Question

17．砷（As）是第四周期ⅤA族元素，可以形成As₂S₃、As₂O₅、H₃AsO₃、H₃AsO₄等化合物，有着广泛的用途．回答下列问题：
（1）画出砷的原子结构示意图．
（2）工业上常将含砷废渣（主要成分为As₂S₃）制成浆状，通入O₂氧化，生成H₃AsO₄和单质硫．写出发生反应的化学方程式2As₂S₃+5O₂+6H₂O=4H₃AsO₄+6S．该反应需要在加压下进行，原因是加压反应速率增大，而且平衡右移，可提高生产效率．
（3）已知：As（s）+$\frac{3}{2}$H₂（g）+2O₂（g）=H₃AsO₄（s）△H₁
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H₂
2As（s）+$\frac{5}{2}$O₂（g）=As₂O₅（s）△H₃
则反应As₂O₅（s）+3H₂O（l）=2H₃AsO₄（s）的△H=2△H₁-3△H₂-△H₃．
（4）298K时，将20mL 3x mol•L^-1 Na₃AsO₃、20mL 3x mol•L^-1 I₂和20mL NaOH溶液混合，发生反应：AsO₃^3-（aq）+I₂（aq）+2OH^-?AsO₄^3-（aq）+2I^-（aq）+H₂O（l）．溶液中c（AsO₄^3-）与反应时间（t）的关系如图所示．

①下列可判断反应达到平衡的是ac（填标号）．
a．溶液的pH不再变化
b．v（I^-）=2v（AsO₃^3-）
c．c （AsO₄^3-）/c （AsO₃^3-）不再变化
d．c（I^-）=y mol•L^-1
②t_m时，v_正大于 v_逆（填“大于”“小于”或“等于”）．
③t_m时v_逆小于 t_n时v_逆（填“大于”“小于”或“等于”），理由是tm时AsO₄^3-浓度更小，反应速率更慢．
④若平衡时溶液的pH=14，则该反应的平衡常数K为$\frac{4{y}^{3}}{（x-y）^{2}}$．

Answer 1

分析 （1）砷元素原子序数为33，原子核外有四个电子层，最外层5个电子，据此写出原子结构示意图：
（2）工业上常将含砷废渣（主要成分为As₂O₃）制成浆状，通入O₂氧化，生成H₃AsO₄和单质硫，结合氧化还原反应电子守恒和原子守恒书写化学方程式，反应为气体体积减小的反应，增大压强提高反应速率，平衡正向进行，反应效率高；
（3）①As（s）+$\frac{3}{2}$H₂（g）+2O₂（g）=H₃AsO₄（s）△H₁
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H₂
③2As（s）+$\frac{5}{2}$O₂（g）=As₂O₅（s）△H₃
盖斯定律计算得到反应As₂O₅（s）+3H₂O（l）=2H₃AsO₄（s）的△H；
（4）①达到平衡时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不变；
②反应从正反应开始进行，t_m时反应继续正向进行；
③物质的浓度越大，反应速率越大；
④根据反应的离子方程式，计算平衡时各物种的浓度，可计算平衡常数．

解答 解：（1）砷元素原子序数为33，原子核外有四个电子层，最外层5个电子，原子结构示意图为，
故答案为：；
（2）工业上常将含砷废渣（主要成分为As₂O₃）制成浆状，通入O₂氧化，生成H₃AsO₄和单质硫，砷元素化合价+3价变化为+5价，反应的化学方程式为2As₂S₃+5O₂+6H₂O=4H₃AsO₄+6S，增大压强，可增大反应速率，并使平衡正向移动，增大反应物的转化率，
故答案为：2As₂S₃+5O₂+6H₂O=4H₃AsO₄+6S；加压反应速率增大，而且平衡右移，可提高生产效率；
（3）已知：①As（s）+$\frac{3}{2}$H₂（g）+2O₂（g）=H₃AsO₄（s）△H₁
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H₂
③2As（s）+$\frac{5}{2}$O₂（g）=As₂O₅（s）△H₃
则利用盖斯定律将①×2-②×3-③可得As₂O₅（s）+3H₂O（l）=2H₃AsO₄（s）△H=2△H₁-3△H₂-△H₃，
故答案为：2△H₁-3△H₂-△H₃；
（4）①a．溶液pH不变时，则c（OH^-）也保持不变，反应达到平衡状态，故a正确；
b．同一个化学反应，速率之比等于化学计量数之比，无论是否达到平衡，都存在v（I^-）=2v（AsO₃^3-），故b错误；
c．c （AsO₄^3-）/c （AsO₃^3-）不再变化，可说明各物质的浓度不再变化，反应达到平衡状态，故c正确；
d．由图可知，当c （AsO₄^3-）=y mol•L^-1时，浓度不再发生变化，则达到平衡状态，由方程式可知此时c（I^-）=2y mol•L^-1，所以c（I^-）=y mol•L^-1时没有达到平衡状态，故d错误．
故答案为：ac；
②反应从正反应开始进行，t_m时反应继续正向进行，则v_正 大于 v_逆，故答案为：大于；
③t_m时比t_n时浓度更小，则逆反应速率更小，故答案为：小于；tm时AsO₄^3-浓度更小，反应速率更慢；
④反应前，三种溶液混合后，Na₃AsO₃的浓度为3xmol/L×$\frac{20}{20+20+20}$=xmol/L，同理I₂的浓度为xmol/L，反应达到平衡时，生产c（AsO₄^3-）为ymol/L，则反应生产的c（I^-）=2ymol/L，消耗的AsO₃^3-、I₂的浓度均为ymol/L，平衡时c（AsO₃^3-）=（x-y）mol/L，c（I₂）=（x-y）mol/L，溶液中c（OH^-）=1mol/L，则K=$\frac{y•（2y）2}{（x-y）•（x-y）×{1}^{2}}$=$\frac{4{y}^{3}}{（x-y）^{2}}$，
故答案为：$\frac{4{y}^{3}}{（x-y）^{2}}$．

点评 本题为2017年广西考题，综合考查热化学方程式、化学平衡的计算以及影响因素等知识，侧重考查学生的分析能力、计算能力，题中易错点为（4），注意把握图象的分析以及数据的处理，难度中等．