Question

（2012?許昌三模）碳及其化合物的研究具有重要的現(xiàn)實意義．
（1）近年來，我國儲氫納米碳管研究取得重大進展，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：

3

C+

2

K₂Cr₂O₇+

8

H₂SO₄

→

3

CO₂↑+

2

K₂SO₄+

2

Cr₂（SO₄）₃+

8

H₂O
請完成并配平上述化學(xué)方程式．
（2）CO可用于合成甲醇，反應(yīng)方程式為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
下表所列數(shù)據(jù)是在不同溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)（K）

溫度	250℃	300℃	350℃
K	2.0	0.27	0.012

①在一定條件下將2mol CO和6mol H₂充入2L的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，5分鐘后測得c（CO）=0.4mol/L，算此段時間的反應(yīng)速率（用H₂表示）

0.24

mol/（L?min）；
②由表中數(shù)據(jù)判斷上述合成甲醇反應(yīng)的△H

＜

0（填“＞”、“＜”或“=”）
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：
（Ⅰ）在上述三種溫度中，曲線Z對應(yīng)的溫度是

270℃

；
（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=

4L²?mol^-2

．
④一種燃料電池中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：在酸性溶液中甲醇與氧作用生成水和二氧化碳．寫出該電池負極發(fā)生反應(yīng)的電極方程式

CH₃OH+H₂O═CO₂+6H⁺+6e^-

．
（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K_sp=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

1.6×10^-5mol/L

．

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依據(jù)化學(xué)反應(yīng)的三段式列式計算；
②平衡常數(shù)隨溫度變化，溫度升高K減小說明溫度升高平衡左移，逆向是吸熱反應(yīng)，正向是放熱反應(yīng)；
③（Ⅰ）根據(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)表達式和一氧化碳的轉(zhuǎn)化率求算；
④燃料電池中，負極上甲醇失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳；
（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）①依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式得到
                CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）    2        6          0
變化量（mol）    x        2x         x
5分鐘量（mol）  2-x      6-2x        x
5分鐘后測得c（CO）=0.4mol/L，
所以2-x=0.4mol/L×2L，
所以x=1.2mol，
所以△c（H₂）=1.2mol/L，
用H₂表達的反應(yīng)速率=

1.2mol/L

5min

=0.24mol/（L?min），
故答案為：0.24；
②表中數(shù)據(jù)分析可知隨溫度升高，平衡常數(shù)K減小，說明溫度升高，平衡逆向進行，所以正向是放熱反應(yīng)，△H＜0，
故答案為：＜；
③（Ⅰ）根據(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）②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，
帶入表達式得：K=

0.5mol?L-1

0.5mol?L-1×(0.5mol?L-1)2

=4L²?mol^-2，
故答案是：4L²?mol^-2；
④電極上燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，該燃料電池的電解質(zhì)溶液呈酸性，所以負極上甲醇失電子和水反應(yīng)生成二氧化碳和氫離子，電極反應(yīng)式為：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂+6H⁺，
故答案為：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂+6H⁺；
（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，反應(yīng)速率的計算，反應(yīng)平衡常數(shù)的計算、原電池原理，溶度積常數(shù)的應(yīng)用，本題難度中等．