Question

3．有效地开发利用碳资源可适当解决能源危机．运用化学反应原理的相关知识研究碳及其化合物的性质．
（1）煤炭合成气，其主要成分是CO和H₂．可作为能源和化工原料，应用十分广泛．
已知：C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ/mol①
C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H₂=+131.3kJ/mol②
则反应CO（g）+H₂（g）+O₂（g）=H₂O（g）+CO₂（g），△H=-524.8KJ/mol．
（2）用煤炭气（CO、H₂）作燃气的燃料电池，以NaOH溶液做电解质制成．负极的电极反应式为：CO+H₂-4e^-+6OH^-=CO₃^2-+4H₂O；则正极反应式为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．
OH^-向负极移动．
（3）在2L的密闭容器中，高温下发生反应：Fe（s）+CO₂（g）?FeO（s）+CO（g）
其中CO₂、CO的物质的量随时间（min）的变化如图所示．
①反应在1min时第一次达到平衡状态，固体的质量增加了3.2g．用CO的浓度变化表示的反应速率υ（CO）=0.1mol•L^-1•min^-1．
②反应进行至2min时，若只改变一个条件，曲线发生的变化如图所示，3min时再次达到平衡，则△H＞0（填“＞”、“＜”或“=”，下同）．第一次平衡与第二次平衡的平衡常数相比，K₁＜K₂．
③5min时再充入少量的CO（g），平衡发生移动．表示n（CO₂）变化的曲线是b（填写字母）．
（4）CaCO₃是一种难溶物质，其Ksp=2.8×10^-9．现将等体积的CaCl₂溶液与Na₂CO₃溶液混合，若Na₂CO₃溶液的浓度为7×10^-4mol/L，则生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小物质的量浓度为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
依据盖斯定律①-②得到CO（g）+H₂（g）+O₂（g）=H₂O（g）+CO₂（g），依据热化学方程式和盖斯定律来计算得到；
（2）燃料电池中燃料在负极失电子发生氧化反应，氧气在正极得到电子发生还原反应，阳离子移向正极，阴离子移向负极；
（3）①固体质量增加3.2g，求出生成FeO的量，然后求出二氧化碳的变化量及反应速率；
②新平衡时CO物质的量增加，可判断平衡向正方向移动；
③浓度变化分析反应速率变化判断；
（4）Na₂CO₃溶液的浓度为7×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=3.5×10^-4mol/L，根据Ksp=c（CO₃^2-）•c（Ca²⁺）计算沉淀时混合溶液中c（Ca²⁺），原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为混合溶液中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
依据盖斯定律①-②得到CO（g）+H₂（g）+O₂（g）=H₂O（g）+CO₂（g），△H=-524.8KJ/mol；
故答案为：-524.8；
（2）用煤炭气（CO、H₂）作燃气的燃料电池，以NaOH溶液做电解质制成．负极的电极反应式为：CO+H₂-4e^-+6OH^-=CO₃^2-+4H₂O；则正极反应式为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，
故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；负；
（3）①Fe（s）+CO₂（g）?FeO（s）+CO（g）中Fe→FeO，固体质量增加3.2g为氧元素的质量，则氧元素的物质的量为0.2mol，说明生成FeO为0.2mol，所以消耗的二氧化碳为0.2mol，所以v（CO₂）=$\frac{\frac{0.2mol}{2L}}{1min}$=0.1mol•L^-1•min^-1，速率之比等于化学方程式计量数之比，v（CO）=0.1mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.1mol•L^-1•min^-1；
②由于建立新平衡时CO物质的量增加，可知升高温度，平衡正向移动，说明正反应吸热，即△H＞0；
平衡常数K=$\frac{c（CO）}{c（C{O}_{2}）}$，由于一氧化碳的浓度增加，二氧化碳的浓度减小，所以平衡常数变大，即K₁＜K₂；
故答案为：＞；＜；
③充入CO，CO浓度增大，逆反应速率增大，之后逐渐减小；5min时CO₂浓度不变，正反应速率不变，平衡逆向移动，CO₂浓度增大，正反应速率逐渐增大；n（CO₂）的物质的量从原平衡曲线逐渐增大；
故答案为：b；
（4）Na₂CO₃溶液的浓度为7×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=$\frac{1}{2}$×7×10^-4mol/L=3.5×10^-5mol/L，根据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溶液的最小浓度为混合溶液中c（Ca²⁺）的2倍，故原溶液CaCl₂溶液的最小浓度为2×8×10^-5mol/L=1.6×10^-4mol/L，
故答案为：1.6×10^-4mol/L．

点评 本题考查了化学平衡的影响因素、平衡状态的判断、反应速率的计算等，难度中等．随着反应进行变化的物理量不再变化，说明到达平衡．