Question

4．歐盟原定于2012年1月1日起征收航空碳排稅以應對冰川融化和全球變暖，使得對如何降低大氣中CO₂的含量及有效地開發(fā)利用碳資源的研究顯得更加緊迫．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．
（1）用電弧法合成的儲氫納米碳管常伴有大量的碳納米顆粒（雜質），這種顆�？捎萌缦卵趸�法提純，請完成該反應的化學方程式：
5 C+4 KMnO₄+6 H₂SO₄→5CO₂↑+4MnSO₄+2K₂SO₄+6H₂O
（2）焦炭可用于制取水煤氣．測得12g碳與水蒸氣完全反應生成水煤氣時，吸收了131.6kJ熱量．該反應的熱化學方程式為C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.6kJ•mol^-1．
（3）工業(yè)上在恒容密閉容器中用下列反應合成甲醇：
CO（g）+2H₂（g）$?_{加熱}^{催化劑}$CH₃OH（g）△H=akJ/mol．
如表所列數據是反應在不同溫度下的化學平衡常數（K）．

溫度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①判斷反應達到平衡狀態(tài)的依據是BD．
A．生成CH₃OH的速率與消耗CO的速率相等
B．混合氣體的平均相對分子質量不變
C．混合氣體的密度不變
D．CH₃OH、CO、H₂的濃度都不再發(fā)生變化
②某溫度下，將2mol CO和一定量的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，則以H₂表示的反應速率v（H₂）=0.16mol/（L•min）．
（4）CO還可以用做燃料電池的燃料，某熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率，因而受到重視，該電池用Li₂CO₃和Na₂CO₃的熔融鹽混合物作電解質，CO為負極燃氣，空氣與CO₂的混合氣為正極助燃氣，制得在650℃下工作的燃料電池，其正極反應式：O₂+2CO₂+4e^-═2CO₃^2-，則負極反應式：2CO-4e^-+2CO₃^2-=4CO₂．
（5）向BaSO₄沉淀中加入飽和碳酸鈉溶液，充分攪拌，棄去上層清液，如此處理多次，可使BaSO₄全部轉化為BaCO₃，發(fā)生反應：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）═BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq）．已知某溫度下該反應的平衡常數K=4.0×10^-2，BaSO₄的K_sp=1.0×10^-10，則 BaCO₃的溶度積K_sp=2.5×10^-9．

Answer 1

分析 （1）反應中C元素的化合價由0升高為+4價，Mn元素的化合價由+7價降低為+2價，結合化合價升降總數相等以及質量守恒定律配平；
（2）12g碳的物質的量為1mol，與水蒸氣完全反應生成CO、H₂，吸收131.6kJ熱量，據此結合熱化學方程式書寫原則進行書寫；
（3）①可逆反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等（同種物質）或正逆反應速率之比等于系數之比（不同物質），平衡時各種物質的物質的量、濃度等不再發(fā)生變化，由此衍生的一些物理量不變，以此分析；
②計算CO的濃度變化量，由方程式可知△c（H₂）=2△c（CO），根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（H₂）；
（4）燃料電池中，通入CO的一極為原電池的負極，發(fā)生氧化反應，電極反應式為2CO-4e^-+2CO₃^2-=4CO₂；
（5）根據某溫度下該反應的平衡常數K=4.0×10^-2，寫出表達式，找出與BaSO₄、BaCO₃的關系，進行計算即可．

解答 解：（1）反應中C元素的化合價由0升高為+4價，Mn元素的化合價由+7價降低為+2價，該反應中轉移20e^-，由電子守恒和質量守恒定律可知得化學反應為5C+4KMnO₄+6HSO₄=5CO₂↑+4MnSO₄+2K₂SO₄+6H₂O，
故答案為：5；4；6；5；4；2；6；
（2）12g碳的物質的量為1mol，與水蒸氣反應生成CO、H₂，吸收131.6kJ熱量，該反應的熱化學方程式C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.6 kJ•mol^-1，
故答案為：C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.6 kJ•mol^-1；
（3）①A．無論反應是否達到平衡狀態(tài)，生成CH₃OH的速率與消耗CO的速率始終相等，所以不能作為判斷平衡狀態(tài)的依據，故錯誤；
B．反應前后，混合氣體的物質的量改變，氣體的質量不變，反應達到平衡狀態(tài)時，混合氣體的相對平均分子質量不變，所以能作為判斷平衡狀態(tài)的依據，故正確；C．混合物的質量始終不變，容器的體積不變，所以混合氣體的密度始終不變，所以不能作為判斷平衡狀態(tài)的依據，故錯誤；
D．反應達到平衡狀態(tài)時，CH₃OH、CO、H₂的濃度都不再發(fā)生變化，所以能作為判斷平衡狀態(tài)的依據，故正確；
故選BD；
②△c（H₂）=2△c（CO）=2×（$\frac{2mol}{2L}$-0.2mol/L）=1.6mol/L，由v（H₂）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{1.6mol/L}{10min}$=0.16 mol/（L•min），故答案為：0.16 mol/（L•min）；
（4）燃料電池中，通入CO的一極為原電池的負極，發(fā)生氧化反應，電極反應式為2CO-4e^-+2CO₃^2-=4CO₂，通入氧氣和CO₂的混合氣體一極為原電池的正極，發(fā)生還原反應，電極反應式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；原電池電極反應，正極上的電極反應式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；負極上的電極反應式為2CO-4e^-+2CO₃^2-=4CO₂；
故答案為：2CO-4e^-+2CO₃^2-=4CO₂；
（5）反應：BaSO₄（s）+CO₃^2-（aq）?BaCO₃（s）+SO₄^2-（aq），K=4.0×10^-2=$\frac{c（S{O}_{4}^{2-}）}{c（C{O}_{3}^{2-}）}$=$\frac{c（S{O}_{4}^{2-}）}{c（C{O}_{3}^{2-}）}$×$\frac{c（B{a}^{2+}）}{c（B{a}^{2+}）}$=$\frac{Ksp（BaS{O}_{4}）}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$=$\frac{1.0×1{0}^{-10}}{Ksp（BaC{O}_{3}）}$，
Ksp（BaCO₃）=2.5×10^-9，
故答案為：2.5×10^-9．

點評 本題考查熱化學方程式的書寫、氧化還原方程式的書寫，注重高頻考點的考查，綜合性強，題目難度較大，注意書寫熱化學方程式時要注明物質的狀態(tài)．