Question

9．碳元素及其化合物与人类的生活、生产息息相关，请回答下列问题：
（1）自然界中的碳循环对人类的生存与发展具有重要意义．
①绿色植物的光合作用吸收CO₂释放O2的过程可以描述为以下两步：
2CO₂（g）+2H₂O（l）+2C₅H₁₀O₄（s）═4（C₃H₆O₃）+（s）+O₂（g）+4e^-△H=+1360kJ•mol^-1
12C₃H₆O₃（s）+12e^-═C₆H₁₂O₆（s，葡萄糖）+6C₃H₁₀O₄（s）+3O₂（g）△H=-1200kJ•mol^-1
则绿色植物利用二氧化碳和水合成葡萄糖并放出氧气的热化学方程式为：6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880kJ•mol^-1．
②溶洞的形成是石灰岩中的主要成分碳酸钙在一定条件下溶解和沉积形成，请站在活化能的角度解释溶洞形成过程极为缓慢的原因溶洞形成过程的化学反应在自然条件下活化能较高．
（2）工业上碳及其化合物是重要的工业原料．
①以CO₂、NaCl、NH₃为原料制得Na₂CO₃是“侯氏制碱法”的重要步骤，相关物质的溶解度曲线如图所示，请写出常温下向饱和氯化钠溶液中先后通入足量的NH₃、CO₂发生反应的离子方程式：NH₃+CO₂+H₂O+Na⁺=NaHCO₃↓+NH₄⁺．
常温常压下，在NaHCO₃溶液中存在如下平衡：
HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-    K_h=2.27×10^-8
HCO₃^-?CO₃^2-+H⁺                 K_a2=4.7×10^-11
H₂O?H⁺+OH^-                     K_w=1.0×10^-14
请用K定量解释NaHCO₃溶液显碱性的原因：NaHCO₃溶液中HCO₃^-的水解程度大于电离程度，使得溶液中c（OH^-）大于c（H⁺）而显碱性，在NaHCO₃溶液中继续通入CO₂，至溶液中n（HCO₃^-）：n（H₂CO₃）=4.4时溶液可以达中性．
②工业上可以利用甲醇制备氢气．
甲醇蒸汽重整法制备氢气的胡政尧反应为CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），设在容积为2.0L的密闭容器中充入0.60mol的CH₃OH（g）体系压强为p₁，在一定条件下达到平衡时，体系压强为p₂，且p₂：p₁=2.2，则该条件下CH₃OH的平衡转化率为60%．
工业上还可以利用甲醇部分氧化法制备氢气，在一定温度下以$\frac{Ag}{Ce{O}_{2}}$-ZnO为催化剂，原料气比例对反应选择性（选择性越大，表示生成的该物质越多）影响关系如图所示．则当$\frac{n（{O}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$=0.25时，CH₃OH与O₂发生的主要反应方程式为2CH₃OH+O₂?2HCHO+2H₂O；在制备H2时最好控制$\frac{n（{O}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$=0.5．

Answer 1

分析 （1）①依据盖斯定律和热化学方程式计算得到所需的热化学方程式，利用热化学方程式的加减消去不需要的物质，注意加减时焓变随之变化；
②据溶洞的形成是化学反应在自然条件下进行的，故活化能较高据此进行分析；
（2）①氨气，二氧化然，水和氯化钠反应生成碳酸氢钠和氯化铵，据此书写离子方程式；NaHCO₃溶液存在水的电离平衡、弱酸根离子的水解平衡、电离平衡；根据K=$\frac{c（HC{{{O}_{3}}^{-}}_{\;}）×c（{H}^{+}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$计算；
②根据恒容条件下压强之比等于物质的量之比求出甲醇的转化量，然后再求转化率；根据图象可知，当n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25时，CH₃OH与O₂发生的主要反应为甲醇的催化氧化生成甲醛；在制备H₂时最好控制n（O₂）/n（CH₃OH）=0.5时气生成最多．

解答 解：（1）①已知热化学方程式：2CO₂（g）+2H₂O（l）+2C₅H₁₀O₄（s）═4（C₃H₆O₃）⁺（s）+O₂（g）+4e^-△H═+1360kJ•mol^-1 ①
                       12（C₃H₆O₃）（s）+12e^-═C₆H₁₂O₆（S，葡萄糖）+6C₅H₁₀O₄（s）+3O₂（g）△H=-1200kJ•mol^-1②
根据盖斯定律，将①×3+②可得：6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880 kJ•mol^-1，
故答案为：6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880 kJ•mol^-1；
②溶洞形成过程极为缓慢的原因是溶洞形成过程的化学反应在自然条件下活化能较高，
故答案为：溶洞形成过程的化学反应在自然条件下活化能较高；
（2）①氨气，二氧化然，水和氯化钠反应生成碳酸氢钠和氯化铵，故离子方程式为NH₃+CO₂+H₂O+Na⁺=NaHCO₃↓+NH₄⁺；NaHCO₃溶液中存在H₂O?H⁺+OH^-、HCO₃^-+H₂O?+H₂CO₃+OH^-、HCO₃^-+H₂O?H₃O⁺+CO₃^2-，由上述数据得，NaHCO₃溶液显碱性的原因为NaHCO₃溶液中HCO₃^-的水解程度大于电离程度，使得溶液中c（OH^-） 大于 c（H⁺）而显碱性；
溶液为中性，则c（H⁺）=10^-7mol/L，则c（H⁺）=10^-7mol/L，K=$\frac{c（HC{{{O}_{3}}^{-}}_{\;}）×c（{H}^{+}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$=4.4×10^-7，则$\frac{c（HC{{O}_{3}}^{-}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$=4.4，
故答案为：NH₃+CO₂+H₂O+Na⁺=NaHCO₃↓+NH₄⁺；NaHCO₃溶液中HCO₃^-的水解程度大于电离程度，使得溶液中c（OH^-） 大于 c（H⁺）而显碱性；4.4；
②反应为CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）
   n起始      0.6       0      0
   n转化       x         x     2x
   n平衡      0.6-x      x     2x
$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$=2.2  
x=0.36mol
则该条件下CH₃OH的平衡转化率为$\frac{0.36}{0.6}$×100%=60%，
根据图象可知，当n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25时，CH₃OH与O₂发生的主要反应为甲醇的催化氧化生成甲醛，反应的方程式为：2CH₃OH+O₂?2HCHO+2H₂O；依据图象分析，在制备H₂时最好控制n（O₂）/n（CH₃OH）=0.5时氢气生成最多，
故答案为：60%；2CH₃OH+O₂?2HCHO+2H₂O；0.5．

点评 本题考查了热化学方程式书写，离子方程式的书写、转化率、反应速率等问题，要注意图象正确分析，题目难度中等．