Question

8．碳及其化合物有广泛应用．
（1）工业冶炼铝，以石墨为阳极．阳极反应式为2O^2--4e-=O₂↑，可能发生副反应有C+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO₂（或2C+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CO）．
（2）一氧化碳和空气在酸性介质中构成燃料电池，负极反应式为．如果理论输出电压为1.50V，能量密度E=．
（3）向75mL 4mol•L^-1KOH溶液中缓慢通入4480mL CO₂气体（标准状况）恰好完全被吸收．①写出该反应的离子方程式：2CO₂+3OH^-=CO₃^2-+HCO₃^-+H₂O．
②该吸收溶液中离子浓度大小排序为c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
③常温下，a mol•L^-1KHCO₃溶液的pH=8，HCO^3-的水解常数约等于$\frac{10{\;}^{-12}}{a-10{\;}^{-6}}$．（用含a式表示）．
（4）已知：①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₁=-571.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
③CO（g）+2H₂（g）═CH3OH（g）△H₃=-90.8kJ•mol^-1
计算甲醇蒸气的燃烧热△H=-763.8kJ•mol^-1．
（5）某温度下，发生可逆反应：CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ•mol^-1 
①向某容器中充入1.0molH₂和1.0mol（g），在一定条件下发生上述反应．混合气体中CO的物质的量与时间关系如下列所示：

	0	5min	10min	15min	20min	25min
I（800℃）	1.0	0.80	0.70	0.65	0.50	0.50
Ⅱ（800℃）	1.0	0.7	0.60	0.50	0.50	0.50

相对实验I，实验II可能改变的条件可能是，该温度下，平衡常数=1．
②若开始向绝热容器中投入一定量二氧化碳、氢气在一定条件下发生上述可逆反应．
下列图象正确且说明可逆反应达到平衡状态的是A．（填序号）

Answer 1

分析 （1）电解铝，阳极发生氧化反应生成氧气，生成的氧气在高温下氧化石墨电极；
（2）①酸性介质中，CO被氧化生成二氧化碳；
②计算1Kg甲醇输出的电能，结合能量密度公式：能量密度=电池输出电能/燃料质量，1kW•h=3.6×10⁶J，一个电子的电量=1.6×10^-19C计算；
（3）n（KOH）=0.075L×4mol•L^-1=0.3mol，n（CO₂）=$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，因为二者按3：2恰好反应，据此书写反应的离子方程式；
②因为碳酸根水解程度大于碳酸氢根，并且水解后都成碱性，据此判断离子浓度大小；
③因为amol•L^-1KHCO₃溶液的pH=8，所以pH=10^-6mol/L，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，c（OH^-）=c（H₂CO₃）=10^-6mol/L，水解程度小，消耗HCO₃^-可忽省不计，所以根据K=$\frac{c（H{\;}_{2}CO{\;}_{3}）c（OH{\;}^{-}）}{c（HCO{\;}_{3}{\;}^{-}）}$计算；
（4）①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₁=-571.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
③CO（g）+2H₂（g）═CH3OH（g）△H₃=-90.8kJ•mol^-1
根据盖斯定律知，①+②×$\frac{1}{2}$-③得：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）；
（5）①从数据看，I和II达到相同状态，说明平衡没有移动，若该可逆反应是等气体分子数反应，则增大压强，平衡不移动，或者加入催化剂也能加快反应速率，平衡不移动；
等气体分子数反应，可以用物质的量代替浓度计算平衡常数，达到平衡时，各物质的物质的量都等于0.5mol，根据K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）c（H{\;}_{2}）}{c（CO）c（H{\;}_{2}O）}$计算；
②A、开始投入二氧化碳和氢气，从逆方向进行反应，反应吸热，开始温度下降，当温度不变时达到平衡状态；
B、开始投入二氧化碳和氢气，从逆方向进行反应，氢气体积分数由最大逐渐减小．
C、反应热只与化学计量数有关，与反应限度无关．
D、因为总质量不变，总物质的量也不变，根据混合气体平均相对分子质量=$\frac{m（总）}{n（总）}$判断．

