Question

14．請(qǐng)運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理的相關(guān)知識(shí)研究碳及其化合物的性質(zhì)．

（1）實(shí)驗(yàn)室里常用NaOH溶液吸收CO₂，若用100mL 3mol•L^-1的NaOH溶液吸收4.48L（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）CO₂，完全吸收反應(yīng)后，所得溶液中離子濃度由大到小的順序?yàn)椋篶（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）
（2）工業(yè)上可利用CO或CO₂來制備清潔液體燃料甲醇．已知：800℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)①、反應(yīng)②對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)分別為2.5、1.0
反應(yīng)①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
反應(yīng)②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
寫出用CO₂與H₂反應(yīng)制備甲醇的熱化學(xué)方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-49.6kJ/mol，800℃時(shí)該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K的數(shù)值為2.5
（3）甲醇對(duì)水質(zhì)會(huì)造成一定的污染，有一種電化學(xué)法可消除這種污染，其原理是通電后將Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．寫出除去甲醇的離子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．
（4）利用光能和光催化劑，可將CO₂和H₂O（g）轉(zhuǎn)化為CH₄和O₂，紫外線照射時(shí)，在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下，CH₄產(chǎn)量隨光照時(shí)間的變化如圖1所示，在0-15h內(nèi)，對(duì)反應(yīng)催化效果最好的催化劑是Ⅱ（填序號(hào)）
（5）一定溫度下，在3L容積可變的密閉容器中發(fā)生上述反應(yīng)②，已知c（CO）隨反應(yīng)時(shí)間t的變化曲線a如圖2所示，在t₁時(shí)刻改變一個(gè)條件，曲線a變?yōu)閎，則改變的條件是加入催化劑，若在t₁時(shí)刻，將容器體積3L快速壓縮至2L，在圖上畫出變化曲線，請(qǐng)標(biāo)注平衡時(shí)c（CO）．

Answer 1

分析 （1）CO₂物質(zhì)的量為$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，NaOH物質(zhì)的量為0.1L×3mol/L=0.3mol，由于1＜n（NaOH）：n（CO₂）=3：2＜2，發(fā)生反應(yīng)：2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，Na₂CO₃、NaHCO₃的物質(zhì)的量相等，碳酸根離子和碳酸氫根離子水解而使溶液呈堿性，碳酸根離子的水解能力大于碳酸氫根離子；
（2）反應(yīng)①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
反應(yīng)②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①+②可得CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l），反應(yīng)熱也進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算；
該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（CO）}$×$\frac{c（{H}_{2}O）×c（CO）}{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}$；
（3）以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
（4）相同時(shí)間內(nèi)，CH₄產(chǎn)量越高，反應(yīng)催化效果越好；
（5）在t₁時(shí)刻改變一個(gè)條件，曲線a變?yōu)閎，縮短到達(dá)平衡的時(shí)間，反應(yīng)速率加快，平衡時(shí)CO的濃度不變，改變不影響平衡移動(dòng)，不可能是升高溫度，反應(yīng)②是反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡不移動(dòng)，但CO的濃度會(huì)增大，可能改變的條件是加入催化劑；若在t₁時(shí)刻，將容器體積3L快速壓縮至2L，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)速率加快，縮短到達(dá)平衡的時(shí)間，不影響平衡移動(dòng)，平衡時(shí)CO的濃度變?yōu)?\frac{0.3mol/L×3L}{2L}$=0.45mol/L，在t₁時(shí)刻瞬間CO的濃度為0.3mol/L．

解答 解：（1）CO₂物質(zhì)的量為$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，NaOH物質(zhì)的量為0.1L×3mol/L=0.3mol，由于1＜n（NaOH）：n（CO₂）=3：2＜2，發(fā)生反應(yīng)：2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，Na₂CO₃、NaHCO₃的物質(zhì)的量相等，碳酸根離子和碳酸氫根離子水解而使溶液呈堿性，即c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根離子水解生成碳酸氫根離子，所以c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），由于水解程度較小，所以c（CO₃^2-）＞c（OH^-），故溶液中各離子濃度大小順序是c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
（2）反應(yīng)①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
反應(yīng)②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①+②可得：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-49.6kJ/mol，
該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（CO）}$×$\frac{c（{H}_{2}O）×c（CO）}{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}$=2.5×1=2.5，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-49.6kJ/mol；2.5；
（3）以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，結(jié)合原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫離子方程式為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
（4）由圖可知，在0-15h內(nèi)，催化劑Ⅱ在相同時(shí)間內(nèi)CH₄產(chǎn)量高，對(duì)反應(yīng)催化效果最好的催化劑是Ⅱ，
故答案為：Ⅱ；
（5）在t₁時(shí)刻改變一個(gè)條件，曲線a變?yōu)閎，縮短到達(dá)平衡的時(shí)間，反應(yīng)速率加快，平衡時(shí)CO的濃度不變，改變不影響平衡移動(dòng)，不可能是升高溫度，反應(yīng)②是反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡不移動(dòng)，但CO的濃度會(huì)增大，可能改變的條件是加入催化劑；
若在t₁時(shí)刻，將容器體積3L快速壓縮至2L，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)速率加快，縮短到達(dá)平衡的時(shí)間，不影響平衡移動(dòng)，平衡時(shí)CO的濃度變?yōu)?\frac{0.3mol/L×3L}{2L}$=0.45mol/L，在t₁時(shí)刻瞬間CO的濃度為0.3mol/L，畫出變化曲線為：，
故答案為：加入催化劑；．

點(diǎn)評(píng) 本題考查平衡常數(shù)有關(guān)計(jì)算、化學(xué)平衡計(jì)算及影響因素、離子濃度大小比較、熱化學(xué)方程式書寫等，題目涉及內(nèi)容較多，基本屬于拼合型題目，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)，難度中等．