Question

20．目前低碳經(jīng)濟(jì)已成為科學(xué)家研究的主要課題之一，如何降低大氣中CO₂的含量及有效地開(kāi)發(fā)利用CO₂，引起全世界的關(guān)注：
（1）用電弧法合成的儲(chǔ)氫材料常伴有大量的碳納米顆粒（雜質(zhì)），這些雜質(zhì)顆粒通常用硫酸酸化的錳酸鉀氧化除去，在反應(yīng)中，雜質(zhì)碳被氧化為無(wú)污染氣體而除去，Mn元素轉(zhuǎn)變?yōu)镸n²⁺，請(qǐng)寫(xiě)出對(duì)應(yīng)的化學(xué)方程式并配平：C+K₂MnO₄+2H₂SO₄=CO₂↑+MnSO₄+K₂SO₄+2H₂O；
（2）將不同量的CO（g）和H₂O（g）分別通入到體積為2L的恒容密閉容器中，進(jìn)行反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?
CO₂（g）+H₂（g），得到如下兩組數(shù)據(jù)：

實(shí)驗(yàn)組	溫度/℃	起始量/mol		平衡量/mol		達(dá)到平衡所 需時(shí)間/min
		H2O	CO	H2	CO
1	650	2	4	1.6	2.4	5
2	900	1	2	0.4	1.6	3

①實(shí)驗(yàn)2條件下平衡時(shí)H₂O 體積分?jǐn)?shù)為20%；
②下列方法中可以證明上述已達(dá)平衡狀態(tài)的是ae；
a．單位時(shí)間內(nèi)生成n mol H₂的同時(shí)生成n mol CO
b．容器內(nèi)壓強(qiáng)不再變化                  c．混合氣體密度不再變化
d．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再變化    e．CO₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再變化
③已知碳的氣化反應(yīng)在不同溫度下平衡常數(shù)的對(duì)數(shù)值（lgK）如下表，則反應(yīng)CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），在900K時(shí)，該反應(yīng)平衡常數(shù)的對(duì)數(shù)值（lgK）=0.36．

氣化反應(yīng)式	lgK
	700K	900K	1200K
C（s）+H2O（g）=CO（g）+H2（g）	-2.64	-0.39	1.58
C（s）+2H2O（g）=CO2（g）+2H2（g）	-1.67	-0.03	1.44

（3）在高溫下一氧化碳可將二氧化硫還原為單質(zhì)硫．已知：
C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H ₁=-393.5kJ•mol^-1
CO₂（g）+C（s）=2CO（g）△H ₂=+172.5kJ•mol^-1
S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H ₃=-296.0kJ•mol^-1
請(qǐng)寫(xiě)出CO除SO₂的熱化學(xué)方程式2CO（g）+SO₂（g）=S（s）+2CO₂（g）△H=-270kJ•mol^-1．
（4）25°C時(shí)，BaCO₃和BaSO₄的溶度積常數(shù)分別是8×10^-9和1×10^-10，某含有BaCO₃沉淀的懸濁液中c（CO₃^2-）=0.2mol/L，如果加入等體積的Na₂SO₄溶液，若要產(chǎn)生 BaSO₄沉淀，加入Na₂SO₄溶液的物質(zhì)的量濃度最小是0.01mol/L．
（5）25℃時(shí)，在20mL0.1mol/L醋酸中加入V mL0.1mol/LNaOH溶液，測(cè)得混合溶液的pH變化曲線如圖所示，下列說(shuō)法正確的是BC．

A．pH=3的CH₃COOH溶液和pH=11的CH₃COONa溶液中，由水電離出的c（OH^-）相等
B．①點(diǎn)時(shí)pH=6，此時(shí)溶液中，c（CH₃COO^-）-c（Na⁺）=9.9×10^-7mol/L
C．②點(diǎn)時(shí)，溶液中的c（CH₃COO^-）=c（Na⁺）
D．③點(diǎn)時(shí)V=20mL，此時(shí)溶液中c（CH₃COO^-）＜c（Na⁺）=0.1mol/L
（6）如圖是一種新型燃料電池，它以CO為燃料，一定比例的Li₂CO₃和Na₂CO₃熔融混合物為電解質(zhì)，圖2是粗銅精煉的裝置圖，現(xiàn)用燃料電池為電進(jìn)行粗銅的精煉實(shí)驗(yàn)．回答下列問(wèn)題：

