Question

4．歐盟原定于2012年1月1日起征收航空碳排稅以應(yīng)對(duì)冰川融化和全球變暖，使得對(duì)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(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）用電弧法合成的儲(chǔ)氫納米碳管常伴有大量的碳納米顆粒（雜質(zhì)），這種顆粒可用如下氧化法提純，請(qǐng)完成該反應(yīng)的化學(xué)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(cè)得12g碳與水蒸氣完全反應(yīng)生成水煤氣時(shí)，吸收了131.6kJ熱量．該反應(yīng)的熱化學(xué)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(yīng)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(yīng)在不同溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)（K）．

溫度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①判斷反應(yīng)達(dá)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(duì)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(yīng)10min后，達(dá)到平衡時(shí)測(cè)得c（CO）=0.2mol/L，則以H₂表示的反應(yīng)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(fù)極燃?xì)�，空氣與CO₂的混合氣為正極助燃?xì)猓�制得�?50℃下工作的燃料電池，其正極反應(yīng)式：O₂+2CO₂+4e^-═2CO₃^2-，則負(fù)極反應(yīng)式：2CO-4e^-+2CO₃^2-=4CO₂．
（5）向BaSO₄沉淀中加入飽和碳酸鈉溶液，充分?jǐn)嚢�，棄去上層清液，如此處理多次，可使BaSO₄全部轉(zhuǎn)化為BaCO₃，發(fā)生反應(yīng)：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）═BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq）．已知某溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=4.0×10^-2，BaSO₄的K_sp=1.0×10^-10，則 BaCO₃的溶度積K_sp=2.5×10^-9．

Answer 1

分析 （1）反應(yīng)中C元素的化合價(jià)由0升高為+4價(jià)，Mn元素的化合價(jià)由+7價(jià)降低為+2價(jià)，結(jié)合化合價(jià)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(yīng)生成CO、H₂，吸收131.6kJ熱量，據(jù)此結(jié)合熱化學(xué)方程式書寫原則進(jìn)行書寫；
（3）①可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等（同種物質(zhì)）或正逆反應(yīng)速率之比等于系數(shù)之比（不同物質(zhì)），平衡時(shí)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計(jì)算CO的濃度變化量，由方程式可知△c（H₂）=2△c（CO），根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（H₂）；
（4）燃料電池中，通入CO的一極為原電池的負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為2CO-4e^-+2CO₃^2-=4CO₂；
（5）根據(jù)某溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=4.0×10^-2，寫出表達(dá)式，找出與BaSO₄、BaCO₃的關(guān)系，進(jìn)行計(jì)算即可．

解答 解：（1）反應(yīng)中C元素的化合價(jià)由0升高為+4價(jià)，Mn元素的化合價(jià)由+7價(jià)降低為+2價(jià)，該反應(yīng)中轉(zhuǎn)移20e^-，由電子守恒和質(zhì)量守恒定律可知得化學(xué)反應(yīng)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(yīng)生成CO、H₂，吸收131.6kJ熱量，該反應(yīng)的熱化學(xué)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(wú)論反應(yīng)是否達(dá)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(cuò)誤；
B．反應(yīng)前后，混合氣體的物質(zhì)的量改變，氣體的質(zhì)量不變，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，混合氣體的相對(duì)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(cuò)誤；
D．反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，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；
②△c（H₂）=2△c（CO）=2×（$\frac{2mol}{2L}$-0.2mol/L）=1.6mol/L，由v（H₂）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{1.6mol/L}{10min}$=0.16 mol/（L•min），故答案為：0.16 mol/（L•min）；
（4）燃料電池中，通入CO的一極為原電池的負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為2CO-4e^-+2CO₃^2-=4CO₂，通入氧氣和CO₂的混合氣體一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；原電池電極反應(yīng)，正極上的電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；負(fù)極上的電極反應(yīng)式為2CO-4e^-+2CO₃^2-=4CO₂；
故答案為：2CO-4e^-+2CO₃^2-=4CO₂；
（5）反應(yīng)：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）?BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq），K=4.0×10^-2=$\frac{c（S{O}_{4}^{2-}）}{c（C{O}_{3}^{2-}）}$=$\frac{c（S{O}_{4}^{2-}）}{c（C{O}_{3}^{2-}）}$×$\frac{c（B{a}^{2+}）}{c（B{a}^{2+}）}$=$\frac{Ksp（BaS{O}_{4}）}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$=$\frac{1.0×1{0}^{-10}}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$，
Ksp（BaCO₃）=2.5×10^-9，
故答案為：2.5×10^-9．

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