Question

【題目】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)我國儲氫納米碳管研究取得重大進展，用電弧法合成的碳納米管中常伴有碳納米顆粒(雜質)，這種碳納米顆粒可用氧化后氣化的方法提純，其除雜質過程為把雜質用熱的重鉻酸鉀(K2Cr2O7)酸性溶液浸泡發生反應，溶液逐漸變成淺綠色(Cr3+)，同時產生使澄清石灰水變渾濁的氣體，寫出反應的離子方程式：____________________________________________。

(2)焦炭可用于制取水煤氣。測得24g碳與水蒸氣完全反應生成水煤氣時，吸收了263.2kJ熱量。該反應的熱化學方程式為_________________________________。

(3)甲醇是一種新型燃料，甲醇燃料電池即將從實驗室走向工業化生產。工業上一般以CO和H2為原料合成甲醇，該反應的熱化學方程式為CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1。

①下列措施有利于提高反應物轉化率的是___________(填序號)。

A.及時將CH3OH與反應混合物分離 B.降低反應溫度

C.減小體系壓強 D.使用高效催化劑

②乙醇電池具有很高的實用價值。如右圖所示是一種酸性燃料電池酒精檢測儀，具有自動吹氣流量偵測與控制的功能，非常適合進行現場酒精檢測。該電池的負極反應式為_________________________________。

③已知：CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=－283 kJ·mol－1

H2(g)+ O2(g)=H2O(g) △H3=? kJ·mol－1

1mol氣態甲醇完全燃燒生成CO2和水蒸氣時放出熱量651kJ，則△H3=________________。

④在容積為1L的恒容容器中，分別研究在230℃、250℃和270℃三種溫度下合成甲醇的規律，如圖是上述三種溫度下不同的H2和CO的起始組成比(起始時CO的物質的量均為1mol)與CO平衡轉化率的關系。請回答下列問題：

(i)在上述三種溫度中，曲線X對應的溫度是______________________。

(ii)利用圖中a點對應的數據，計算出曲線Z在對應溫度下CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的平衡常數K=___________。

(4)CO2經常用氫氧化鈉溶液來吸收，現有0.2moCO2，若用100mL3 mol/LNaOH溶液將其完全吸收，溶液中離子濃度由大到小的順序為______________________。

Answer 1

【答案】2Cr2O72-+ 3C+16H+=4Cr3++3CO2↑+8H2O C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H= +131.6kJ/mol AB CH3CH2OH+H2O-4e-=CH3COOH+4H+ -242kJmol-1 230℃ 4 c(Na+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+)

【解析】

（1）使澄清石灰水變渾濁的氣體是CO2，反應中碳元素化合價由0價升高到+4價，Cr元素從+6價降低到+3價，所以Cr2O72-作氧化劑，對應產物Cr3+，C作還原劑，對應產物CO2，要使氧化劑得到電子總數等于還原劑失去電子總數，則C系數為3，Cr2O72-系數為2，根據原子守恒和電荷守恒，反應的離子方程式為2Cr2O72-+ 3C+16H+=4Cr3++3CO2↑+8H2O。

（2）24g碳的物質的量為2mol，與水蒸氣完全反應生成水煤氣（CO、H2），吸收了263.2kJ熱量。該反應的熱化學方程式為C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H= +131.6kJ/mol。

（3）①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1；

A.及時將CH3OH與反應混合物分離，使得平衡正向移動，有利于提高反應物轉化率；

B.該反應正反應是放熱反應，降低反應溫度，平衡正向移動，有利于提高反應物轉化率； C.減小體系壓強，平衡逆向移動，不利于提高反應物轉化率；

D.使用高效催化劑，不能使平衡移動，故反應物轉化率不變；

②乙醇燃料電池中，負極上乙醇失去電子發生氧化反應生成CH3COOH，負極反應式為CH3CH2OH+H2O-4e-=CH3COOH+4H+。

③1mol氣態甲醇完全燃燒生成CO2和水蒸氣時放出熱量651kJ，可知④CH3OH(g)+3/2 O2(g)= CO2(g)+2H2O(g)，△H=－651kJ·mol－1，根據反應①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1，②CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=－283 kJ·mol－1，根據蓋斯定律，（④+①-②）/2，可得H2(g)+ O2(g)=H2O(g)△H3=-242kJmol-1。

④(i)根據反應CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1，是放熱反應，溫度越低，轉化率越高，所以曲線X對應的溫度是230℃。

