Question

4．能源和环境保护是世界各国关注的热点话题．请回答下列问题：

Ⅰ．收集和利用CO₂是环境保护的热点课题．
500℃时，在容积为1L的密闭容器中充入1mol CO₂和3mol H₂，发生如下反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0，测得CO₂和CH₃OH的浓度与时间的关系如图1所示．
（1）A点含义是该条件下反应3min时c（CO₂）=c（CH₃OH）；0～10min内v（H₂）=0.225mol/（L．min），平衡常数K=5.3（保留一位小数）．
（2）反应在500℃达到平衡之后，改变反应温度为T，CH₃OH的浓度以每分钟0.030mol•L^-1逐渐增大，经5min又达到新平衡．
①T小于（填“大于”、“小于”或“等于”）500℃，判断理由是改变温度，甲醇的浓度增大，说明平衡正向移动，因为该反应的正反应是放热反应，则T＜500℃．
②列式计算温度为T时反应的平衡常数K₂=300．
（3）温度为T时，反应达到平衡后，将反应容器的容积增大一倍．平衡向逆（填“正反应”或“逆反应”）方向移动，判断理由是该反应的逆反应是气体分子数增大的反应，增大容器容积，相当于减小压强，平衡向气体分子数增大的方向移动．
Ⅱ．电化学法处理SO₂是目前研究的热点．
利用双氧水吸收SO₂可消除SO₂污染，设计装置如图2所示．
（1）石墨1为负极（填“正极”或“负极”）；正极的电极反应式为H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O．
（2）H⁺的迁移方向为从质子交换膜左侧向右侧迁移．
（3）若11.2L（标准状况）SO₂参与反应，则迁移H⁺的物质的量为1mol．
Ⅲ．某废水中含Cd²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺（假设浓度均为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．
取少量该废水向其中滴加Na₂CO₃溶液，形成CdCO₃、NiCO₃、PbCO₃沉淀的先后顺序为PbCO₃、CdCO₃、NiCO₃．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）先计算二氧化碳的平均反应速率，再根据同一可逆反应中同一时间内各物质的反应速率等于其计量数之比计算氢气平均反应速率；A点说明该条件下该时间点两种物质的浓度相等；化学平衡常数K等于生成物浓度幂之积与反应物幂之积的比；
（2）①升高温度平衡向吸热方向移动，降低温度，平衡向放热方向移动；
②反应在500℃达到平衡之后，
                           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）      1               3                   0                0
变化量（mol/L）     0.75         2.25              0.75              0.75
平衡量（mol/L）    0.25          0.75              0.75             0.75
改变反应温度为T，CH₃OH的浓度以每分钟0.030mol•L^-1逐渐增大，经5min又达到新平衡，甲醇浓度增大了0.15mol/L，
                            CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）    0.25           0.75            0.75             0.75
变化量（mol/L）    0.15           0.45            0.15            0.15
平衡量（mol/L）    0.1            0.3              0.9               0.9
平衡常数=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
（3）体积增大，压强减小，平衡向气体体积增大的方向移动；
Ⅱ．（1）该原电池中，通入二氧化硫的电极上失电子发生氧化反应，则通入二氧化硫的电极是负极、通入双氧水的电极是正极，正极上双氧水得电子生成水；
（2）原电池中阳离子移向正极；
（3）n（SO₂）=$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol，根据转移电子和转移氢离子之间的关系式计算；
Ⅲ．CdCO₃、NiCO₃、PbCO₃沉淀中阴阳离子比相同，Ksp越小溶解度越小相同浓度的离子溶液中加入碳酸钠溶液析出沉淀越快；

解答 解：Ⅰ．（1）0～10min内v（CO₂）=$\frac{1.00mol/L-0.25mol/L}{10min}$mol/（L．min）=0.075 mol/（L．min），再根据同一可逆反应中同一时间内各物质的反应速率等于其计量数之比得v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075 mol/（L．min）=0.225mol/（L．min）；A点说明该条件下反应3min时两种物质的浓度相等，即c（CO₂）=c（CH₃OH），结合平衡三行计算计算平衡浓度，
                             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）      1               3                    0                0
变化量（mol/L）     0.75         2.25                 0.75              0.75
平衡量（mol/L）    0.25           0.75              0.75             0.75
平衡状态下c（CO₂）=0.25mol/（L•min），c（H₂）=0.75mol/L，c（CH₃OH）=0.75mol/L，c（H₂O）=0.75mol/L，
化学平衡常数K等于生成物浓度幂之积与反应物幂之积的比，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，
故答案为：该条件下反应3min时c（CO₂）=c（CH₃OH）；0.225mol/（L．min）；5.3；
（2）①该反应的正反应是放热反应，改变反应温度为T，CH₃OH的浓度以每分钟0.030mol/L逐渐增大，说明平衡正向移动，温度要低于500℃，
故答案为：小于；改变温度，甲醇的浓度增大，说明平衡正向移动，因为该反应的正反应是放热反应，则T＜500℃；
②反应在500℃达到平衡之后，
                           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）      1               3                   0                0
变化量（mol/L）     0.75         2.25              0.75              0.75
平衡量（mol/L）    0.25          0.75              0.75             0.75
改变反应温度为T，CH₃OH的浓度以每分钟0.030mol•L^-1逐渐增大，经5min又达到新平衡，甲醇浓度增大为0.15mol/L，
                            CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）    0.25           0.75            0.75             0.75
变化量（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，
故答案为：300；
（3）该反应前后气体体积减小，体积增大，压强减小，平衡向气体体积增大的方向移动，即逆向移动，
故答案为：逆；该反应的逆反应是气体分子数增大的反应，增大容器容积，相当于减小压强，平衡向气体分子数增大的方向移动；
Ⅱ．（1）该原电池中，通入二氧化硫的电极上失电子发生氧化反应，则通入二氧化硫的电极是负极、通入双氧水的电极是正极，正极上双氧水得电子生成水，电极反应式为H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O，
故答案为：负极；H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O；
（2）H⁺的迁移方向为正极，从质子交换膜左侧向右侧迁移，故答案为：从质子交换膜左侧向右侧迁移；
（3）n（SO₂）=$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol，该反应的负极反应式为SO₂+2H₂O-2e^-=SO₄^2-+4H⁺，正极电极反应式为H₂O₂+2e^-+2H⁺=2H₂O，有0.5mol二氧化硫参加反应，有2mol氢离子在正极上发生反应，则迁移H⁺的物质的量为反应的二氧化硫的2倍，为1mol，
故答案为：1mol．
Ⅲ．某废水中含Cd²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺（假设浓度均为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沉淀中阴阳离子比相同，K_sp越小溶解度越小相同浓度的离子溶液中加入碳酸钠溶液析出沉淀越快，取少量该废水向其中滴加Na₂CO₃溶液，形成CdCO₃、NiCO₃、PbCO₃沉淀的先后顺序为PbCO₃、CdCO₃、NiCO₃，
故答案为：PbCO₃、CdCO₃、NiCO₃．

点评 本题涉及化学平衡计算、反应热计算、原电池原理等知识点，为高频考点，侧重考查学生分析计算及知识综合运用能力，明确外界条件对化学平衡影响及电极反应式的书写方法是解本题关键，书写电极反应式要结合电解质溶液酸碱性，题目难度不大．