①寫(xiě)出A極發(fā)生的電極反應(yīng)式CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂ ；
②要用燃料電池為電進(jìn)行粗銅的精煉實(shí)驗(yàn)，則B極應(yīng)該與D極（填“C”或“D”）相連．

Answer 1

分析 （1）由題目信息可知，C與K₂MnO₄在硫酸條件下反應(yīng)生成CO₂、MnSO₄、K₂SO₄與H₂O，反應(yīng)中K₂MnO₄中錳元素化合價(jià)降低4價(jià)，碳元素化合價(jià)升高4價(jià)，化合價(jià)升降最小公倍數(shù)為4，故K₂MnO₄前的系數(shù)是1，碳單質(zhì)前的系數(shù)是1，再根據(jù)原子守恒配平；
（2）①根據(jù)氫氣物質(zhì)的量計(jì)算消耗水的物質(zhì)的量，再計(jì)算平衡時(shí)水的物質(zhì)的量，反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變，則平衡時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量為3mol，進(jìn)而計(jì)算平衡時(shí)水的體積分?jǐn)?shù)；
②可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，同種物質(zhì)的正逆速率相等，各組分的濃度、含量不變，由此衍生的其它一些物理量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生不變，該物理量由變化到不變化說(shuō)明到達(dá)平衡；
③已知：Ⅰ．C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），令平衡常數(shù)為K₁，
Ⅱ．C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g），令平衡常數(shù)為K₂，
則Ⅱ-Ⅰ可得：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），故該反應(yīng)平衡常數(shù)K=$\frac{{K}_{2}}{{K}_{1}}$；
（3）已知：①．C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H ₁=-393.5kJ•mol^-1
②．CO₂（g）+C（s）=2CO（g）△H ₂=+172.5kJ•mol^-1
③．S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H ₃=-296.0kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①-②-③可得：2CO（g）+SO₂（g）=S（s）+2CO₂（g）；
（4）某含有BaCO₃沉淀的懸濁液中c（CO₃^2-）=0.2mol/L，根據(jù)碳酸鋇溶度積計(jì)算溶液中c（Ba²⁺），如果加入等體積的Na₂SO₄溶液，計(jì)算混合后溶液中c（Ba²⁺），如溶液中生成BaSO₄沉淀，則應(yīng)在混合液中滿足c（Ba²⁺）×c（SO₄^2-）＞1×10^-10，計(jì)算混合溶液轉(zhuǎn)化硫酸根最小濃度，原硫酸鈉溶液最小濃度為混合后溶液中硫酸根離子最小濃度2倍；
（5）A．CH₃COOH溶液、CH₃COONa溶液氫氧根離子均源于水的電離；
B．根據(jù)電荷守恒：c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-）；
C．溶液呈中性，再根據(jù)電荷守恒c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-）判斷；
D．溶液呈堿性，此時(shí)溶液中鈉離子濃度為0.05mol/L，結(jié)合電荷守恒c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-）判斷；
（6）①由圖可知，A極CO發(fā)生氧化反應(yīng)，CO失去電子與碳酸根離子結(jié)合生成二氧化碳；
②原電池中A為負(fù)極，B為正極，電解粗銅的精煉，粗銅作陽(yáng)極，連接電源正極，精銅作陰極，連接電源負(fù)極．

