Question

11．“低碳循环”引起各国的高度重视，而如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起了全世界的普遍重视．所以“低碳经济”正成为科学家研究的主要课题．
（1）用电弧法合成的储氢纳米碳管常伴有大量的碳纳米颗粒（杂质），这种颗粒可用如下氧化法提纯，请完成该反应的化学方程式，并在方框内填上系数．
□C+□KMnO₄+□H₂SO₄=□CO₂↑+□MnSO₄+□K₂SO₄+□6H₂O
（2）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中，进行反应
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下二组数据：

实验组	温度℃	起始量/mol		平衡量/mol		达到平衡所需时间/min
		CO	H2O	H2	CO
1	650	4	2	1.6	2.4	6
2	900	2	1	0.4	1.6	3

①实验1条件下，反应从开始至达到平衡，以v（CO₂） 表示的反应速率为0.13mol/（L•min）
（保留小数点后二位数，下同）．
②实验2条件下平衡常数K=0.17，该反应为放热（填“吸热”或“放热”）反应．
（3）已知在常温常压下：
①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1275.6kJ/mol
②2CO （g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H₃=-44.0kJ/mol
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．
（4）某实验小组依据甲醇燃烧的反应原理，设计如图所示的电池装置．
①该电池正极的电极反应式为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；该电极上每消耗1.6g氧气，转移的电子数为0.2mol．
②该电池工作时，溶液中的OH^-向负（填“正”或“负”）极移动．

Answer 1

分析 （1）根据氧化还原反应中得失电子数相等和原子守恒来配平化学方程式；
（2）①由表中数据可知，CO的物质的量变化量为4mol-2.4mol=1.6mol，根据v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$计算v（CO），再利用速率之比等于化学计量数之比计算v（CO₂）；
②利用三段式计算平衡时，各组分的物质的量，该反应是气体体积不变的反应，故利用物质的量代替浓度代入平衡常数表达式计算平衡常数；第二组温度比第一组高，反应物物质的量比第一组减半，但是平衡时CO₂的物质的量比第一组的一半少，表明该反应为放热反应；
（3）根据热化学方程式和盖斯定律计算进行书写；
（4）①该燃料电池中，负极反应为CH₃OH-6e^-+2OH^-=CO₃^2-+3H₂O，正极上氧气得电子发生还原反应，电极反应为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；根据电极反应式进行计算；
②原电池原理可知溶液中阴离子移向负极．

解答 解：（1）碳元素化合价从0价变化为+4价，锰元素化合价从+7价变化为+2价，依据电子守恒，电子转移总数为20，所以碳和二氧化碳前系数为5，高锰酸钾和硫酸锰化学式前为4，结合原子守恒配平离子方程式为：5 C+4KMnO₄+6 H₂SO₄=5CO₂↑+4MnSO₄+2K₂SO₄+6H₂O；
故答案为：5、4、6、5、4、2、6H₂O；
（2）①依据化学平衡三段式列式计算，
                CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）    4       2         0       0
变化量（mol）   1.6     1.6        1.6     1.6
平衡量（mol）   2.4     0.4        1.6     1.6
所以以v （CO₂） 表示的反应速率=$\frac{\frac{1.6mol}{2L}}{6min}$=0.13mol/（L•min）；
故答案为：0.13mol/（L•min）；
 ②实验1         CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol/L） 2       1        0         0
变化量（mol/L） 0.8    0.8     0.8       0.8
平衡量（mol/L） 1.2    0.2     0.8       0.8
K₁=$\frac{0.8×0.8}{1.2×0.2}$=2.7
实验2           CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol/L） 1       0.5        0       0
变化量（mol/L） 0.2     0.2       0.2     0.2
平衡量（mol/L） 0.8     0.3      0.2    0.2
K₂=$\frac{0.2×0.2}{0.8×0.3}$=0.17
温度升高，平衡常数减小，说明平衡逆向进行，逆向是吸热反应，正反应方向是放热反应；
故答案为：0.17； 放热；
（3）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1275.6kJ/mol
②2CO （g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H₃=-44.0kJ/mol
依据盖斯定律①-②得到2CH₃OH（l）+2O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（g）△H=-709.6KJ/mol；
化简得到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；
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）△H=-354.8KJ/mol；
（4）①甲醇燃料电池，甲醇在负极失电子发生氧化反应碱溶液中生成碳酸盐，正极氧气得到电子生成氢氧根离子，正极电极反应为：O₂+4e^-+2 H₂O=4OH^-，根据电极反应可知，每消耗1mol氧气，转移4mol电子，所以该电极上消耗1.6g即0.05mol氧气时，转移的电子数为0.2mol，
故答案为：O₂+4e^-+2 H₂O=4OH^-；0.2；　　　
②该电池工作时，依据原电池原理可知溶液中的OH^-向负极移动，
故答案为：负．

点评 本题考查了氧化还原反应配平，原电池原理的分析判断，化学平衡影响因素和平衡常数的计算方法，热化学方程式计算应用，掌握基础是关键，题目难度中等．