Question

14．低碳經濟是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式，低碳循環正成為科學家研究的主要課題．最近有科學家提出構想：把空氣吹入飽和碳酸鉀溶液，然后再把CO₂從溶液中提取出來，經化學反應后使之變為可再生燃料甲醇．該構想技術流程如下：（如圖1）

（1）向分解池中通入高溫水蒸氣的作用是提供高溫環境使KHCO₃分解．
（2）已知在常溫常壓下：
①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
則甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態水的熱化學方程式為CH₃OH（l）+O₂（g）=CO （g）+2H₂O（l）△H=-442.8KJ/mol．
（3）依據甲醇燃燒的反應原理．設計如圖2所示的電池裝置．該裝置負極的電極反應式為CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O．
（4）已知K_sp（CaCO₃）=2.8×10^-9mol²•L^-2．現將CaCl₂溶液與0.02mol•L^-1Na₂CO₃溶液等體積混合，生成CaCO₃沉淀時，所需CaCl₂溶液的最小物質的量濃度為5.6×10^-7mol/L．
（5）CO（g）和H₂O（g）在一定條件下反應可得到清潔燃料H₂．將不同量的CO（g）和H₂O（g）分別通入到體積為2L的恒容密閉容器中發生反應：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），不同溫度下得到三組數據：

實驗組	溫度/℃	起始量/mol		平衡量/mol		到平衡所需時間/min
		CO	H2O	H2	CO
1	650	4	2	1.6	2.4	6
2	900	2	1	0.4	1.6	3
3	900	a	b	c	d	t

①實驗1前6min的反應速率v（CO₂）=0.13 mol/（L．min）（保留小數點后兩位，下同）．
②實驗2條件下平衡常數K=0.17．
③該反應的△H＜0 （填“＜”或“＞”=．
④實驗3中，若平衡時的轉化率α（CO）＞α（H₂O），則$\frac{a}{b}$的取值范圍是0＜$\frac{a}{b}$＜1．

Answer 1

分析 （1）KHCO₃受熱易分解；
（2）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到；
（3）甲醇燃燒的反應原理，設計如圖所示的電池裝置，甲醇在負極失電子發生氧化反應，正極是氧氣得到電子生成氫氧根離子，依據原電池原理分析書寫電極反應；
（4）Na₂CO₃溶液的濃度為0.02mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=0.01mol/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；
（5）①根據v=$\frac{△c}{△t}$計算反應速率；
②根據平衡常數表達式計算出實驗2的平衡常數；
③根據溫度變化，平衡時的生成物的物質的量的多少判斷平衡移動的方向，判斷反應熱的符號；
④由于CO與H₂O的化學計量數相等都為1，所以當兩者物質的量相等時二者轉化率相等，要使CO轉化率大于H₂O的轉化率，則增大H₂O的物質的量．

解答 解：（1）KHCO₃受熱易分解，向分解池中通入高溫水蒸氣，提供高溫環境使KHCO₃分解，故答案為：提供高溫環境使KHCO₃分解；
（2）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
依據蓋斯定律①-②+③×4得到甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態水的熱化學方程式：2CH₃OH（l）+2O₂（g）=2CO （g）+4H₂O（l）△H=-885.6KJ/mol，
得到熱化學方程式為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO （g）+2H₂O（l）△H=-442.8KJ/mol，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO （g）+2H₂O（l）△H=-442.8KJ/mol；
（3）甲醇燃燒的反應原理，設計如圖所示的電池裝置，甲醇在負極失電子發生氧化反應，CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；
（4）Na₂CO₃溶液的濃度為0.02mol/L，等體積混合后溶液中c（CO₃^2-）=$\frac{1}{2}$×0.02mol/L=0.01mol/L，根據Ksp=c（CO₃^2-）•c（Ca²⁺）=2.8×10^-9可知，c（Ca²⁺）=$\frac{2.8×1{0}^{-9}}{0.01}$mol/L=2.8×10^-7mol/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2×2.8×10^-7mol/L=5.6×10^-7mol/L，
故答案為：5.6×10^-7mol/L；
（5）①v（CO₂）=v（CO）=$\frac{\frac{4mol-2.4mol}{2L}}{6min}$=0.13 mol/（L．min），故答案為：0.13 mol/（L．min）；
②實驗2中達到平衡時，c（CO₂）=c（H₂）=$\frac{0.4mol}{2L}$=0.2mol/L，c（CO）=$\frac{1.6mol}{2L}$=0.8mol/L，c（H₂O）=$\frac{1mol-0.4mol}{2L}$=0.3mol/L，
K=$\frac{0.2×0.2}{0.8×0.3}$≈0.17，
故答案為：0.17；
③根據CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）可知壓強對平衡移動無影響，如果在650℃，H₂O、CO的物質的量改為1mol、2mol，達到平衡時CO的物質的量應為1.2mol，而900℃時CO的物質的量應為1.6mol，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，則正反應為放熱反應，即△H＜0，
故答案為：＜；
④由于CO與H₂O的化學計量數相等都為1，所以當兩者物質的量相等時二者轉化率相等．要使CO轉化率大于H₂O的轉化率，則增大H₂O的物質的量，即$\frac{a}{b}$的值小于1，所以$\frac{a}{b}$的取值范圍是0＜$\frac{a}{b}$＜1，
故答案為：0＜$\frac{a}{b}$＜1．

點評 本題考查了蓋斯定律的應用、原電池原理、反應速率的計算、平衡常數的計算與運用、溶度積的有關計算等，題目綜合性較強，是對學生能力的考查，難度中等，注意把握反應原理的有關內容．