(iii)H2(g)+O2(g)=H2O(g) △H3=-242 kJmol-1，

根據(jù)蓋斯定律：(ii)+(iii)×2-(i)得：CH3OH(g)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=-651 kJmol-1；

③�。┰摲磻�(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動(dòng)，使CO的轉(zhuǎn)化率越小，所以曲線Z表示的溫度為270℃；

ⅱ）化學(xué)平衡常數(shù)是可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)各種生成物濃度冪之積與各種反應(yīng)物濃度冪之積的比，所以該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=，反應(yīng)容器容積為1 L，初始時(shí)CO為1 mol，H2為1.5 mol；a點(diǎn)時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率50%，反應(yīng)消耗CO物質(zhì)的量為1 mol×50%=0.5 mol，消耗氫氣1 mol，剩余n(CO)=0.5 mol，n(H2)=1.5 mol-1 mol=0.5 mol，生成0.5 mol甲醇，a點(diǎn)各組分的濃度是：c(CH3OH)=0.5mol/L，c(CO)=0.5mol/L，c(H2)=0.5 mol/L，帶入平衡常數(shù)表達(dá)式可得：K= L2mol-2=4 L2mol-2；

(3)Na2CO3溶液的濃度為7×10-4 mol/L，等體積混合后溶液中c(CO32-)=×7×10-4 mol/L=3.5×10-4 mol/L；根據(jù)Ksp=c(Ca2+)c(CO32-)=2.8×10-9可知，c(Ca2+)= mol/L=0.8×10-5 mol/L，原溶液CaCl2溶液的最小濃度為混合溶液中c(Ca2+)的2倍，故原溶液CaCl2溶液的最小濃度為2×0.8×10-5 mol/L=1.6×10-5 mol/L。