Question

近年来，由于温室效应和资源短缺等问题，关于CO₂和碳酸盐应用的研究受到人们的重视．某研究小组利用反应：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41.2kJ/mol，制备CO₂与H₂的混合气体，并进一步研究CO₂与H₂以不同的体积比混合时在合适条件下的反应产物应用．

（1）已知：850℃时在一体积为10L的恒容密闭容器中，通入一定量的CO和H₂O，CO和H₂O浓度变化如图1所示：
下列说法正确的是

 

（填序号）
A．达到平衡时，氢气的物质的量是0.12mol
B．达到平衡时，反应体系最终会放出49.44kJ热量
C．第4min始，混合气体的平均相对分子质量不再变化
D．第6min时，若升高温度，反应平衡常数会减小
E．第8min时，若充入氦气，会导致v_正（CO）＜v_逆（H₂O）
（2）850℃时，若在容积为2L的密闭容器中同时充入1.0mol CO，3.0mol H₂O，amol CO₂和bmol H₂．a=

 

mol，b=

 

mol，该平衡与（1）中平衡是等效平衡．
（3）研究小组采用碱液吸收一定量CO₂的方法来提高混合气中H₂与CO₂的体积比．若以1L1.5mol/L的NaOH溶液充分吸收了22.4L（已折算为标准状况下体积）CO₂，则吸收后溶液中各离子浓度从大到小的顺序是

 

．
（4）如将H₂ 与CO₂以4：1的体积比混合，在适当的条件下可制得CH₄．已知：
CH₄ （g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（1）△H₁=-890.3kJ/mol
H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（1）△H₂=-285.8kJ/mol
则CO₂（g）与H₂（g）反应生成CH₄（g）与液态水的热化学方程式是

 

．
（5）熔融盐燃料电池（见图2）是以熔融碳酸盐为电解质，以CH₄为燃料，空气为氧化剂，稀土金属材料为电极．已知负极的电极反应是CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O．正极的电极反应是

 

．为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定．为此电池工作时必须有部分A物质参加循环，则A物质的化学式是

 

．实验过程中，若通入了标准状况下空气448L（假设空气中O₂体积分数为20%），则熔融盐燃料电池消耗标准状况下CH₄

 

L．

Answer 1

考点：物质的量或浓度随时间的变化曲线,用盖斯定律进行有关反应热的计算,化学电源新型电池,等效平衡,离子浓度大小的比较

专题：化学反应中的能量变化,化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）A．由图可知，平衡时△c（CO）=0.2mol/L-0.08mol/L=0.12mol/L，利用浓度变化量之比等于化学计量数之比计算△c（H₂），再根据n=cV计算n（H₂）；
B．850℃时该反应的反应热△H≠-41.2kJ/mol；
C．随反应进行，混合气体总质量不变，总物质的量不变，平均相对分子质量不变；
D．该反应正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应移动；
E．恒容密闭容器中，若充入氦气，体积不变，各物质的浓度不变，速率不变；
（2）根据等效平衡，若起始的量与原平衡起始的量等比例即可；
（3）二氧化碳与氢氧化钠的反应为2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O 2NaOH+CO₂=NaHCO₃，根据方程式计算；
（4）根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以合适的系数进行加减，反应热也乘以相应的系数进行相应的计算；
（5）燃料电池中，正极发生的反应一定是氧气得电子的过程；电池是以熔融碳酸盐为电解质，可以循环利用的物质只有二氧化碳；在燃料电池和电解池的串联电路中，转移的电子数目是相同的．

解答： 解：（1）A．由图可知，平衡时△c（CO）=0.2mol/L-0.08mol/L=0.12mol/L，浓度变化量之比等于化学计量数之比，故△c（H₂）=△c（CO）=0.12mol/L，故n（H₂）=0.12mol/L×10L=1.2mol，故A错误；
B．生成1.2mol氢气，通常条件下放出的热量为41.2kJ×

1.2mol

1mol

=49.44kJ，850℃时该反应的反应热△H≠-41.2kJ/mol，故B正确；
C．由图可知4min时到达平衡，随反应进行，混合气体总质量不变，总物质的量不变，平均相对分子质量不变；所以混合气体的平均相对分子质量始终不变化，故C错误；
D．该反应正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应移动，平衡常数减小，故D正确；
E．恒容密闭容器中，若充入氦气，体积不变，各物质的浓度不变，速率不变，故E错误；
故答案为：BD．
（2）在容积为2L的密闭容器中同时充入1.0mol CO，3.0mol H₂O，amol CO₂和bmol H₂，若要与（1）中平衡是等效平衡，则全部转化为反应物，与（1）中起始的量等比例即可；
设实际转化的CO₂和 H₂为xmol，所以转化为反应物时，c（CO）=

1+x

2

mol/L，c（H₂O）=

3+x

2

mol/L，已知（1）中反应物的起始量为c（CO）=0.2mol/l，c（H₂O）=0.3mol/l；
则

1+x 2

3+x 2

=

0.2

0.3

，解得：x=3；所以初始时CO₂和 H₂的物质的量均为3mol，即a=b=3；
故答案为：3；3；
（3）二氧化碳与氢氧化钠的反应为2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O NaOH+CO₂=NaHCO₃，已知n（NaOH）=1.5mol，n（CO₂）=1mol，
设反应生成的Na₂CO₃为xmol，NaHCO₃为ymol，则根据碳原子守恒和钠原子守恒得：2x+y=1.5，x+y=1，解得x=0.5  y=0.5，
溶液中Na₂CO₃的水解程度大于NaHCO₃水解程度，所以溶液中c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），溶液显碱性，则c（OH^-）＞c（H⁺），
所以溶液中各离子浓度从大到小的顺序是：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⁺）；
（4）已知：①CH₄ （g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁=-890.3kJ/mol
②H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（l）△H₂=-285.8kJ/mol
由盖斯定律，②×4-①得CO₂（g）+4H₂（g）═CH₄ （g）+2H₂O（l）△H=-252.9 kJ/mol
故答案为：CO₂（g）+4H₂（g）═CH₄ （g）+2H₂O（l）△H=-252.9 kJ/mol；
（5）料电池中，正极反应一定是氧气的电子的过程，该电池的电解质环境是熔融碳酸盐，所以电极反应为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-）；
电池是以熔融碳酸盐为电解质，可以循环利用的物质只有二氧化碳；
若通入了标准状况下空气448L（假设空气中O₂体积分数为20%），则氧气的物质的量为4mol，根据电极反应为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，所以转移电子的物质的量为16mol，根据电池的负极电极反应是CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O，当转移16mol电子时，消耗CH₄ 2mol，则CH₄在（标准状况）的体积V=nVm=2mol×22.4L/mol=44.8L，
故答案为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-）；CO₂； 44.8．

点评：本题考查化学平衡图象及有关计算、盐的水解原理的应用、热化学方程式、原电池原理的应用及电子转移的计算等，涉及的知识点较多，题目难度较大．