Question

歐盟原定于2012年1月1日起征收航空碳排稅以應(yīng)對冰川融化和全球變暖，使得對如何降低大氣中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）近年來，我國儲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驗室走向工業(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=-116kJ?mol^-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)+

1

2

O2(g)=CO2(g)△H₂=-283 kJ?mol^-1H2(g)+

1

2

O2(g)=H2O(g)△H₃=-242 kJ?mol^-1
則表示1mol氣態(tài)甲醇完全燃燒生成CO₂和水蒸氣時的熱化學(xué)方程式為

 

；
③在容積為1L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CO的物質(zhì)的量均為1mol）與CO平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系．
請回答：
�。┰谏鲜鋈�種溫度中，曲線Z對應(yīng)的溫度是

 

；
ⅱ）利用圖中a點對應(yīng)的數(shù)據(jù)，計算出曲線Z在對應(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^-4mol/L，則生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小濃度為

 

．

Answer 1

分析：（1）反應(yīng)中C元素的化合價由0升高為+4價，Cr元素的化合價由+6價降低為+3價，結(jié)合化合價升降總數(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)該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，所以曲線Z為270℃；
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）Na₂CO₃溶液的濃度為7×10^-4mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=7×10^-4mol/L，根據(jù)K_sp=c（CO₃^2-）?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．

解答：解：（1）反應(yīng)中C元素的化合價由0升高為+4價，一個碳化合價變化4，Cr元素的化合價由+6價降低為+3價，1個K₂Cr₂O₇化合價變化6，4和6的最小公倍數(shù)為12，由化合價升降總數(shù)相等可知，C的化學(xué)計量數(shù)為3，K₂Cr₂O₇的化學(xué)計量數(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，
故答案為：3；2；8；H₂SO₄；3；2；2；8；
（2）①A、隨時將CH₃OH與反應(yīng)混合物分離，沒有改變反應(yīng)速率，故A錯誤；
B、溫度降低，反應(yīng)速率變小，故B錯誤；
C、壓強(qiáng)增大，反應(yīng)速率加快，故C正確；
D、使用催化劑，反應(yīng)速率加快，故D正確；
故選C D；
②根據(jù)反應(yīng)①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H₁=-116kJ?mol^-1，
         ②CO（g）+

1

2

O2（g）═CO₂（g）△H₂=-283kJ?mol^-1，
         ③H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（g）△H₃=-242kJ?mol^-1，
         根據(jù)蓋斯定律：①-②-③×2得：CH₃OH（g）+

3

2

O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ?mol^-1，
         故答案是：CH₃OH（g）+

3

2

O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ?mol^-1；
③�。└鶕�(jù)該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，所以曲線Z為270℃，
故答案為：270℃；
ⅱ）該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2 )

，初始時CO為2mol，H₂為3mol；
a點時，CO轉(zhuǎn)化率50%，反應(yīng)消耗了2mol×50%=1molCO，消耗氫氣2mol，剩余1molCO，n（H₂）=3mol-2mol=1mol，生成1mol甲醇，
a點各組分的濃度是：c（CH₃OH）=0.5mol/L，c（CO）=0.5mol/L，c（H₂）=0.5mol/L，
帶入表達(dá)式得：K=

0.5

0.5×0．52

=4L²?mol^-2，
故答案為：4L²?mol^-2；
（3）Na₂CO₃溶液的濃度為7×10^-4mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=

1

2

×7×10^-4mol/L=3.5×10^-4mol/L，
根據(jù)K_sp=c（CO₃^2-）?c（Ca²⁺）=2.8×10^-9可知，
c（Ca²⁺）=

2.8×10-9

3.5×10-4

mol/L=0.8×10^-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2×0.8×10^-5mol/L=1.6×10^-5mol/L，
故答案為：1.6×10^-5mol/L．

點評：本題考查了氧化還原反應(yīng)的配平，影響反應(yīng)速率的因素，反應(yīng)平衡常數(shù)的計算，溶度積常數(shù)的應(yīng)用，本題難度中等．