解答 解：（1）电解铝，阳极发生氧化反应生成氧气，电极反应式为2O^2--4e-=O₂↑，生成的氧气在高温下氧化石墨电极，发生的反应有C+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO₂（或2C+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CO），故答案为：2O^2--4e-=O₂↑，C+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO₂（或2C+O₂$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$2CO）；
（2）①在酸性介质中CO氧化生成CO₂，负极反应式为CO-2e-+H₂O=CO₂+2H⁺，故答案为：CO-2e-+H₂O=CO₂+2H⁺；
②1KgCO输出的电能：w=UIt=Uq=1.50×$\frac{1000}{28}$×2×6.02×10²³×1.602×10^-19J
=1.033×10⁷ J
所以E=$\frac{1.033×10{\;}^{7}}{3.6×10{\;}^{6}}$=2.87 kW•h
故答案为：2.87 kW•h•kg^-1；
（3）n（KOH）=0.075L×4mol•L^-1=0.3mol，n（CO₂）=$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，因为二者恰好反应，则反应的离子方程式为2CO₂+3OH^-=CO₃^2-+HCO₃^-+H₂O，故答案为：2CO₂+3OH^-=CO₃^2-+HCO₃^-+H₂O；
②因为碳酸根水解程度大于碳酸氢根，并且水解后都成碱性，所以离子浓度大小排序为c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），故答案为：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
③因为amol•L^-1KHCO₃溶液的pH=8，所以pH=10^-6mol/L，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-
c（OH^-）=c（H₂CO₃）=10^-6mol/L，水解程度小，消耗HCO₃^-可忽省不计，所以K=$\frac{c（H{\;}_{2}CO{\;}_{3}）c（OH{\;}^{-}）}{c（HCO{\;}_{3}{\;}^{-}）}$=$\frac{10{\;}^{-12}}{a-10{\;}^{-6}}$，故答案为：$\frac{10{\;}^{-12}}{a-10{\;}^{-6}}$．
（4）①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₁=-571.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
③CO（g）+2H₂（g）═CH3OH（g）△H₃=-90.8kJ•mol^-1
根据盖斯定律知，①+②×$\frac{1}{2}$-③得：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）
△H=-571.6kJ•mol^-1-566.0kJ•mol^-1×$\frac{1}{2}$+90.8kJ•mol^-1=-763.8kJ•mol^-1，故答案为：-763.8kJ•mol^-1；
（5）①从数据看，I和II达到相同状态，说明平衡没有移动，若该可逆反应是等气体分子数反应，且反应物和产物都是气态，增大压强，平衡不移动，能缩短达到平衡的时间；加入催化剂也能加快反应速率，缩短达到平衡时间；
等气体分子数反应，可以用物质的量代替浓度计算平衡常数，达到平衡时，各物质的物质的量都等于0.5mol，所以K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）c（H{\;}_{2}）}{c（CO）c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.5mol×0.5mol}{0.5mol×0.5mol}$=1，故答案为：增大压强（或缩小体积）、加催化剂；1；
②A、开始投入二氧化碳和氢气，从逆方向进行反应，反应吸热，开始温度下降，当温度不变时达到平衡状态，故A正确；
B、开始投入二氧化碳和氢气，从逆方向进行反应，氢气体积分数由最大逐渐减小，故B错误．
C、反应热只与化学计量数有关，与反应限度无关，所以焓变一直不变，故C错误．
D、因为总质量不变，总物质的量也不变，所以混合气体平均相对分子质量=$\frac{m（总）}{n（总）}$始终不变，故D错误．
故选：A．

点评 本题考查化学平衡的标志、平衡常数的计算及化学平衡移动原理、盖斯定律的计算应用、离子浓度大小的比较、电解池反应原理及电极反应式的书写，知识点较多，综合性很强，难度较大．