Question

欧盟原定于2012年1月1日起征收航空碳排税以应对冰川融化和全球变暖，使得对如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用碳资源的研究显得更加紧迫．请运用化学反应原理的相关知识研究碳及其化合物的性质．
（1）近年来，我国储氢纳米碳管研究取得重大进展，用电弧法合成的碳纳米管中常伴有大量碳纳米颗粒（杂质），这种碳纳米颗粒可用氧化气化法提纯，其反应的化学方程式为：

 

C+

 

K₂Cr₂O₇+

 

 

→

 

CO₂↑+

 

K₂SO₄+

 

Cr₂（SO₄）₃+

 

H₂O
请完成并配平上述化学方程式．
（2）甲醇是一种新型燃料，甲醇燃料电池即将从实验室走向工业化生产．工业上一般以CO和H₂为原料合成甲醇，该反应的热化学方程式为：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ?mol^-1
①下列措施中有利于增大该反应的反应速率的是

 

；
A、随时将CH₃OH与反应混合物分离
B、降低反应温度
C、增大体系压强
D、使用高效催化剂
②已知：CO(g)+

1

2

O2(g)=CO2(g)△H₂=-283 kJ?mol^-1H2(g)+

1

2

O2(g)=H2O(g)△H₃=-242 kJ?mol^-1
则表示1mol气态甲醇完全燃烧生成CO₂和水蒸气时的热化学方程式为

 

；
③在容积为1L的恒容容器中，分别研究在230℃、250℃和270℃三种温度下合成甲醇的规律．如图是上述三种温度下不同的H₂和CO的起始组成比（起始时CO的物质的量均为1mol）与CO平衡转化率的关系．
请回答：
ⅰ）在上述三种温度中，曲线Z对应的温度是

 

；
ⅱ）利用图中a点对应的数据，计算出曲线Z在对应温度下CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g） 的平衡常数K=

 

．
（3）CO₂在自然界循环时可与CaCO₃反应，CaCO₃是一种难溶物质，其Ksp=2.8×10^-9．CaCl₂溶液与Na₂CO₃溶液混合可形成CaCO₃沉淀，现将等体积的CaCl₂溶液与Na₂CO₃溶液混合，若Na₂CO₃溶液的浓度为7×10^-4mol/L，则生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小浓度为

 

．

Answer 1

分析：（1）反应中C元素的化合价由0升高为+4价，Cr元素的化合价由+6价降低为+3价，结合化合价升降总数相等以及质量守恒定律配平；
（2）①根据平衡移动原理进行判断，温度升高，反应速率加快，使用催化剂，反应速率加快；
②根据盖斯定律和题中热化学方程式写出甲醇完全燃烧生成二氧化碳的热化学方程式；
③ⅰ）根据该反应为放热反应，温度越高CO的转化率越小，所以曲线Z为270℃；
ⅱ）根据平衡常数表达式和一氧化碳的转化率求算；
（3）Na₂CO₃溶液的浓度为7×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=7×10^-4mol/L，根据K_sp=c（CO₃^2-）?c（Ca²⁺）计算沉淀时混合溶液中c（Ca²⁺），原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍．

解答：解：（1）反应中C元素的化合价由0升高为+4价，一个碳化合价变化4，Cr元素的化合价由+6价降低为+3价，1个K₂Cr₂O₇化合价变化6，4和6的最小公倍数为12，由化合价升降总数相等可知，C的化学计量数为3，K₂Cr₂O₇的化学计量数为2，由于产物中有Cr₂（SO₄）₃，所以未知的反应物为H₂SO₄，最后由质量守恒定律可知得化学反应为3C+2K₂Cr₂O₇+8H₂SO₄═3CO₂+2K₂SO₄+2Cr₂（SO₄）₃+8H₂O，
故答案为：3；2；8；H₂SO₄；3；2；2；8；
（2）①A、随时将CH₃OH与反应混合物分离，没有改变反应速率，故A错误；
B、温度降低，反应速率变小，故B错误；
C、压强增大，反应速率加快，故C正确；
D、使用催化剂，反应速率加快，故D正确；
故选C D；
②根据反应①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H₁=-116kJ?mol^-1，
         ②CO（g）+

1

2

O2（g）═CO₂（g）△H₂=-283kJ?mol^-1，
         ③H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（g）△H₃=-242kJ?mol^-1，
         根据盖斯定律：①-②-③×2得：CH₃OH（g）+

3

2

O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ?mol^-1，
         故答案是：CH₃OH（g）+

3

2

O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ?mol^-1；
③ⅰ）根据该反应为放热反应，温度越高CO的转化率越小，所以曲线Z为270℃，
故答案为：270℃；
ⅱ）该反应的平衡常数K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2 )

，初始时CO为2mol，H₂为3mol；
a点时，CO转化率50%，反应消耗了2mol×50%=1molCO，消耗氢气2mol，剩余1molCO，n（H₂）=3mol-2mol=1mol，生成1mol甲醇，
a点各组分的浓度是：c（CH₃OH）=0.5mol/L，c（CO）=0.5mol/L，c（H₂）=0.5mol/L，
带入表达式得：K=

0.5

0.5×0．52

=4L²?mol^-2，
故答案为：4L²?mol^-2；
（3）Na₂CO₃溶液的浓度为7×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=

1

2

×7×10^-4mol/L=3.5×10^-4mol/L，
根据K_sp=c（CO₃^2-）?c（Ca²⁺）=2.8×10^-9可知，
c（Ca²⁺）=

2.8×10-9

3.5×10-4

mol/L=0.8×10^-5mol/L，
原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍，
故原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为2×0.8×10^-5mol/L=1.6×10^-5mol/L，
故答案为：1.6×10^-5mol/L．

点评：本题考查了氧化还原反应的配平，影响反应速率的因素，反应平衡常数的计算，溶度积常数的应用，本题难度中等．