Question

3．碳及其化合物廣泛存在于自然界中，試回答下列問題：
（1）某處碳循環(huán)如圖l所示，CaCO₃ 轉(zhuǎn)化為HCO₃^-的離子方程式為CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-．

（2）常溫常壓下，空氣中的CO₂溶于水，達到平衡時，無機碳在溶液中以4 種形式存在，其轉(zhuǎn)化關系如下：
①CO₂（g）+H₂O?H₂CO₃   K=10^-2.8
②H₂CO₃?H⁺+HCO₃^- K₁=10^-3.5，
③HCO₃^-?H⁺+CO₃^2- k₂=10^-10.3，
若溶液中．c（CO₂）=1.0×10^-5mol/L，且忽略水的電離及H₂CO₃的第二級電離，則溶液pH=5.65．
（3）某化學小組為了測量湖水中無機碳的含量，量取100mL湖水，酸化后用N₂吹出CO₂，再用NaOH溶液吸收．將吸收液用01.0mol/L鹽酸滴定，生成的V（CO₂）隨V（鹽酸） 變化關系如圖2所示，則吸收液中離子濃度由大到小機碳的濃度為c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺），湖水中無機碳的濃度為0.01mol/L．
（4）研究人員設設計出一種新型太陽能電池，能直接把一氧化碳和水轉(zhuǎn)化成CO、H₂和0₂，原理如圖3所示，該裝置中能量的轉(zhuǎn)化方式為太陽能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為化學能，催化劑b表面的電極反應式為2H⁺+2e^-=H₂↑（或2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-），2H⁺+CO₂+2e^-=CO+H₂O．
（5）利用（4）中產(chǎn)生的CO和H₂，通過反應：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）制備甲醇，若起始時在密閉容器中按物質(zhì)的量之比1：2充入CO和H₂，測得平衡時a（CO）隨T、P的變化關系如圖4所示．
①P₁小于P₂（填“大于”、“小于”或“等于”）；
②該反應在195℃P₂條件下達到平衡后，c（H₂）=0.2mol/L，則該反應的平衡常數(shù)為25L²/mol²．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)圖1的碳循環(huán)示意圖，大氣中的CO₂和CaCO₃和水參加反應，生成Ca（HCO₃）₂，據(jù)此寫出反應的離子方程式；
（2）根據(jù)多重平衡計算反應：CO₂（g）+H₂O?H⁺+HCO₃^- 的平衡常數(shù)，按照可逆反應的計算平衡時溶液中的c（H⁺），忽略二級電離和水的電離，據(jù)此計算溶液的pH；
（3）根據(jù)圖象分析，消耗鹽酸體積20mL前，反應并未產(chǎn)生CO₂，再消耗HCl10mL，反應產(chǎn)生CO₂，據(jù)此判斷，溶液中的組分應為過量的NaOH和Na₂CO₃，溶液為堿性，據(jù)此分析溶液中的離子濃度大小，根據(jù)反應的方程式和圖象計算無機碳的濃度；
（4）根據(jù)裝置圖分析，存在太陽能，電能，化學能，太陽能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為化學能，催化劑b表面得到H⁺，發(fā)生反應，可見催化劑b的電極為陰極，反應產(chǎn)生H₂，也考慮到電池能直接將CO₂轉(zhuǎn)化為CO和水，據(jù)此寫出電極反應式；
（5）①反應為：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），隨著反應進行，氣體分子數(shù)減少，體系的壓強減小，增大壓強有助于反應向正反應方向移動，增大反應物CO的平衡轉(zhuǎn)化率，結合圖象據(jù)此分析；
②該反應在195℃P₂條件下達到平衡后，c（H₂）=0.2mol/L，根據(jù)反應的平衡常數(shù)的表達式，代入各組分的平衡濃度計算．

