Question

11．“低碳循環(huán)”引起各國的高度重視，而如何降低大氣中CO₂的含量及有效地開發(fā)利用CO₂，引起了全世界的普遍重視．所以“低碳經濟”正成為科學家研究的主要課題．
（1）用電弧法合成的儲氫納米碳管常伴有大量的碳納米顆粒（雜質），這種顆粒可用如下氧化法提純，請完成該反應的化學方程式，并在方框內填上系數．
□C+□KMnO₄+□H₂SO₄=□CO₂↑+□MnSO₄+□K₂SO₄+□6H₂O
（2）將不同量的CO（g）和H₂O（g）分別通入到體積為2L的恒容密閉容器中，進行反應
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下二組數據：

實驗組	溫度℃	起始量/mol		平衡量/mol		達到平衡所需時間/min
		CO	H2O	H2	CO
1	650	4	2	1.6	2.4	6
2	900	2	1	0.4	1.6	3

①實驗1條件下，反應從開始至達到平衡，以v（CO₂） 表示的反應速率為0.13mol/（L•min）
（保留小數點后二位數，下同）．
②實驗2條件下平衡常數K=0.17，該反應為放熱（填“吸熱”或“放熱”）反應．
（3）已知在常溫常壓下：
①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1275.6kJ/mol
②2CO （g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H₃=-44.0kJ/mol
寫出甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和氣態(tài)水的熱化學方程式：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）△H=-354.8KJ/mol．
（4）某實驗小組依據甲醇燃燒的反應原理，設計如圖所示的電池裝置．
①該電池正極的電極反應式為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；該電極上每消耗1.6g氧氣，轉移的電子數為0.2mol．
②該電池工作時，溶液中的OH^-向負（填“正”或“負”）極移動．

Answer 1

分析 （1）根據氧化還原反應中得失電子數相等和原子守恒來配平化學方程式；
（2）①由表中數據可知，CO的物質的量變化量為4mol-2.4mol=1.6mol，根據v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$計算v（CO），再利用速率之比等于化學計量數之比計算v（CO₂）；
②利用三段式計算平衡時，各組分的物質的量，該反應是氣體體積不變的反應，故利用物質的量代替濃度代入平衡常數表達式計算平衡常數；第二組溫度比第一組高，反應物物質的量比第一組減半，但是平衡時CO₂的物質的量比第一組的一半少，表明該反應為放熱反應；
（3）根據熱化學方程式和蓋斯定律計算進行書寫；
（4）①該燃料電池中，負極反應為CH₃OH-6e^-+2OH^-=CO₃^2-+3H₂O，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應，電極反應為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；根據電極反應式進行計算；
②原電池原理可知溶液中陰離子移向負極．

解答 解：（1）碳元素化合價從0價變化為+4價，錳元素化合價從+7價變化為+2價，依據電子守恒，電子轉移總數為20，所以碳和二氧化碳前系數為5，高錳酸鉀和硫酸錳化學式前為4，結合原子守恒配平離子方程式為：5 C+4KMnO₄+6 H₂SO₄=5CO₂↑+4MnSO₄+2K₂SO₄+6H₂O；
故答案為：5、4、6、5、4、2、6H₂O；
（2）①依據化學平衡三段式列式計算，
                CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）    4       2         0       0
變化量（mol）   1.6     1.6        1.6     1.6
平衡量（mol）   2.4     0.4        1.6     1.6
所以以v （CO₂） 表示的反應速率=$\frac{\frac{1.6mol}{2L}}{6min}$=0.13mol/（L•min）；
故答案為：0.13mol/（L•min）；
 ②實驗1         CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol/L） 2       1        0         0
變化量（mol/L） 0.8    0.8     0.8       0.8
平衡量（mol/L） 1.2    0.2     0.8       0.8
K₁=$\frac{0.8×0.8}{1.2×0.2}$=2.7
實驗2           CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol/L） 1       0.5        0       0
變化量（mol/L） 0.2     0.2       0.2     0.2
平衡量（mol/L） 0.8     0.3      0.2    0.2
K₂=$\frac{0.2×0.2}{0.8×0.3}$=0.17
溫度升高，平衡常數減小，說明平衡逆向進行，逆向是吸熱反應，正反應方向是放熱反應；
故答案為：0.17； 放熱；
（3）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1275.6kJ/mol
②2CO （g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H₃=-44.0kJ/mol
依據蓋斯定律①-②得到2CH₃OH（l）+2O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（g）△H=-709.6KJ/mol；
化簡得到甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和氣態(tài)水的熱化學方程式：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）△H=-354.8KJ/mol；
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）△H=-354.8KJ/mol；
（4）①甲醇燃料電池，甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應堿溶液中生成碳酸鹽，正極氧氣得到電子生成氫氧根離子，正極電極反應為：O₂+4e^-+2 H₂O=4OH^-，根據電極反應可知，每消耗1mol氧氣，轉移4mol電子，所以該電極上消耗1.6g即0.05mol氧氣時，轉移的電子數為0.2mol，
故答案為：O₂+4e^-+2 H₂O=4OH^-；0.2；　　　
②該電池工作時，依據原電池原理可知溶液中的OH^-向負極移動，
故答案為：負．

點評 本題考查了氧化還原反應配平，原電池原理的分析判斷，化學平衡影響因素和平衡常數的計算方法，熱化學方程式計算應用，掌握基礎是關鍵，題目難度中等．