Question

近年來，由于溫室效應和資源短缺等問題，關于CO₂和碳酸鹽應用的研究受到人們的重視．某研究小組利用反應：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41.2kJ/mol，制備CO₂與H₂的混合氣體，并進一步研究CO₂與H₂以不同的體積比混合時在合適條件下的反應產(chǎn)物應用．

（1）已知：850℃時在一體積為10L的恒容密閉容器中，通入一定量的CO和H₂O，CO和H₂O濃度變化如圖1所示：
下列說法正確的是

 

（填序號）
A．達到平衡時，氫氣的物質的量是0.12mol
B．達到平衡時，反應體系最終會放出49.44kJ熱量
C．第4min始，混合氣體的平均相對分子質量不再變化
D．第6min時，若升高溫度，反應平衡常數(shù)會減小
E．第8min時，若充入氦氣，會導致v_正（CO）＜v_逆（H₂O）
（2）850℃時，若在容積為2L的密閉容器中同時充入1.0mol CO，3.0mol H₂O，amol CO₂和bmol H₂．a(chǎn)=

 

mol，b=

 

mol，該平衡與（1）中平衡是等效平衡．
（3）研究小組采用堿液吸收一定量CO₂的方法來提高混合氣中H₂與CO₂的體積比．若以1L1.5mol/L的NaOH溶液充分吸收了22.4L（已折算為標準狀況下體積）CO₂，則吸收后溶液中各離子濃度從大到小的順序是

 

．
（4）如將H₂ 與CO₂以4：1的體積比混合，在適當?shù)臈l件下可制得CH₄．已知：
CH₄ （g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（1）△H₁=-890.3kJ/mol
H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（1）△H₂=-285.8kJ/mol
則CO₂（g）與H₂（g）反應生成CH₄（g）與液態(tài)水的熱化學方程式是

 

．
（5）熔融鹽燃料電池（見圖2）是以熔融碳酸鹽為電解質，以CH₄為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料為電極．已知負極的電極反應是CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O．正極的電極反應是

 

．為了使該燃料電池長時間穩(wěn)定運行，電池的電解質組成應保持穩(wěn)定．為此電池工作時必須有部分A物質參加循環(huán)，則A物質的化學式是

 

．實驗過程中，若通入了標準狀況下空氣448L（假設空氣中O₂體積分數(shù)為20%），則熔融鹽燃料電池消耗標準狀況下CH₄

 

L．

Answer 1

考點：物質的量或濃度隨時間的變化曲線,用蓋斯定律進行有關反應熱的計算,化學電源新型電池,等效平衡,離子濃度大小的比較

專題：化學反應中的能量變化,化學平衡專題,電化學專題

分析：（1）A．由圖可知，平衡時△c（CO）=0.2mol/L-0.08mol/L=0.12mol/L，利用濃度變化量之比等于化學計量數(shù)之比計算△c（H₂），再根據(jù)n=cV計算n（H₂）；
B．850℃時該反應的反應熱△H≠-41.2kJ/mol；
C．隨反應進行，混合氣體總質量不變，總物質的量不變，平均相對分子質量不變；
D．該反應正反應是放熱反應，升高溫度平衡向逆反應移動；
E．恒容密閉容器中，若充入氦氣，體積不變，各物質的濃度不變，速率不變；
（2）根據(jù)等效平衡，若起始的量與原平衡起始的量等比例即可；
（3）二氧化碳與氫氧化鈉的反應為2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O 2NaOH+CO₂=NaHCO₃，根據(jù)方程式計算；
（4）根據(jù)蓋斯定律，由已知熱化學方程式乘以合適的系數(shù)進行加減，反應熱也乘以相應的系數(shù)進行相應的計算；
（5）燃料電池中，正極發(fā)生的反應一定是氧氣得電子的過程；電池是以熔融碳酸鹽為電解質，可以循環(huán)利用的物質只有二氧化碳；在燃料電池和電解池的串聯(lián)電路中，轉移的電子數(shù)目是相同的．

