Question

4．研究碳和硫的化合物的性質(zhì)，有助于合理控制溫室效應(yīng)、環(huán)境污染，并能進(jìn)行資源化利用，還可重新獲得燃料或重要工業(yè)產(chǎn)品．

I．（1）有科學(xué)家提出可利用FeO吸收和利用CO₂，相關(guān)熱化學(xué)方程式如下：
6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s）△H=-76.0kJ•mol^-1
①上述反應(yīng)的還原產(chǎn)物為，每生成1mol Fe₃O₄，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為2mol；
②已知：C（s）+2H₂O（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H=+113.4kJ•mol^-1，則反應(yīng)：
3FeO（s）+H₂O（g）═Fe₃O₄（s）+H₂（g）的△H=+18.7kJ/mol．
（2）在一定條件下，二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷的反應(yīng)如下：CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）．向一容積為2L的恒容密閉容器中充入一定量的CO₂和H₂，在300℃時(shí)發(fā)生上述反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度分別為CO₂ 0.2mol•L^-1，H₂ 0.8mol•L^-1，CH₄ 0.8mol•L^-1，H₂O 1.6mol•L^-1．則300℃時(shí)上述反應(yīng)的平衡常數(shù)K=25．200℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=64.8，則該反應(yīng)的△H＜（填“＞”或“＜”）0．
Ⅱ．SO₂直接排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害．SO₂的尾氣處理通常有以下幾種方法：
（1）活性炭還原法
反應(yīng)原理：恒溫恒容時(shí)2C（s）+2SO₂（g）?S₂（g）+2CO₂（g）．
反應(yīng)進(jìn)行到不同時(shí)間測(cè)得各物質(zhì)的濃度如圖1：
①0～20min反應(yīng)速率表示為v（SO₂）=0.03mol/（L•min）；
②30min時(shí)，改變某一條件平衡發(fā)生移動(dòng)，則改變的條件最有可能是減少CO₂的濃度；
③能說明上述反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是bc．
a．SO₂的消耗速率與CO₂的生成速率相同   b．混合氣體的密度不變
c．S₂的濃度不變                          d．SO₂與S₂的物質(zhì)的量之比為2：1
（2）亞硫酸鈉吸收法
①Na₂SO₃溶液吸收SO₂的離子方程式為SO₃^2-+SO₂+H₂O=2HSO₃^-；
②常溫下，當(dāng)吸收至NaHSO₃時(shí)，吸收液中相關(guān)離子濃度關(guān)系一定正確的是abc（填序號(hào)）．
a．c（Na⁺）+c（H⁺）＞c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-）
b．c（Na⁺）=c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（H₂SO₃）
c．c（Na⁺）＞c（HSO₃^-）＞c（H⁺）＞c（SO₃^2-）
d．水電離出c（H⁺）=1×10^-8mol/L
（3）電化學(xué)處理法
①如圖2所示，Pt（Ⅰ）電極的電極反應(yīng)式為SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4 H⁺；
②當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移0.02mol e^-時(shí)（較濃H₂SO₄尚未排出），交換膜左側(cè)溶液中約增加0.03mol離子．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）①反應(yīng)6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s）中，F(xiàn)e元素化合價(jià)由+2價(jià)部分升高到+3價(jià)，C元素化合價(jià)由+4價(jià)降低到0價(jià)；
②6FeO（s）+CO₂（g）=2Fe₃O₄（s）+C（s）△H=-76.0kJ•mol^-1
C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=+113.4kJ•mol^-1，
兩熱化學(xué)方程式相加除以2得：3FeO（s）+H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+H₂（g）的反應(yīng)熱；
（2）平衡狀態(tài)c（H₂）=c（CH₄）=0.8mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L；
                          CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始量（mol/L） 1.0            4.0             0              0
變化量（mol/L） 0.8           3.2            0.8           1.6
平衡量（mol/L） 0.2           0.8            0.8            1.6
根據(jù)平衡常數(shù)為生成物濃度的冪次方之積比上反應(yīng)物濃度的冪次方之積書寫；比較300℃與200℃時(shí)的平衡常數(shù)K的值判斷反應(yīng)的△H；
Ⅱ．（1）①根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（SO₂）；
②30min時(shí)瞬間，二氧化碳濃度降低，S₂的濃度不變，而后二氧化碳、S₂的濃度均增大，應(yīng)是減少CO₂的濃度；
③根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的特征解答，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化，解題時(shí)要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應(yīng)的進(jìn)行發(fā)生變化，當(dāng)該物理量由變化到定值時(shí)，說明可逆反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)；
（2）①Na₂SO₃溶液與SO₂反應(yīng)生成亞硫酸氫鈉；
②a．根據(jù)電荷守恒判斷；
b．根據(jù)物料守恒判斷；
c．NaHSO₃溶液中HSO₃^-的電離程度大于其水解程度；
d．水電離出氫離子濃度等于溶液中氫氧根離子濃度，由于NaHSO₃溶液的pH未知，不能計(jì)算水電離出氫離子濃度；
（3）①由圖可知，Pt_（1）電極上二氧化硫被氧化生成硫酸；
②左側(cè)電極反應(yīng)式為：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4 H⁺，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算生成硫酸根、氫離子的物質(zhì)的量，為保持溶液電中性，多余的氫離子通過陽離子交換膜移至右側(cè)，左側(cè)溶液中增加離子為生成硫酸電離的離子總量．

