Question

研究碳及其化合物的綜合利用對促進低碳社會的構建具有重要的意義。請運用相關知識研究碳及其化合物的性質。
（1）近年來，我國用電弧法合成的碳納米管中常伴有大量碳納米顆粒（雜質），這種碳納米顆�？捎醚趸瘹饣�法提純，其反應的化學方程式為：
  C+  K₂Cr₂O₇+         —     CO₂↑+    K₂SO₄ +    Cr₂(SO₄)₃+  H₂O
①完成并配平上述化學方程式。
②在上述方程式上用單線橋標出該反應電子轉移的方向與數目。
（2）高溫時，用CO還原MgSO₄可制備高純MgO。
①750℃時，測得氣體中含等物質的量SO₂和SO₃，此時反應的化學方程式是                  。
②由MgO可制成“鎂－次氯酸鹽”電池，其裝置示意圖如圖1，該電池反應的離子方程式為          。
    　    
圖1                 圖2                 圖3
（3）二氧化碳合成甲醇是碳減排的新方向，將CO₂轉化為甲醇的熱化學方程式為：CO₂(g) +3H₂(g)CH₃OH(g) +H₂O(g) △H
①該反應的平衡常數表達式為K＝                。
②取五份等體積CO₂和H₂的混合氣體(物質的量之比均為1∶3)，分別加入溫度不同、容積相同的恒容密閉容器中，發生上述反應，反應相同時間后，測得甲醇的體積分數φ(CH₃OH)與反應溫度T的關系曲線如圖2所示，則上述CO₂轉化為甲醇反應的△H      0(填“>”“<”或“＝”)。
③在兩種不同條件下發生反應，測得CH₃OH的物質的量隨時間變化如圖3所示，曲線I、II對應的平衡常數大小關系為K_Ⅰ     K_II(填“＞” “＜”或“＝”)。

Answer 1

（1）①3  2  8  H₂SO₄  3  2  2  8 （2分）
②（1分）
（2）①2MgSO₄ + CO2MgO + SO₂ + CO₂ + SO₃（3分）
②Mg + ClO^- + H₂O＝Cl^- + Mg(OH)₂（3分）
（3）①K＝ （2分）   ②＜ （2分）  ③＞ （2分）

試題分析：（1）①根據反應式可知，反應中碳元素的化合價從0價升高到＋4價，失去4個電子，碳是還原劑。Cr元素的化合價從＋6價降低到＋3價，得到3個電子，K₂Cr₂O₇是氧化劑。根據電子得失守恒可知，還原劑碳與氧化劑K₂Cr₂O₇的物質的量之比是3:2。根據原子守恒可知，反應前還有硫酸參加，因此配平后的方程式為3C+2K₂Cr₂O₇+8H₂SO₄＝3CO₂↑+2K₂SO₄ +2Cr₂(SO₄)₃+8H₂O。
②根據①可知，用單線橋標出該反應電子轉移的方向與數目為。
（2）①用CO還原MgSO₄，在750℃時，測得氣體中含等物質的量SO₂和SO₃，其中S元素的化合價從＋6價降低到＋4價，得到2個電子，所以根據電子得失守恒可知，CO的氧化產物是CO₂，且與SO₂的物質的量相等，因此此時反應的化學方程式是2MgSO₄ + CO2MgO + SO₂ + CO₂ + SO₃。
②根據圖1可知，鎂是負極失去電子轉化為氫氧化鎂。次氯酸鹽在正極得到電子，被還原為氯離子，所以該電池的總反應離子方程式為Mg + ClO^- + H₂O＝Cl^- + Mg(OH)₂。
（3）①化學平衡常數是在一定條件下，當可逆反應達到平衡狀態時，生成物濃度的冪之積和反應物濃度的冪之積的比值，所以根據方程式可知該反應的平衡常數表達式為K＝。
②根據圖2可知，在甲醇的含量達到最大值后，如果升高溫度，甲醇的含量反而降低，這說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，因此正方應是放熱反應，即△H＜0。
③根據圖3可知，曲線Ⅱ首先達到平衡狀態，這說明曲線Ⅱ的反應速率快。但曲線Ⅱ對應的甲醇物質的量小于曲線I對應的甲醇的物質的量。由于該反應是體積減小的放熱的可逆反應，所以反應條件應該是升高溫度，促使平衡向逆反應方向移動，因此平衡常數減小，即K_Ⅰ＞K_II。