Question

14．低碳经济是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，低碳循环正成为科学家研究的主要课题．最近有科学家提出构想：把空气吹入饱和碳酸钾溶液，然后再把CO₂从溶液中提取出来，经化学反应后使之变为可再生燃料甲醇．该构想技术流程如下：（如图1）

（1）向分解池中通入高温水蒸气的作用是提供高温环境使KHCO₃分解．
（2）已知在常温常压下：
①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
则甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式为CH₃OH（l）+O₂（g）=CO （g）+2H₂O（l）△H=-442.8KJ/mol．
（3）依据甲醇燃烧的反应原理．设计如图2所示的电池装置．该装置负极的电极反应式为CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O．
（4）已知K_sp（CaCO₃）=2.8×10^-9mol²•L^-2．现将CaCl₂溶液与0.02mol•L^-1Na₂CO₃溶液等体积混合，生成CaCO₃沉淀时，所需CaCl₂溶液的最小物质的量浓度为5.6×10^-7mol/L．
（5）CO（g）和H₂O（g）在一定条件下反应可得到清洁燃料H₂．将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中发生反应：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），不同温度下得到三组数据：

实验组	温度/℃	起始量/mol		平衡量/mol		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
3	900	a	b	c	d	t

①实验1前6min的反应速率v（CO₂）=0.13 mol/（L．min）（保留小数点后两位，下同）．
②实验2条件下平衡常数K=0.17．
③该反应的△H＜0 （填“＜”或“＞”=．
④实验3中，若平衡时的转化率α（CO）＞α（H₂O），则$\frac{a}{b}$的取值范围是0＜$\frac{a}{b}$＜1．

Answer 1

分析 （1）KHCO₃受热易分解；
（2）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到；
（3）甲醇燃烧的反应原理，设计如图所示的电池装置，甲醇在负极失电子发生氧化反应，正极是氧气得到电子生成氢氧根离子，依据原电池原理分析书写电极反应；
（4）Na₂CO₃溶液的浓度为0.02mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=0.01mol/L，根据Ksp=c（CO₃^2-）•c（Ca²⁺）计算沉淀时混合溶液中c（Ca²⁺），原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍；
（5）①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算反应速率；
②根据平衡常数表达式计算出实验2的平衡常数；
③根据温度变化，平衡时的生成物的物质的量的多少判断平衡移动的方向，判断反应热的符号；
④由于CO与H₂O的化学计量数相等都为1，所以当两者物质的量相等时二者转化率相等，要使CO转化率大于H₂O的转化率，则增大H₂O的物质的量．

解答 解：（1）KHCO₃受热易分解，向分解池中通入高温水蒸气，提供高温环境使KHCO₃分解，故答案为：提供高温环境使KHCO₃分解；
（2）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
依据盖斯定律①-②+③×4得到甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式：2CH₃OH（l）+2O₂（g）=2CO （g）+4H₂O（l）△H=-885.6KJ/mol，
得到热化学方程式为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO （g）+2H₂O（l）△H=-442.8KJ/mol，
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO （g）+2H₂O（l）△H=-442.8KJ/mol；
（3）甲醇燃烧的反应原理，设计如图所示的电池装置，甲醇在负极失电子发生氧化反应，CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；
（4）Na₂CO₃溶液的浓度为0.02mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=$\frac{1}{2}$×0.02mol/L=0.01mol/L，根据Ksp=c（CO₃^2-）•c（Ca²⁺）=2.8×10^-9可知，c（Ca²⁺）=$\frac{2.8×1{0}^{-9}}{0.01}$mol/L=2.8×10^-7mol/L，原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍，故原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为2×2.8×10^-7mol/L=5.6×10^-7mol/L，
故答案为：5.6×10^-7mol/L；
（5）①v（CO₂）=v（CO）=$\frac{\frac{4mol-2.4mol}{2L}}{6min}$=0.13 mol/（L．min），故答案为：0.13 mol/（L．min）；
②实验2中达到平衡时，c（CO₂）=c（H₂）=$\frac{0.4mol}{2L}$=0.2mol/L，c（CO）=$\frac{1.6mol}{2L}$=0.8mol/L，c（H₂O）=$\frac{1mol-0.4mol}{2L}$=0.3mol/L，
K=$\frac{0.2×0.2}{0.8×0.3}$≈0.17，
故答案为：0.17；
③根据CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）可知压强对平衡移动无影响，如果在650℃，H₂O、CO的物质的量改为1mol、2mol，达到平衡时CO的物质的量应为1.2mol，而900℃时CO的物质的量应为1.6mol，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应，即△H＜0，
故答案为：＜；
④由于CO与H₂O的化学计量数相等都为1，所以当两者物质的量相等时二者转化率相等．要使CO转化率大于H₂O的转化率，则增大H₂O的物质的量，即$\frac{a}{b}$的值小于1，所以$\frac{a}{b}$的取值范围是0＜$\frac{a}{b}$＜1，
故答案为：0＜$\frac{a}{b}$＜1．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、原电池原理、反应速率的计算、平衡常数的计算与运用、溶度积的有关计算等，题目综合性较强，是对学生能力的考查，难度中等，注意把握反应原理的有关内容．