Question

15．欧盟原定于2012年1月1日起征收航空碳排税以应对冰川融化和全球变暖，使得对如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用碳资源的研究显得更加紧迫．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）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：
5 C+4 KMnO₄+6 H₂SO₄→5CO₂↑+4MnSO₄+2K₂SO₄+6H₂O
（2）焦炭可用于制取水煤气．测得12g 碳与水蒸气完全反应生成水煤气时，吸收了131.6kJ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^-1．
（3）工业上在恒容密闭容器中用下列反应合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）$?_{加热}^{催化剂}$CH₃OH（g）△H=akJ/mol
如表所列数据是反应在不同温度下的化学平衡常数（K）．

温度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①判断反应达到平衡状态的依据是BD
A．生成CH₃OH的速率与消耗CO的速率相等  B．混合气体的平均相对分子质量不变
C．混合气体的密度不变            D．CH₃OH、CO、H₂的浓度都不再发生变化
②借助上表数据判断，要同时提高CO的转化率和反应的速率，可采取的措施是B
A．升温B．充入H₂    C．分离出甲醇D．加入催化剂
③某温度下，将2mol CO和一定量的H₂充入2L的密闭容器中，充分反应10min后，达到平衡时测得c（CO）=0.2mol/L，则以H₂表示的反应速率v（H₂）=0.16mol/（L•min）．
（4）CO还可以用做燃料电池的燃料，某熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，该电池用 Li₂CO₃和Na₂CO₃ 的熔融盐混合物作电解质，CO 为负极燃气，空气与 CO₂ 的混和气为正极助燃气，制得在 650℃下工作的燃料电池，其正极反应式：O₂+2CO₂+4e^-=2 CO₃^2-，则 负极反应式：2CO+2CO₃^2--4e^-═4CO₂
（5）向BaSO₄沉淀中加入饱和碳酸钠溶液，充分搅拌，弃去上层清液，如此处理多次，可使BaSO₄全部转化为BaCO₃，发生反应：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）═BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq）．已知某温度下该反应的平衡常数K=4.0×10^-2，BaSO₄的Ksp=1.0×10^-10，则 BaCO₃的溶度积Ksp=2.5×10^-9．

Answer 1

分析 （1）反应中C元素的化合价由0升高为+4价，Mn元素的化合价由+7价降低为+2价，结合化合价升降总数相等以及质量守恒定律配平；
（2）12g碳的物质的量为1mol，与水蒸气完全反应生成CO、H₂，吸收131.6kJ热量，据此结合热化学方程式书写原则进行书写；
（3）①可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等（同种物质）或正逆反应速率之比等于系数之比（不同物质），平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化，由此衍生的一些物理量不变，以此分析；
②提高该反应的速率可以采取增大压强、使用催化剂、升高温度等，同时提高CO的转化率，应采取措施使平衡向正反应方向，结合平衡移动原理分析；
③利用三段式，结合v=$\frac{\frac{△n}{V}}{t}$进行计算；
（4）负极发生氧化反应，电极反应式为：2CO+2CO₃^2--4e^-═4CO₂；
（5）根据某温度下该反应的平衡常数K=4.0×10^-2，写出表达式，找出与BaSO₄、BaCO₃的关系，进行计算即可．

解答 解：（1）反应中C元素的化合价由0升高为+4价，Mn元素的化合价由+7价降低为+2价，该反应中转移20e^-，由电子守恒和质量守恒定律可知得化学反应为5C+4KMnO₄+6HSO₄=5CO₂↑+4MnSO₄+2K₂SO₄+6H₂O，
故答案为：5；4；6；5；4；2；6；
（2）12g碳的物质的量为1mol，与水蒸气反应生成CO、H₂，吸收131.6kJ热量，该反应的热化学方程式C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.6 kJ•mol^-1，
故答案为：C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.6 kJ•mol^-1；
（3）①A．无论反应是否达到平衡状态，生成CH₃OH的速率与消耗CO的速率始终相等，所以不能作为判断平衡状态的依据，故错误；
B． 反应前后，混合气体的物质的量改变，气体的质量不变，反应达到平衡状态时，混合气体的相对平均分子质量不变，所以能作为判断平衡状态的依据，故正确；
C．混合物的质量始终不变，容器的体积不变，所以混合气体的密度始终不变，所以不能作为判断平衡状态的依据，故错误；
D．反应达到平衡状态时，CH₃OH、CO、H₂的浓度都不再发生变化，所以能作为判断平衡状态的依据，故正确；
故选BD；
②A．温度越高K值越小，所以该反应正反应为放热反应，升高温度，化学平衡向逆反应方向，CO的转化率转化率减小，反应速率增大，故A错误；
B．充入H₂，化学平衡向正反应方向，CO的转化率转化率增大，反应速率增大，故B正确；
C．分离出甲醇，化学平衡向正反应方向，CO的转化率转化率增大，反应速率减小，故C错误；
D．加入催化剂，平衡不移动，CO的转化率转化率不变，反应速率增大，故D错误；
故答案为：B；
③利用三段式计算，
                CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol）       2                  0
转化（mol）      1.6                 1.6
平衡（mol）     0.2×2=0.4           1.6
v（CH₃OH）=$\frac{\frac{1.6}{2}}{10}$mol/（L•min）=0.08mol/（L•min），所以v（H₂）=0.08mol/（L•min）×2=0.16 mol/（L•min），
故答案为：0.16 mol/（L•min）；
（4）负极发生氧化反应，电极反应式为：2CO+2CO₃^2--4e^-═4CO₂，故答案为：2CO+2CO₃^2--4e^-═4CO₂；
（5）反应：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）?BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq），K=4.0×10^-2=$\frac{c（S{O}_{4}^{2-}）}{c（C{O}_{3}^{2-}）}$=$\frac{c（S{O}_{4}^{2-}）c（B{a}^{2+}）}{c（C{O}_{3}^{2-}）c（B{a}^{2+}）}$=$\frac{Ksp（BaS{O}_{4}）}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$=$\frac{1.0×1{0}^{-10}}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$，
Ksp（BaCO₃）=2.5×10^-9，
故答案为：2.5×10^-9．

点评 本题考查热化学方程式的书写、氧化还原方程式的书写，注重高频考点的考查，综合性强，题目难度较大，注意书写热化学方程式时要注明物质的状态．