Question

【題目】當前，全球資源緊張、氣候變暖已對人類的生存和發展形成了嚴峻的挑戰。發展低碳經濟、倡導低碳生活是形勢所迫，更是大勢所趨。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)工業上將CO2與焦炭作用生成CO，CO可用于煉鐵，其反應原理為：

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的熱化學方程式為___________。

(2)適當條件下將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該反應的平衡常數表達式為________。

②從反應開始到平衡，(H2)=______；氫氣的轉化率=______；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，CO為負極燃氣，空氣與CO2的混合氣為正極助燃氣，其負極反應式為：2CO-4e-+2=4CO2，則正極反應式為__________。

(4)CO2在自然界循環時可與CaCO3反應，CaCO3是一種難溶物質，其Ksp =3.8×10-9。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(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)依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式；

(2)①化學平衡常數指在一定溫度下，可逆反應達到平衡時，各生成物濃度的化學計量數次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數次冪的乘積所得的比值；

②根據計算反應速率；根據轉化率=計算轉化率；由于正反應是氣體體積減小的放熱反應，根據化學平衡移動原理分析采取的措施；

(3)原電池中正極得電子發生還原反應；

(4)根據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根據平衡常數的定義可知該反應的平衡常數，故答案為：；

②由圖可知，10min達平衡，平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，v(CH3OH)==0.075mol/(Lmin)，根據速率之比等于化學計量數之比，故v(H2)=3v(CH3OH)=3×0.075mol/(Lmin)=0.225mol/(Lmin)，平衡時△n(CH3OH)=0.75mol/L×2L=1.5mol，根據方程式可知△n(H2)=3△n(CH3OH)=3×1.5mol=4.5mol，所以氫氣的轉化率為×100%=75%，該反應正反應是體積減小的放熱反應，故降低溫度或加壓或增大H2的量等，可以使平衡向正反應移動，增大CH3OH的物質的量，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，發生還原反應，電極反應式為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。