Question

18．碳和碳的化合物在生產(chǎn)、生活中的應用非常廣泛，在提倡健康生活已成潮流的今天，“低碳生活”不再只是理想，更是一種值得期待的新的生活方式，請運用化學反應原理的相關知識研究碳及其化合物的性質(zhì)．
（1）近年來，我國儲氫納米碳管研究取得重大進展，用電弧法合成的碳納米管中常伴有大量碳納米顆粒（雜質(zhì)），這種碳納米顆�？捎醚趸瘹饣�法提純，其反應化學方程式為：
3C+2K₂Cr₂O₇+8H₂SO₄=3CO₂↑+2K₂SO₄+2Cr₂（SO₄）₃+8H₂O
請完成并配平上述化學方程式．其中氧化劑是K₂Cr₂O₇，氧化產(chǎn)物是CO₂
（2）工業(yè)上一般在恒容密閉容器中采用下列反應合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H
下表所列數(shù)據(jù)是該反應在不同溫度下的化學平衡常數(shù)（Κ）．

溫 度	250℃	300℃	350℃
Κ	2.041	0.270	0.012

①由表中數(shù)據(jù)判斷△H＜0 （填“＞”、“=”或“＜”）．
②某溫度下，將2mol CO和6mol H₂充入2L的密閉容器中，充分反應 10min后，達到平衡時測得c（CO）=0.2mol/L，則此時的溫度為250℃．
③請在下列坐標中的畫出②中求得溫度下CO、H₂和 CH₃0H的濃度隨時間變化的曲線，并進行適當?shù)臉俗ⅲ?br />（3）工業(yè)上也可以用CO₂和H₂反應制得甲醇．在2×10⁵Pa、300℃的條件下，若有440g CO₂與H₂恰好完全反應生成甲醇和水，放出495kJ的熱量，試寫出該反應的熱化學方程式CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5KJ•mol^-1．
（4）以CH₃OH為燃料（以 KOH 溶液作電解質(zhì)溶液）可制成CH₃OH燃料電池，則充入CH₃OH的電極為負極，充入O₂電極的反應式為O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-．

Answer 1

分析 （1）反應中C元素化合價由0價升高為+4，化合價升高共4價，Cr元素化合價由+價降低為+3，化合價總降低6價，化合價升降最小公倍數(shù)為12，故C的系數(shù)為3，K₂Cr₂O₇系數(shù)為2，再根據(jù)原子守恒配平，可知缺項為H₂SO₄；
所含元素化合價降低的反應物為氧化劑，所含元素化合價升高反應物為還原劑，還原劑發(fā)生氧化反應生成氧化產(chǎn)物；
（2）①由表中數(shù)據(jù)可知，隨溫度升高平衡常數(shù)減小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，正反應為放熱反應；
②計算平衡時各組分的濃度，代入K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$計算平衡常數(shù)，可以確定溫度；
③隨反應進行，反應物濃度降低、生成物濃度增大，作圖中注明物質(zhì)的起始濃度、平衡濃度以及反應到達平衡的時間；
（3）發(fā)生反應：CO₂+3H₂=CH₃OH+H₂O，計算1mol二氧化碳反應放出的熱量，注明物質(zhì)的聚集狀態(tài)與反應熱書寫熱化學方程式；
（4）以CH₃OH為燃料（ KOH 溶液作電解質(zhì)溶液）可制成CH₃OH燃料電池，甲醇發(fā)生氧化反應，在負極充入，氧氣發(fā)生還原反應，獲得電子，堿性條件下生成氫氧根離子．

解答 解：（1）反應中C元素化合價由0價升高為+4，化合價升高共4價，Cr元素化合價由+價降低為+3，化合價總降低6價，化合價升降最小公倍數(shù)為12，故C的系數(shù)為3，K₂Cr₂O₇系數(shù)為2，再根據(jù)原子守恒配平，可知缺項為H₂SO₄，配平后方程式為：3C+2K₂Cr₂O₇+8 H₂SO₄=2CO₂↑+2K₂SO₄+2Cr₂（SO₄）₃+8H₂O，其中氧化劑是K₂Cr₂O₇，氧化產(chǎn)物是CO₂，
故答案為：3、2、8 H₂SO₄=3、2、2、8；K₂Cr₂O₇；CO₂；
所含元素化合價降低的反應物為氧化劑，所含元素化合價升高反應物為還原劑，還原劑發(fā)生氧化反應生成氧化產(chǎn)物；
（2）①由表中數(shù)據(jù)可知，隨溫度升高平衡常數(shù)減小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，而升高溫度平衡向吸熱反應移動，故正反應為放熱反應，即△H＜0
故答案為：＜；
②某溫度下，將2mol CO和6mol H₂充入2L的密閉容器中，充分反應 10min后，達到平衡時測得c（CO）=0.2mol/L，則：
             CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L）：1      3         0
變化量（mol/L）：0.8   1.6       0.8
平衡量（mol/L）：0.2    1.4       0.8
平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.8}{0.2×1．{4}^{2}}$=2.401，故溫度為250℃，
故答案為：250℃；
③隨反應進行，反應物濃度降低、生成物濃度增大，②中求得溫度下CO、H₂和 CH₃0H的濃度隨時間變化的曲線為：，
故答案為：；
（3）發(fā)生反應：CO₂+3H₂=CH₃OH+H₂O，1mol二氧化碳反應放出的熱量為495kJ×$\frac{1mol×44g/mol}{440g}$=49.5kJ，故反應熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5KJ•mol^-1，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5KJ•mol^-1；
（4）以CH₃OH為燃料（ KOH 溶液作電解質(zhì)溶液）可制成CH₃OH燃料電池，甲醇發(fā)生氧化反應，在負極充入，氧氣發(fā)生還原反應，獲得電子，堿性條件下生成氫氧根離子，電極反應式為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，
故答案為：氟；O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-．

點評 本題考查平衡常數(shù)計算及影響因素、氧化還原反應配平、熱化學方程式書寫、原電池等，題目比較綜合，較好的考查學生分析計算能力，難度中等．