Question

3．碳及其化合物广泛存在于自然界中，试回答下列问题：
（1）某处碳循环如图l所示，CaCO₃ 转化为HCO₃^-的离子方程式为CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-．

（2）常温常压下，空气中的CO₂溶于水，达到平衡时，无机碳在溶液中以4 种形式存在，其转化关系如下：
①CO₂（g）+H₂O?H₂CO₃   K=10^-2.8
②H₂CO₃?H⁺+HCO₃^- K₁=10^-3.5，
③HCO₃^-?H⁺+CO₃^2- k₂=10^-10.3，
若溶液中．c（CO₂）=1.0×10^-5mol/L，且忽略水的电离及H₂CO₃的第二级电离，则溶液pH=5.65．
（3）某化学小组为了测量湖水中无机碳的含量，量取100mL湖水，酸化后用N₂吹出CO₂，再用NaOH溶液吸收．将吸收液用01.0mol/L盐酸滴定，生成的V（CO₂）随V（盐酸） 变化关系如图2所示，则吸收液中离子浓度由大到小机碳的浓度为c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺），湖水中无机碳的浓度为0.01mol/L．
（4）研究人员设设计出一种新型太阳能电池，能直接把一氧化碳和水转化成CO、H₂和0₂，原理如图3所示，该装置中能量的转化方式为太阳能转化为电能，电能转化为化学能，催化剂b表面的电极反应式为2H⁺+2e^-=H₂↑（或2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-），2H⁺+CO₂+2e^-=CO+H₂O．
（5）利用（4）中产生的CO和H₂，通过反应：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）制备甲醇，若起始时在密闭容器中按物质的量之比1：2充入CO和H₂，测得平衡时a（CO）随T、P的变化关系如图4所示．
①P₁小于P₂（填“大于”、“小于”或“等于”）；
②该反应在195℃P₂条件下达到平衡后，c（H₂）=0.2mol/L，则该反应的平衡常数为25L²/mol²．

Answer 1

分析 （1）根据图1的碳循环示意图，大气中的CO₂和CaCO₃和水参加反应，生成Ca（HCO₃）₂，据此写出反应的离子方程式；
（2）根据多重平衡计算反应：CO₂（g）+H₂O?H⁺+HCO₃^- 的平衡常数，按照可逆反应的计算平衡时溶液中的c（H⁺），忽略二级电离和水的电离，据此计算溶液的pH；
（3）根据图象分析，消耗盐酸体积20mL前，反应并未产生CO₂，再消耗HCl10mL，反应产生CO₂，据此判断，溶液中的组分应为过量的NaOH和Na₂CO₃，溶液为碱性，据此分析溶液中的离子浓度大小，根据反应的方程式和图象计算无机碳的浓度；
（4）根据装置图分析，存在太阳能，电能，化学能，太阳能转化为电能，电能转化为化学能，催化剂b表面得到H⁺，发生反应，可见催化剂b的电极为阴极，反应产生H₂，也考虑到电池能直接将CO₂转化为CO和水，据此写出电极反应式；
（5）①反应为：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），随着反应进行，气体分子数减少，体系的压强减小，增大压强有助于反应向正反应方向移动，增大反应物CO的平衡转化率，结合图象据此分析；
②该反应在195℃P₂条件下达到平衡后，c（H₂）=0.2mol/L，根据反应的平衡常数的表达式，代入各组分的平衡浓度计算．

解答 解：（1）根据图1的碳循环示意图，大气中的CO₂和CaCO₃和水参加反应，生成Ca（HCO₃）₂，则CaCO₃ 转化为HCO₃^-的离子方程式为：CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-，
故答案为：CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-；
（2）反应①+②得到：CO₂（g）+H₂O?H⁺+HCO₃^-，根据多重平衡规则，该反应的平衡常数为K=K₁•K₂=10^-6.3，若溶液中c（CO₂）=1.0×10^-5mol/L，且忽略水的电离及H₂CO₃的第二级电离，设平衡时c（H⁺）=c（HCO₃^-）=xmol/L，c（CO₂）=（1.0×10^-5-x）mol/L，平衡常数为K=$\frac{{x}^{2}}{1.0×1{0}^{-5}-x}$=10^-6.3，解得c（H+）=xmol/L=10^-5.65mol/L，则溶液的pH=-lgc（H⁺）=5.65，
故答案为：5.65；
（3）根据图象分析，消耗盐酸体积20mL前，反应并未产生CO₂，再消耗HCl10mL，反应产生CO₂，据此判断，溶液中的组分应为过量的NaOH和Na₂CO₃，溶液为碱性，NaOH过量会抑制CO₃^2-的水解，综合考虑，则溶液中离子浓度大小顺序应为：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺），
消耗盐酸体积20mL前，反应并未产生CO₂，再消耗HCl10mL，反应产生CO₂，按照滴定反应：Na₂CO₃+HCl═NaHCO₃+NaCl，NaHCO₃+HCl═NaCl+H₂O+CO₂↑，再结合图象，显然0～10mL是发生酸碱中和，10～30mL才是发生滴定反应，参加滴定反应消耗盐酸的体积为20mL，根据反应关系，则Na₂CO₃的物质的量为$\frac{1}{2}$×1.0mol/L×20×10^-3L=1×10^-2mol，根据C元素守恒，则无机碳的物质的量为0.01mol，
故答案为：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺）；0.01；
（4）根据装置图分析，存在太阳能，电能，化学能，太阳能转化为电能，为电解池提供电解能源，电解池能将电能转化为化学能，
催化剂b表面得到H⁺，发生反应，可见催化剂b的电极为阴极，反应产生H₂，也考虑到电池能直接将CO₂转化为CO和水，则催化剂b表面的电极反应式为2H⁺+2e^-=H₂↑（或2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-），2H⁺+CO₂+2e^-=CO+H₂O，
故答案为：太阳能转化为电能，电能转化为化学能；2H⁺+2e^-=H₂↑（或2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-），2H⁺+CO₂+2e^-=CO+H₂O；
（5）①反应为：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），随着反应进行，气体分子数减少，体系的压强减小，增大压强有助于反应向正反应方向移动，增大反应物CO的平衡转化率，则表现为：高压强对应高的CO转化率，所以压强大小为：p₁小于p₂，
故答案为：小于；
②该反应在195℃P₂条件下达到平衡后，c（H₂）=0.2mol/L，反应为：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），起始时在密闭容器中按物质的量之比1：2充入CO和H₂，根据图象，195℃时，CO的转化率为50%，由于反应起始按照化学计量比冲入，则CO和H₂的平衡转化率相等，均为50%，所以平衡时，c（CO）=0.1mol/L，c（H₂）=0.2mol/L，c（CH₃OH）=0.1mol/L，该反应的平衡常数为K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）c（CO）}$=25L²/mol²，
故答案为：25L²/mol²．

点评 本题考查化学原理部分知识，包含离子方程式的书写，平衡常数的计算，溶液中pH的计算，离子浓度大小的比较，能量的转化，涉及的知识点较多，为高频考点，题目难度中等．