Question

9．碳元素及其化合物與人類的生活、生產(chǎn)息息相關(guān)，請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）自然界中的碳循環(huán)對(duì)人類的生存與發(fā)展具有重要意義．
①綠色植物的光合作用吸收CO₂釋放O2的過(guò)程可以描述為以下兩步：
2CO₂（g）+2H₂O（l）+2C₅H₁₀O₄（s）═4（C₃H₆O₃）+（s）+O₂（g）+4e^-△H=+1360kJ•mol^-1
12C₃H₆O₃（s）+12e^-═C₆H₁₂O₆（s，葡萄糖）+6C₃H₁₀O₄（s）+3O₂（g）△H=-1200kJ•mol^-1
則綠色植物利用二氧化碳和水合成葡萄糖并放出氧氣的熱化學(xué)方程式為：6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880kJ•mol^-1．
②溶洞的形成是石灰?guī)r中的主要成分碳酸鈣在一定條件下溶解和沉積形成，請(qǐng)站在活化能的角度解釋溶洞形成過(guò)程極為緩慢的原因溶洞形成過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)在自然條件下活化能較高．
（2）工業(yè)上碳及其化合物是重要的工業(yè)原料．
①以CO₂、NaCl、NH₃為原料制得Na₂CO₃是“侯氏制堿法”的重要步驟，相關(guān)物質(zhì)的溶解度曲線如圖所示，請(qǐng)寫出常溫下向飽和氯化鈉溶液中先后通入足量的NH₃、CO₂發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：NH₃+CO₂+H₂O+Na⁺=NaHCO₃↓+NH₄⁺．
常溫常壓下，在NaHCO₃溶液中存在如下平衡：
HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-    K_h=2.27×10^-8
HCO₃^-?CO₃^2-+H⁺                 K_a2=4.7×10^-11
H₂O?H⁺+OH^-                     K_w=1.0×10^-14
請(qǐng)用K定量解釋NaHCO₃溶液顯堿性的原因：NaHCO₃溶液中HCO₃^-的水解程度大于電離程度，使得溶液中c（OH^-）大于c（H⁺）而顯堿性，在NaHCO₃溶液中繼續(xù)通入CO₂，至溶液中n（HCO₃^-）：n（H₂CO₃）=4.4時(shí)溶液可以達(dá)中性．
②工業(yè)上可以利用甲醇制備氫氣．
甲醇蒸汽重整法制備氫氣的胡政堯反應(yīng)為CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），設(shè)在容積為2.0L的密閉容器中充入0.60mol的CH₃OH（g）體系壓強(qiáng)為p₁，在一定條件下達(dá)到平衡時(shí)，體系壓強(qiáng)為p₂，且p₂：p₁=2.2，則該條件下CH₃OH的平衡轉(zhuǎn)化率為60%．
工業(yè)上還可以利用甲醇部分氧化法制備氫氣，在一定溫度下以$\frac{Ag}{Ce{O}_{2}}$-ZnO為催化劑，原料氣比例對(duì)反應(yīng)選擇性（選擇性越大，表示生成的該物質(zhì)越多）影響關(guān)系如圖所示．則當(dāng)$\frac{n（{O}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$=0.25時(shí)，CH₃OH與O₂發(fā)生的主要反應(yīng)方程式為2CH₃OH+O₂?2HCHO+2H₂O；在制備H2時(shí)最好控制$\frac{n（{O}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$=0.5．

