Question

4．化学平衡原理是中学化学学习的重要内容．请回答下列问题：

（1）①己知：CH₄、H₂的燃烧热（△H）分别为-890.3kJ/mol、-285.8kJ/mol，则CO₂和H₂反应生成CH₄和液态H₂O的热化学方程式是CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-252.9kJ/mol．
②图1是用Pt作电极，N₂和H₂的原电池．请写出正极的电极反应式N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，电解质A是氯化铵．
（2）甲醇是一种可再生能源，具有开发和应用的广阔前景，工业上可用合成气制备甲醇．反应为
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．某温度下，在容积为2L的密闭容器中进行该反应，其相关数据见图2：
①从反应开始至平衡时，用CO表示化学反应速率为0.03mol/（L•min），该温度下的平衡常数为$\frac{75}{8}$．
②5min至10min时速率变化的原因可能是升高温度或使用了催化剂；
（3）①常温下，将V mL、0.1000mol/L氢氧化钠溶液逐滴加入到20.00mL、0.1000mol/L醋酸溶液中，充分反应（忽略溶液体积的变化）．如果溶液pH=7，此时V的取值＜20.00（填“＞”、“=”或“＜”）．
②常温下，将a mol/L的醋酸与b mol/L的氢氧化钠溶液等体积混合，反应后，溶液呈中性，则醋酸的电离常数为$\frac{1{0}^{-7}b}{a-b}$（用含有a、b字母的代数式表示）．
（4）NH₄HSO₄在分析试剂、医药、电子工业中用途广泛．现向100mL 0.1mol•L^-1NH₄HSO₄溶液中滴加0.1mol•L^-1NaOH溶液，得到的溶液pH与NaOH溶液体积的关系曲线如图2示，分析图中3a、b、c、d、e五个点，
①b点时，溶液中发生水解反应的离子是NH₄⁺；
②在c点，溶液中各离子浓度由大到小的排列顺序是c（Na⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（NH₄⁺）＞c（OH^-）=c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）①已知CH₄、H₂的燃烧热分别为890.3kJ•mol^-1、285.8kJ•mol^-1，可得热化学方程式为：
I．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ•mol^-1
Ⅱ．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
根据盖斯定律，Ⅱ×4-I可得：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）；
②电池正极发生还原反应，氮气得电子发生还原反应，N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，A是铵根离子与氯离子结合形成氯化铵；
（2）①10min到达平衡，利用三段式计算表示时各物质的量，根据v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$计算v（CO），再根据K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$计算平衡常数；
②5min时刻瞬间各组分的物质的量未变，而后反应速率加快，可能是反应受热或使用了催化剂；
（3）①若二者恰好反应得到CH₃COONa溶液，溶液中CH₃COO^-水解呈碱性，反应后溶液pH=7，溶液就呈中性，故反应时醋酸应过量；
②呈中性则c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7mol/L，c（Na⁺）=c（CH₃COO^-）=0.5bmol/L，由物料守恒可知c（CH₃COOH）=0.5（a-b）mol/L，再根据电离常数K_a=$\frac{c（{H}^{+}）×c（C{H}_{3}CO{O}^{-}）}{c（C{H}_{3}COOH）}$计算；
（4）①a、b、c、d、e五个点，根据反应量的关系，a点是100mL0.1mol•L^-1NH₄HSO₄溶液的PH，b点是氢氧化钠和硫酸氢铵溶液中氢离子恰好反应，恰好消耗完H⁺，溶液中只有（NH₄）₂SO₄与Na₂SO₄；c点是溶液PH=7，呈中性；
②c点溶液呈中性，则溶液含有（NH₄）₂SO₄、Na₂SO₄、NH₃•H₂O三种成分．

解答 解：（1）①已知CH₄、H₂的燃烧热分别为890.3kJ•mol^-1、285.8kJ•mol^-1，可得热化学方程式为：
I．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3kJ•mol^-1
Ⅱ．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
根据盖斯定律，Ⅱ×4-I可得：CO₂ （g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1×4+890.3KJ/mol=-252.9 kJ/mol，
故答案为：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（l）△H=-252.9 kJ/mol；
②电池正极发生还原反应，氮气得电子发生还原反应，N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺，A是铵根离子与氯离子结合形成氯化铵，
故答案为：N₂+8H⁺+6e^-=2NH₄⁺；氯化铵；
（2）①由图可知10min到达平衡，平衡时甲醇为0.6mol，则：
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：1       2         0
变化量（mol）：0.6     1.2       0.6       
平衡量（mol）：0.4     0.8       0.6
则v（CO）=$\frac{\frac{0.6mol}{2L}}{10min}$=0.03mol/（L．min），
平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.6}{2}}{\frac{0.4}{2}×（\frac{0.8}{2}）^{2}}$=$\frac{75}{8}$，
故答案为：0.03mol/（L．min）；$\frac{75}{8}$；
②5min时刻瞬间各组分的物质的量未变，而后反应速率加快，可能是反应受热或使用了催化剂，
故答案为：反应受热或使用了催化剂；
（3）①若二者恰好反应得到CH₃COONa溶液，溶液中CH₃COO^-水解呈碱性，反应后溶液pH=7，溶液就呈中性，故反应时醋酸应过量，则VmL×0.1000mol•L^-1＜20.00mL×0.1000mol•L^-1，故V＜20，
故答案为：＜；
②呈中性则c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7mol/L，c（Na⁺）=c（CH₃COO^-）=0.5bmol/L，由物料守恒可知c（CH₃COOH）=0.5（a-b）mol/L，则CH₃COOH的电离常数K_a=$\frac{c（{H}^{+}）×c（C{H}_{3}CO{O}^{-}）}{c（C{H}_{3}COOH）}$=$\frac{1{0}^{-7}×0.5b}{0.5（a-b）}$=$\frac{1{0}^{-7}b}{a-b}$，
故答案为：$\frac{1{0}^{-7}b}{a-b}$；
（4）①a、b、c、d、e五个点，a点是100mL0.1mol•L^-1NH₄HSO₄溶液的PH，铵根离子水解显酸性，b点恰好消耗完H⁺，溶液中只有（NH₄）₂SO₄与Na₂SO₄，溶液中发生水解反应的离子是NH₄⁺，NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺，铵根离子水解溶液显酸性，
故答案为：NH₄⁺；
②c点溶液呈中性，即溶液含有（NH₄）₂SO₄、Na₂SO₄、NH₃•H₂O三种成分，b点时c（Na⁺）=c（SO₄^2-），则c点时c（Na⁺）＞c（SO₄^2-），根据N元素与S元素的关系，可以得出c（SO₄^2-）＞c（NH₄⁺），故c（Na⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（NH₄⁺）＞c（OH^-）=c（H⁺），
故答案为：c（Na⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（NH₄⁺）＞c（OH^-）=c（H⁺）．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、热化学方程式书写、电离平衡常数的计算、电解质溶液中离子浓度大小分析判断，注意图象的变化特征分析，掌握基础是关键，题目难度中等．