Question

2．碳及其化合物廣泛存在于自然界中，試回答下列問題：
（1）某處碳循環(huán)如圖1所示，CaCO₃轉(zhuǎn)化為HCO₃^-的離子方程式為CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-．
（2）常溫常壓下，空氣中的CO₂溶于水，達到平衡時，無機碳在濃液中以4種形式存在，其轉(zhuǎn)化關(guān)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，且忽略水的電離及H₂CO₃的第二級電離，則溶液pH=5.65．
 （3）某化學(xué)小組為了測量湖水中無機碳的含量，量取 100mL湖水，酸化后用N₂吹出CO₂，再用NaOH溶液吸收，將吸收液用0.10mol/L鹽酸滴定，生成的V（CO₂）隨V （鹽酸）變化關(guān)系如圖2所示，則吸收液中離子濃度由大到小的順序為c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）（不用寫出H⁺），湖水中無機碳的濃度為0.01mol/L．
（4）一定條件下，CO₂和H₂O可以轉(zhuǎn)化為CO和H₂，通過反應(yīng)：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）制備甲醇，若起始時在密閉容器中按物質(zhì)的量之比1：2充入CO和H₂，測得平衡時CO轉(zhuǎn)化率a （CO）隨T、P的變化關(guān)系如圖4所示．

①P₁小于P₂（填“大于”、“小于”或“等于”）；
②該反應(yīng)在195℃、P₂條件下達到平衡后，c（H₂）=0.5mol/L，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)為4．
③已知CH₃OH和CO的燃燒熱分別725.8kJ/mol、283.0kJ/mol，1mol液態(tài)水變成氣態(tài)水吸熱44.0kJ，寫出甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和氣態(tài)水的熱化學(xué)方程式：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）△H=-354.8kJ∕mol．
（5）用CH₃OH和O₂組合形成的質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖3，則a電極的反應(yīng)方程式為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）碳酸鈣、二氧化碳和水反應(yīng)生成可溶性的碳酸氫鈣；
（2）方程式①+②得CO₂（g）+H₂O?H⁺+HCO₃^-  K=10^-2.8×10^-3.5=10^-6.3，
c（H⁺）=$\sqrt{K．c（C{O}_{2}）}$，則溶液的pH=-lg$\sqrt{K．c（C{O}_{2}）}$；
（3）碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)方程式為Na₂CO₃+HCl=NaHCO₃+NaCl、NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，如果吸收液中完全是碳酸鈉，第一步、第二步反應(yīng)消耗的酸體積應(yīng)該相同，實際上沒有生成二氧化碳消耗的HCl是生成二氧化碳消耗鹽酸的2倍，說明溶液中還含有NaOH，且c（NaOH）=c（Na₂CO₃），溶液呈堿性，且碳酸根離子部分水解；
根據(jù)原子守恒計算C含量；
（4）①相同溫度下，增大壓強平衡正向移動，CO轉(zhuǎn)化率增大；
②該反應(yīng)在195℃、P₂條件下，加入的氫氣和CO物質(zhì)的量之比等于該反應(yīng)中其計量數(shù)之比，所以CO和氫氣的轉(zhuǎn)化率相同都是50%，平衡時c（H₂）=0.5mol/L，則c（CO）=0.25mol/L，參加反應(yīng)的c（CO）=0.25mol/L，生成的c（CH₃OH）=0.25mol/L，化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$；
③由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ•mol^-1和-725.8kJ•mol^-1，水的摩爾蒸發(fā)焓為44.0 kJ/mol，則
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-725.8kJ•mol^-1
③H₂O（l）=H₂O（g）△H=-44KJ/mol
由蓋斯定律可知用②-①+③×2得到熱化學(xué)方程式；
（5）該燃料電池中，根據(jù)氫離子移動方向知，a是負極、b是正極，負極上甲醇失電子生成二氧化碳和氫離子．

解答 解：（1）碳酸鈣、二氧化碳和水反應(yīng)生成可溶性的碳酸氫鈣，離子方程式為CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-，
故答案為：CO₂+CaCO₃+H₂O=Ca²⁺+2HCO₃^-；
（2）方程式①+②得CO₂（g）+H₂O?H⁺+HCO₃^-  K=10^-2.8×10^-3.5=10^-6.3，
c（H⁺）=$\sqrt{K．c（C{O}_{2}）}$，則溶液的pH=-lg$\sqrt{K．c（C{O}_{2}）}$=-lg$\sqrt{1{0}^{-6.3}×1.0×1{0}^{-5}}$=5.65，
故答案為：5.65；
（3）碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)方程式為Na₂CO₃+HCl=NaHCO₃+NaCl、NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O，如果吸收液中完全是碳酸鈉，第一步、第二步反應(yīng)消耗的酸體積應(yīng)該相同，實際上沒有生成二氧化碳消耗的HCl是生成二氧化碳消耗鹽酸的2倍，說明溶液中還含有NaOH，且c（NaOH）=c（Na₂CO₃），溶液呈堿性，且碳酸根離子部分水解，所以溶液中離子濃度大小順序是c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）；
和碳酸氫鈉反應(yīng)消耗的HCl體積是10mL，則n（HCl）=0.10mol/L×0.010L=0.001mol，根據(jù)方程式NaHCO₃+HCl=NaCl+CO₂↑+H₂O得n（HCl）=n（NaHCO₃）=0.001mol，根據(jù)碳原子守恒得n（C）=n（NaHCO₃）=0.001mol，所以湖水中無機碳的濃度為=$\frac{0.001mol}{0.1L}$=0.01mol/L，
故答案為：c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）；0.01；
（4）①相同溫度下，增大壓強平衡正向移動，CO轉(zhuǎn)化率增大，根據(jù)圖知，相同溫度下P₁條件下的CO轉(zhuǎn)化率小于P₂，則P₁小于P₂，故答案為：小于；
②該反應(yīng)在195℃、P₂條件下，加入的氫氣和CO物質(zhì)的量之比等于該反應(yīng)中其計量數(shù)之比，所以CO和氫氣的轉(zhuǎn)化率相同都是50%，平衡時c（H₂）=0.5mol/L，則c（CO）=0.25mol/L，參加反應(yīng)的c（CO）=0.25mol/L，生成的c（CH₃OH）=0.25mol/L，化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.25}{0.25×0．{5}^{2}}$=4，
故答案為：4；
③由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ•mol^-1和-725.8kJ•mol^-1，則
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-725.8kJ•mol^-1
③H₂O（l）=H₂O（g）△H=-44KJ/mol
由蓋斯定律可知用②-①+③×2得反應(yīng)CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（g），該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H=-725.8kJ•mol^-1-（-283.0kJ•mol^-1）+2×44KJ/mol=-354.8kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH （l）+O₂（g）=CO （g）+2H₂O （g）△H=-354.8 kJ∕mol；
（5）該燃料電池中，根據(jù)氫離子移動方向知，a是負極、b是正極，負極上甲醇失電子生成二氧化碳和氫離子，電極反應(yīng)式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，故答案為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．

點評 本題考查較綜合，涉及化學(xué)平衡計算、蓋斯定律、離子濃度大小比較、電化學(xué)等知識點，側(cè)重考查學(xué)生理解、分析及計算能力，明確化學(xué)反應(yīng)原理是解本題關(guān)鍵，注意（4）題中如果“加入的氣體反應(yīng)物物質(zhì)的量之比等于其計量數(shù)之比，則其轉(zhuǎn)化率相等”，題目難度不大．