Answer 1

分析 （1）①依據(jù)蓋斯定律和熱化學(xué)方程式計(jì)算得到所需的熱化學(xué)方程式，利用熱化學(xué)方程式的加減消去不需要的物質(zhì)，注意加減時(shí)焓變隨之變化；
②據(jù)溶洞的形成是化學(xué)反應(yīng)在自然條件下進(jìn)行的，故活化能較高據(jù)此進(jìn)行分析；
（2）①氨氣，二氧化然，水和氯化鈉反應(yīng)生成碳酸氫鈉和氯化銨，據(jù)此書寫離子方程式；NaHCO₃溶液存在水的電離平衡、弱酸根離子的水解平衡、電離平衡；根據(jù)K=$\frac{c（HC{{{O}_{3}}^{-}}_{\;}）×c（{H}^{+}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$計(jì)算；
②根據(jù)恒容條件下壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比求出甲醇的轉(zhuǎn)化量，然后再求轉(zhuǎn)化率；根據(jù)圖象可知，當(dāng)n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25時(shí)，CH₃OH與O₂發(fā)生的主要反應(yīng)為甲醇的催化氧化生成甲醛；在制備H₂時(shí)最好控制n（O₂）/n（CH₃OH）=0.5時(shí)氣生成最多．

解答 解：（1）①已知熱化學(xué)方程式：2CO₂（g）+2H₂O（l）+2C₅H₁₀O₄（s）═4（C₃H₆O₃）⁺（s）+O₂（g）+4e^-△H═+1360kJ•mol^-1 ①
                       12（C₃H₆O₃）（s）+12e^-═C₆H₁₂O₆（S，葡萄糖）+6C₅H₁₀O₄（s）+3O₂（g）△H=-1200kJ•mol^-1②
根據(jù)蓋斯定律，將①×3+②可得：6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880 kJ•mol^-1，
故答案為：6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880 kJ•mol^-1；
②溶洞形成過(guò)程極為緩慢的原因是溶洞形成過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)在自然條件下活化能較高，
故答案為：溶洞形成過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)在自然條件下活化能較高；
（2）①氨氣，二氧化然，水和氯化鈉反應(yīng)生成碳酸氫鈉和氯化銨，故離子方程式為NH₃+CO₂+H₂O+Na⁺=NaHCO₃↓+NH₄⁺；NaHCO₃溶液中存在H₂O?H⁺+OH^-、HCO₃^-+H₂O?+H₂CO₃+OH^-、HCO₃^-+H₂O?H₃O⁺+CO₃^2-，由上述數(shù)據(jù)得，NaHCO₃溶液顯堿性的原因?yàn)镹aHCO₃溶液中HCO₃^-的水解程度大于電離程度，使得溶液中c（OH^-） 大于 c（H⁺）而顯堿性；
溶液為中性，則c（H⁺）=10^-7mol/L，則c（H⁺）=10^-7mol/L，K=$\frac{c（HC{{{O}_{3}}^{-}}_{\;}）×c（{H}^{+}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$=4.4×10^-7，則$\frac{c（HC{{O}_{3}}^{-}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$=4.4，
故答案為：NH₃+CO₂+H₂O+Na⁺=NaHCO₃↓+NH₄⁺；NaHCO₃溶液中HCO₃^-的水解程度大于電離程度，使得溶液中c（OH^-） 大于 c（H⁺）而顯堿性；4.4；
②反應(yīng)為CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）
   n起始      0.6       0      0
   n轉(zhuǎn)化       x         x     2x
   n平衡      0.6-x      x     2x
$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$=2.2  
x=0.36mol
則該條件下CH₃OH的平衡轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.36}{0.6}$×100%=60%，
根據(jù)圖象可知，當(dāng)n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25時(shí)，CH₃OH與O₂發(fā)生的主要反應(yīng)為甲醇的催化氧化生成甲醛，反應(yīng)的方程式為：2CH₃OH+O₂?2HCHO+2H₂O；依據(jù)圖象分析，在制備H₂時(shí)最好控制n（O₂）/n（CH₃OH）=0.5時(shí)氫氣生成最多，
故答案為：60%；2CH₃OH+O₂?2HCHO+2H₂O；0.5．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了熱化學(xué)方程式書寫，離子方程式的書寫、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率等問(wèn)題，要注意圖象正確分析，題目難度中等．