Question

2．碳及其化合物广泛存在于自然界中，试回答下列问题：
（1）某处碳循环如图1所示，CaCO₃转化为HCO₃^-的离子方程式为CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-．
（2）常温常压下，空气中的CO₂溶于水，达到平衡时，无机碳在浓液中以4种形式存在，其转化关系如下：
①CO₂（g）+H₂O?H₂CO₃  K=10^-2.8
②H₂CO₃?H⁺+HCO₃^-  K₁=10^-3.5，
③HCO₃^-?H⁺+CO₃^2-  K₂=10^-10.3，
若溶液中．c（CO₂）=1.0×10^-5mol/L，且忽略水的电离及H₂CO₃的第二级电离，则溶液pH=5.65．
 （3）某化学小组为了测量湖水中无机碳的含量，量取 100mL湖水，酸化后用N₂吹出CO₂，再用NaOH溶液吸收，将吸收液用0.10mol/L盐酸滴定，生成的V（CO₂）随V （盐酸）变化关系如图2所示，则吸收液中离子浓度由大到小的顺序为c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）（不用写出H⁺），湖水中无机碳的浓度为0.01mol/L．
（4）一定条件下，CO₂和H₂O可以转化为CO和H₂，通过反应：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）制备甲醇，若起始时在密闭容器中按物质的量之比1：2充入CO和H₂，测得平衡时CO转化率a （CO）随T、P的变化关系如图4所示．

①P₁小于P₂（填“大于”、“小于”或“等于”）；
②该反应在195℃、P₂条件下达到平衡后，c（H₂）=0.5mol/L，则该反应的平衡常数为4．
③已知CH₃OH和CO的燃烧热分别725.8kJ/mol、283.0kJ/mol，1mol液态水变成气态水吸热44.0kJ，写出甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和气态水的热化学方程式：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）△H=-354.8kJ∕mol．
（5）用CH₃OH和O₂组合形成的质子交换膜燃料电池的结构示意图3，则a电极的反应方程式为：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）碳酸钙、二氧化碳和水反应生成可溶性的碳酸氢钙；
（2）方程式①+②得CO₂（g）+H₂O?H⁺+HCO₃^-  K=10^-2.8×10^-3.5=10^-6.3，
c（H⁺）=$\sqrt{K．c（C{O}_{2}）}$，则溶液的pH=-lg$\sqrt{K．c（C{O}_{2}）}$；
（3）碳酸钠和盐酸反应方程式为Na₂CO₃+HCl=NaHCO₃+NaCl、NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，如果吸收液中完全是碳酸钠，第一步、第二步反应消耗的酸体积应该相同，实际上没有生成二氧化碳消耗的HCl是生成二氧化碳消耗盐酸的2倍，说明溶液中还含有NaOH，且c（NaOH）=c（Na₂CO₃），溶液呈碱性，且碳酸根离子部分水解；
根据原子守恒计算C含量；
（4）①相同温度下，增大压强平衡正向移动，CO转化率增大；
②该反应在195℃、P₂条件下，加入的氢气和CO物质的量之比等于该反应中其计量数之比，所以CO和氢气的转化率相同都是50%，平衡时c（H₂）=0.5mol/L，则c（CO）=0.25mol/L，参加反应的c（CO）=0.25mol/L，生成的c（CH₃OH）=0.25mol/L，化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$；
③由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ•mol^-1和-725.8kJ•mol^-1，水的摩尔蒸发焓为44.0 kJ/mol，则
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-725.8kJ•mol^-1
③H₂O（l）=H₂O（g）△H=-44KJ/mol
由盖斯定律可知用②-①+③×2得到热化学方程式；
（5）该燃料电池中，根据氢离子移动方向知，a是负极、b是正极，负极上甲醇失电子生成二氧化碳和氢离子．

解答 解：（1）碳酸钙、二氧化碳和水反应生成可溶性的碳酸氢钙，离子方程式为CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-，
故答案为：CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-；
（2）方程式①+②得CO₂（g）+H₂O?H⁺+HCO₃^-  K=10^-2.8×10^-3.5=10^-6.3，
c（H⁺）=$\sqrt{K．c（C{O}_{2}）}$，则溶液的pH=-lg$\sqrt{K．c（C{O}_{2}）}$=-lg$\sqrt{1{0}^{-6.3}×1.0×1{0}^{-5}}$=5.65，
故答案为：5.65；
（3）碳酸钠和盐酸反应方程式为Na₂CO₃+HCl=NaHCO₃+NaCl、NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，如果吸收液中完全是碳酸钠，第一步、第二步反应消耗的酸体积应该相同，实际上没有生成二氧化碳消耗的HCl是生成二氧化碳消耗盐酸的2倍，说明溶液中还含有NaOH，且c（NaOH）=c（Na₂CO₃），溶液呈碱性，且碳酸根离子部分水解，所以溶液中离子浓度大小顺序是c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）；
和碳酸氢钠反应消耗的HCl体积是10mL，则n（HCl）=0.10mol/L×0.010L=0.001mol，根据方程式NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O得n（HCl）=n（NaHCO₃）=0.001mol，根据碳原子守恒得n（C）=n（NaHCO₃）=0.001mol，所以湖水中无机碳的浓度为=$\frac{0.001mol}{0.1L}$=0.01mol/L，
故答案为：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）；0.01；
（4）①相同温度下，增大压强平衡正向移动，CO转化率增大，根据图知，相同温度下P₁条件下的CO转化率小于P₂，则P₁小于P₂，故答案为：小于；
②该反应在195℃、P₂条件下，加入的氢气和CO物质的量之比等于该反应中其计量数之比，所以CO和氢气的转化率相同都是50%，平衡时c（H₂）=0.5mol/L，则c（CO）=0.25mol/L，参加反应的c（CO）=0.25mol/L，生成的c（CH₃OH）=0.25mol/L，化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.25}{0.25×0．{5}^{2}}$=4，
故答案为：4；
③由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ•mol^-1和-725.8kJ•mol^-1，则
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-725.8kJ•mol^-1
③H₂O（l）=H₂O（g）△H=-44KJ/mol
由盖斯定律可知用②-①+③×2得反应CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（g），该反应的反应热△H=-725.8kJ•mol^-1-（-283.0kJ•mol^-1）+2×44KJ/mol=-354.8kJ•mol^-1，
故答案为：CH₃OH （l）+O₂（g）=CO （g）+2H₂O （g）△H=-354.8 kJ∕mol；
（5）该燃料电池中，根据氢离子移动方向知，a是负极、b是正极，负极上甲醇失电子生成二氧化碳和氢离子，电极反应式为CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，故答案为：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．

点评 本题考查较综合，涉及化学平衡计算、盖斯定律、离子浓度大小比较、电化学等知识点，侧重考查学生理解、分析及计算能力，明确化学反应原理是解本题关键，注意（4）题中如果“加入的气体反应物物质的量之比等于其计量数之比，则其转化率相等”，题目难度不大．