Question

【題目】當(dāng)前，全球資源緊張、氣候變暖已對人類的生存和發(fā)展形成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。發(fā)展低碳經(jīng)濟、倡導(dǎo)低碳生活是形勢所迫，更是大勢所趨。請運用化學(xué)反應(yīng)原理的相關(guān)知識研究碳及其化合物的性質(zhì)。

(1)工業(yè)上將CO2與焦炭作用生成CO，CO可用于煉鐵，其反應(yīng)原理為：

①Fe2O3(s)+3C(s)=2Fe(s)+3CO(g) ΔH1=+489.0kJ·mol-1

②C(s)+CO2(g)=2CO(g) ΔH2=+172.5 kJ·mol-1

則CO還原Fe2O3的熱化學(xué)方程式為___________。

(2)適當(dāng)條件下將CO2和H2以1:3的體積比混合合成甲醇和水：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g) +H2O(g) ΔH =-49.0 kJ·mol-1。在體積為2 L的密閉容器中，充入2 mol CO2和6 mol H2，測得CO2(g)和CH3OH(g)的濃度隨時間變化如圖所示：

①該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為________。

②從反應(yīng)開始到平衡，(H2)=______；氫氣的轉(zhuǎn)化率=______；能使平衡體系中n(CH3OH)增大的措施是___________。

(3)CO還可以用作燃料電池的燃料，某熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率，因而受到重視，該電池用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì)，CO為負(fù)極燃?xì)�，空氣與CO2的混合氣為正極助燃?xì)猓�其�?fù)極反應(yīng)式為：2CO-4e-+2=4CO2，則正極反應(yīng)式為__________。

(4)CO2在自然界循環(huán)時可與CaCO3反應(yīng)，CaCO3是一種難溶物質(zhì)，其Ksp =3.8×10-9。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(忽略混合后溶液體積的變化)，若Na2CO3溶液的濃度為2×10-4mol·L-1，則生成沉淀所需CaCl2溶液的最小濃度為___________。

Answer 1

【答案】Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+ 3CO2(g) △H=-28.5KJ·mol-1 0.225mol·L-1·min-1 75％ 降低溫度(或加壓或增大H2的量等) O2 +2CO2+4e-=2CO32— 7.6×10-5mol·L-1

【解析】

(1)依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學(xué)方程式；

(2)①化學(xué)平衡常數(shù)指在一定溫度下，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時，各生成物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積除以各反應(yīng)物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積所得的比值；

②根據(jù)計算反應(yīng)速率；根據(jù)轉(zhuǎn)化率=計算轉(zhuǎn)化率；由于正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)平衡移動原理分析采取的措施；

(3)原電池中正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)；

(4)根據(jù)Ksp=c(CO32-)c(Ca2+)計算沉淀時混合溶液中c(Ca2+)，原溶液CaCl2溶液的最小濃度為混合溶液中c(Ca2+)的2倍。

(1)①Fe2O3(s)+3C(石墨)=2Fe(s)+3CO(g)△H1=+489.0kJmol-1
②C(石墨)+CO2(g)=2CO(g)△H2=+172.5kJmol-1
依據(jù)蓋斯定律①-②×3得到Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)△H=-28.5 kJmol-1；故答案為：Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)△H=-28.5 kJmol-1；

(2)①根據(jù)平衡常數(shù)的定義可知該反應(yīng)的平衡常數(shù)，故答案為：；

②由圖可知，10min達(dá)平衡，平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，v(CH3OH)==0.075mol/(Lmin)，根據(jù)速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比，故v(H2)=3v(CH3OH)=3×0.075mol/(Lmin)=0.225mol/(Lmin)，平衡時△n(CH3OH)=0.75mol/L×2L=1.5mol，根據(jù)方程式可知△n(H2)=3△n(CH3OH)=3×1.5mol=4.5mol，所以氫氣的轉(zhuǎn)化率為×100%=75%，該反應(yīng)正反應(yīng)是體積減小的放熱反應(yīng)，故降低溫度或加壓或增大H2的量等，可以使平衡向正反應(yīng)移動，增大CH3OH的物質(zhì)的量，故答案為：0.225mol/(Lmin)，75%，降低溫度(或加壓或增大H2的量等)；

(3)通入氧氣和CO2的混合氣體一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O2+4e-+2CO2=2CO32-，故答案為：O2+4e-+2CO2=2CO32-；

(4)Na2CO3溶液的濃度為2×10-4mol/L，等體積混合后溶液中c(CO32-)=×2×10-4mol/L=1×10-4mol/L，根據(jù)Ksp=c(CO32-)c(Ca2+)=3.8×10-9可知，c(Ca2+)=mol/L=3.8×10-5mol/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2×3.8×10-5mol/L=7.6×10-5mol/L。故答案為：7.6×10-5mol/L。