Question

14．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）实验室里常用NaOH溶液吸收CO₂，若用100mL 3mol•L^-1的NaOH溶液吸收4.48L（标准状况下）CO₂，完全吸收反应后，所得溶液中离子浓度由大到小的顺序为：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）
（2）工业上可利用CO或CO₂来制备清洁液体燃料甲醇．已知：800℃时，化学反应①、反应②对应的平衡常数分别为2.5、1.0
反应①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
反应②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
写出用CO₂与H₂反应制备甲醇的热化学方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-49.6kJ/mol，800℃时该反应的化学平衡常数K的数值为2.5
（3）甲醇对水质会造成一定的污染，有一种电化学法可消除这种污染，其原理是通电后将Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化．写出除去甲醇的离子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．
（4）利用光能和光催化剂，可将CO₂和H₂O（g）转化为CH₄和O₂，紫外线照射时，在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下，CH₄产量随光照时间的变化如图1所示，在0-15h内，对反应催化效果最好的催化剂是Ⅱ（填序号）
（5）一定温度下，在3L容积可变的密闭容器中发生上述反应②，已知c（CO）随反应时间t的变化曲线a如图2所示，在t₁时刻改变一个条件，曲线a变为b，则改变的条件是加入催化剂，若在t₁时刻，将容器体积3L快速压缩至2L，在图上画出变化曲线，请标注平衡时c（CO）．

Answer 1

分析 （1）CO₂物质的量为$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，NaOH物质的量为0.1L×3mol/L=0.3mol，由于1＜n（NaOH）：n（CO₂）=3：2＜2，发生反应：2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，Na₂CO₃、NaHCO₃的物质的量相等，碳酸根离子和碳酸氢根离子水解而使溶液呈碱性，碳酸根离子的水解能力大于碳酸氢根离子；
（2）反应①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
反应②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①+②可得CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l），反应热也进行相应计算；
该反应的化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（CO）}$×$\frac{c（{H}_{2}O）×c（CO）}{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}$；
（3）以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化，自身被还原为Co²⁺，原子守恒与电荷守恒可知，还原生成H⁺，配平书写为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
（4）相同时间内，CH₄产量越高，反应催化效果越好；
（5）在t₁时刻改变一个条件，曲线a变为b，缩短到达平衡的时间，反应速率加快，平衡时CO的浓度不变，改变不影响平衡移动，不可能是升高温度，反应②是反应前后气体的物质的量不变的反应，增大压强平衡不移动，但CO的浓度会增大，可能改变的条件是加入催化剂；若在t₁时刻，将容器体积3L快速压缩至2L，压强增大，反应速率加快，缩短到达平衡的时间，不影响平衡移动，平衡时CO的浓度变为$\frac{0.3mol/L×3L}{2L}$=0.45mol/L，在t₁时刻瞬间CO的浓度为0.3mol/L．

解答 解：（1）CO₂物质的量为$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，NaOH物质的量为0.1L×3mol/L=0.3mol，由于1＜n（NaOH）：n（CO₂）=3：2＜2，发生反应：2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，Na₂CO₃、NaHCO₃的物质的量相等，碳酸根离子和碳酸氢根离子水解而使溶液呈碱性，即c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根离子水解生成碳酸氢根离子，所以c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），由于水解程度较小，所以c（CO₃^2-）＞c（OH^-），故溶液中各离子浓度大小顺序是c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
（2）反应①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
反应②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①+②可得：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-49.6kJ/mol，
该反应的化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（CO）}$×$\frac{c（{H}_{2}O）×c（CO）}{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}$=2.5×1=2.5，
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-49.6kJ/mol；2.5；
（3）以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化，自身被还原为Co²⁺，结合原子守恒与电荷守恒可知，还原生成H⁺，配平书写离子方程式为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
（4）由图可知，在0-15h内，催化剂Ⅱ在相同时间内CH₄产量高，对反应催化效果最好的催化剂是Ⅱ，
故答案为：Ⅱ；
（5）在t₁时刻改变一个条件，曲线a变为b，缩短到达平衡的时间，反应速率加快，平衡时CO的浓度不变，改变不影响平衡移动，不可能是升高温度，反应②是反应前后气体的物质的量不变的反应，增大压强平衡不移动，但CO的浓度会增大，可能改变的条件是加入催化剂；
若在t₁时刻，将容器体积3L快速压缩至2L，压强增大，反应速率加快，缩短到达平衡的时间，不影响平衡移动，平衡时CO的浓度变为$\frac{0.3mol/L×3L}{2L}$=0.45mol/L，在t₁时刻瞬间CO的浓度为0.3mol/L，画出变化曲线为：，
故答案为：加入催化剂；．

点评 本题考查平衡常数有关计算、化学平衡计算及影响因素、离子浓度大小比较、热化学方程式书写等，题目涉及内容较多，基本属于拼合型题目，需要学生具备扎实的基础，难度中等．