Question

20．CO₂和CH₄均為溫室氣體，若得以綜合利用，對(duì)于溫室氣體的整治具有重大意義．

（1）已知：
CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1
反應(yīng)2CO（g）?C（s）+CO₂（g）在一定條件下能自發(fā)進(jìn)行的原因是該反應(yīng)中△H＜0，△S＜0，在溫度較低的條件下可以自發(fā)進(jìn)行
（2）合成甲醇的主要反應(yīng)是CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．壓強(qiáng)為P₁時(shí)，向體積為1L的密閉容器中充人6mol CO和2b mol H₂，平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示．請(qǐng)回答：
①該反應(yīng)屬于放（填“吸”或“放”）熱反應(yīng)；P₁＜p₂（填“＞”、“＜”或“=”）．200℃時(shí)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{1}{（2b-6）^{2}}$（用含b的代數(shù)式表示）．
②若200℃時(shí)，上述反應(yīng)經(jīng)過(guò)tmin達(dá)到平衡，則該時(shí)間段內(nèi)氫氣的平均反應(yīng)速率為$\frac{6}{t}$mol/（L•min）．
（3）以滲透于多孔基質(zhì)的惰性導(dǎo)電物質(zhì)材料為電極，用35%～50%KOH為電解液，甲醇和空氣為原料，構(gòu)成堿性燃料電池，該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O
（4）以甲醇燃料電池做電源，用如圖所示裝置，在實(shí)驗(yàn)室中模擬鋁制品表面“鈍化”處理的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)溶液逐漸變渾濁，用離子方程式表示沉淀產(chǎn)生的原因是Al=Al³⁺+3e^-、Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑．
（5）已知25℃時(shí)，Al（ OH）₃的Ksp=8.0×10 ^-33．若使某鋁鹽溶液中的Al³⁺降至1.0×10^-6 mol．L^-l時(shí)，則需調(diào)節(jié)溶液的pH至5.3（已知lg5=0.7）

Answer 1

分析 （1）已知：①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
②CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1，根據(jù)蓋斯定很，將②-①得反應(yīng)2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-172.3kJ•mol^-1，△H＜0，根據(jù)熵變和焓變進(jìn)行判斷；
（2）①根據(jù)溫度對(duì)CO的轉(zhuǎn)化率的影響判斷反應(yīng)的熱效應(yīng)，該反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，壓強(qiáng)越大，CO的轉(zhuǎn)化率越高，200℃時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率為0.5，所以平衡時(shí)CO、H₂、CH₃OH的濃度分別為3mol/L、（2b-6）mol/L、3mol/L，根據(jù)平衡常數(shù)的定義計(jì)算平衡常數(shù)；
②若200℃時(shí)，上述反應(yīng)經(jīng)過(guò)tmin達(dá)到平衡，氫氣轉(zhuǎn)化的溶液為6mol/L，根據(jù)v=$\frac{△v}{△t}$計(jì)算；
（3）甲醇和空氣為原料，構(gòu)成堿性燃料電池，負(fù)極上甲醇失電子生成碳酸根離子，據(jù)此書寫電極反應(yīng)式；
（4）根據(jù)裝置圖，陽(yáng)極上鋁失電子生成鋁離子，鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解反應(yīng)；
（5）根據(jù)Ksp[Al（ OH）₃]=c（Al³⁺）•c³（OH^-）可計(jì)算出氫氧根離子的濃度，進(jìn)而確定溶液的pH值．

解答 解：（1）已知：①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ•mol^-1
②CH₄（g）?C（s）+2H₂（g）△H=+75kJ•mol^-1，根據(jù)蓋斯定很，將②-①得反應(yīng)2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-172.3kJ•mol^-1，△H＜0，而該反應(yīng)△S＜0，所以該反應(yīng)在溫度較低的條件下可以自發(fā)進(jìn)行，
故答案為：該反應(yīng)中△H＜0，△S＜0，在溫度較低的條件下可以自發(fā)進(jìn)行；
（2）①根據(jù)圖可知，溫度越高，CO的轉(zhuǎn)化率越小，所以該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，根據(jù)圖相同溫度時(shí)P₂的CO的轉(zhuǎn)化率大于P₁，而該反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，壓強(qiáng)越大，CO的轉(zhuǎn)化率越高，所以P₁＜P₂，200℃時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率為0.5，所以平衡時(shí)CO、H₂、CH₃OH的濃度分別為3mol/L、（2b-6）mol/L、3mol/L，所以平衡常數(shù)K=$\frac{3mol/L}{3mol/L×（2b-6）^{2}mo{l}^{2}/{L}^{2}}$=$\frac{1}{（2b-6）^{2}}$，
故答案為：放；＜；$\frac{1}{（2b-6）^{2}}$；
②若200℃時(shí)，上述反應(yīng)經(jīng)過(guò)tmin達(dá)到平衡，氫氣轉(zhuǎn)化的濃度為6mol/L，所以該時(shí)間段內(nèi)氫氣的平均反應(yīng)速率為$\frac{6mol/L}{tmin}$=$\frac{6}{t}$mol/（L•min），
故答案為：$\frac{6}{t}$mol/（L•min）；
（3）甲醇和空氣為原料，構(gòu)成堿性燃料電池，負(fù)極上甲醇失電子生成碳酸根離子，負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O，
故答案為：2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O；
（4）鋁作陽(yáng)極，陽(yáng)極上電極反應(yīng)式為Al=Al³⁺+3e^-；陽(yáng)極上生成的鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀和二氧化碳?xì)怏w，所以溶液變渾濁Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，
故答案為：Al=Al³⁺+3e^-、Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑；
（5）根據(jù)Ksp[Al（ OH）₃]=c（Al³⁺）•c³（OH^-）可知，c（OH^-）=$\root{3}{\frac{8.0×10{\;}^{-33}}{1.0×10{\;}^{-6}}}$=2×10^-9，所以c（H⁺）=5×10^-6，pH值為6-lg5=5.3，
故答案為：5.3．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了反應(yīng)進(jìn)行的方向、影響平衡移動(dòng)的因素、反應(yīng)速率的計(jì)算、原電池和電解池原理、溶液的pH值的計(jì)算等，明確化學(xué)平衡移動(dòng)原理及各個(gè)電極上發(fā)生的電極反應(yīng)是解本題關(guān)鍵，難點(diǎn)是鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解的反應(yīng)，題目難度中等．