Question

8．碳及其化合物有廣泛應用．
（1）工業冶煉鋁，以石墨為陽極．陽極反應式為2O^2--4e-=O₂↑，可能發生副反應有C+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO₂（或2C+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2CO）．
（2）一氧化碳和空氣在酸性介質中構成燃料電池，負極反應式為．如果理論輸出電壓為1.50V，能量密度E=．
（3）向75mL 4mol•L^-1KOH溶液中緩慢通入4480mL CO₂氣體（標準狀況）恰好完全被吸收．①寫出該反應的離子方程式：2CO₂+3OH^-=CO₃^2-+HCO₃^-+H₂O．
②該吸收溶液中離子濃度大小排序為c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
③常溫下，a mol•L^-1KHCO₃溶液的pH=8，HCO^3-的水解常數約等于$\frac{10{\;}^{-12}}{a-10{\;}^{-6}}$．（用含a式表示）．
（4）已知：①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₁=-571.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
③CO（g）+2H₂（g）═CH3OH（g）△H₃=-90.8kJ•mol^-1
計算甲醇蒸氣的燃燒熱△H=-763.8kJ•mol^-1．
（5）某溫度下，發生可逆反應：CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.0kJ•mol^-1 
①向某容器中充入1.0molH₂和1.0mol（g），在一定條件下發生上述反應．混合氣體中CO的物質的量與時間關系如下列所示：

	0	5min	10min	15min	20min	25min
I（800℃）	1.0	0.80	0.70	0.65	0.50	0.50
Ⅱ（800℃）	1.0	0.7	0.60	0.50	0.50	0.50

相對實驗I，實驗II可能改變的條件可能是，該溫度下，平衡常數=1．
②若開始向絕熱容器中投入一定量二氧化碳、氫氣在一定條件下發生上述可逆反應．
下列圖象正確且說明可逆反應達到平衡狀態的是A．（填序號）

Answer 1

分析 （1）電解鋁，陽極發生氧化反應生成氧氣，生成的氧氣在高溫下氧化石墨電極；
（2）①酸性介質中，CO被氧化生成二氧化碳；
②計算1Kg甲醇輸出的電能，結合能量密度公式：能量密度=電池輸出電能/燃料質量，1kW•h=3.6×10⁶J，一個電子的電量=1.6×10^-19C計算；
（3）n（KOH）=0.075L×4mol•L^-1=0.3mol，n（CO₂）=$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，因為二者按3：2恰好反應，據此書寫反應的離子方程式；
②因為碳酸根水解程度大于碳酸氫根，并且水解后都成堿性，據此判斷離子濃度大�。�
③因為amol•L^-1KHCO₃溶液的pH=8，所以pH=10^-6mol/L，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，c（OH^-）=c（H₂CO₃）=10^-6mol/L，水解程度小，消耗HCO₃^-可忽省不計，所以根據K=$\frac{c（H{\;}_{2}CO{\;}_{3}）c（OH{\;}^{-}）}{c（HCO{\;}_{3}{\;}^{-}）}$計算；
（4）①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₁=-571.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
③CO（g）+2H₂（g）═CH3OH（g）△H₃=-90.8kJ•mol^-1
根據蓋斯定律知，①+②×$\frac{1}{2}$-③得：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）；
（5）①從數據看，I和II達到相同狀態，說明平衡沒有移動，若該可逆反應是等氣體分子數反應，則增大壓強，平衡不移動，或者加入催化劑也能加快反應速率，平衡不移動；
等氣體分子數反應，可以用物質的量代替濃度計算平衡常數，達到平衡時，各物質的物質的量都等于0.5mol，根據K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）c（H{\;}_{2}）}{c（CO）c（H{\;}_{2}O）}$計算；
②A、開始投入二氧化碳和氫氣，從逆方向進行反應，反應吸熱，開始溫度下降，當溫度不變時達到平衡狀態；
B、開始投入二氧化碳和氫氣，從逆方向進行反應，氫氣體積分數由最大逐漸減小．
C、反應熱只與化學計量數有關，與反應限度無關．
D、因為總質量不變，總物質的量也不變，根據混合氣體平均相對分子質量=$\frac{m（總）}{n（總）}$判斷．

