Question

4．研究碳和硫的化合物的性质，有助于合理控制温室效应、环境污染，并能进行资源化利用，还可重新获得燃料或重要工业产品．

I．（1）有科学家提出可利用FeO吸收和利用CO₂，相关热化学方程式如下：
6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s）△H=-76.0kJ•mol^-1
①上述反应的还原产物为，每生成1mol Fe₃O₄，转移电子的物质的量为2mol；
②已知：C（s）+2H₂O（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H=+113.4kJ•mol^-1，则反应：
3FeO（s）+H₂O（g）═Fe₃O₄（s）+H₂（g）的△H=+18.7kJ/mol．
（2）在一定条件下，二氧化碳转化为甲烷的反应如下：CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）．向一容积为2L的恒容密闭容器中充入一定量的CO₂和H₂，在300℃时发生上述反应，达到平衡时各物质的浓度分别为CO₂ 0.2mol•L^-1，H₂ 0.8mol•L^-1，CH₄ 0.8mol•L^-1，H₂O 1.6mol•L^-1．则300℃时上述反应的平衡常数K=25．200℃时该反应的平衡常数K=64.8，则该反应的△H＜（填“＞”或“＜”）0．
Ⅱ．SO₂直接排放会对环境造成危害．SO₂的尾气处理通常有以下几种方法：
（1）活性炭还原法
反应原理：恒温恒容时2C（s）+2SO₂（g）?S₂（g）+2CO₂（g）．
反应进行到不同时间测得各物质的浓度如图1：
①0～20min反应速率表示为v（SO₂）=0.03mol/（L•min）；
②30min时，改变某一条件平衡发生移动，则改变的条件最有可能是减少CO₂的浓度；
③能说明上述反应达到平衡状态的是bc．
a．SO₂的消耗速率与CO₂的生成速率相同   b．混合气体的密度不变
c．S₂的浓度不变                          d．SO₂与S₂的物质的量之比为2：1
（2）亚硫酸钠吸收法
①Na₂SO₃溶液吸收SO₂的离子方程式为SO₃^2-+SO₂+H₂O=2HSO₃^-；
②常温下，当吸收至NaHSO₃时，吸收液中相关离子浓度关系一定正确的是abc（填序号）．
a．c（Na⁺）+c（H⁺）＞c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-）
b．c（Na⁺）=c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（H₂SO₃）
c．c（Na⁺）＞c（HSO₃^-）＞c（H⁺）＞c（SO₃^2-）
d．水电离出c（H⁺）=1×10^-8mol/L
（3）电化学处理法
①如图2所示，Pt（Ⅰ）电极的电极反应式为SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4 H⁺；
②当电路中转移0.02mol e^-时（较浓H₂SO₄尚未排出），交换膜左侧溶液中约增加0.03mol离子．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）①反应6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s）中，Fe元素化合价由+2价部分升高到+3价，C元素化合价由+4价降低到0价；
②6FeO（s）+CO₂（g）=2Fe₃O₄（s）+C（s）△H=-76.0kJ•mol^-1
C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=+113.4kJ•mol^-1，
两热化学方程式相加除以2得：3FeO（s）+H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+H₂（g）的反应热；
（2）平衡状态c（H₂）=c（CH₄）=0.8mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L；
                          CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始量（mol/L） 1.0            4.0             0              0
变化量（mol/L） 0.8           3.2            0.8           1.6
平衡量（mol/L） 0.2           0.8            0.8            1.6
根据平衡常数为生成物浓度的幂次方之积比上反应物浓度的幂次方之积书写；比较300℃与200℃时的平衡常数K的值判断反应的△H；
Ⅱ．（1）①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（SO₂）；
②30min时瞬间，二氧化碳浓度降低，S₂的浓度不变，而后二氧化碳、S₂的浓度均增大，应是减少CO₂的浓度；
③根据化学平衡状态的特征解答，当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
（2）①Na₂SO₃溶液与SO₂反应生成亚硫酸氢钠；
②a．根据电荷守恒判断；
b．根据物料守恒判断；
c．NaHSO₃溶液中HSO₃^-的电离程度大于其水解程度；
d．水电离出氢离子浓度等于溶液中氢氧根离子浓度，由于NaHSO₃溶液的pH未知，不能计算水电离出氢离子浓度；
（3）①由图可知，Pt_（1）电极上二氧化硫被氧化生成硫酸；
②左侧电极反应式为：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4 H⁺，根据电子转移守恒计算生成硫酸根、氢离子的物质的量，为保持溶液电中性，多余的氢离子通过阳离子交换膜移至右侧，左侧溶液中增加离子为生成硫酸电离的离子总量．

