Question

碳和碳的化合物在人类生产、生活中的应用非常广泛，在提倡健康生活已成潮流的今天，“低碳生活”不再只是一种理想，更是一种值得期待的新的生活方式．
（1）将两个石墨电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH₄和O₂，构成甲烷燃料电池．其负极电极反应式是

 

．
（2）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入体积为2L的恒容密闭容器中，进行反应：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
得到如下三组数据：

实验组	温度/℃	起始量/mol		平衡量/mol		达到平衡所需时间/min
		H2O	CO	CO2	CO
1	650	2	4	1.6	2.4	5
2	900	1	2	0.4	1.6	3
3	900	a	b	c	d	1

①实验1中，以v（H₂）表示的平均反应速率为

 

．
②该反应的正反应为

 

（填“吸”或“放”）热反应．
③若实验3要达到与实验2相同的平衡状态（即各物质的质量分别相等），则a、b应满足的关系是

 

（用含a、b的数学式表示）．
（3）将3g碳在足量氧气中燃烧，所得气体通入100mL 3.5mol/L的氢氧化钠溶液中，完全吸收后，溶液中的溶质及其物质的量分别为

 

和

 

．

Answer 1

考点：原电池和电解池的工作原理,反应热和焓变,反应速率的定量表示方法,等效平衡

专题：化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）碱性甲烷燃料电池，具有还原性的甲烷为原电池的负极，发生氧化反应；
（2）①利用化学反应速率的计算公式计算；
②利用转化率与消耗量和起始量的关系计算并判断反应热；
③从等效平衡的角度分析．
（3）依据二氧化碳和氢氧化钠物质的量之比，利用元素守恒即和极限法方法计算判断生成产物．

解答： 解：（1）碱性甲烷燃料电池，具有还原性的燃料甲烷为原电池的负极，发生氧化反应，电极反应式为CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案为：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
（2））①v（CO₂）=

1.6mol 2L

5min

=0.16mol/（L?min）=v（H₂），故答案为：0.16mol?（L?min）^-1；
 ②实验1中CO的转化率为

4mol-2.4mol

2mol

×100%=40%，实验2中CO的转化率为

2mol-1.6mol

2mol

×100%=20%，则实验1的转化率大于实验2，
则说明温度升高平衡向逆反应方向移动，该反应放热，故答案为：放；
③若实验3要达到与实验2等效的平衡状态，则所加入物质的物质的量之比等于初始原料的配比数，即b=2a，故答案为：b=2a；
（3）3g碳物质的量=

3g

12g/mol

=0.25mol，在足量氧气中燃烧，所得气体通入100mL 3.5mol/L的氢氧化钠溶液中，氢氧化钠物质的量=0.1mol×3.5mol/L=0.35mol；n（CO₂）：n（NaOH）=0.25：0.35=5：7，
完全吸收后，若二氧化碳和氢氧化钠反应生成碳酸钠，CO₂+2NaOH═Na₂CO₃+H₂O，物质的量之比n（CO₂）：n（NaOH）=1：2，
若二氧化碳和氢氧化钠反应生成碳酸氢钠，物质的量之比n（CO₂）：n（NaOH）=1：1，
而1：2＜5：7＜1：1，所以生成的产物为碳酸钠和碳酸氢钠，设碳酸钠的物质的量是x，碳酸氢钠的物质的量是y，则根据碳元素守恒：x+y=0.25mol，根据钠元素守恒，则2x+y=0.35mol，解得x=0.1mol，y=0.15mol，所以碳酸钠的物质的量是0.1mol，碳酸氢钠的物质的量是0.15mol，
故答案为：0.15molNaHCO₃；0.1molNa₂CO₃．

点评：本题考查燃料电池的工作原理、化学平衡和化学反应速率、元素以及化合物的计算等知识，注意元素守恒思想的灵活应用，难度中等．