Question

14．請運用化學反應原理的相關知識研究碳及其化合物的性質．

（1）實驗室里常用NaOH溶液吸收CO₂，若用100mL 3mol•L^-1的NaOH溶液吸收4.48L（標準狀況下）CO₂，完全吸收反應后，所得溶液中離子濃度由大到小的順序為：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）
（2）工業(yè)上可利用CO或CO₂來制備清潔液體燃料甲醇．已知：800℃時，化學反應①、反應②對應的平衡常數(shù)分別為2.5、1.0
反應①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
反應②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
寫出用CO₂與H₂反應制備甲醇的熱化學方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-49.6kJ/mol，800℃時該反應的化學平衡常數(shù)K的數(shù)值為2.5
（3）甲醇對水質會造成一定的污染，有一種電化學法可消除這種污染，其原理是通電后將Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．寫出除去甲醇的離子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．
（4）利用光能和光催化劑，可將CO₂和H₂O（g）轉化為CH₄和O₂，紫外線照射時，在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下，CH₄產量隨光照時間的變化如圖1所示，在0-15h內，對反應催化效果最好的催化劑是Ⅱ（填序號）
（5）一定溫度下，在3L容積可變的密閉容器中發(fā)生上述反應②，已知c（CO）隨反應時間t的變化曲線a如圖2所示，在t₁時刻改變一個條件，曲線a變?yōu)閎，則改變的條件是加入催化劑，若在t₁時刻，將容器體積3L快速壓縮至2L，在圖上畫出變化曲線，請標注平衡時c（CO）．

Answer 1

分析 （1）CO₂物質的量為$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，NaOH物質的量為0.1L×3mol/L=0.3mol，由于1＜n（NaOH）：n（CO₂）=3：2＜2，發(fā)生反應：2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，Na₂CO₃、NaHCO₃的物質的量相等，碳酸根離子和碳酸氫根離子水解而使溶液呈堿性，碳酸根離子的水解能力大于碳酸氫根離子；
（2）反應①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
反應②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①+②可得CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l），反應熱也進行相應計算；
該反應的化學平衡常數(shù)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⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
（4）相同時間內，CH₄產量越高，反應催化效果越好；
（5）在t₁時刻改變一個條件，曲線a變?yōu)閎，縮短到達平衡的時間，反應速率加快，平衡時CO的濃度不變，改變不影響平衡移動，不可能是升高溫度，反應②是反應前后氣體的物質的量不變的反應，增大壓強平衡不移動，但CO的濃度會增大，可能改變的條件是加入催化劑；若在t₁時刻，將容器體積3L快速壓縮至2L，壓強增大，反應速率加快，縮短到達平衡的時間，不影響平衡移動，平衡時CO的濃度變?yōu)?\frac{0.3mol/L×3L}{2L}$=0.45mol/L，在t₁時刻瞬間CO的濃度為0.3mol/L．

解答 解：（1）CO₂物質的量為$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，NaOH物質的量為0.1L×3mol/L=0.3mol，由于1＜n（NaOH）：n（CO₂）=3：2＜2，發(fā)生反應：2CO₂+3NaOH=Na₂CO₃+NaHCO₃+H₂O，Na₂CO₃、NaHCO₃的物質的量相等，碳酸根離子和碳酸氫根離子水解而使溶液呈堿性，即c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根離子水解生成碳酸氫根離子，所以c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），由于水解程度較小，所以c（CO₃^2-）＞c（OH^-），故溶液中各離子濃度大小順序是c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
（2）反應①：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
反應②：H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H=+41.2kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①+②可得：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-49.6kJ/mol，
該反應的化學平衡常數(shù)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，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-49.6kJ/mol；2.5；
（3）以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，結合原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫離子方程式為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
（4）由圖可知，在0-15h內，催化劑Ⅱ在相同時間內CH₄產量高，對反應催化效果最好的催化劑是Ⅱ，
故答案為：Ⅱ；
（5）在t₁時刻改變一個條件，曲線a變?yōu)閎，縮短到達平衡的時間，反應速率加快，平衡時CO的濃度不變，改變不影響平衡移動，不可能是升高溫度，反應②是反應前后氣體的物質的量不變的反應，增大壓強平衡不移動，但CO的濃度會增大，可能改變的條件是加入催化劑；
若在t₁時刻，將容器體積3L快速壓縮至2L，壓強增大，反應速率加快，縮短到達平衡的時間，不影響平衡移動，平衡時CO的濃度變?yōu)?\frac{0.3mol/L×3L}{2L}$=0.45mol/L，在t₁時刻瞬間CO的濃度為0.3mol/L，畫出變化曲線為：，
故答案為：加入催化劑；．

點評 本題考查平衡常數(shù)有關計算、化學平衡計算及影響因素、離子濃度大小比較、熱化學方程式書寫等，題目涉及內容較多，基本屬于拼合型題目，需要學生具備扎實的基礎，難度中等．