Question

20．目前低碳经济已成为科学家研究的主要课题之一，如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起全世界的关注：
（1）用电弧法合成的储氢材料常伴有大量的碳纳米颗粒（杂质），这些杂质颗粒通常用硫酸酸化的锰酸钾氧化除去，在反应中，杂质碳被氧化为无污染气体而除去，Mn元素转变为Mn²⁺，请写出对应的化学方程式并配平：C+K₂MnO₄+2H₂SO₄=CO₂↑+MnSO₄+K₂SO₄+2H₂O；
（2）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中，进行反应CO（g）+H₂O（g）?
CO₂（g）+H₂（g），得到如下两组数据：

实验组	温度/℃	起始量/mol		平衡量/mol		达到平衡所 需时间/min
		H2O	CO	H2	CO
1	650	2	4	1.6	2.4	5
2	900	1	2	0.4	1.6	3

①实验2条件下平衡时H₂O 体积分数为20%；
②下列方法中可以证明上述已达平衡状态的是ae；
a．单位时间内生成n mol H₂的同时生成n mol CO
b．容器内压强不再变化                  c．混合气体密度不再变化
d．混合气体的平均相对分子质量不再变化    e．CO₂的质量分数不再变化
③已知碳的气化反应在不同温度下平衡常数的对数值（lgK）如下表，则反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），在900K时，该反应平衡常数的对数值（lgK）=0.36．

气化反应式	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）在高温下一氧化碳可将二氧化硫还原为单质硫．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
请写出CO除SO₂的热化学方程式2CO（g）+SO₂（g）=S（s）+2CO₂（g）△H=-270kJ•mol^-1．
（4）25°C时，BaCO₃和BaSO₄的溶度积常数分别是8×10^-9和1×10^-10，某含有BaCO₃沉淀的悬浊液中c（CO₃^2-）=0.2mol/L，如果加入等体积的Na₂SO₄溶液，若要产生 BaSO₄沉淀，加入Na₂SO₄溶液的物质的量浓度最小是0.01mol/L．
（5）25℃时，在20mL0.1mol/L醋酸中加入V mL0.1mol/LNaOH溶液，测得混合溶液的pH变化曲线如图所示，下列说法正确的是BC．

A．pH=3的CH₃COOH溶液和pH=11的CH₃COONa溶液中，由水电离出的c（OH^-）相等
B．①点时pH=6，此时溶液中，c（CH₃COO^-）-c（Na⁺）=9.9×10^-7mol/L
C．②点时，溶液中的c（CH₃COO^-）=c（Na⁺）
D．③点时V=20mL，此时溶液中c（CH₃COO^-）＜c（Na⁺）=0.1mol/L
（6）如图是一种新型燃料电池，它以CO为燃料，一定比例的Li₂CO₃和Na₂CO₃熔融混合物为电解质，图2是粗铜精炼的装置图，现用燃料电池为电进行粗铜的精炼实验．回答下列问题：

①写出A极发生的电极反应式CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂ ；
②要用燃料电池为电进行粗铜的精炼实验，则B极应该与D极（填“C”或“D”）相连．

Answer 1

分析 （1）由题目信息可知，C与K₂MnO₄在硫酸条件下反应生成CO₂、MnSO₄、K₂SO₄与H₂O，反应中K₂MnO₄中锰元素化合价降低4价，碳元素化合价升高4价，化合价升降最小公倍数为4，故K₂MnO₄前的系数是1，碳单质前的系数是1，再根据原子守恒配平；
（2）①根据氢气物质的量计算消耗水的物质的量，再计算平衡时水的物质的量，反应前后气体物质的量不变，则平衡时混合气体总物质的量为3mol，进而计算平衡时水的体积分数；
②可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等，各组分的浓度、含量不变，由此衍生的其它一些物理量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生不变，该物理量由变化到不变化说明到达平衡；
③已知：Ⅰ．C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），令平衡常数为K₁，
Ⅱ．C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g），令平衡常数为K₂，
则Ⅱ-Ⅰ可得：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），故该反应平衡常数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
根据盖斯定律，①-②-③可得：2CO（g）+SO₂（g）=S（s）+2CO₂（g）；
（4）某含有BaCO₃沉淀的悬浊液中c（CO₃^2-）=0.2mol/L，根据碳酸钡溶度积计算溶液中c（Ba²⁺），如果加入等体积的Na₂SO₄溶液，计算混合后溶液中c（Ba²⁺），如溶液中生成BaSO₄沉淀，则应在混合液中满足c（Ba²⁺）×c（SO₄^2-）＞1×10^-10，计算混合溶液转化硫酸根最小浓度，原硫酸钠溶液最小浓度为混合后溶液中硫酸根离子最小浓度2倍；
（5）A．CH₃COOH溶液、CH₃COONa溶液氢氧根离子均源于水的电离；
B．根据电荷守恒：c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-）；
C．溶液呈中性，再根据电荷守恒c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-）判断；
D．溶液呈碱性，此时溶液中钠离子浓度为0.05mol/L，结合电荷守恒c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-）判断；
（6）①由图可知，A极CO发生氧化反应，CO失去电子与碳酸根离子结合生成二氧化碳；
②原电池中A为负极，B为正极，电解粗铜的精炼，粗铜作阳极，连接电源正极，精铜作阴极，连接电源负极．