解答 解：（1）①反應(yīng)6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s）中，F(xiàn)e元素化合價(jià)由+2價(jià)部分升高到+3價(jià)，C元素化合價(jià)由+4價(jià)降低到0價(jià)，還原產(chǎn)物為C，每生成1mol Fe₃O₄，則生成0.5molC，轉(zhuǎn)移2mol電子，
故答案為：C；2；
②6FeO（s）+CO₂（g）=2Fe₃O₄（s）+C（s）△H=-76.0kJ•mol^-1
C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=+113.4kJ•mol^-1，
兩熱化學(xué)方程式相加除以2得：3FeO（s）+H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+H₂（g）
△H=（-76.0kJ/mol+113.4kJ/mol）÷2=+18.7kJ/mol，
故答案為：+18.7kJ/mol；
（2）平衡狀態(tài)c（H₂）=c（CH₄）=0.8mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L；
                           CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始量（mol/L） 1.0            4.0               0                0
變化量（mol/L） 0.8           3.2              0.8              1.6
平衡量（mol/L） 0.2          0.8               0.8              1.6
反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（{H}_{2}O）{c}^{2}（C{H}_{4}）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$=$\frac{1．{6}^{2}×0.8}{0.2×0．{8}^{4}}$=25，因?yàn)?00℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=64.8，所以升溫K變小，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，所以△H＜0；
故答案為：25；＜；
Ⅱ．（1）①由圖可知，0-20min內(nèi)二氧化硫濃度變化量為1mol/L-0.4mol/L=0.6mol/L，故v（SO₂）=$\frac{0.6mol/L}{20min}$=0.03mol/（L•min），
故答案為：0.03mol/（L•min）；
②30min時(shí)瞬間，二氧化碳濃度降低，S₂的濃度不變，而后二氧化碳、S₂的濃度均增大，應(yīng)是減少CO₂的濃度，故答案為：減少CO₂的濃度；
③2C（s）+2SO₂（g）?S₂（g）+2CO₂（g），
a．SO₂的消耗速率與CO₂的生成速率相同只能說明反應(yīng)正向進(jìn)行，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故a錯(cuò)誤；
b．反應(yīng)前后氣體質(zhì)量增大，氣體體積增大，混合氣體的密度不變說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故b正確；
c．S₂的濃度不變是平衡標(biāo)志，故c正確；
d．和起始量有關(guān)，反應(yīng)過程中SO₂與S₂的反應(yīng)物質(zhì)的量之比始終為2：1，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d錯(cuò)誤；
故答案為：bc；
（2）①Na₂SO₃溶液與SO₂反應(yīng)生成亞硫酸氫鈉，反應(yīng)離子方程式為：SO₃^2-+SO₂+H₂O=2HSO₃^-，故答案為：SO₃^2-+SO₂+H₂O=2HSO₃^-；
②a．根據(jù)電荷守恒：c（Na⁺）+c（H⁺）=2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-），故溶液中c（Na⁺）+c（H⁺）＞c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-），故a正確；
b．溶液中S元素以SO₃^2-、HSO₃^-、H₂SO₃形式存在，Na元素與硫元素物質(zhì)的量之比為1：1，故溶液中c（Na⁺）=c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（H₂SO₄），故b正確；
c．NaHSO₃溶液中HSO₃^-的電離程度大于其水解程度，故溶液中c（Na⁺）＞c（HSO₃^-）＞c（H⁺）＞c（SO₃^2-），故c正確；
d．水電離出氫離子濃度等于溶液中氫氧根離子濃度，由于NaHSO₃溶液的pH未知，不能計(jì)算水電離出氫離子濃度，故d錯(cuò)誤，
故答案為：abc；
（3）①由圖可知，Pt_（1）電極上二氧化硫被氧化生成硫酸，電極反應(yīng)式為：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4 H⁺，
故答案為：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4 H⁺；
②左側(cè)電極反應(yīng)式為：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4 H⁺，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，生成硫酸根物質(zhì)的量$\frac{0.02mol}{2}$=0.01mol，生成氫離子為0.04mol，為保持溶液電中性，0.01mol硫酸根需要0.02mol氫離子，多余的氫離子通過陽離子交換膜移至右側(cè)，即有0.02mol氫離子移至右側(cè)，故左側(cè)溶液中增加離子為0.01mol+0.02mol=0.03mol，
故答案為：0.03．

點(diǎn)評(píng) 本題屬于拼合型題目，涉及反應(yīng)熱計(jì)算、反應(yīng)速率計(jì)算、化學(xué)平衡影響因素、離子濃度比較、電極反應(yīng)式書寫、電解池有關(guān)計(jì)算等，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)，側(cè)重考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的遷移應(yīng)用，（3）中左側(cè)溶液中增加離子物質(zhì)的量計(jì)算為易錯(cuò)點(diǎn)，學(xué)生容易根據(jù)電極反應(yīng)式計(jì)算，忽略部分氫離子移至右側(cè)，題目難度中等．