Question

【題目】歐盟原定于2012年1月1日起征收航空碳排稅以應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利用碳資源的研究顯得更加緊迫。請運用化學反應原理的相關知識研究碳及其化合物的性質。

(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)，這種碳納米顆粒可用氧化氣化法提純，其反應的化學方程式為：

__C+__K2Cr2O7+__→__CO2↑+__K2SO4+__Cr2(SO4)3+_H2O

請完成并配平上述化學方程式。

(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化生產。工業上一般以CO和H2為原料合成甲醇，該反應的熱化學方程式為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=-116 kJmol-1

①下列措施中有利于增大該反應的反應速率的是___；

A.隨時將CH3OH與反應混合物分離 B.降低反應溫度

C.增大體系壓強 D.使用高效催化劑

②已知：CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=-283 kJmol-1；

H2(g)+O2(g)=H2O(g) △H3=-242 kJmol-1

則表示1 mol氣態甲醇完全燃燒生成CO2和水蒸氣時的熱化學方程式為___；

③在容積為1 L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的物質的量均為1 mol)與CO平衡轉化率的關系。

請回答：

ⅰ)在上述三種溫度中，曲線Z對應的溫度是______；

ⅱ)利用圖中a點對應的數據，計算出曲線Z在對應溫度下CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的平衡常數K=___。

(3)CO2在自然界循環時可與CaCO3反應，CaCO3是一種難溶物質，其Ksp=2.8×10-9。CaCl2溶液與Na2CO3溶液混合可形成CaCO3沉淀，現將等體積的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___。

Answer 1

【答案】3 2 8H2SO4 3 2 2 8 CD CH3OH(g)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=-651 kJ/mol 270℃ 4 L2mol-2 1.6×10-5 mol/L

【解析】

(1)反應中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，結合化合價升降總數相等以及質量守恒定律配平；

(2)①根據平衡移動原理進行判斷，溫度升高，反應速率加快，使用催化劑，反應速率加快；

②根據蓋斯定律和題中熱化學方程式寫出甲醇完全燃燒生成二氧化碳的熱化學方程式；

③ⅰ）根據溫度對平衡移動的影響分析；

ⅱ）根據平衡常數表達式和一氧化碳的轉化率求算；

(3)根據Ksp=c(Ca2+)c(CO32-)計算。

(1)反應中C元素的化合價由0升高為+4價，一個碳原子化合價變化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的最小公倍數為12，由化合價升降總數相等可知，C的化學計量數為3，K2Cr2O7的化學計量數為2，由于產物中有Cr2(SO4)3，所以未知的反應物為H2SO4，最后由質量守恒定律可知得化學反應為3C+2K2Cr2O7+8H2SO4=3CO2↑+2K2SO4+2Cr2(SO4)3+8H2O，故缺項由前到后依次為：3、2、8H2SO4、3、2、2、8；

(2)①A. 隨時將CH3OH與反應混合物分離，反應速率減小，A錯誤；

B. 溫度降低，反應速率變小，B錯誤；

C. 壓強增大，反應速率加快，C正確；

D. 使用催化劑，反應速率加快，D正確；

故合理選項是CD；

②(i)根據反應①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=-116 kJmol-1，

(ii)CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=-283 kJmol-1；

(iii)H2(g)+O2(g)=H2O(g) △H3=-242 kJmol-1，

根據蓋斯定律：(ii)+(iii)×2-(i)得：CH3OH(g)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=-651 kJmol-1；

③ⅰ）該反應的正反應為放熱反應，溫度升高，平衡向吸熱的逆反應方向移動，使CO的轉化率越小，所以曲線Z表示的溫度為270℃；

ⅱ）化學平衡常數是可逆反應達到平衡狀態時各種生成物濃度冪之積與各種反應物濃度冪之積的比，所以該反應的平衡常數K=，反應容器容積為1 L，初始時CO為1 mol，H2為1.5 mol；a點時，CO轉化率50%，反應消耗CO物質的量為1 mol×50%=0.5 mol，消耗氫氣1 mol，剩余n(CO)=0.5 mol，n(H2)=1.5 mol-1 mol=0.5 mol，生成0.5 mol甲醇，a點各組分的濃度是：c(CH3OH)=0.5mol/L，c(CO)=0.5mol/L，c(H2)=0.5 mol/L，帶入平衡常數表達式可得：K= L2mol-2=4 L2mol-2；

(3)Na2CO3溶液的濃度為7×10-4 mol/L，等體積混合后溶液中c(CO32-)=×7×10-4 mol/L=3.5×10-4 mol/L；根據Ksp=c(Ca2+)c(CO32-)=2.8×10-9可知，c(Ca2+)= mol/L=0.8×10-5 mol/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2×0.8×10-5 mol/L=1.6×10-5 mol/L。