解答 解：（1）由題目信息可知，C與K₂MnO₄在硫酸條件下反應(yīng)生成CO₂、MnSO₄、K₂SO₄與H₂O，反應(yīng)中K₂MnO₄中錳元素化合價(jià)降低4價(jià)，碳元素化合價(jià)升高4價(jià)，化合價(jià)升降最小公倍數(shù)為4，故K₂MnO₄前的系數(shù)是1，碳單質(zhì)前的系數(shù)是1，再根據(jù)原子守恒配平后反應(yīng)方程式為：C+K₂MnO₄+2H₂SO₄=CO₂↑+MnSO₄+K₂SO₄+2H₂O，
故答案為：C+K₂MnO₄+2H₂SO₄=CO₂↑+MnSO₄+K₂SO₄+2H₂O；
（2）①實(shí)驗(yàn)2條件下平衡時(shí)生成氫氣為0.4mol，由方程式可知消耗水為0.4mol，則平衡時(shí)水的物質(zhì)的量為1mol-0.4mol=0.6mol，反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變，則平衡時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量為3mol，故平衡時(shí)水的體積分?jǐn)?shù)為$\frac{0.6mol}{2mol}$×100%=20%，
故答案為：20%；
②a．單位時(shí)間內(nèi)生成n mol H₂的同時(shí)生成n mol CO，生成的氫氣與消耗氫氣相等，反應(yīng)到達(dá)平衡，故a正確；
b．反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變，恒溫恒容下，容器內(nèi)壓強(qiáng)始終不變化，故b錯(cuò)誤；
c．混合氣體總質(zhì)量不變，容器容積不變，混合氣體密度為定值，故c錯(cuò)誤；
d．混合氣體總質(zhì)量不變，反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變，混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量始終不變，故d錯(cuò)誤；
e．隨反應(yīng)進(jìn)行二氧化碳質(zhì)量增大，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，CO₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再變化說(shuō)明到達(dá)平衡，故e正確，
故選：ae；
③已知：Ⅰ．C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），令平衡常數(shù)為K₁，
Ⅱ．C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g），令平衡常數(shù)為K₂，
則Ⅱ-Ⅰ可得：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），故該反應(yīng)平衡常數(shù)K=$\frac{{K}_{2}}{{K}_{1}}$，故lgK=lgK₂-lgK₁=-0.03-（-0.39）=0.36，
故答案為：0.36；
（3）已知：①．C（s）+O₂（g）=CO₂（g）△H ₁=-393.5kJ•mol^-1
②．CO₂（g）+C（s）=2CO（g）△H ₂=+172.5kJ•mol^-1
③．S（s）+O₂（g）=SO₂（g）△H ₃=-296.0kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①-②-③可得：2CO（g）+SO₂（g）=S（s）+2CO₂（g）△H=-270kJ•mol^-1，
故答案為：2CO（g）+SO₂（g）=S（s）+2CO₂（g）△H=-270kJ•mol^-1；
（4）某含有BaCO₃沉淀的懸濁液中，c（CO₃^2-）=0.2mol•L^-1，溶液中c（Ba²⁺）=$\frac{8×1{0}^{-9}}{0.2}$mol/L=4×10^-8mol/L，如果加入等體積的Na₂SO₄溶液，此時(shí)溶液中c（Ba²⁺）=2×10^-8mol/L，如溶液中生成BaSO₄沉淀，則應(yīng)在混合液中滿足c（Ba²⁺）×c（SO₄^2-）＞1×10^-10，則c（SO₄^2-）＞$\frac{1×1{0}^{-10}}{2×1{0}^{-8}}$mol/L=5×10^-3mol/L，則加入Na₂SO₄溶液的物質(zhì)的量濃度最小是2×5×10^-3mol/L=0.01mol/L．
故答案為：0.01；
（5）A．pH=3的CH₃COOH溶液中氫氧根離子源于水電離，濃度為10^-10mol/L，為pH=11的CH₃COONa溶液中，氫氧根離子也源于水的電離，溶液中氫氧根離子濃度為10^-3mol/L，故錯(cuò)誤；
B．①點(diǎn)時(shí)pH=6，此時(shí)溶液中c（H⁺）=10^-6mol/L，c（OH^-）=10^-8mol/L，由電荷守恒：c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-），則c（CH₃COO^-）-c（Na⁺）=c（H⁺）-c（OH^-）=10^-6mol/L-10^-8mol/L=9.9×10^-7mol/L，故B正確；
C．②點(diǎn)時(shí)溶液pH=7，則c（H⁺）=c（OH^-），根據(jù)電荷守恒：c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-），故溶液中的c（CH₃COO^-）=c（Na⁺），故C正確；
D．③點(diǎn)時(shí)V=20mL，溶液呈堿性，則c（H⁺）＜c（OH^-），根據(jù)電荷守恒：c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-），故溶液中的c（CH₃COO^-）＜c（Na⁺），此時(shí)c（Na⁺）=0.05mol/L，故D錯(cuò)誤，
故選：BC；
（6）①由圖可知，A極CO發(fā)生氧化反應(yīng)，CO失去電子與碳酸根離子結(jié)合生成二氧化碳，電極反應(yīng)式為：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂ ，
故答案為：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂ ；
②原電池中A為負(fù)極，B為正極，電解粗銅的精煉，粗銅作陽(yáng)極，連接電源正極，精銅作陰極，連接電源負(fù)極，故B極應(yīng)該與D極相連，
故答案為：D．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、平衡常數(shù)、平衡狀態(tài)判斷、氧化還原反應(yīng)方程式配平、熱化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)、離子濃度大小比較、溶度積有關(guān)計(jì)算、電化學(xué)等，是對(duì)學(xué)生綜合能力的考查，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)難度中等．