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【题目】研究碳及其化合物的相互转化对能源的充分利用、低碳经济有着重要的作用。

(1)已知:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) H1=+206.1 kJ·mol1

2H2(g)+ CO(g)CH3OH(l) H2=128.3 kJ·mol1

2H2(g)+ O2(g)2H2O(g) H3=483.6 kJ·mol1

25时,在合适的催化剂作用下,采用甲烷和氧气一步合成液态甲醇的热化学方程式为__________________________。

(2)利用反应来制备氢气,为了探究温度、压强对反应速率、转化率的影响,某同学设计了以下三组对比实验(温度为400或500,压强为101kPa或404kPa)。

实验序号

温度

压强/kPa

CH4初始浓度/mol·L1

H2O初始浓度/mol·L1

1

400

p

3.0

7.0

2

t

101

3.0

7.0

3

400

101

3.0

7.0

实验2和实验3相比,其平衡常数关系是K2__________K3(填“>”“<”或“=”)。

将等物质的量的CH4和水蒸气充入1 L恒容密闭容器中,发生上述反应,在400下达到平衡,平衡常数K=27,此时容器中CO物质的量为0.10 mol,则CH4的转化率为__________。

(3)科学家提出由CO2制取C的太阳能工艺如图1所示。

“重整系统”发生的反应中n(FeO)n(CO2)=61,则FexOy的化学式为______________。

“热分解系统”中每分解l mol FexOy,转移电子的物质的量为________。

(4)pC类似pH,是指极稀溶液中的溶质浓度的常用负对数值。若某溶液中溶质的浓度为1×103 mol·L1,则该溶液中溶质的pC=lg(1×103)=3。如图2为25时H2CO3溶液的pCpH图。请回答下列问题 (若离子浓度小于105 mol·L1,可认为该离子不存在):

在同一溶液中,H2CO3_____________(填“能”或“不能”)大量共存。

求H2CO3一级电离平衡常数的数值Ka1=________________。

人体血液里主要通过碳酸氢盐缓冲体系可以抵消少量酸或碱,维持pH=7.4。当过量的酸进入血液中时,血液缓冲体系中的最终将_______。

A.变大 B.变小 C.基本不变 D.无法判断

【答案】(1)CH4(g)+O2 (g)CH3OH(l) H=164.0 kJ·mol1

(2)> (90.9%、90.91%、×100%均可)

(3)Fe3O4 2 mol

(4)不能 1×106 A

【解析】本题考查盖斯定律的应用、弱电解质在水溶液中的电离平衡、物质的量的相关计算、化学平衡的计算和影响因素。(1)已知:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) H1=+206.1 kJ·mol1

2H2(g)+CO(g)CH3OH(l) H2=128.3 kJ·mol1

2H2(g)+O2(g)2H2O(g) H3=483.6 kJ·mol1

根据盖斯定律,将+1/2×+得:CH4(g)+ 1/2O2(g)CH3OH(l)

H=(+206.1 kJ·mol1)+1/2 (483.6 kJ·mol1)+(128.3 kJ·mol1)=164.0 kJ·mol1

(2)对比实验2、3,只有温度不同,其它条件相同,所以实验2、3的目的是探究温度对化学反应速率的影响;温度升高,平衡向吸热方向移动,该反应为吸热反应,所以平衡向正反应方向移动,平衡常数增大,所以K2>K3

依据化学平衡的三段式列式计算,设CH4与H2O(g)物质的量为a,

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

起始量(mol) a a 0 0

变化量(mol) 0.10 0.10 0.10 0.30

平衡量(mol) a0.10 a0.10 0.10 0.30

由平衡常数表达式:K=27,

解之得:a=0.11,平衡转化率:×100%=90.9%

(3)由示意图可知,重整系统中CO2和FeO反应生成FexOy和C,发生的反应中n(FeO)n(CO2)=61,根据Fe原子、O原子守恒可知xy=6(6+2)=34,故FexOy的化学式为Fe3O4热分解系统中是Fe3O4分解为FeO与氧气,分解l mol Fe3O4转移电子的物质的量为1 mol×3×(8/32)=2 mol

(4)碳酸存在的溶液中酸性较强、碳酸根离子存在的溶液中碱性较强,所以碳酸根离子和碳酸不能大量共存;由图象可知当pH=6时,pC(H2CO3)=pC(),结合Ka1(H2CO3)= ==106氢离子浓度增大,平衡向左移动放出CO2,碳酸浓度基本不变,则c(H+)/c(H2CO3)最终将变大,故选A。

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