Question

“低碳循环”已引起各国家的高度重视，而如何降低大气中CO₂的含量和有效地开发利用CO₂正成为化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，请完成该反应的化学方程式：

 

C+

 

KMnO₄+

 

H₂SO₄→

 

CO₂↑+

 

MnSO₄+

 

K₂SO₄+

 

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/mol		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2条件下平衡常数K=

 

．
②实验3中，若平衡时，CO的转化率大于水蒸气，则a/b的值

 

（填具体值或取值范围）．
③实验4，若900℃时，在此容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂均为1mol，则此时V_正

 

V_逆（选填“＜”，
“＞”或“=”）．
（3）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1×10^-4mol/L，则生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小浓度为

 

mol/L．
（4）最近科学家再次提出“绿色化学”构想：把空气吹入碳酸钾溶液，然后再把CO₂从溶液中提取出，经化学反应后使空气中的CO₂转变为可再生燃料甲醇．甲醇可制作燃料电池，写出以氢氧化钾为电解质甲醇燃料电池负极反应式

 

．当电子转移的物质的量为0.6mol时，参加反应的氧气的体积是

 

L（标准状况下）．

Answer 1

考点：化学平衡常数的含义,化学电源新型电池,难溶电解质的溶解平衡及沉淀转化的本质

专题：化学平衡专题,电离平衡与溶液的pH专题,电化学专题

分析：（1）利用化合价升降法配平化学方程式；
（2）①先求得各物质平衡时的浓度，再根据平衡常数等于生成物浓度系数次幂之积除以反应物浓度系数次幂之积求得平衡常数；
②在反应中当反应物的物质的量之比等于化学计量数之比时，各反应物的转化率相等，某一种反应物越多，其转化率越低，而另一种反应物的转化率则越高，据此答题；
③根据浓度商Qc与平衡常数K的大小，判断反应进行的方向，进而确定正逆反应的速率；
（3）Na₂CO₃溶液的浓度为1×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=5.0×10^-5mol/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；
（4）负极上燃料甲醇失电子发生氧化反应，正极上是氧气作氧化剂得电子发生还原反应，根据电极反应式可计算出氧气的体积．

解答： 解：（1）在反应中C从0价升到+4价，Mn元素从+7价降为+2价，利用化合价升降法及元素守恒配平化学方程式为5C+4KMnO₄+6H₂SO₄=5CO₂↑+4MnSO₄+2K₂SO₄+6H₂O，故答案为：5；4；6；5；4；2；6；
（2）①平衡时CO的物质的量为1.6mol，则：
            CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），
开始（mol）：2       1        0        0
变化（mol）：0.4     0.4      0.4      0.4
平衡（mol）：1.6     0.6      0.4      0.4
所以平衡常数K=

0.4mol 2L × 0.4mol 2L

1.6mol 2L × 0.6mol 2L

=

1

6

=0.17，故答案为：0.17；
②在反应中当反应物的物质的量之比等于化学计量数之比时，各反应物的转化率相等，某一种反应物越多，其转化率越低，而另一种反应物的转化率则越高，所以要使CO的转化率大于水蒸气，则0＜

a

b

＜1，故答案为：0＜

a

b

＜1；
③900℃时，当CO、H₂O、CO₂、H₂均为1mol时，浓度商Qc=

1 2 × 1 2

1 2 × 1 2

=1＞0.17=K，所以此时平衡要逆向移动，故V_正＜V_逆，故答案为：＜；
（3）Na₂CO₃溶液的浓度为1×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=5.0×10^-5mol/L，根据Ksp=c（CO₃^2-）?c（Ca²⁺）=2.8×10^-9可知，c（Ca²⁺）=

2.8×10-9

5×10-5

mol/L=5.6×10^-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2×5.6×10^-5mol/L=1.12×10^-4mol/L，故答案为：1.12×10^-4；
（4）燃料电池中，负极上是燃料甲醇失电子发生氧化反应，在碱性环境下，电极反应式为：CH₃OH+8OH^?-6e^-=CO₃^2-+6H₂O，正极上是氧气作氧化剂得电子发生还原反应，O₂+2H₂O+4e^-=4OH^?，转移0.6mol电子时，则参加反应的氧气的物质的量为0.15mol，其体积为0.15×22.4L=3.36L（标准状况下），
故答案为：CH₃OH+8OH^?-6e^-=CO₃^2-+6H₂O；3.36．

点评：本题主要考查了氧化还原反应的配平、化学平衡常数的计算、转化率的应用、沉淀溶解的计算、电化学知识等知识点，综合性较强，中等难度，解题时注意对基础知识的灵活运用．