解答 解：（1）由题目信息可知，C与K₂MnO₄在硫酸条件下反应生成CO₂、MnSO₄、K₂SO₄与H₂O，反应中K₂MnO₄中锰元素化合价降低4价，碳元素化合价升高4价，化合价升降最小公倍数为4，故K₂MnO₄前的系数是1，碳单质前的系数是1，再根据原子守恒配平后反应方程式为：C+K₂MnO₄+2H₂SO₄=CO₂↑+MnSO₄+K₂SO₄+2H₂O，
故答案为：C+K₂MnO₄+2H₂SO₄=CO₂↑+MnSO₄+K₂SO₄+2H₂O；
（2）①实验2条件下平衡时生成氢气为0.4mol，由方程式可知消耗水为0.4mol，则平衡时水的物质的量为1mol-0.4mol=0.6mol，反应前后气体物质的量不变，则平衡时混合气体总物质的量为3mol，故平衡时水的体积分数为$\frac{0.6mol}{2mol}$×100%=20%，
故答案为：20%；
②a．单位时间内生成n mol H₂的同时生成n mol CO，生成的氢气与消耗氢气相等，反应到达平衡，故a正确；
b．反应前后气体物质的量不变，恒温恒容下，容器内压强始终不变化，故b错误；
c．混合气体总质量不变，容器容积不变，混合气体密度为定值，故c错误；
d．混合气体总质量不变，反应前后气体物质的量不变，混合气体的平均相对分子质量始终不变，故d错误；
e．随反应进行二氧化碳质量增大，其质量分数增大，CO₂的质量分数不再变化说明到达平衡，故e正确，
故选：ae；
③已知：Ⅰ．C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g），令平衡常数为K₁，
Ⅱ．C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g），令平衡常数为K₂，
则Ⅱ-Ⅰ可得：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），故该反应平衡常数K=$\frac{{K}_{2}}{{K}_{1}}$，故lgK=lgK₂-lgK₁=-0.03-（-0.39）=0.36，
故答案为：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
根据盖斯定律，①-②-③可得：2CO（g）+SO₂（g）=S（s）+2CO₂（g）△H=-270kJ•mol^-1，
故答案为：2CO（g）+SO₂（g）=S（s）+2CO₂（g）△H=-270kJ•mol^-1；
（4）某含有BaCO₃沉淀的悬浊液中，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，如果加入等体积的Na₂SO₄溶液，此时溶液中c（Ba²⁺）=2×10^-8mol/L，如溶液中生成BaSO₄沉淀，则应在混合液中满足c（Ba²⁺）×c（SO₄^2-）＞1×10^-10，则c（SO₄^2-）＞$\frac{1×1{0}^{-10}}{2×1{0}^{-8}}$mol/L=5×10^-3mol/L，则加入Na₂SO₄溶液的物质的量浓度最小是2×5×10^-3mol/L=0.01mol/L．
故答案为：0.01；
（5）A．pH=3的CH₃COOH溶液中氢氧根离子源于水电离，浓度为10^-10mol/L，为pH=11的CH₃COONa溶液中，氢氧根离子也源于水的电离，溶液中氢氧根离子浓度为10^-3mol/L，故错误；
B．①点时pH=6，此时溶液中c（H⁺）=10^-6mol/L，c（OH^-）=10^-8mol/L，由电荷守恒：c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-），则c（CH₃COO^-）-c（Na⁺）=c（H⁺）-c（OH^-）=10^-6mol/L-10^-8mol/L=9.9×10^-7mol/L，故B正确；
C．②点时溶液pH=7，则c（H⁺）=c（OH^-），根据电荷守恒：c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-），故溶液中的c（CH₃COO^-）=c（Na⁺），故C正确；
D．③点时V=20mL，溶液呈碱性，则c（H⁺）＜c（OH^-），根据电荷守恒：c（Na⁺）+c（H⁺）=c（CH₃COO^-）+c（OH^-），故溶液中的c（CH₃COO^-）＜c（Na⁺），此时c（Na⁺）=0.05mol/L，故D错误，
故选：BC；
（6）①由图可知，A极CO发生氧化反应，CO失去电子与碳酸根离子结合生成二氧化碳，电极反应式为：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂ ，
故答案为：CO-2e^-+CO₃^2-=2CO₂ ；
②原电池中A为负极，B为正极，电解粗铜的精炼，粗铜作阳极，连接电源正极，精铜作阴极，连接电源负极，故B极应该与D极相连，
故答案为：D．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡常数、平衡状态判断、氧化还原反应方程式配平、热化学方程式书写、离子浓度大小比较、溶度积有关计算、电化学等，是对学生综合能力的考查，需要学生具备扎实的基础难度中等．