Question

4．能源和環(huán)境保護(hù)是世界各國關(guān)注的熱點話題．請回答下列問題：

Ⅰ．收集和利用CO₂是環(huán)境保護(hù)的熱點課題．
500℃時，在容積為1L的密閉容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，發(fā)生如下反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0，測得CO₂和CH₃OH的濃度與時間的關(guān)系如圖1所示．
（1）A點含義是該條件下反應(yīng)3min時c（CO₂）=c（CH₃OH）；0～10min內(nèi)v（H₂）=0.225mol/（L．min），平衡常數(shù)K=5.3（保留一位小數(shù)）．
（2）反應(yīng)在500℃達(dá)到平衡之后，改變反應(yīng)溫度為T，CH₃OH的濃度以每分鐘0.030mol•L^-1逐漸增大，經(jīng)5min又達(dá)到新平衡．
①T小于（填“大于”、“小于”或“等于”）500℃，判斷理由是改變溫度，甲醇的濃度增大，說明平衡正向移動，因為該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，則T＜500℃．
②列式計算溫度為T時反應(yīng)的平衡常數(shù)K₂=300．
（3）溫度為T時，反應(yīng)達(dá)到平衡后，將反應(yīng)容器的容積增大一倍．平衡向逆（填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”）方向移動，判斷理由是該反應(yīng)的逆反應(yīng)是氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，增大容器容積，相當(dāng)于減小壓強(qiáng)，平衡向氣體分子數(shù)增大的方向移動．
Ⅱ．電化學(xué)法處理SO₂是目前研究的熱點．
利用雙氧水吸收SO₂可消除SO₂污染，設(shè)計裝置如圖2所示．
（1）石墨1為負(fù)極（填“正極”或“負(fù)極”）；正極的電極反應(yīng)式為H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O．
（2）H⁺的遷移方向為從質(zhì)子交換膜左側(cè)向右側(cè)遷移．
（3）若11.2L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）SO₂參與反應(yīng)，則遷移H⁺的物質(zhì)的量為1mol．
Ⅲ．某廢水中含Cd²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺（假設(shè)濃度均為0.01mol•L^-1），已知：K_sp（CdCO₃）=6.18×10^-12，K_sp（NiCO₃）=1.42×10^-7，K_sp（PbCO₃）=1.46×10^-13．
取少量該廢水向其中滴加Na₂CO₃溶液，形成CdCO₃、NiCO₃、PbCO₃沉淀的先后順序為PbCO₃、CdCO₃、NiCO₃．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）先計算二氧化碳的平均反應(yīng)速率，再根據(jù)同一可逆反應(yīng)中同一時間內(nèi)各物質(zhì)的反應(yīng)速率等于其計量數(shù)之比計算氫氣平均反應(yīng)速率；A點說明該條件下該時間點兩種物質(zhì)的濃度相等；化學(xué)平衡常數(shù)K等于生成物濃度冪之積與反應(yīng)物冪之積的比；
（2）①升高溫度平衡向吸熱方向移動，降低溫度，平衡向放熱方向移動；
②反應(yīng)在500℃達(dá)到平衡之后，
                           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）      1               3                   0                0
變化量（mol/L）     0.75         2.25              0.75              0.75
平衡量（mol/L）    0.25          0.75              0.75             0.75
改變反應(yīng)溫度為T，CH₃OH的濃度以每分鐘0.030mol•L^-1逐漸增大，經(jīng)5min又達(dá)到新平衡，甲醇濃度增大了0.15mol/L，
                            CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）    0.25           0.75            0.75             0.75
變化量（mol/L）    0.15           0.45            0.15            0.15
平衡量（mol/L）    0.1            0.3              0.9               0.9
平衡常數(shù)=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$；
（3）體積增大，壓強(qiáng)減小，平衡向氣體體積增大的方向移動；
Ⅱ．（1）該原電池中，通入二氧化硫的電極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則通入二氧化硫的電極是負(fù)極、通入雙氧水的電極是正極，正極上雙氧水得電子生成水；
（2）原電池中陽離子移向正極；
（3）n（SO₂）=$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子和轉(zhuǎn)移氫離子之間的關(guān)系式計算；
Ⅲ．CdCO₃、NiCO₃、PbCO₃沉淀中陰陽離子比相同，Ksp越小溶解度越小相同濃度的離子溶液中加入碳酸鈉溶液析出沉淀越快；

