Question

欧盟原定于2012年1月1日起征收航空碳排税以应对冰川融化和全球变暖，使得对如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用碳资源的研究显得更加紧迫。请运用化学反应原理的相关知识研究碳及其化合物的性质。

(1)近年来，我国储氢纳米碳管研究取得重大进展，用电弧法合成的碳纳米管中常伴有大量碳纳米颗粒(杂质)，这种碳纳米颗粒可用氧化气化法提纯，其反应的化学方程式为：

__C+__K₂Cr₂O₇+__→__CO₂↑+__K₂SO₄+__Cr₂(SO₄)₃+_H₂O

请完成并配平上述化学方程式。

(2)甲醇是一种新型燃料，甲醇燃料电池即将从实验室走向工业化生产。工业上一般以CO和H₂为原料合成甲醇，该反应的热化学方程式为：CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)   △H₁=-116 kJ⋅mol^-1

①下列措施中有利于增大该反应的反应速率的是___；

A.随时将CH₃OH与反应混合物分离     B.降低反应温度

C.增大体系压强                       D.使用高效催化剂

②已知：CO(g)+O₂(g)=CO₂(g)  △H₂=-283 kJ⋅mol^-1；

H₂(g)+O₂(g)=H₂O(g)  △H₃=-242 kJ⋅mol^-1

则表示1 mol气态甲醇完全燃烧生成CO₂和水蒸气时的热化学方程式为___；

③在容积为1 L的恒容容器中，分别研究在230℃、250℃和270℃三种温度下合成甲醇的规律。如图是上述三种温度下不同的H₂和CO的起始组成比(起始时CO的物质的量均为1 mol)与CO平衡转化率的关系。

请回答：

ⅰ)在上述三种温度中，曲线Z对应的温度是______；

ⅱ)利用图中a点对应的数据，计算出曲线Z在对应温度下CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)的平衡常数K=___。

(3)CO₂在自然界循环时可与CaCO₃反应，CaCO₃是一种难溶物质，其K_sp=2.8×10^-9。CaCl₂溶液与Na₂CO₃溶液混合可形成CaCO₃沉淀，现将等体积的CaCl₂溶液与Na₂CO₃溶液混合，若Na₂CO₃溶液的浓度为7×10^-4 mol/L，则生成沉淀所需CaCl₂溶液的最小浓度为___。

Answer

3 2 8H2SO4 3 2 2 8 CD CH3OH(g)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=-651 kJ/mol 270℃ 4 L2⋅mol-2 1.6×10-5 mol/L

【解析】

(1)反应中C元素的化合价由0升高为+4价，Cr元素的化合价由+6价降低为+3价，结合化合价升降总数相等以及质量守恒定律配平；

(2)①根据平衡移动原理进行判断，温度升高，反应速率加快，使用催化剂，反应速率加快；

②根据盖斯定律和题中热化学方程式写出甲醇完全燃烧生成二氧化碳的热化学方程式；

③ⅰ）根据温度对平衡移动的影响分析；

ⅱ）根据平衡常数表达式和一氧化碳的转化率求算；

(3)根据Ksp=c(Ca2+)•c(CO32-)计算。

(1)反应中C元素的化合价由0升高为+4价，一个碳原子化合价变化4，Cr元素的化合价由+6价降低为+3价，1个K2Cr2O7化合价变化6，4和6的最小公倍数为12，由化合价升降总数相等可知，C的化学计量数为3，K2Cr2O7的化学计量数为2，由于产物中有Cr2(SO4)3，所以未知的反应物为H2SO4，最后由质量守恒定律可知得化学反应为3C+2K2Cr2O7+8H2SO4=3CO2↑+2K2SO4+2Cr2(SO4)3+8H2O，故缺项由前到后依次为：3、2、8H2SO4、3、2、2、8；

(2)①A. 随时将CH3OH与反应混合物分离，反应速率减小，A错误；

B. 温度降低，反应速率变小，B错误；

C. 压强增大，反应速率加快，C正确；

D. 使用催化剂，反应速率加快，D正确；

故合理选项是CD；

②(i)根据反应①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=-116 kJ⋅mol-1，

(ii)CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=-283 kJ⋅mol-1；

(iii)H2(g)+O2(g)=H2O(g) △H3=-242 kJ⋅mol-1，

根据盖斯定律：(ii)+(iii)×2-(i)得：CH3OH(g)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=-651 kJ•mol-1；

③ⅰ）该反应的正反应为放热反应，温度升高，平衡向吸热的逆反应方向移动，使CO的转化率越小，所以曲线Z表示的温度为270℃；

ⅱ）化学平衡常数是可逆反应达到平衡状态时各种生成物浓度幂之积与各种反应物浓度幂之积的比，所以该反应的平衡常数K=，反应容器容积为1 L，初始时CO为1 mol，H2为1.5 mol；a点时，CO转化率50%，反应消耗CO物质的量为1 mol×50%=0.5 mol，消耗氢气1 mol，剩余n(CO)=0.5 mol，n(H2)=1.5 mol-1 mol=0.5 mol，生成0.5 mol甲醇，a点各组分的浓度是：c(CH3OH)=0.5mol/L，c(CO)=0.5mol/L，c(H2)=0.5 mol/L，带入平衡常数表达式可得：K= L2•mol-2=4 L2•mol-2；

(3)Na2CO3溶液的浓度为7×10-4 mol/L，等体积混合后溶液中c(CO32-)=×7×10-4 mol/L=3.5×10-4 mol/L；根据Ksp=c(Ca2+)•c(CO32-)=2.8×10-9可知，c(Ca2+)= mol/L=0.8×10-5 mol/L，原溶液CaCl2溶液的最小浓度为混合溶液中c(Ca2+)的2倍，故原溶液CaCl2溶液的最小浓度为2×0.8×10-5 mol/L=1.6×10-5 mol/L。