Question

20．CO₂和CH₄均為溫室氣體，若得以綜合利用，對于溫室氣體的整治具有重大意義．

（1）已知：
CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1
反應2CO（g）?C（s）+CO₂（g）在一定條件下能自發(fā)進行的原因是該反應中△H＜0，△S＜0，在溫度較低的條件下可以自發(fā)進行
（2）合成甲醇的主要反應是CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．壓強為P₁時，向體積為1L的密閉容器中充人6mol CO和2b mol H₂，平衡時CO的轉化率與溫度、壓強的關系如圖所示．請回答：
①該反應屬于放（填“吸”或“放”）熱反應；P₁＜p₂（填“＞”、“＜”或“=”）．200℃時，該反應的平衡常數(shù)K=$\frac{1}{（2b-6）^{2}}$（用含b的代數(shù)式表示）．
②若200℃時，上述反應經(jīng)過tmin達到平衡，則該時間段內(nèi)氫氣的平均反應速率為$\frac{6}{t}$mol/（L•min）．
（3）以滲透于多孔基質的惰性導電物質材料為電極，用35%～50%KOH為電解液，甲醇和空氣為原料，構成堿性燃料電池，該電池負極的電極反應式為2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O
（4）以甲醇燃料電池做電源，用如圖所示裝置，在實驗室中模擬鋁制品表面“鈍化”處理的過程中，發(fā)現(xiàn)溶液逐漸變渾濁，用離子方程式表示沉淀產(chǎn)生的原因是Al=Al³⁺+3e^-、Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑．
（5）已知25℃時，Al（ OH）₃的Ksp=8.0×10 ^-33．若使某鋁鹽溶液中的Al³⁺降至1.0×10^-6 mol．L^-l時，則需調(diào)節(jié)溶液的pH至5.3（已知lg5=0.7）

Answer 1

分析 （1）已知：①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
②CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1，根據(jù)蓋斯定很，將②-①得反應2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-172.3kJ•mol^-1，△H＜0，根據(jù)熵變和焓變進行判斷；
（2）①根據(jù)溫度對CO的轉化率的影響判斷反應的熱效應，該反應為氣體體積減小的反應，壓強越大，CO的轉化率越高，200℃時，CO的轉化率為0.5，所以平衡時CO、H₂、CH₃OH的濃度分別為3mol/L、（2b-6）mol/L、3mol/L，根據(jù)平衡常數(shù)的定義計算平衡常數(shù)；
②若200℃時，上述反應經(jīng)過tmin達到平衡，氫氣轉化的溶液為6mol/L，根據(jù)v=$\frac{△v}{△t}$計算；
（3）甲醇和空氣為原料，構成堿性燃料電池，負極上甲醇失電子生成碳酸根離子，據(jù)此書寫電極反應式；
（4）根據(jù)裝置圖，陽極上鋁失電子生成鋁離子，鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解反應；
（5）根據(jù)Ksp[Al（ OH）₃]=c（Al³⁺）•c³（OH^-）可計算出氫氧根離子的濃度，進而確定溶液的pH值．

解答 解：（1）已知：①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
②CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1，根據(jù)蓋斯定很，將②-①得反應2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-172.3kJ•mol^-1，△H＜0，而該反應△S＜0，所以該反應在溫度較低的條件下可以自發(fā)進行，
故答案為：該反應中△H＜0，△S＜0，在溫度較低的條件下可以自發(fā)進行；
（2）①根據(jù)圖可知，溫度越高，CO的轉化率越小，所以該反應的正反應為放熱反應，根據(jù)圖相同溫度時P₂的CO的轉化率大于P₁，而該反應為氣體體積減小的反應，壓強越大，CO的轉化率越高，所以P₁＜P₂，200℃時，CO的轉化率為0.5，所以平衡時CO、H₂、CH₃OH的濃度分別為3mol/L、（2b-6）mol/L、3mol/L，所以平衡常數(shù)K=$\frac{3mol/L}{3mol/L×（2b-6）^{2}mo{l}^{2}/{L}^{2}}$=$\frac{1}{（2b-6）^{2}}$，
故答案為：放；＜；$\frac{1}{（2b-6）^{2}}$；
②若200℃時，上述反應經(jīng)過tmin達到平衡，氫氣轉化的濃度為6mol/L，所以該時間段內(nèi)氫氣的平均反應速率為$\frac{6mol/L}{tmin}$=$\frac{6}{t}$mol/（L•min），
故答案為：$\frac{6}{t}$mol/（L•min）；
（3）甲醇和空氣為原料，構成堿性燃料電池，負極上甲醇失電子生成碳酸根離子，負極的電極反應式為：2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O，
故答案為：2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O；
（4）鋁作陽極，陽極上電極反應式為Al=Al³⁺+3e^-；陽極上生成的鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解反應生成氫氧化鋁沉淀和二氧化碳氣體，所以溶液變渾濁Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，
故答案為：Al=Al³⁺+3e^-、Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑；
（5）根據(jù)Ksp[Al（ OH）₃]=c（Al³⁺）•c³（OH^-）可知，c（OH^-）=$\root{3}{\frac{8.0×10{\;}^{-33}}{1.0×10{\;}^{-6}}}$=2×10^-9，所以c（H⁺）=5×10^-6，pH值為6-lg5=5.3，
故答案為：5.3．

點評 本題考查了反應進行的方向、影響平衡移動的因素、反應速率的計算、原電池和電解池原理、溶液的pH值的計算等，明確化學平衡移動原理及各個電極上發(fā)生的電極反應是解本題關鍵，難點是鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解的反應，題目難度中等．