Question

15．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(fā)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(zhì)．
（1）用電弧法合成的儲氫納米碳管常伴有大量的碳納米顆粒（雜質(zhì)），這種顆�？捎萌缦卵趸�法提純，請完成該反應的化學方程式：
5 C+4 KMnO₄+6 H₂SO₄→5CO₂↑+4MnSO₄+2K₂SO₄+6H₂O
（2）焦炭可用于制取水煤氣．測得12g 碳與水蒸氣完全反應生成水煤氣時，吸收了131.6kJ熱量．該反應的熱化學方程式為C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.6kJ•mol^-1．
（3）工業(yè)上在恒容密閉容器中用下列反應合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）$?_{加熱}^{催化劑}$CH₃OH（g）△H=akJ/mol
如表所列數(shù)據(jù)是反應在不同溫度下的化學平衡常數(shù)（K）．

溫度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①判斷反應達到平衡狀態(tài)的依據(jù)是BD
A．生成CH₃OH的速率與消耗CO的速率相等  B．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變
C．混合氣體的密度不變            D．CH₃OH、CO、H₂的濃度都不再發(fā)生變化
②借助上表數(shù)據(jù)判斷，要同時提高CO的轉化率和反應的速率，可采取的措施是B
A．升溫B．充入H₂    C．分離出甲醇D．加入催化劑
③某溫度下，將2mol CO和一定量的H₂充入2L的密閉容器中，充分反應10min后，達到平衡時測得c（CO）=0.2mol/L，則以H₂表示的反應速率v（H₂）=0.16mol/（L•min）．
（4）CO還可以用做燃料電池的燃料，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 為負極燃氣，空氣與 CO₂ 的混和氣為正極助燃氣，制得在 650℃下工作的燃料電池，其正極反應式：O₂+2CO₂+4e^-=2 CO₃^2-，則 負極反應式：2CO+2CO₃^2--4e^-═4CO₂
（5）向BaSO₄沉淀中加入飽和碳酸鈉溶液，充分攪拌，棄去上層清液，如此處理多次，可使BaSO₄全部轉化為BaCO₃，發(fā)生反應：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）═BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq）．已知某溫度下該反應的平衡常數(shù)K=4.0×10^-2，BaSO₄的Ksp=1.0×10^-10，則 BaCO₃的溶度積Ksp=2.5×10^-9．

Answer 1

分析 （1）反應中C元素的化合價由0升高為+4價，Mn元素的化合價由+7價降低為+2價，結合化合價升降總數(shù)相等以及質(zhì)量守恒定律配平；
（2）12g碳的物質(zhì)的量為1mol，與水蒸氣完全反應生成CO、H₂，吸收131.6kJ熱量，據(jù)此結合熱化學方程式書寫原則進行書寫；
（3）①可逆反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等（同種物質(zhì)）或正逆反應速率之比等于系數(shù)之比（不同物質(zhì)），平衡時各種物質(zhì)的物質(zhì)的量、濃度等不再發(fā)生變化，由此衍生的一些物理量不變，以此分析；
②提高該反應的速率可以采取增大壓強、使用催化劑、升高溫度等，同時提高CO的轉化率，應采取措施使平衡向正反應方向，結合平衡移動原理分析；
③利用三段式，結合v=$\frac{\frac{△n}{V}}{t}$進行計算；
（4）負極發(fā)生氧化反應，電極反應式為：2CO+2CO₃^2--4e^-═4CO₂；
（5）根據(jù)某溫度下該反應的平衡常數(shù)K=4.0×10^-2，寫出表達式，找出與BaSO₄、BaCO₃的關系，進行計算即可．

解答 解：（1）反應中C元素的化合價由0升高為+4價，Mn元素的化合價由+7價降低為+2價，該反應中轉移20e^-，由電子守恒和質(zhì)量守恒定律可知得化學反應為5C+4KMnO₄+6HSO₄=5CO₂↑+4MnSO₄+2K₂SO₄+6H₂O，
故答案為：5；4；6；5；4；2；6；
（2）12g碳的物質(zhì)的量為1mol，與水蒸氣反應生成CO、H₂，吸收131.6kJ熱量，該反應的熱化學方程式C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.6 kJ•mol^-1，
故答案為：C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.6 kJ•mol^-1；
（3）①A．無論反應是否達到平衡狀態(tài)，生成CH₃OH的速率與消耗CO的速率始終相等，所以不能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù)，故錯誤；
B． 反應前后，混合氣體的物質(zhì)的量改變，氣體的質(zhì)量不變，反應達到平衡狀態(tài)時，混合氣體的相對平均分子質(zhì)量不變，所以能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù)，故正確；
C．混合物的質(zhì)量始終不變，容器的體積不變，所以混合氣體的密度始終不變，所以不能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù)，故錯誤；
D．反應達到平衡狀態(tài)時，CH₃OH、CO、H₂的濃度都不再發(fā)生變化，所以能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù)，故正確；
故選BD；
②A．溫度越高K值越小，所以該反應正反應為放熱反應，升高溫度，化學平衡向逆反應方向，CO的轉化率轉化率減小，反應速率增大，故A錯誤；
B．充入H₂，化學平衡向正反應方向，CO的轉化率轉化率增大，反應速率增大，故B正確；
C．分離出甲醇，化學平衡向正反應方向，CO的轉化率轉化率增大，反應速率減小，故C錯誤；
D．加入催化劑，平衡不移動，CO的轉化率轉化率不變，反應速率增大，故D錯誤；
故答案為：B；
③利用三段式計算，
                CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol）       2                  0
轉化（mol）      1.6                 1.6
平衡（mol）     0.2×2=0.4           1.6
v（CH₃OH）=$\frac{\frac{1.6}{2}}{10}$mol/（L•min）=0.08mol/（L•min），所以v（H₂）=0.08mol/（L•min）×2=0.16 mol/（L•min），
故答案為：0.16 mol/（L•min）；
（4）負極發(fā)生氧化反應，電極反應式為：2CO+2CO₃^2--4e^-═4CO₂，故答案為：2CO+2CO₃^2--4e^-═4CO₂；
（5）反應：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）?BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq），K=4.0×10^-2=$\frac{c（S{O}_{4}^{2-}）}{c（C{O}_{3}^{2-}）}$=$\frac{c（S{O}_{4}^{2-}）c（B{a}^{2+}）}{c（C{O}_{3}^{2-}）c（B{a}^{2+}）}$=$\frac{Ksp（BaS{O}_{4}）}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$=$\frac{1.0×1{0}^{-10}}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$，
Ksp（BaCO₃）=2.5×10^-9，
故答案為：2.5×10^-9．

點評 本題考查熱化學方程式的書寫、氧化還原方程式的書寫，注重高頻考點的考查，綜合性強，題目難度較大，注意書寫熱化學方程式時要注明物質(zhì)的狀態(tài)．