Question

10．二氧化锰是化学工业中常用的氧化剂和有机合成中的催化剂，其主要制备方法是碳酸锰和O₂高温下反应，反应原理为2MnCO₃（s）+O₂（g）?2MnO₂（s）+2CO₂（g）．经研究发现该反应过程为①MnCO₃（s）?MnO（s）+CO₂ （g）   ②2MnO（s）+O₂（g）?2MnO₂（s）．
回答下列问题：
（1）某温度下该平衡体系的压强为P，CO₂、O₂的物质的量分别为n₁和n₂，用平衡分压代替平衡浓度，写出碳酸锰和O₂高温下反应的平衡常数表达式K=$\frac{P{{n}_{1}}^{2}}{{n}_{2}（{n}_{1}+{n}_{2}）}$（用P、n₁、n₂表示，分压=总压×物质的量分数）；K与反应①、②的平衡常数K₁、K₂关系为K=K₁²×K₂．
（2）反应②在一定条件下能自发进行，则其△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）某科研小组对碳酸锰和O₂高温下反应制二氧化锰的条件（焙烧温度和气氛）进行了研究，获得如下三幅图．则该制备反应合适的焙烧温度为350℃，合适的水分含量气氛条件为含水量30%．

（4）MnO₂也可在MnSO₄-H₂SO₄-H₂O为体系的电解液中电解获得，其阳极的电极反应式为Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，电解后溶液的pH将减小（填“增大”、“减小”或“不变”）．

Answer 1

分析 （1）生成物浓度的幂之积比上反应浓度的幂之积，固体不代入表达式；2MnCO₃+O₂═2MnO₂+2CO₂为方程①②之和，所以K=K₁×K₂；
（2）反应自发进行的判断依据是△H-T△S＜0，反应自发进行，△H-T△S＞0，反应非自发进行；
（3）由图分析在在指定温度下和水分含量下碳酸锰转化率要高；
（4）阳极发生氧化反应，锰由+2价变成+4价，产生大量的氢离子．

解答 解：（1）反应①的平衡常数表达式K1=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{c（{O}_{2}）}$=$\frac{（{P×\frac{{n}_{1}}{{n}_{1}+{n}_{2}}）}^{2}}{P×\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}+{n}_{2}}}$=$\frac{P{{n}_{1}}^{2}}{{n}_{2}（{n}_{1}+{n}_{2}）}$，K与反应①、②的平衡常数K₁、K₂关系为：2MnCO₃+O₂═2MnO₂+2CO₂为方程①的系扩大2倍后与②之和所以K=K₁²×K₂，
故答案为：=$\frac{P{{n}_{1}}^{2}}{{n}_{2}（{n}_{1}+{n}_{2}）}$；K=K₁²×K₂；
（2）反应②在低温下能，只有△H＜0，△G＜0反应自发，
故答案为：＜；
（3）由图2分析，在350℃左右碳酸锰转化率比较高，由图3可知水分含量的30%左右碳酸锰转化率比较高（或20%-40%都正确），
故答案为：350℃；含水量30%；
（4）阳极发生氧化反应，锰由+2价变成+4价，电极反应为Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，产生大量的氢离子，电解后溶液的pH将减小，
故答案为：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺；减小．

点评 本题考查化学平衡常数的含义，平衡移动、电化学相关知识，题目难度中等，试题综合性强，学生要有一定的化学基本功才能解决，试题培养了学生的灵活应用能力．