Question

2．研究碳及其化合物的相互轉化對能源的充分利用、低碳經濟有著重要的作用．
（1）已知：①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+206.1kJ•mol^-1
②2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（l）△H₂=-128.3kJ•mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O （g）△H₃=-483.6kJ•mol^-1
25℃時，在合適的催化劑作用下，采用甲烷和氧氣一步合成液態甲醇的熱化學方程式為CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CH₃OH（l）△H₁=-164.0kJ•mol^-1．
（2）利用反應①來制備氫氣，為了探究溫度、壓強對反應①速率、轉化率的影響，某同學設計了以下三組對比實驗（溫度為400℃或500℃，壓強為101kPa或404kPa）．

實驗序號	溫度℃	壓強/kPa	CH4初始濃度/mol•L-1	H2O初始濃度/mol•L-1
1	400	p	3.0	7.0
2	t	101	3.0	7.0
3	400	101	3.0	7.0

①實驗2和實驗3相比，其平衡常數關系是K₂＞K₃（填“＞”、“＜”或“=”）．
②將等物質的量的CH₄和水蒸氣充入1L恒容密閉容器中，發生上述反應，在400℃下達到平衡，平衡常數K=27，此時容器中CO物質的量為0.10mol，則CH₄的轉化率為90.9%．
（3）科學家提出由CO₂制 取 C的太陽能工藝如圖1所示．
2“重整系統”發生的反應中n（FeO）：n（CO₂）=6：1，則Fe _xO_y的化學式為Fe₃O₄．
②“熱分解系統”中每分解l mol Fe _xO_y，轉移電子的物質的量為2mol．

（4）pC類似pH，是指極稀溶液中的溶質濃度的常用負對數值．若某溶液中溶質的濃度為1×10^-3mol•L^-1，則該溶液中溶質的pC=-lg（1×10^-3）=3．如圖2為25℃時H₂CO₃溶液的pC-pH圖．請回答下列問題 （若離子濃度小于10^-5mol/L，可認為該離子不存在）：
①在同一溶液中，H₂CO₃、HCO₃^-、CO₃^2-不能（填“能”或“不能”）大量共存．
②求H₂CO₃一級電離平衡常數的數值K_a1=1×10^-6．
③人體血液里主要通過碳酸氫鹽緩沖體系$\frac{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（HC{O}_{3}^{-}）}$可以抵消少量酸或堿，維持pH=7.4．當過量的酸進入血液中時，血液緩沖體系中的$\frac{c（{H}^{+}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$最終將A．
A．變大B．變小C．基本不變D．無法判斷．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律得①+②+$\frac{1}{2}$×③甲烷和氧氣一步合成液態甲醇的熱化學方程式．
（2）①反應是吸熱反應，溫度升高，正向進行，k增大；②根據化學平衡常數k，用三段式表示平衡時的濃度，計算轉化率．
（3）①由示意圖可知，重整系統中CO₂和FeO反應生成Fe_xO_y和C，根據原子守恒確定Fe_xO_y的化學式；
②熱分解系統中是Fe_xO_y分解為FeO與氧氣，根據Fe元素化合價變價計算轉移電子．
（4）①根據離子存在溶液的酸堿性判斷；
②由圖象可知當pH=6時，pC（H₂CO₃）=pC（HCO₃^-），結合K_a1（H₂CO₃）=$\frac{c（{H}^{+}）•c（HC{{O}_{3}}^{-}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$計算；
③“緩沖溶液”中加入少量的強酸或強堿，溶液的pH變化都不大，加入堿時與碳酸氫根離子反應．

解答 解：（1）有熱化學方程式：
①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+206.1kJ•mol^-1
②2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（l）△H₂=-128.3kJ•mol^-1
③2H₂（g）+O₂（g）?2H₂O （g）△H₃=-483.6kJ•mol^-1
根據蓋斯定律：①+②+$\frac{1}{2}$×③得CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂ （g）?CH₃OH（l）△H₁=-164.0kJ•mol^-1．
故答案為：CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂ （g）?CH₃OH（l）△H₁=-164.0kJ•mol^-1
（2）①反應一是吸熱反應，溫度升高，化學平衡正向移動，k值變大，實驗2的溫度高于實驗3，所以k₂＞k₃
故答案為：＞
②設CH₄和H₂O的起始量為x，根據三段式：
             CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量：x                x               0             0
轉化量：0.1            0.1            0.1          0.3
平衡量：x-0.1        x-0.1          0.1          0.3
由平衡常數表達式k=$\frac{c（CO）•c^3（△{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.1mol/L•（0.3mol/L）^3}{（x-0.1）mol/L•（x-0.1）mol/L}$=27，解得x=0.11，則平衡時甲烷的轉化率為：$\frac{0.1mol}{0.11mol}×100%$=90.9%．
故答案為：$\frac{10}{11}$（90.9%、90.91%、$\frac{10}{11}$×100%）
（3））①由示意圖可知，重整系統中CO₂和FeO反應生成Fe_xO_y和C，發生的反應中n（FeO）：n（CO₂）=6：1，根據Fe原子、O原子守恒可知x：y=6：（6+2）=3：4，故Fe_xO_y的化學式為Fe₃O₄．
故答案為：Fe ₃O₄ 
②熱分解系統中是Fe₃O₄分解為FeO與氧氣，分解l mol Fe₃O₄轉移電子的物質的量為$1mol×3×（\frac{8}{3}-2）$=2mol．
故答案為：2mol
（4）①碳酸存在的溶液中酸性較強、碳酸根離子存在的溶液中堿性較強，所以碳酸根離子和碳酸不能大量共存．
故答案為：不能；
②由圖象可知當pH=6時，pC（H₂CO₃）=pC（HCO₃^-），結合K_a1（H₂CO₃）=$\frac{c（{H}^{+}）•c（HC{{O}_{3}}^{-}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$=$\frac{1{0}^{-6}•c（HC{{O}_{3}}^{-）}}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$=1×10^-6．
故答案為：1×10^-6 
③氫離子濃度增大，平衡向左移動放出CO₂，碳酸濃度基本不變，則c（H⁺）/c（H₂CO₃）最終將變大．
故答案為：A

點評 本題考查了蓋斯定律的應用，弱電解質在水溶液中的電離平衡，物質的量的相關計算，化學平衡的計算及影響因素，綜合考查，難度較大．