解答： 解：（1）A．由圖可知，平衡時△c（CO）=0.2mol/L-0.08mol/L=0.12mol/L，濃度變化量之比等于化學計量數(shù)之比，故△c（H₂）=△c（CO）=0.12mol/L，故n（H₂）=0.12mol/L×10L=1.2mol，故A錯誤；
B．生成1.2mol氫氣，通常條件下放出的熱量為41.2kJ×

1.2mol

1mol

=49.44kJ，850℃時該反應的反應熱△H≠-41.2kJ/mol，故B正確；
C．由圖可知4min時到達平衡，隨反應進行，混合氣體總質量不變，總物質的量不變，平均相對分子質量不變；所以混合氣體的平均相對分子質量始終不變化，故C錯誤；
D．該反應正反應是放熱反應，升高溫度平衡向逆反應移動，平衡常數(shù)減小，故D正確；
E．恒容密閉容器中，若充入氦氣，體積不變，各物質的濃度不變，速率不變，故E錯誤；
故答案為：BD．
（2）在容積為2L的密閉容器中同時充入1.0mol CO，3.0mol H₂O，amol CO₂和bmol H₂，若要與（1）中平衡是等效平衡，則全部轉化為反應物，與（1）中起始的量等比例即可；
設實際轉化的CO₂和 H₂為xmol，所以轉化為反應物時，c（CO）=

1+x

2

mol/L，c（H₂O）=

3+x

2

mol/L，已知（1）中反應物的起始量為c（CO）=0.2mol/l，c（H₂O）=0.3mol/l；
則

1+x 2

3+x 2

=

0.2

0.3

，解得：x=3；所以初始時CO₂和 H₂的物質的量均為3mol，即a=b=3；
故答案為：3；3；
（3）二氧化碳與氫氧化鈉的反應為2NaOH+CO₂=Na₂CO₃+H₂O NaOH+CO₂=NaHCO₃，已知n（NaOH）=1.5mol，n（CO₂）=1mol，
設反應生成的Na₂CO₃為xmol，NaHCO₃為ymol，則根據(jù)碳原子守恒和鈉原子守恒得：2x+y=1.5，x+y=1，解得x=0.5  y=0.5，
溶液中Na₂CO₃的水解程度大于NaHCO₃水解程度，所以溶液中c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-），溶液顯堿性，則c（OH^-）＞c（H⁺），
所以溶液中各離子濃度從大到小的順序是：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
故答案為：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
（4）已知：①CH₄ （g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁=-890.3kJ/mol
②H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（l）△H₂=-285.8kJ/mol
由蓋斯定律，②×4-①得CO₂（g）+4H₂（g）═CH₄ （g）+2H₂O（l）△H=-252.9 kJ/mol
故答案為：CO₂（g）+4H₂（g）═CH₄ （g）+2H₂O（l）△H=-252.9 kJ/mol；
（5）料電池中，正極反應一定是氧氣的電子的過程，該電池的電解質環(huán)境是熔融碳酸鹽，所以電極反應為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-）；
電池是以熔融碳酸鹽為電解質，可以循環(huán)利用的物質只有二氧化碳；
若通入了標準狀況下空氣448L（假設空氣中O₂體積分數(shù)為20%），則氧氣的物質的量為4mol，根據(jù)電極反應為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，所以轉移電子的物質的量為16mol，根據(jù)電池的負極電極反應是CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O，當轉移16mol電子時，消耗CH₄ 2mol，則CH₄在（標準狀況）的體積V=nVm=2mol×22.4L/mol=44.8L，
故答案為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-）；CO₂； 44.8．

點評：本題考查化學平衡圖象及有關計算、鹽的水解原理的應用、熱化學方程式、原電池原理的應用及電子轉移的計算等，涉及的知識點較多，題目難度較大．