Question

3．有效地開發利用碳資源可適當解決能源危機．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）煤炭合成氣，其主要成分是CO和H₂．可作為能源和化工原料，應用十分廣泛．
已知：C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ/mol①
C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H₂=+131.3kJ/mol②
則反應CO（g）+H₂（g）+O₂（g）=H₂O（g）+CO₂（g），△H=-524.8KJ/mol．
（2）用煤炭氣（CO、H₂）作燃氣的燃料電池，以NaOH溶液做電解質制成．負極的電極反應式為：CO+H₂-4e^-+6OH^-=CO₃^2-+4H₂O；則正極反應式為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．
OH^-向負極移動．
（3）在2L的密閉容器中，高溫下發生反應：Fe（s）+CO₂（g）?FeO（s）+CO（g）
其中CO₂、CO的物質的量隨時間（min）的變化如圖所示．
①反應在1min時第一次達到平衡狀態，固體的質量增加了3.2g．用CO的濃度變化表示的反應速率υ（CO）=0.1mol•L^-1•min^-1．
②反應進行至2min時，若只改變一個條件，曲線發生的變化如圖所示，3min時再次達到平衡，則△H＞0（填“＞”、“＜”或“=”，下同）．第一次平衡與第二次平衡的平衡常數相比，K₁＜K₂．
③5min時再充入少量的CO（g），平衡發生移動．表示n（CO₂）變化的曲線是b（填寫字母）．
（4）CaCO₃是一種難溶物質，其Ksp=2.8×10^-9．現將等體積的CaCl₂溶液與Na₂CO₃溶液混合，若Na₂CO₃溶液的濃度為7×10^-4mol/L，則生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小物質的量濃度為1.6×10^-4mol/L．

Answer 1

分析 （1）C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ/mol①
C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H₂=+131.3kJ/mol②
依據蓋斯定律①-②得到CO（g）+H₂（g）+O₂（g）=H₂O（g）+CO₂（g），依據熱化學方程式和蓋斯定律來計算得到；
（2）燃料電池中燃料在負極失電子發生氧化反應，氧氣在正極得到電子發生還原反應，陽離子移向正極，陰離子移向負極；
（3）①固體質量增加3.2g，求出生成FeO的量，然后求出二氧化碳的變化量及反應速率；
②新平衡時CO物質的量增加，可判斷平衡向正方向移動；
③濃度變化分析反應速率變化判斷；
（4）Na₂CO₃溶液的濃度為7×10^-4mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=3.5×10^-4mol/L，根據Ksp=c（CO₃^2-）•c（Ca²⁺）計算沉淀時混合溶液中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）C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ/mol①
C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H₂=+131.3kJ/mol②
依據蓋斯定律①-②得到CO（g）+H₂（g）+O₂（g）=H₂O（g）+CO₂（g），△H=-524.8KJ/mol；
故答案為：-524.8；
（2）用煤炭氣（CO、H₂）作燃氣的燃料電池，以NaOH溶液做電解質制成．負極的電極反應式為：CO+H₂-4e^-+6OH^-=CO₃^2-+4H₂O；則正極反應式為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；負；
（3）①Fe（s）+CO₂（g）?FeO（s）+CO（g）中Fe→FeO，固體質量增加3.2g為氧元素的質量，則氧元素的物質的量為0.2mol，說明生成FeO為0.2mol，所以消耗的二氧化碳為0.2mol，所以v（CO₂）=$\frac{\frac{0.2mol}{2L}}{1min}$=0.1mol•L^-1•min^-1，速率之比等于化學方程式計量數之比，v（CO）=0.1mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.1mol•L^-1•min^-1；
②由于建立新平衡時CO物質的量增加，可知升高溫度，平衡正向移動，說明正反應吸熱，即△H＞0；
平衡常數K=$\frac{c（CO）}{c（C{O}_{2}）}$，由于一氧化碳的濃度增加，二氧化碳的濃度減小，所以平衡常數變大，即K₁＜K₂；
故答案為：＞；＜；
③充入CO，CO濃度增大，逆反應速率增大，之后逐漸減小；5min時CO₂濃度不變，正反應速率不變，平衡逆向移動，CO₂濃度增大，正反應速率逐漸增大；n（CO₂）的物質的量從原平衡曲線逐漸增大；
故答案為：b；
（4）Na₂CO₃溶液的濃度為7×10^-4mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=$\frac{1}{2}$×7×10^-4mol/L=3.5×10^-5mol/L，根據Ksp=c（CO₃^2-）•c（Ca²⁺）=2.8×10^-9可知，c（Ca²⁺）=$\frac{2.8×1{0}^{-9}}{3.5×1{0}^{-5}}$mol/L=8×10^-5mol/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2×8×10^-5mol/L=1.6×10^-4mol/L，
故答案為：1.6×10^-4mol/L．

點評 本題考查了化學平衡的影響因素、平衡狀態的判斷、反應速率的計算等，難度中等．隨著反應進行變化的物理量不再變化，說明到達平衡．