(ii) a點時，CO的轉化率為50％，反應消耗了1mol×50％=0.5molCO，消耗氫氣1mol，生成0.5mol甲醇，剩余0.5molCO，n(H2)=0.5mol， a點平衡時各組分的濃度是c(CH3OH)=0.5mol/L，c(CO)=0.5mol/L，c(H2)=0.5mol/L，則K= c(CH3OH)/ [c(CO) c2(H2)]==4。

（4）根據二氧化碳和氫氧化鈉之間反應量的關系：按照1:1反應，產物是碳酸氫鈉，按照1:2反應，產物是碳酸鈉，0.2moCO2和100mL3 mol/LNaOH溶液混合，二者的物質的量之比為2:3，所以溶液是物質的量濃度相等的碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合液，混合液顯堿性，c(OH-)>c(H+)；由于碳酸根離子水解程度大于碳酸氫根離子的水解程度，所以c(HCO3-)>c(CO32-)，即c(Na+)>c(HCO3-)>c (CO32-)>c(OH-)>c(H+)。

（1）使澄清石灰水變渾濁的氣體是CO2，反應中碳元素化合價由0價升高到+4價，Cr元素從+6價降低到+3價，所以Cr2O72-作氧化劑，對應產物Cr3+，C作還原劑，對應產物CO2，要使氧化劑得到電子總數等于還原劑失去電子總數，則C系數為3，Cr2O72-系數為2，根據原子個數守恒，反應的離子方程式為2Cr2O72-+ 3C+16H+=4Cr3++3CO2↑+8H2O，故答案為：2Cr2O72-+ 3C+16H+=4Cr3++3CO2↑+8H2O。

（2）24g碳的物質的量為2mol，與水蒸氣完全反應生成水煤氣（CO、H2），吸收了263.2kJ熱量，該反應的熱化學方程式為C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H= +131.6kJ/mol，故答案為：C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H= +131.6kJ/mol。

（3）①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1，

A.及時將CH3OH與反應混合物分離，使得平衡正向移動，有利于提高反應物轉化率，故A正確；

B.該反應正反應是放熱反應，降低反應溫度，平衡正向移動，有利于提高反應物轉化率，故B正確；

C.減小體系壓強，平衡逆向移動，不利于提高反應物轉化率，故C錯誤；

D.使用高效催化劑，不能使平衡移動，故反應物轉化率不變，故D錯誤；

故選AB。

②乙醇燃料電池中，負極上乙醇失去電子發生氧化反應生成CH3COOH，負極反應式為CH3CH2OH+H2O-4e-=C3COOH+4H+，故答案為：CH3CH2OH+H2O-4e-=CH3COOH+4H+。

③1mol氣態甲醇完全燃燒生成CO2和水蒸氣時放出熱量651kJ，可知④CH3OH(g)+3/2 O2(g)= CO2(g)+2H2O(g)，△H=－651kJ·mol－1，根據反應①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1，②CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=－283 kJ·mol－1，根據蓋斯定律，（④+①-②）/2，可得H2(g)+ O2(g)=H2O(g)△H3=-242kJmol-1，故答案為：-242kJmol-1。

④(i)根據反應CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) △H1=－116kJ·mol－1，是放熱反應，溫度越低，轉化率越高，所以曲線X對應的溫度是230℃，故答案為：230℃。

(ii)a點時，CO的轉化率為50％，反應消耗了1mol×50％=0.5molCO，消耗氫氣1mol，生成0.5mol甲醇，剩余0.5molCO，n(H2)=0.5mol， a點平衡時各組分的濃度是c(CH3OH)=0.5mol/L，c(CO)=0.5mol/L，c(H2)=0.5mol/L，則K= c(CH3OH)/ [c(CO) c2(H2)]==4，故答案為：4。

（4）根據二氧化碳和氫氧化鈉之間反應量的關系：按照1:1反應，產物是碳酸氫鈉，按照1:2反應，產物是碳酸鈉，0.2moCO2和100mL3 mol/LNaOH溶液混合，二者的物質的量之比為2:3，所以溶液是物質的量濃度相等的碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合液，混合液顯堿性，c(OH-)>c(H+)；由于碳酸根離子水解程度大于碳酸氫根離子的水解程度，所以c(HCO3-)>c(CO32-)，即c(Na+)>c(HCO3-)>c(CO32-)>c(OH-)>c(H+)，故答案為：c(Na+)>c(HCO3-)>C(CO32-)>c(OH-)>c(H+)。