Question

14．由碳元素构成的各种单质和化合物始终都是科学家研究的重要对象．

（1）图1为碳及其氧化物的变化关系图，若①变化是置换反应则其化学方程式可为（写一个即可）C+H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$H₂+CO；写出实验室检验CO₂气体的离子反应方程式：①③
（2）汽车尾气中的一氧化碳是大气污染物，可通过反应：CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂?CO（g）降低其浓度．某温度下，在两个容器中进行上述反应，容器中各物质的起始浓度及正逆反应速率关系如下表所示．请填写表中的空格．

容器编号	c（CO）/mol．L-1	c（O2）/mol．L-1	（CO2）/mol．L-1	v（正）和v（逆）比较
Ⅰ	2.0×10-4	4.0×10-4	4.0×10-2	v（正）=v（逆）
Ⅱ	3.0×10-4	4.0×10-4	5.0×10-2	v（正）＞v（逆）

（3）CCS 技术是将工业和有关能源产业中所生产的CO₂进行捕捉与封存的技术，被认为是拯救地球、应对全球气候变化最重要的手段之一．其中一种以天燃气为燃料的“燃烧前捕获系统”的简单流程图如图2所示（部分条件及物质未标出）．回答下列问题：
CH₄在催化剂作用下实现第一步，也叫CH₄不完全燃烧，1gCH₄不完全燃烧反应放出2.21kJ热量，写出该反应的热化学方程式2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=-70.72kJ•mol^-1．
（4）甲醇是一种可再生能源，具有开发和应用的广阔前景，工业上可用（3）转化中得到的合成气制备甲醇．反应为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g） 某温度下，在容积为2L的密闭容器中进行该反应，其相关数据见图3：
①根据图3计算，从反应开始到t min时，用H₂浓度变化表示的平均反应速率v（H₂）=$\frac{1}{5t}$mol/（L•min）
②t min至2t min时速率变化的原因可能是反应受热或使用了催化剂；
③3t min时对反应体系改变了一个条件，至4t min时CO的物质的量为0.5mol，
请画出图3中3tmin 到4t min内CO的物质的量随时间变化的曲线．
（5）某同学按图所示的装置用甲醇燃料电池（装置I）进行电解的相关操作，以测定铜的相对原子质量，其中c电极为铜棒，d电极为石墨，X溶液为500mL 0.4mol/L硫酸铜溶、液．当装置II中某电极上收集到标准状况下的气体V₁mL时，另一电极增重mg（m＜12.8）．

①装置I中、H⁺向a极（填“a”或“b”）移动；b电极上发生的反应为CH₃OH-6eˉ+H₂O=CO₂+6H⁺．
②铜的相对原子质量的表达式为$\frac{11200m}{{V}_{1}}$ （用m和V₁的代数式表示）．

Answer 1

分析 （1）碳和二氧化碳反应生成一氧化碳；碳与水蒸气和碳与二氧化碳反应是吸热反应；
（2）再利用II中的Q来判断反应进行的方向，从而得出正逆反应速率的关系；
（3）根据流程图可知甲烷不完全燃烧生成一氧化碳和氢气，依据热化学方程式的书写方法写出，标注物质聚集状态和对应焓变；
（4）①根据v=$\frac{△c}{△t}$进行计算；
②反应速率加快，而且在t的时刻，达平衡状态进行分析求解；
③平衡正向移动，是增加CO的量导致平衡正向移动；
（5）①由装置II中某电极上收集到标准状况下的气体V₁mL时，另一电极增重mg可知，d极为阳极，而c极为阴极；
②根据阳极产生气体的体积，求出整个过程中转移电子的物质的量，然后铜的相对原子质量．

解答 解：（1））碳和二氧化碳反应生成一氧化碳，方程式为：C+H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$H₂+CO；碳与水蒸气和碳与二氧化碳反应是吸热反应，所以①③的变化过程是吸热反应，故答案为：C+H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$H₂+CO；①③；
（2）由Ⅰ可求K=$\frac{4×1{0}^{-2}}{2×1{0}^{-4}\sqrt{4.0×1{0}^{-4}}}$=10⁴，

由Ⅱ可求Q=$\frac{5.0×1{0}^{-2}}{3.0×1{0}^{-4}\sqrt{4.0×1{0}^{-4}}}$=$\frac{5}{6}$×10⁴＜K，
故平衡右移，v（正）＞v（逆），故答案为：＞；
（3）根据流程图可知甲烷不完全燃烧生成一氧化碳和氢气，1gCH₄燃烧生成一氧化碳和氢气放热2.21kJ，16g甲烷燃烧生成二氧化碳和液态水放出热量16×2.21kJ=35.36KJ，16g甲烷为1mol，则甲烷不完全燃烧的热化学方程式为：2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=-70.72  kJ•mol^-1，
故答案为：2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=-70.72  kJ•mol^-1；
（4）①根据v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{2-1.6}{2}}{t}$=$\frac{1}{5t}$mol/（L•min），故答案为：$\frac{1}{5t}$mol/（L•min）；
②反应速率加快，而且在t的时刻，达平衡状态，可能是反应受热或使用了催化剂，故答案为：反应受热或使用了催化剂；
③平衡正向移动，是增加CO的量导致平衡正向移动，所以图象为：，故答案为：；
（5）①由装置II中某电极上收集到标准状况下的气体V₁mL时，另一电极增重mg可知，d极为阳极，而c极为阴极，所以与d极相连的a极为正极，原电池中阳离子向正极移动，b电极为负极是燃料发生氧化反应，反应方程式为：CH₃OH-6eˉ+H₂O=CO₂+6H⁺，故答案为：a、CH₃OH-6eˉ+H₂O=CO₂+6H⁺；
 ②整个过程中转移电子的物质的量为：$\frac{1{0}^{-3}{V}_{1}}{22.4}$，所以生成铜的物质的量为：$\frac{{V}_{1}}{11200}$，所以铜的相对原子质量的表达式为$\frac{11200m}{{V}_{1}}$，故答案为：$\frac{11200m}{{V}_{1}}$．

点评 本题考查溶度积、化学反应热、平衡的移动和电化学的相关知识，综合性强，有难度，注意知识的梳理和整合是解题的关键．