Question

10．由某精矿石（MCO₃•ZCO₃）可以制备单质M，制备过程中排放出的二氧化碳可以作为原料制备甲醇，取该矿石样品1.84g，高温灼烧至恒重，得到0.96g仅含两种金属氧化物的固体，其中m（M）：m（Z）=3：5，请回答：
（1）该矿石的化学式为MgCO₃•CaCO₃．
（2）①以该矿石灼烧后的固体产物为原料，真空高温条件下用单质硅还原，仅得到单质M和一种含氧酸盐（只含Z、Si和O元素，且Z和Si的物质的量之比为2：1）．写出该反应的化学方程式2MgO+2CaO+Si$\frac{\underline{\;真空高温\;}}{\;}$2Mg+Ca₂SiO₄．
②单质M还可以通过电解熔融MCl₂得到，不能用电解MCl₂溶液的方法制备M的理由是电解MgCl₂溶液时，阴极上H⁺比Mg²⁺容易得到电子，电极反应式为2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，所以得不到镁单质．
（3）一定条件下，由CO₂和H₂制备甲醇的过程中含有下列反应：
反应1：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₁
反应2：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂
反应3：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃
其对应的平衡常数分别为K₁、K₂、K₃，它们随温度变化的曲线如图1所示．则△H₁小于△H₂ （填“大于”、“小于”、“等于”），理由是曲图l可知，随着温度升高，K₁增大，则△H₁＞0，根据盖斯定律又得△H₃=△H₁+△H₂，所以△H₂＜△H₃．
（4）在温度T₁时，使体积比为3：1的H₂和CO₂在体积恒定的密闭容器内进行反应．T₁温度下甲醇浓度随时间变化曲线如图2所示；不改变其他条件，假定t时刻迅速降温到T₂，一段时间后体系重新达到平衡．试在图中画出t时刻后甲醇浓度随时间变化至平衡的示意曲线．

Answer 1

分析 （1）由于M和Z的相对原子质量之比为3：5，故设M和Z的相对原子质量分别为3x，5x．
由于MCO₃•ZCO₃中MCO₃和ZCO₃的比值为1：1，故得到的氧化物MO和ZO的物质的量之比也为1：1，根据MCO₃•ZCO₃的质量为1.84g，得到氧化物的质量为0.96g，可得：
$\frac{3x+5x+32}{3x+5x+120}$，即可解得x值，从而得出M和Z的相对原子质量，并得出矿石的化学式；
（2）①由于灼烧后的产物为CaO和MgO的混合物，而真空高温条件下用单质硅还原，仅得到单质Mg和一种含氧酸盐，据此写出化学方程式；②电解熔融的氯化镁得到，在水溶液中电解，镁离子不能在阴极得电子析出镁，得不到金属镁；
（3）反应1、2、3其对应的平衡常数分别为K₁、K₂、K₃，根据图1它们随温度变化的曲线结合盖斯定律进行分析解答；
（4）在温度T₁时，使体积比为3：1的H₂和CO₂在体积恒定的密闭容器内进行反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃＜0，t时刻迅速降温到T₂，降低温度平衡向正反应方向移动，CH₃OH浓度增大，据此画出t时刻后甲醇浓度随时间变化至平衡的示意曲线．

解答 解：（1）由于M和Z的相对原子质量之比为3：5，故设M和Z的相对原子质量分别为3x，5x．
由于MCO₃•ZCO₃中MCO₃和ZCO₃的物质的量之比为1：1，故得到的氧化物中MO和ZO的物质的量之比也为1：1，根据MCO₃•ZCO₃的质量为1.84g，得到氧化物的质量为0.96g，可得：
$\frac{3x+5x+32}{3x+5x+120}$，x=8，M的相对原子质量为3x=24，故M为Mg，Z的相对原子质量为5x=40，故Z为Ca，则矿石的化学式为MgCO₃•CaCO₃，
故答案为：MgCO₃•CaCO₃；
（2）①由于灼烧后的产物为CaO和MgO的混合物，而真空高温条件下用单质硅还原，仅得到单质Mg和一种含氧酸盐，由于此含氧酸盐中只含Z、Si和O元素，且Z和Si的物质的量之比为2：1，故为Ca₂SiO₄，故此反应的化学方程式为：2MgO+2CaO+Si$\frac{\underline{\;真空高温\;}}{\;}$2Mg+Ca₂SiO₄，
故答案为：2MgO+2CaO+Si$\frac{\underline{\;真空高温\;}}{\;}$2Mg+Ca₂SiO₄；
②溶液中含有的阳离子的放电顺序为：H⁺＞Mg²⁺，阴离子的放电顺序为：Cl^-＞OH^-，电解MgCl₂溶液时，阴极上H⁺比Mg²⁺容易得到电子，电极反应式为2H₂O+2e^-，
=H₂↑+2OH^-，所以得不到镁单质，
故答案为：电解MgCl₂溶液时，阴极上H⁺比Mg²⁺容易得到电子，电极反应式为2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，所以得不到镁单质；
（3）由图l可知，随着温度升高，K₁增大，则反应1：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₁＞0，反应3由反应1+2所得，根据盖斯定律：△H₃=△H₁+△H₂，所以△H₂＜△H₃，
故答案为：小于；曲图l可知，随着温度升高，K₁增大，则△H₁＞0，根据盖斯定律又得△H₃=△H₁+△H₂，所以△H₂＜△H₃；
（4）由图l可知，随着温度升高，K₃减小，则反应3CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃＜0，t时刻迅速降温到T₂，降低温度平衡向正反应方向移动，CH₃OH浓度增大，t时刻后甲醇浓度随时间变化至平衡的示意曲线为：，故答案为：．

点评 本题考查了复杂化合物的化学式的确定和化学方程式的书写、电解原理及电极反应式的书写、化学平衡等知识，熟练掌握盖斯定律的应用、溶液中离子的放电顺序、化学平衡移动原理等知识是解决本题的关键，题目难度较大．侧重学生的分析、理解能力及化学计算能力的培养．