解答 解：Ⅰ．（1）0～10min內(nèi)v（CO₂）=$\frac{1.00mol/L-0.25mol/L}{10min}$mol/（L．min）=0.075 mol/（L．min），再根據(jù)同一可逆反應(yīng)中同一時間內(nèi)各物質(zhì)的反應(yīng)速率等于其計量數(shù)之比得v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075 mol/（L．min）=0.225mol/（L．min）；A點說明該條件下反應(yīng)3min時兩種物質(zhì)的濃度相等，即c（CO₂）=c（CH₃OH），結(jié)合平衡三行計算計算平衡濃度，
                             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）      1               3                    0                0
變化量（mol/L）     0.75         2.25                 0.75              0.75
平衡量（mol/L）    0.25           0.75              0.75             0.75
平衡狀態(tài)下c（CO₂）=0.25mol/（L•min），c（H₂）=0.75mol/L，c（CH₃OH）=0.75mol/L，c（H₂O）=0.75mol/L，
化學(xué)平衡常數(shù)K等于生成物濃度冪之積與反應(yīng)物冪之積的比，即K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{3}}$=5.3，
故答案為：該條件下反應(yīng)3min時c（CO₂）=c（CH₃OH）；0.225mol/（L．min）；5.3；
（2）①該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，改變反應(yīng)溫度為T，CH₃OH的濃度以每分鐘0.030mol/L逐漸增大，說明平衡正向移動，溫度要低于500℃，
故答案為：小于；改變溫度，甲醇的濃度增大，說明平衡正向移動，因為該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，則T＜500℃；
②反應(yīng)在500℃達(dá)到平衡之后，
                           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）      1               3                   0                0
變化量（mol/L）     0.75         2.25              0.75              0.75
平衡量（mol/L）    0.25          0.75              0.75             0.75
改變反應(yīng)溫度為T，CH₃OH的濃度以每分鐘0.030mol•L^-1逐漸增大，經(jīng)5min又達(dá)到新平衡，甲醇濃度增大為0.15mol/L，
                            CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）    0.25           0.75            0.75             0.75
變化量（mol/L）    0.15           0.45            0.15            0.15
平衡量（mol/L）    0.1            0.3              0.9               0.9
K₂=$\frac{0.9×0.9}{0.1×{0.3}^{3}}$=300，
故答案為：300；
（3）該反應(yīng)前后氣體體積減小，體積增大，壓強(qiáng)減小，平衡向氣體體積增大的方向移動，即逆向移動，
故答案為：逆；該反應(yīng)的逆反應(yīng)是氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，增大容器容積，相當(dāng)于減小壓強(qiáng)，平衡向氣體分子數(shù)增大的方向移動；
Ⅱ．（1）該原電池中，通入二氧化硫的電極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則通入二氧化硫的電極是負(fù)極、通入雙氧水的電極是正極，正極上雙氧水得電子生成水，電極反應(yīng)式為H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O，
故答案為：負(fù)極；H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O；
（2）H⁺的遷移方向為正極，從質(zhì)子交換膜左側(cè)向右側(cè)遷移，故答案為：從質(zhì)子交換膜左側(cè)向右側(cè)遷移；
（3）n（SO₂）=$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol，該反應(yīng)的負(fù)極反應(yīng)式為SO₂+2H₂O-2e^-=SO₄^2-+4H⁺，正極電極反應(yīng)式為H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O，有0.5mol二氧化硫參加反應(yīng)，有2mol氫離子在正極上發(fā)生反應(yīng)，則遷移H⁺的物質(zhì)的量為反應(yīng)的二氧化硫的2倍，為1mol，
故答案為：1mol．
Ⅲ．某廢水中含Cd²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺（假設(shè)濃度均為0.01mol•L^-1），已知：K_sp（CdCO₃）=6.18×10^-12，K_sp（NiCO₃）=1.42×10^-7，K_sp（PbCO₃）=1.46×10^-13．K_sp（NiCO₃）＞K_sp（CdCO₃）=6.18×10^-12＞K_sp（PbCO₃）=1.46×10^-13，CdCO₃、NiCO₃、PbCO₃沉淀中陰陽離子比相同，K_sp越小溶解度越小相同濃度的離子溶液中加入碳酸鈉溶液析出沉淀越快，取少量該廢水向其中滴加Na₂CO₃溶液，形成CdCO₃、NiCO₃、PbCO₃沉淀的先后順序為PbCO₃、CdCO₃、NiCO₃，
故答案為：PbCO₃、CdCO₃、NiCO₃．

點評 本題涉及化學(xué)平衡計算、反應(yīng)熱計算、原電池原理等知識點，為高頻考點，側(cè)重考查學(xué)生分析計算及知識綜合運用能力，明確外界條件對化學(xué)平衡影響及電極反應(yīng)式的書寫方法是解本題關(guān)鍵，書寫電極反應(yīng)式要結(jié)合電解質(zhì)溶液酸堿性，題目難度不大．