Question

9．煤的气化是高效、清洁的利用煤炭的重要途径之一．
（1）焦炭与水蒸气反应是将固体煤变为气体燃料的方法．已知：
①C（s）+O₂ （g）=CO₂ （g）△H=-393.5kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂ （g）=CO₂ （g）△H=-283.0kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂ （g）=H₂O （g）△H=-241.8kJ•mol^-1
则碳与水蒸气反应生成一氧化碳和氢气的热化学方程式是C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ/mol，该反应的化学平衡常数K随温度的升高将增大（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（2）CO可以与H₂O（g）进一步发生反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H＜0．在甲、乙两个恒容密闭容器中，起始时按照表数据进行投料，在800℃时达到平衡状态，K=1.0．

	H2O	CO	CO2	H2
甲 n/mol	0.10	0.30	0.10	0.50
乙 n/mol	0.20	0.20	0	0

起始时，甲容器中反应向逆反应（填“正反应”或“逆反应”）方向进行；平衡时，乙容器中CO的转化率为50%．
（3）以CO为燃料制作燃料电池，电池的正极通入O₂和CO₂，负极通入CO，电解质是熔融碳酸钠，写出工作时正极的电极反应式：O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，若使用该电池电解熔融Al₂O₃制取10.8g Al，则理论上需要氧气的体积为（标准状况下）6.72L．
（4）将（2）中生成的混合气用过量的NaOH溶液吸收，得到的溶液中有一种溶质可以水解，请写出其水解的离子方程式：CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式，反应热也乘以相应的系数进行相应的计算；
（2）根据已知浓度求出Qc，然后与K比较；令参加反应的CO的物质的量为nmol，根据三段式表示出平衡时各组分的物质的量，由于反应前后气体的体积不变，故用物质的量代替浓度代入平衡常数列方程计算；
（3）依据电池中是燃料做原电池的负极失电子发生氧化反应，氧气做正极得到电子发生还原反应再结合电解质书写，依据电子守恒计算需要的氧气；
（4）将（2）中生成的混合气含有CO₂，用过量的NaOH溶液吸收生成Na₂CO₃，为强碱弱酸盐，水解呈碱性．

解答 解：（1）在25℃、101kPa时，H₂与O₂化合生成1mol H₂O（g）放出241.8kJ的热量，其热化学方程式为：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8 kJ/mol，
已知：①C（s）+O₂（g）═CO₂（g）△H=-393.5kJ/mol
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283.0kJ/mol
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8 kJ/mol，
根据盖斯定律，①-③-②得C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ•mol^-1，由于该反应为吸热反应，所以升高温度平衡正移，K增大；
故答案为：C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ/mol；增大；
（2）甲容器中：Qc=$\frac{c（CO2）c（H2）}{c（CO）c（H2O）}$=$\frac{0.1×0.5}{0.3×0.1}$=$\frac{5}{3}$＞1=K，所以反应向逆反应进行；
令参加反应的CO的物质的量为nmol，则：
          CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
开始（mol）：0.1   0.1       0       0
变化（mol）：n      n        n       n
平衡（mol）：0.1-n  0.1-n     n       n
由于反应前后气体的体积不变，可以用物质的量代替浓度计算平衡常数，故$\frac{n×n}{（0.1-n）（0.1-n）}$=1，解得n=0.05，故CO的转化率为$\frac{0.05mol}{0.1mol}$×100%=50%，
故答案为：逆反应；50%；
（3）以CO为燃料制作燃料电池，电池的正极通入O₂和CO₂，负极通入CO，电解质是熔融碳酸盐，依据原电池反应原理可知负极是一氧化碳失电子发生氧化反应生成二氧化碳的过程，正极上氧气得到电子被还原，与二氧化碳反应生成CO₃^2-，电极方程式为：O₂+4e^-+2CO₂=2 CO₃^2-； 
若使用该电池电解熔融Al₂O₃制取10.8g Al，结合电解反应化学方程式计算，2Al₂O₃$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$4Al+3O₂↑；n（Al）=$\frac{10.8g}{27g/mol}$=0.4mol
依据电子守恒得到：O₂～4e-～$\frac{4}{3}$Al，
则理论上需要氧气物质的量为0.3mol，氧气的体积为（标准状况下） 6.72L，
故答案为：O₂+4e^-+2CO₂=2 CO₃^2-；6.72；
（4）因（2）中生成的混合气含有CO₂，用过量的NaOH溶液吸收生成Na₂CO₃，为强碱弱酸盐，水解呈碱性，离子方程式为CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，
故答案为：CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-、HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-．

点评 本题考查较为综合，涉及热化学方程式，为高考常见题型，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，题目涉及原电池原理的应用，电解计算，化学平衡常数的计算，化学方程式的电子守恒的计算应用，难度中等．