Question

【题目】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)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碳纳米颗粒(杂质)，这种碳纳米颗粒可用氧化后气化的方法提纯，其除杂质过程为把杂质用热的重铬酸钾(K2Cr2O7)酸性溶液浸泡发生反应，溶液逐渐变成浅绿色(Cr3+)，同时产生使澄清石灰水变浑浊的气体，写出反应的离子方程式：____________________________________________。

(2)焦炭可用于制取水煤气。测得24g碳与水蒸气完全反应生成水煤气时，吸收了263.2kJ热量。该反应的热化学方程式为_________________________________。

(3)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下列措施有利于提高反应物转化率的是___________(填序号)。

A.及时将CH3OH与反应混合物分离 B.降低反应温度

C.减小体系压强 D.使用高效催化剂

②乙醇电池具有很高的实用价值。如右图所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测。该电池的负极反应式为_________________________________。

③已知：CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=－283 kJ·mol－1

H2(g)+ O2(g)=H2O(g) △H3=? kJ·mol－1

1mol气态甲醇完全燃烧生成CO2和水蒸气时放出热量651kJ，则△H3=________________。

④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。请回答下列问题：

(i)在上述三种温度中，曲线X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=___________。

(4)CO2经常用氢氧化钠溶液来吸收，现有0.2moCO2，若用100mL3 mol/LNaOH溶液将其完全吸收，溶液中离子浓度由大到小的顺序为______________________。

Answer 1

【答案】2Cr2O72-+ 3C+16H+=4Cr3++3CO2↑+8H2O C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H= +131.6kJ/mol AB CH3CH2OH+H2O-4e-=CH3COOH+4H+ -242kJmol-1 230℃ 4 c(Na+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+)

【解析】

（1）使澄清石灰水变浑浊的气体是CO2，反应中碳元素化合价由0价升高到+4价，Cr元素从+6价降低到+3价，所以Cr2O72-作氧化剂，对应产物Cr3+，C作还原剂，对应产物CO2，要使氧化剂得到电子总数等于还原剂失去电子总数，则C系数为3，Cr2O72-系数为2，根据原子守恒和电荷守恒，反应的离子方程式为2Cr2O72-+ 3C+16H+=4Cr3++3CO2↑+8H2O。

（2）24g碳的物质的量为2mol，与水蒸气完全反应生成水煤气（CO、H2），吸收了263.2kJ热量。该反应的热化学方程式为C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H= +131.6kJ/mol。

（3）①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1；

A.及时将CH3OH与反应混合物分离，使得平衡正向移动，有利于提高反应物转化率；

B.该反应正反应是放热反应，降低反应温度，平衡正向移动，有利于提高反应物转化率； C.减小体系压强，平衡逆向移动，不利于提高反应物转化率；

D.使用高效催化剂，不能使平衡移动，故反应物转化率不变；

②乙醇燃料电池中，负极上乙醇失去电子发生氧化反应生成CH3COOH，负极反应式为CH3CH2OH+H2O-4e-=CH3COOH+4H+。

③1mol气态甲醇完全燃烧生成CO2和水蒸气时放出热量651kJ，可知④CH3OH(g)+3/2 O2(g)= CO2(g)+2H2O(g)，△H=－651kJ·mol－1，根据反应①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1，②CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=－283 kJ·mol－1，根据盖斯定律，（④+①-②）/2，可得H2(g)+ O2(g)=H2O(g)△H3=-242kJmol-1。

④(i)根据反应CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1，是放热反应，温度越低，转化率越高，所以曲线X对应的温度是230℃。

(ii) a点时，CO的转化率为50％，反应消耗了1mol×50％=0.5molCO，消耗氢气1mol，生成0.5mol甲醇，剩余0.5molCO，n(H2)=0.5mol， a点平衡时各组分的浓度是c(CH3OH)=0.5mol/L，c(CO)=0.5mol/L，c(H2)=0.5mol/L，则K= c(CH3OH)/ [c(CO) c2(H2)]==4。

