Question

“低碳循环”引起各国的高度重视，而如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起了全世界的普遍重视．所以“低碳经济”正成为科学家研究的主要课题
（1）用电弧法合成的储氢纳米碳管常伴有大量的碳纳米颗粒（杂质），这种颗粒可用如下氧化法提纯，请完成该反应的离子化学方程式：

 

 C+

 

 MnO₄^-+

 

 H⁺→

 

CO₂↑+

 

Mn²⁺

 

H₂O
（2）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中，进行反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三组数据：

实验组	温度℃	起始量/molm]		平衡量/mol		达到平衡所需时间/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实验1中以v （CO₂） 表示的反应速率为

 

 （取小数二位，下同）．
②该反应为

 

（填“吸”或“放”）热反应，实验2条件下平衡常数K=

 

．
（3）已知在常温常压下：
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
写出甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式：

 

（4）甲醇被称为21世纪的新型燃料，近几年开发的甲醇燃料电池的工作原理如图．
通入O₂的电极为

 

极（填电极名称），写出甲醇阴极的电极反应

 

（5）CO₂在自然界循环时可与CaCO₃反应，CaCO₃是一种难溶物质，其Ksp=2.8×10^-9．CaCl₂溶液与Na₂CO₃溶液混合可形成CaCO₃沉淀，现将等体积的CaCl₂溶液与Na₂CO₃溶液混合，若Na₂CO₃溶液的浓度为2×10^-4mo1/L，则生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小浓度为

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,氧化还原反应方程式的配平,用盖斯定律进行有关反应热的计算,原电池和电解池的工作原理,难溶电解质的溶解平衡及沉淀转化的本质

专题：

分析：（1）反应中C元素的化合价由0升高为+4价，Mn元素的化合价由+7价降低为+2价，结合化合价升降总数相等以及元素守恒配平；
（2）①依据化学平衡三段式列式结合化学反应速率计算；
②计算实验1、2达到平衡的平衡常数比较判断反应进行的方向；
（3）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式；
（4）甲醇燃料电池，甲醇在负极失电子发生氧化反应碱溶液中生成碳酸盐，正极氧气得到电子生成氢氧根离子；
（5）Na₂CO₃溶液的浓度为2×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=1×10^-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）反应中C元素的化合价由0升高为+4价，Mn元素的化合价由+7价降低为+2价，该反应中转移20e^-，由电子守恒和元素守恒定律可知：碳和二氧化碳前系数为5，高锰酸钾和硫酸锰化学式前为4，得离子反应为5C+4MnO₄^-+12H+=5CO₂↑+4Mn²⁺+6H₂O，
故答案为：5；4；12；5；4；6；
（2）①依据化学平衡三段式列式计算，
                CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）    4       2         0       0
变化量（mol）   1.6     1.6        1.6     1.6
平衡量（mol）   2.4     0.4        1.6     1.6
所以以v （CO₂） 表示的反应速率=

1.6mol 2L

6min

=0.13mol/（L?min）；
故答案为：0.13mol/（L?min）；
 ②实验1         CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol/L） 2       1        0         0
变化量（mol/L） 0.8    0.8     0.8       0.8
平衡量（mol/L） 1.2    0.2     0.8       0.8
K₁=

0.8×0.8

1.2×0.2

=2.7
实验2           CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol/L） 1       0.5        0       0
变化量（mol/L） 0.2     0.2       0.2     0.2
平衡量（mol/L） 0.8     0.3      0.2    0.2
K₂=

0.2×0.2

0.8×0.3

=0.17
温度升高，平衡常数减小，说明平衡逆向进行，逆向是吸热反应，正反应方向是放热反应；
故答案为：放热；0.17； 
（3）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1275.6kJ/mol
②2CO （g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H₃=-44.0kJ/mol
依据盖斯定律①-②+③×4得到2CH₃OH（l）+2O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H=-442.8 kJ∕mol；
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8 kJ∕mol；
（4）甲醇燃料电池，甲醇在负极失电子发生氧化反应碱溶液中生成碳酸盐，即CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，正极上是氧气得到电子生成氢氧根离子，
故答案为：正； CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
（5）Na₂CO₃溶液的浓度为2×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=

1

2

×2×10^-4mol/L=1×10^-4mol/L，根据Ksp=c（CO₃^2-）?c（Ca²⁺）=2.8×10^-9可知，c（Ca²⁺）=

2.8×10-9

1×10-4

mol/L=2.8×10^-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2×2.8×10^-5mol/L=5.6×10^-5mol/L．
故答案为：5.6×10^-5．

点评：本题考查了氧化还原反应配平，原电池原理的分析判断，化学平衡影响因素和平衡常数的计算方法，热化学方程式计算应用，掌握基础是关键，题目难度中等．