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【题目】CO2既是温室气体,也是重要的化工原料,二氧化碳的捕捉和利用是我国能源领域的一个重要战略方向。

(1)用活性炭还原法可以处理汽车尾气中的氮氧化物,某研究小组向某密闭容器加入足量的活性炭和一定量的NO,发生反应C(s)+ 2NO(g) N2(g)+CO2(g) △H,在T1℃时,反应进行到不同时间测得各物质的量浓度如下:

浓度/(mol/L)/\时间/min

0

10

20

30

40

NO

2.0

1.16

0.40

0.40

0.6

N2

0

0.42

0.80

0.80

1.2

CO2

0

0.42

0.80

0.80

1.2

①根据图表数据分析T1℃时,该反应在0~10min内的平均反应速率v(N2)=____________mol·L-1·min-1;计算该反应的平衡常数K=_____________。

②若30min后只改变某一条件,据上表中的数据判断改变的条件可能是____________(填字母编号)。

A.加入合适的催化剂 B.适当缩小容器的体积

C.通入一定量的NO   D.加入一定量的活性炭

③若30min后升高温度至T2℃,达到平衡时,容器中NO、N2、CO2的浓度之比为2:3:3,则达到新平衡时NO的转化率___________(填“升高”或“降低”),△H______0(填“>”或“<”)。

(2)工业上用CO2和H2反应合成二甲醚。已知:

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-49.1 kJ·mol-1

2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H2=-24.5 kJ·mol-1

写出CO2(g)和H2(g)转化为CH3OCH3(g)和H2O(g)的热化学方程式_______________。

(3)二甲醚燃料电池具有能量转化率高、电量大的特点而被广泛应用,一种二甲醚氧气电池(电解质为KOH溶液)的负极反应式为:_________________________。

(4)常温下,用NaOH溶液作CO2捕捉剂不仅可以降低碳排放,而且可得到重要的化工产品Na2CO3。

①若某次捕捉后得到pH=10 的溶液,则溶液中c(CO32-)∶c(HCO3-)=_______________。[常温下K1(H2CO3)=4.4×10-7、 K2(H2CO3)=5×10-11]。

②欲用2LNa2CO3溶液将4.66gBaSO4 固体全都转化为BaCO3,则所用的Na2CO3溶液的物质的量浓度至少为__________________________。[已知:常温下Ksp(BaSO4)=1×10-11,Ksp(BaCO3)=1×10-10]。(忽略溶液体积的变化)

【答案】 0.042 4.0 BC 降低 < 2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) △H=-122.7 kJ·mol-1 CH3OCH3 -12e- + 16OH- = 2CO32- + 11H2O 1:2或0.5 0.11mol/L

【解析】试题分析:本题考查化学反应速率和化学平衡常数的计算,外界条件对化学平衡的影响,盖斯定律的应用,燃料电池电极反应式的书写,电离平衡常数的计算,与溶度积有关的计算。

(1)①在0~10min内的平均反应速率υ(N2)=(0.42mol/L-0mol/L)10min=0.042mol/(L·min)。20min~30min各物质的物质的量浓度不变,说明反应已经达到平衡,即平衡时NO、N2、CO2物质的量浓度依次为0.40mol/L、0.80mol/L、0.80mol/L,该反应的平衡常数K=[c(N2)·c(CO2)]/c2(NO)==4。

②30min后改变一个条件,40min时NO、N2、CO2的浓度都变为30min时的1.5倍。A项,加入合适的催化剂,平衡不移动,各物质物质的量浓度不变,不可能;B项,适当缩小容器的体积,平衡不移动,但各物质物质的量浓度成比例增大,可能;C项,通入一定量的NO,由于C是固体,相当于增大压强,平衡不移动,但各物质物质的量浓度成比例增大,可能;D项,加入一定量的活性炭,由于C是固体,平衡不移动,各物质物质的量浓度不变,不可能;答案选BC。

③30min时NO、N2、CO2的浓度之比为0.40:0.80:0.80=1:2:2,升高温度NO、N2、CO2的浓度之比为2:3:3,即升高温度平衡向逆反应方向移动,则达到新平衡时NO的转化率降低,逆反应为吸热反应,ΔH0。

(2)将反应编号,

CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.1 kJ·mol-1(①式)

2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2=-24.5 kJ·mol-1(②式)

应用盖斯定律,①式2+②式得2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)ΔH=2ΔH1+ΔH2=2(-49.1kJ/mol)+(-24.5kJ/mol)=-122.7kJ/mol,反应的热化学方程式为2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)ΔH=-122.7kJ/mol。

(3)二甲醚氧气电池中电解质为KOH溶液,负极二甲醚被氧化成CO32-,1mol二甲醚失去12mol电子,负极反应式为CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O。

(4)①H2CO3的电离方程式为H2CO3H++HCO3-、HCO3-H++CO32-,K2(H2CO3)=[c(H+)·c(CO32-)]/c(HCO3-),则c(CO32-):c(HCO3-)= K2(H2CO3)/c(H+)=510-11(110-10)=1:2。

②n(BaSO4)==0.02mol,沉淀转化的离子方程式为BaSO4(s)+CO32-(aq)BaCO3(s)+SO42-(aq),该反应的平衡常数K=c(SO42-)/c(CO32-)=Ksp(BaSO4)/Ksp(BaCO3)=110-11(110-10)=0.1;根据离子方程式,当BaSO4固体全部转化时消耗CO32-物质的量为0.02mol,生成的SO42-物质的量为0.02mol,溶液中c(SO42-)=0.02mol2L=0.01mol/L,溶液中c(CO32-)= c(SO42-)/K=0.01mol/L0.1=0.1mol/L;所用Na2CO3物质的量浓度至少为0.02mol2L+0.1mol/L=0.11mol/L。

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②部分金属离子在实验条件下开始沉淀和完全沉淀的pH如下表所示。

金属离子

开始沉淀的pH

完全沉淀的pH

Fe3+

1.5

4.1

Fe2+

7.5

9.7

Co2+

6.6

9.4

Ni2+

6.7

9.5

回答下列问题:

(1)酸浸后,溶液中的阳离子有Co2+、Ni2+、________。

(2)除镍时,应调节溶液的pH=________,此时Ni2+是否形成Ni(OH)2沉淀?________(填“是”或“否”)。若pH过小,则产品纯度会______(填“升高”“降低”或“不变”)。

(3)酸溶时,当调节溶液的pH为8时,溶液中n(Fe3+):n(Co2+)=______。(已知:Ksp[Co(OH)2]=2.0×10-16,Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38

(4)除铁时,先向溶液中滴加适量30%H2O2溶液,发生反应的离子方程式为_________;充分反应后再向溶液中加入CoCO3,调节溶液pH的范围为_________,使Fe3+完全转化为Fe(OH)3沉淀,最后过滤得到CoCl2溶液。

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