（4）根据二氧化碳和氢氧化钠之间反应量的关系：按照1:1反应，产物是碳酸氢钠，按照1:2反应，产物是碳酸钠，0.2moCO2和100mL3 mol/LNaOH溶液混合，二者的物质的量之比为2:3，所以溶液是物质的量浓度相等的碳酸钠和碳酸氢钠的混合液，混合液显碱性，c(OH-)>c(H+)；由于碳酸根离子水解程度大于碳酸氢根离子的水解程度，所以c(HCO3-)>c(CO32-)，即c(Na+)>c(HCO3-)>c (CO32-)>c(OH-)>c(H+)。

（1）使澄清石灰水变浑浊的气体是CO2，反应中碳元素化合价由0价升高到+4价，Cr元素从+6价降低到+3价，所以Cr2O72-作氧化剂，对应产物Cr3+，C作还原剂，对应产物CO2，要使氧化剂得到电子总数等于还原剂失去电子总数，则C系数为3，Cr2O72-系数为2，根据原子个数守恒，反应的离子方程式为2Cr2O72-+ 3C+16H+=4Cr3++3CO2↑+8H2O，故答案为：2Cr2O72-+ 3C+16H+=4Cr3++3CO2↑+8H2O。

（2）24g碳的物质的量为2mol，与水蒸气完全反应生成水煤气（CO、H2），吸收了263.2kJ热量，该反应的热化学方程式为C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H= +131.6kJ/mol，故答案为：C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H= +131.6kJ/mol。

（3）①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1，

A.及时将CH3OH与反应混合物分离，使得平衡正向移动，有利于提高反应物转化率，故A正确；

B.该反应正反应是放热反应，降低反应温度，平衡正向移动，有利于提高反应物转化率，故B正确；

C.减小体系压强，平衡逆向移动，不利于提高反应物转化率，故C错误；

D.使用高效催化剂，不能使平衡移动，故反应物转化率不变，故D错误；

故选AB。

②乙醇燃料电池中，负极上乙醇失去电子发生氧化反应生成CH3COOH，负极反应式为CH3CH2OH+H2O-4e-=C3COOH+4H+，故答案为：CH3CH2OH+H2O-4e-=CH3COOH+4H+。

③1mol气态甲醇完全燃烧生成CO2和水蒸气时放出热量651kJ，可知④CH3OH(g)+3/2 O2(g)= CO2(g)+2H2O(g)，△H=－651kJ·mol－1，根据反应①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1，②CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=－283 kJ·mol－1，根据盖斯定律，（④+①-②）/2，可得H2(g)+ O2(g)=H2O(g)△H3=-242kJmol-1，故答案为：-242kJmol-1。

④(i)根据反应CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1，是放热反应，温度越低，转化率越高，所以曲线X对应的温度是230℃，故答案为：230℃。

(ii)a点时，CO的转化率为50％，反应消耗了1mol×50％=0.5molCO，消耗氢气1mol，生成0.5mol甲醇，剩余0.5molCO，n(H2)=0.5mol， a点平衡时各组分的浓度是c(CH3OH)=0.5mol/L，c(CO)=0.5mol/L，c(H2)=0.5mol/L，则K= c(CH3OH)/ [c(CO) c2(H2)]==4，故答案为：4。

（4）根据二氧化碳和氢氧化钠之间反应量的关系：按照1:1反应，产物是碳酸氢钠，按照1:2反应，产物是碳酸钠，0.2moCO2和100mL3 mol/LNaOH溶液混合，二者的物质的量之比为2:3，所以溶液是物质的量浓度相等的碳酸钠和碳酸氢钠的混合液，混合液显碱性，c(OH-)>c(H+)；由于碳酸根离子水解程度大于碳酸氢根离子的水解程度，所以c(HCO3-)>c(CO32-)，即c(Na+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+)，故答案为：c(Na+)>c(HCO3-)>C(CO32-)>c(OH-)>c(H+)。