Question

（2012?许昌三模）碳及其化合物的研究具有重要的现实意义．
（1）近年来，我国储氢纳米碳管研究取得重大进展，用电弧法合成的碳纳米管中常伴有大量碳纳米颗粒（杂质），这种碳纳米颗粒可用氧化气化法提纯，其反应的化学方程式为：

3

C+

2

K₂Cr₂O₇+

8

H₂SO₄

→

3

CO₂↑+

2

K₂SO₄+

2

Cr₂（SO₄）₃+

8

H₂O
请完成并配平上述化学方程式．
（2）CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
下表所列数据是在不同温度下的化学平衡常数（K）

温度	250℃	300℃	350℃
K	2.0	0.27	0.012

①在一定条件下将2mol CO和6mol H₂充入2L的密闭容器中发生反应，5分钟后测得c（CO）=0.4mol/L，算此段时间的反应速率（用H₂表示）

0.24

mol/（L?min）；
②由表中数据判断上述合成甲醇反应的△H

＜

0（填“＞”、“＜”或“=”）
③在容积为1L的恒容容器中，分别研究在230℃、250℃和270℃三种温度下合成甲醇的规律．如图是上述三种温度下不同的H₂和CO的起始组成比（起始时CO的物质的量均为1mol）与CO平衡转化率的关系请回答：
（Ⅰ）在上述三种温度中，曲线Z对应的温度是

270℃

；
（Ⅱ）利用图中a点对应的数据，计算出曲线Z在对应温度下CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常数K=

4L²?mol^-2

．
④一种燃料电池中发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳．写出该电池负极发生反应的电极方程式

CH₃OH+H₂O═CO₂+6H⁺+6e^-

．
（3）CO₂在自然界循环时可与CaCO₃反应，CaCO₃是一种难溶物质，其K_sp=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7×10^-4 mol/L，则生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小浓度为

1.6×10^-5mol/L

．

Answer 1

分析：（1）反应中C元素的化合价由0升高为+4价，Cr元素的化合价由+6价降低为+3价，结合化合价升降总数相等以及质量守恒定律配平；
（2）①依据化学反应的三段式列式计算；
②平衡常数随温度变化，温度升高K减小说明温度升高平衡左移，逆向是吸热反应，正向是放热反应；
③（Ⅰ）根据该反应为放热反应，温度越高CO的转化率越小，所以曲线Z为270℃；
（Ⅱ）根据平衡常数表达式和一氧化碳的转化率求算；
④燃料电池中，负极上甲醇失电子发生氧化反应，生成二氧化碳；
（3）Na₂CO₃溶液的浓度为7×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=7×10^-4mol/L，根据K_sp=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，一个碳化合价变化4，Cr元素的化合价由+6价降低为+3价，1个K₂Cr₂O₇化合价变化6，4和6的最小公倍数为12，由化合价升降总数相等可知，C的化学计量数为3，K₂Cr₂O₇的化学计量数为2，由于产物中有Cr₂（SO₄）₃，所以未知的反应物为H₂SO₄，最后由质量守恒定律可知得化学反应为3C+2K₂Cr₂O₇+8H₂SO₄═3CO₂+2K₂SO₄+2Cr₂（SO₄）₃+8H₂O，
故答案为：3；2；8；H₂SO₄；3；2；2；8；
（2）①依据化学平衡三段式列式得到
                CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）    2        6          0
变化量（mol）    x        2x         x
5分钟量（mol）  2-x      6-2x        x
5分钟后测得c（CO）=0.4mol/L，
所以2-x=0.4mol/L×2L，
所以x=1.2mol，
所以△c（H₂）=1.2mol/L，
用H₂表达的反应速率=

1.2mol/L

5min

=0.24mol/（L?min），
故答案为：0.24；
②表中数据分析可知随温度升高，平衡常数K减小，说明温度升高，平衡逆向进行，所以正向是放热反应，△H＜0，
故答案为：＜；
③（Ⅰ）根据该反应为放热反应，温度越高CO的转化率越小，所以曲线Z为270℃，
故答案为：270℃；
（Ⅱ）②该反应的平衡常数K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2 )

，初始时CO为2mol，H₂为3mol；
a点时，CO转化率50%，反应消耗了2mol×50%=1molCO，消耗氢气2mol，剩余1molCO，n（H₂）=3mol-2mol=1mol，生成1mol甲醇，
a点各组分的浓度是：c（CH₃OH）=0.5mol/L，c（CO）=0.5mol/L，c（H₂）=0.5mol/L，
带入表达式得：K=

0.5mol?L-1

0.5mol?L-1×(0.5mol?L-1)2

=4L²?mol^-2，
故答案是：4L²?mol^-2；
④电极上燃料失电子发生氧化反应，该燃料电池的电解质溶液呈酸性，所以负极上甲醇失电子和水反应生成二氧化碳和氢离子，电极反应式为：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂+6H⁺，
故答案为：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂+6H⁺；
（3）Na₂CO₃溶液的浓度为7×10^-4mol/L，等体积混合后溶液中c（CO₃^2-）=

1

2

×7×10^-4mol/L=3.5×10^-4mol/L，
根据K_sp=c（CO₃^2-）?c（Ca²⁺）=2.8×10^-9可知，
c（Ca²⁺）=

2.8×10-9

3.5×10-4

mol/L=0.8×10^-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2×0.8×10^-5mol/L=1.6×10^-5mol/L，
故答案为：1.6×10^-5mol/L．

点评：本题考查了氧化还原反应的配平，反应速率的计算，反应平衡常数的计算、原电池原理，溶度积常数的应用，本题难度中等．