解答 解：（1）根據(jù)圖1的碳循環(huán)示意圖，大氣中的CO₂和CaCO₃和水參加反應，生成Ca（HCO₃）₂，則CaCO₃ 轉(zhuǎn)化為HCO₃^-的離子方程式為：CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-，
故答案為：CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-；
（2）反應①+②得到：CO₂（g）+H₂O?H⁺+HCO₃^-，根據(jù)多重平衡規(guī)則，該反應的平衡常數(shù)為K=K₁•K₂=10^-6.3，若溶液中c（CO₂）=1.0×10^-5mol/L，且忽略水的電離及H₂CO₃的第二級電離，設平衡時c（H⁺）=c（HCO₃^-）=xmol/L，c（CO₂）=（1.0×10^-5-x）mol/L，平衡常數(shù)為K=$\frac{{x}^{2}}{1.0×1{0}^{-5}-x}$=10^-6.3，解得c（H+）=xmol/L=10^-5.65mol/L，則溶液的pH=-lgc（H⁺）=5.65，
故答案為：5.65；
（3）根據(jù)圖象分析，消耗鹽酸體積20mL前，反應并未產(chǎn)生CO₂，再消耗HCl10mL，反應產(chǎn)生CO₂，據(jù)此判斷，溶液中的組分應為過量的NaOH和Na₂CO₃，溶液為堿性，NaOH過量會抑制CO₃^2-的水解，綜合考慮，則溶液中離子濃度大小順序應為：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺），
消耗鹽酸體積20mL前，反應并未產(chǎn)生CO₂，再消耗HCl10mL，反應產(chǎn)生CO₂，按照滴定反應：Na₂CO₃+HCl═NaHCO₃+NaCl，NaHCO₃+HCl═NaCl+H₂O+CO₂↑，再結合圖象，顯然0～10mL是發(fā)生酸堿中和，10～30mL才是發(fā)生滴定反應，參加滴定反應消耗鹽酸的體積為20mL，根據(jù)反應關系，則Na₂CO₃的物質(zhì)的量為$\frac{1}{2}$×1.0mol/L×20×10^-3L=1×10^-2mol，根據(jù)C元素守恒，則無機碳的物質(zhì)的量為0.01mol，
故答案為：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺）；0.01；
（4）根據(jù)裝置圖分析，存在太陽能，電能，化學能，太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為電解池提供電解能源，電解池能將電能轉(zhuǎn)化為化學能，
催化劑b表面得到H⁺，發(fā)生反應，可見催化劑b的電極為陰極，反應產(chǎn)生H₂，也考慮到電池能直接將CO₂轉(zhuǎn)化為CO和水，則催化劑b表面的電極反應式為2H⁺+2e^-=H₂↑（或2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-），2H⁺+CO₂+2e^-=CO+H₂O，
故答案為：太陽能轉(zhuǎn)化為電能，電能轉(zhuǎn)化為化學能；2H⁺+2e^-=H₂↑（或2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-），2H⁺+CO₂+2e^-=CO+H₂O；
（5）①反應為：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），隨著反應進行，氣體分子數(shù)減少，體系的壓強減小，增大壓強有助于反應向正反應方向移動，增大反應物CO的平衡轉(zhuǎn)化率，則表現(xiàn)為：高壓強對應高的CO轉(zhuǎn)化率，所以壓強大小為：p₁小于p₂，
故答案為：小于；
②該反應在195℃P₂條件下達到平衡后，c（H₂）=0.2mol/L，反應為：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），起始時在密閉容器中按物質(zhì)的量之比1：2充入CO和H₂，根據(jù)圖象，195℃時，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，由于反應起始按照化學計量比沖入，則CO和H₂的平衡轉(zhuǎn)化率相等，均為50%，所以平衡時，c（CO）=0.1mol/L，c（H₂）=0.2mol/L，c（CH₃OH）=0.1mol/L，該反應的平衡常數(shù)為K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）c（CO）}$=25L²/mol²，
故答案為：25L²/mol²．

點評 本題考查化學原理部分知識，包含離子方程式的書寫，平衡常數(shù)的計算，溶液中pH的計算，離子濃度大小的比較，能量的轉(zhuǎn)化，涉及的知識點較多，為高頻考點，題目難度中等．