Question

16．請運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理的相關(guān)知識(shí)研究碳及其化合物的性質(zhì)．
（1）我國儲(chǔ)氫納米碳管研究已取得重大進(jìn)展．用電弧法合成的碳納米管中常伴有大量碳納米顆粒（雜質(zhì)），這種碳納米顆�？捎醚趸瘹饣�法提純，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為：
3C+2K₂Cr₂O₇+8H₂SO₄=3 CO₂↑+2K₂SO₄+2Cr₂（SO₄）₃+8H₂O
請完成并配平上述化學(xué)方程式．
（2）工業(yè)上一般以CO和H₂為原料合成甲醇，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ•mol^-1
①下列措施中有利于增大該反應(yīng)的反應(yīng)速率的是AC．
A．使用高效催化劑            B．降低反應(yīng)溫度
C．增大體系壓強(qiáng)              D．不斷將CH₃OH從反應(yīng)混合物中分離出來
②在恒容容器中合成甲醇，當(dāng)溫度分別為230℃、250℃和270℃時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率與n（H₂）/n（CO）的起始組成比的關(guān)系如圖所示．已知容器體積1L，起始時(shí)CO的物質(zhì)的量均為1mol．據(jù)此判斷在上述三種溫度中，曲線Z對應(yīng)的溫度是270℃；
利用圖中a點(diǎn)對應(yīng)的數(shù)據(jù)，計(jì)算該反應(yīng)在對應(yīng)溫度下的平衡常數(shù)K=4L²•mol^-2．
③已知：CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-283kJ•mol^-1
        H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（個(gè)）△H₃=-242kJ•mol^-1
則表示1mol氣態(tài)甲醇完全燃燒生成CO₂和水蒸氣的熱化學(xué)方程式為CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ•mol^-1．
（3）CO₂在自然界循環(huán)時(shí)可與CaCO₃反應(yīng)，CaCO₃是一種難溶物質(zhì)，其溶度積常數(shù)K_sp=c（Ca²⁺）•c（CO₃^2-）=2.8×10^-9．CaCl₂溶液與Na₂CO₃溶液混合可形成CaCO₃沉淀，現(xiàn)將等體積的CaCl₂溶液與Na₂CO₃溶液混合，若Na₂CO₃溶液的濃度為5.6×10 ^-5mol/L，則生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小濃度為2×10^-4mol/L．

Answer 1

分析 （1）反應(yīng)中C元素的化合價(jià)由0升高為+4價(jià)，Cr元素的化合價(jià)由+6價(jià)降低為+3價(jià)，結(jié)合化合價(jià)升降總數(shù)相等以及質(zhì)量守恒定律配平；
（2）①根據(jù)平衡移動(dòng)原理進(jìn)行判斷，溫度升高，反應(yīng)速率加快，使用催化劑，反應(yīng)速率加快；
③根據(jù)蓋斯定律和題中熱化學(xué)方程式寫出甲醇完全燃燒生成二氧化碳的熱化學(xué)方程式；
②合成甲醇的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高，轉(zhuǎn)化率降低；根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式和一氧化碳的轉(zhuǎn)化率求算；
（3）Na₂CO₃溶液的濃度為5.6×10 ^-5mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=2.8×10^-5mol/L，根據(jù)Ksp=c（CO₃^2-）•c（Ca²⁺）計(jì)算沉淀時(shí)混合溶液中c（Ca²⁺），原溶液CaCl₂溶液的最小濃度為混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍．

解答 解：（1）反應(yīng)中C元素的化合價(jià)由0升高為+4價(jià)，一個(gè)碳化合價(jià)變化4，Cr元素的化合價(jià)由+6價(jià)降低為+3價(jià)，1個(gè)K₂Cr₂O₇化合價(jià)變化6，4和6的最小公倍數(shù)為12，由化合價(jià)升降總數(shù)相等可知，C的化學(xué)計(jì)量數(shù)為3，K₂Cr₂O₇的化學(xué)計(jì)量數(shù)為2，最后由質(zhì)量守恒定律可知得化學(xué)反應(yīng)為3C+2K₂Cr₂O₇+8H₂SO₄=3CO₂+2K₂SO₄+2Cr₂（SO₄）₃+8H₂O，
故答案為：3；2；8H₂SO₄；3；2；2；8；
（2）①A、使用催化劑，反應(yīng)速率加快，故A正確；
B、溫度降低，反應(yīng)速率變小，故B錯(cuò)誤；
C、壓強(qiáng)增大，反應(yīng)速率加快，故C正確；
D、隨時(shí)將CH₃OH與反應(yīng)混合物分離，沒有改變反應(yīng)速率，故D錯(cuò)誤；
故選AC；
②根據(jù)反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ•mol^-1，是放熱反應(yīng)，溫度越高，轉(zhuǎn)化率越低，所以曲線Z對應(yīng)的溫度是270℃，
該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c（H{\;}_{2}）{\;}^{2}}$，
a點(diǎn)時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率50%，反應(yīng)消耗了2mol×50%=1molCO，消耗氫氣2mol
剩余1molCO，n（H₂）=3mol-2mol=1mol，生成1mol甲醇，
a點(diǎn)各組分的濃度是：c（CH₃OH）=$\frac{1mol}{2L}$=0.5mol/L，c（CO）=$\frac{1mol}{2L}$=0.5mol/L，c（H₂）=$\frac{1mol}{2L}$=0.5mol/L，
帶人表達(dá)式得：K=$\frac{0.5mol•L{\;}^{-1}}{0.5mol•L{\;}^{-1}×（0.5mol•L{\;}^{-1}）{\;}^{2}}$=4L²•mol^-2，
故答案：270℃；4L²•mol^-2；
③根據(jù)反應(yīng)①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H₁=-116kJ•mol^-1，
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O2（g）═CO₂（g）△H₂=-283kJ•mol^-1，
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₃=-242kJ•mol^-1 ，
根據(jù)蓋斯定律：①-②-③×2得：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ•mol^-1，
故答案是：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-651kJ•mol^-1；
（3）Na₂CO₃溶液的濃度為5.6×10 ^-5mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=$\frac{1}{2}$×5.6×10 ^-5mol/L=2.8×10^-5mol/L，根據(jù)Ksp=c（CO₃^2-）•c（Ca²⁺）=2.8×10^-9可知，c（Ca²⁺）=$\frac{2.8×10{\;}^{-9}}{2.8×10{\;}^{-5}}$mol/L=1×10^-4mol/L，原溶液CaCl₂溶液的最小濃度為混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍，故原溶液CaCl₂溶液的最小濃度為2×1×10^-4mol/L=2×10^-4mol/L，故答案為：2×10^-4mol/L．

點(diǎn)評 本題考查了影響反應(yīng)速率的因素及反應(yīng)平衡常數(shù)的計(jì)算、熱化學(xué)方程式的書寫、溶度積的有關(guān)計(jì)算等知識(shí)，注意蓋斯定律的應(yīng)用以及計(jì)算時(shí)容易忽略混合后溶液的濃度發(fā)生變化，難度中等．