Question

13．低碳經濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式，低碳經濟的概念在中國正迅速從高端概念演變成全社會的行為，在新能源汽車、工業節能等多個領域都大有作為．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K的數值為2.5
（3）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）
（4）一定溫度下，在3L容積可變的密閉容器中發生上述反應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變為b，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
（5）鋇及其化合物在工業上有著廣泛的應用，在地殼中常以硫酸鹽的形式存在，BaSO₄是難溶性鹽．工業上提取鋇時首先用Na₂CO₃溶液將BaSO₄轉化成難溶弱酸鹽（BaCO₃）．請寫出將BaSO₄轉化成BaCO₃的離子方程式BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）=BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq）該反應的平衡常數為0.044（填具體數字），已知K_sp（BaSO₄）=1.1×10^-10mol²•L^-2，K_sp（BaCO₃）=2.5×10^-9mol²•L^-2

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K=$\frac{c（{CH}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（CO）}$×$\frac{c（{H}_{2}O）×c（CO）}{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}$；
（3）相同時間內，CH₄產量越高，反應催化效果越好；
（4）在t₁時刻改變一個條件，曲線a變為b，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的濃度變為$\frac{0.3mol/L×3L}{2L}$=0.45mol/L，在t₁時刻瞬間CO的濃度為0.3mol/L；
（5）將BaSO₄轉化成BaCO₃的離子方程式：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）=BaCO₃ （s）+SO₄^2-（aq），該反應的平衡常數K=$\frac{\frac{Ksp（BaS{O}_{4}）}{c（B{a}^{2+}）}}{\frac{Ksp（BaC{O}_{3}）}{c（B{a}^{2+}）}}$=$\frac{Ksp（BaS{O}_{4}）}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$．

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K=$\frac{c（{CH}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（CO）}$×$\frac{c（{H}_{2}O）×c（CO）}{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}$=2.5×1=2.5，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H=-49.6kJ/mol；2.5；
（3）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；
（4）在t₁時刻改變一個條件，曲線a變為b，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的濃度變為$\frac{0.3mol/L×3L}{2L}$=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；；
（5）將BaSO₄轉化成BaCO₃的離子方程式：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）=BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq），該反應的平衡常數K=$\frac{\frac{Ksp（BaS{O}_{4}）}{c（B{a}^{2+}）}}{\frac{Ksp（BaC{O}_{3}）}{c（B{a}^{2+}）}}$=$\frac{Ksp（BaS{O}_{4}）}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$=$\frac{1.1×1{0}^{-10}}{2.5×1{0}^{-9}}$=0.044，
故答案為：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）=BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq）；0.044．

點評 本題考查平衡常數有關計算、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．