解答 解：（1）電解鋁，陽極發生氧化反應生成氧氣，電極反應式為2O^2--4e-=O₂↑，生成的氧氣在高溫下氧化石墨電極，發生的反應有C+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO₂（或2C+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2CO），故答案為：2O^2--4e-=O₂↑，C+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO₂（或2C+O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$2CO）；
（2）①在酸性介質中CO氧化生成CO₂，負極反應式為CO-2e-+H₂O=CO₂+2H⁺，故答案為：CO-2e-+H₂O=CO₂+2H⁺；
②1KgCO輸出的電能：w=UIt=Uq=1.50×$\frac{1000}{28}$×2×6.02×10²³×1.602×10^-19J
=1.033×10⁷ J
所以E=$\frac{1.033×10{\;}^{7}}{3.6×10{\;}^{6}}$=2.87 kW•h
故答案為：2.87 kW•h•kg^-1；
（3）n（KOH）=0.075L×4mol•L^-1=0.3mol，n（CO₂）=$\frac{4.48L}{22.4L/mol}$=0.2mol，因為二者恰好反應，則反應的離子方程式為2CO₂+3OH^-=CO₃^2-+HCO₃^-+H₂O，故答案為：2CO₂+3OH^-=CO₃^2-+HCO₃^-+H₂O；
②因為碳酸根水解程度大于碳酸氫根，并且水解后都成堿性，所以離子濃度大小排序為c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），故答案為：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
③因為amol•L^-1KHCO₃溶液的pH=8，所以pH=10^-6mol/L，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-
c（OH^-）=c（H₂CO₃）=10^-6mol/L，水解程度小，消耗HCO₃^-可忽省不計，所以K=$\frac{c（H{\;}_{2}CO{\;}_{3}）c（OH{\;}^{-}）}{c（HCO{\;}_{3}{\;}^{-}）}$=$\frac{10{\;}^{-12}}{a-10{\;}^{-6}}$，故答案為：$\frac{10{\;}^{-12}}{a-10{\;}^{-6}}$．
（4）①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₁=-571.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
③CO（g）+2H₂（g）═CH3OH（g）△H₃=-90.8kJ•mol^-1
根據蓋斯定律知，①+②×$\frac{1}{2}$-③得：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）
△H=-571.6kJ•mol^-1-566.0kJ•mol^-1×$\frac{1}{2}$+90.8kJ•mol^-1=-763.8kJ•mol^-1，故答案為：-763.8kJ•mol^-1；
（5）①從數據看，I和II達到相同狀態，說明平衡沒有移動，若該可逆反應是等氣體分子數反應，且反應物和產物都是氣態，增大壓強，平衡不移動，能縮短達到平衡的時間；加入催化劑也能加快反應速率，縮短達到平衡時間；
等氣體分子數反應，可以用物質的量代替濃度計算平衡常數，達到平衡時，各物質的物質的量都等于0.5mol，所以K=$\frac{c（CO{\;}_{2}）c（H{\;}_{2}）}{c（CO）c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.5mol×0.5mol}{0.5mol×0.5mol}$=1，故答案為：增大壓強（或縮小體積）、加催化劑；1；
②A、開始投入二氧化碳和氫氣，從逆方向進行反應，反應吸熱，開始溫度下降，當溫度不變時達到平衡狀態，故A正確；
B、開始投入二氧化碳和氫氣，從逆方向進行反應，氫氣體積分數由最大逐漸減小，故B錯誤．
C、反應熱只與化學計量數有關，與反應限度無關，所以焓變一直不變，故C錯誤．
D、因為總質量不變，總物質的量也不變，所以混合氣體平均相對分子質量=$\frac{m（總）}{n（總）}$始終不變，故D錯誤．
故選：A．

點評 本題考查化學平衡的標志、平衡常數的計算及化學平衡移動原理、蓋斯定律的計算應用、離子濃度大小的比較、電解池反應原理及電極反應式的書寫，知識點較多，綜合性很強，難度較大．