解答 解：（1）①反应6FeO（s）+CO₂（g）═2Fe₃O₄（s）+C（s）中，Fe元素化合价由+2价部分升高到+3价，C元素化合价由+4价降低到0价，还原产物为C，每生成1mol Fe₃O₄，则生成0.5molC，转移2mol电子，
故答案为：C；2；
②6FeO（s）+CO₂（g）=2Fe₃O₄（s）+C（s）△H=-76.0kJ•mol^-1
C（s）+2H₂O（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=+113.4kJ•mol^-1，
两热化学方程式相加除以2得：3FeO（s）+H₂O（g）=Fe₃O₄（s）+H₂（g）
△H=（-76.0kJ/mol+113.4kJ/mol）÷2=+18.7kJ/mol，
故答案为：+18.7kJ/mol；
（2）平衡状态c（H₂）=c（CH₄）=0.8mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L；
                           CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始量（mol/L） 1.0            4.0               0                0
变化量（mol/L） 0.8           3.2              0.8              1.6
平衡量（mol/L） 0.2          0.8               0.8              1.6
反应的平衡常数表达式K=$\frac{c（{H}_{2}O）{c}^{2}（C{H}_{4}）}{c（C{O}_{2}）{c}^{4}（{H}_{2}）}$=$\frac{1．{6}^{2}×0.8}{0.2×0．{8}^{4}}$=25，因为200℃时该反应的平衡常数K=64.8，所以升温K变小，平衡向逆反应方向移动，所以△H＜0；
故答案为：25；＜；
Ⅱ．（1）①由图可知，0-20min内二氧化硫浓度变化量为1mol/L-0.4mol/L=0.6mol/L，故v（SO₂）=$\frac{0.6mol/L}{20min}$=0.03mol/（L•min），
故答案为：0.03mol/（L•min）；
②30min时瞬间，二氧化碳浓度降低，S₂的浓度不变，而后二氧化碳、S₂的浓度均增大，应是减少CO₂的浓度，故答案为：减少CO₂的浓度；
③2C（s）+2SO₂（g）?S₂（g）+2CO₂（g），
a．SO₂的消耗速率与CO₂的生成速率相同只能说明反应正向进行，不能说明反应达到平衡状态，故a错误；
b．反应前后气体质量增大，气体体积增大，混合气体的密度不变说明反应达到平衡状态，故b正确；
c．S₂的浓度不变是平衡标志，故c正确；
d．和起始量有关，反应过程中SO₂与S₂的反应物质的量之比始终为2：1，不能说明反应达到平衡状态，故d错误；
故答案为：bc；
（2）①Na₂SO₃溶液与SO₂反应生成亚硫酸氢钠，反应离子方程式为：SO₃^2-+SO₂+H₂O=2HSO₃^-，故答案为：SO₃^2-+SO₂+H₂O=2HSO₃^-；
②a．根据电荷守恒：c（Na⁺）+c（H⁺）=2c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-），故溶液中c（Na⁺）+c（H⁺）＞c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（OH^-），故a正确；
b．溶液中S元素以SO₃^2-、HSO₃^-、H₂SO₃形式存在，Na元素与硫元素物质的量之比为1：1，故溶液中c（Na⁺）=c（SO₃^2-）+c（HSO₃^-）+c（H₂SO₄），故b正确；
c．NaHSO₃溶液中HSO₃^-的电离程度大于其水解程度，故溶液中c（Na⁺）＞c（HSO₃^-）＞c（H⁺）＞c（SO₃^2-），故c正确；
d．水电离出氢离子浓度等于溶液中氢氧根离子浓度，由于NaHSO₃溶液的pH未知，不能计算水电离出氢离子浓度，故d错误，
故答案为：abc；
（3）①由图可知，Pt_（1）电极上二氧化硫被氧化生成硫酸，电极反应式为：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4 H⁺，
故答案为：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4 H⁺；
②左侧电极反应式为：SO₂-2e^-+2H₂O=SO₄^2-+4 H⁺，根据电子转移守恒，生成硫酸根物质的量$\frac{0.02mol}{2}$=0.01mol，生成氢离子为0.04mol，为保持溶液电中性，0.01mol硫酸根需要0.02mol氢离子，多余的氢离子通过阳离子交换膜移至右侧，即有0.02mol氢离子移至右侧，故左侧溶液中增加离子为0.01mol+0.02mol=0.03mol，
故答案为：0.03．

点评 本题属于拼合型题目，涉及反应热计算、反应速率计算、化学平衡影响因素、离子浓度比较、电极反应式书写、电解池有关计算等，需要学生具备扎实的基础，侧重考查学生对知识的迁移应用，（3）中左侧溶液中增加离子物质的量计算为易错点，学生容易根据电极反应式计算，忽略部分氢离子移至右侧，题目难度中等．