Question

3．MnO₂是常见的催化剂，MnCO₃（s）热分解法是目前制备MnO₂的常见方法．反应原理为2MnCO₃（s）+O₂（g）?2MnO₂（s）+2CO₂（g）△H；该反应的过程为：
①MnCO₃（s）?MnO（s）+CO₂（g）△H₁；
②MnO（s）+O₂（g）?2MnO₂（s）△H₂．
（1）△H，△H₁，△H₂三者之间关系为△H=2△H₁+△H₂，反应②在低温下能自发进行，则其△H＜0（填“＜”，“=”或“＞”）．
（2）300℃时，体系中各物质浓度随时间变化如图1所示．在0～60s时段，反应速率v（O₂）为8.33×10^-3mol•L^-1•s^-1，反应的平衡常数K₁为0.36．
（3）300℃时达平衡后，改变反应温度为T，并加入催化剂，c（O₂）以0.0020mol•L^-1•s^-1的平均速率降低，经10s又达到平衡，列式计算温度T时反应的平衡常数K₂为0.845．
（4）某小组对碳酸锰的分解条件（温度、湿度）进行研究，得到如下三组图象（图2），则合适的熔烧温度为350℃．

Answer 1

分析 （1）已知：①MnCO₃（s）?MnO（s）+CO₂（g）△H₁；
②MnO（s）+O₂（g）?2MnO₂（s）△H₂，
根据盖斯定律，①×2+②可得：2MnCO₃（s）+O₂（g）?2MnO₂（s）+2CO₂（g），反应热也进行相应的计算；
当△G=△H-T△S＜0时，反应自发进行；
（2）由图可知，60s时到达平衡，二氧化碳的起始浓度为0.2mol/L，平衡时浓度为0.12mol/L，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO₂），再根据速率之比等于化学计量数之比计算v（O₂），平衡时氧气浓度为0.04mol/L，代入平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{c（{O}_{2}）}$计算；
（3）c（O₂）以0.0020mol•L^-1•s^-1的平均速率降低，经10s又达到平衡，重新达到新平衡时氧气的浓度为0.04mol/L-0.0020mol•L^-1•s^-1×10s=0.02mol/L，则平衡时v（CO₂）=0.12mol/L+0.02mol/L×$\frac{1}{2}$=0.13mol/L，代入平衡常数K=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{c（{O}_{2}）}$计算；
（4）应选择碳酸锰转化率最高时的温度．

解答 解：（1）已知：①MnCO₃（s）?MnO（s）+CO₂（g）△H₁；
②MnO（s）+O₂（g）?2MnO₂（s）△H₂，
根据盖斯定律，①×2+②可得：2MnCO₃（s）+O₂（g）?2MnO₂（s）+2CO₂（g），则△H=2△H₁+△H₂；
反应②在低温下能自发进行，当△G=△H-T△S＜0时，反应自发进行，只有△H＜0，
故答案为：△H=2△H₁+△H₂；＜；
（2）由图可知，60s时到达平衡，二氧化碳的起始浓度为0.2mol/L，平衡时浓度为0.12mol/L，则v（CO₂）=$\frac{（0.12-0.02）mol/L}{60s}$=$\frac{1}{600}$mol/（L．s），再速率之比等于化学计量数之比，则v（O₂）=$\frac{1}{2}$v（CO₂）=8.33×10^-3mol/（L．s），平衡时氧气浓度为0.04mol/L，则平衡常数K₁=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{c（{O}_{2}）}$=$\frac{0.1{2}^{2}}{0.04}$=0.36，
故答案为：8.33×10^-3mol/（L．s）；0.36；
（3）c（O₂）以0.0020mol•L^-1•s^-1的平均速率降低，经10s又达到平衡，重新达到新平衡时氧气的浓度为0.04mol/L-0.0020mol•L^-1•s^-1×10s=0.02mol/L，则平衡时v（CO₂）=0.12mol/L+0.02mol/L×$\frac{1}{2}$=0.13mol/L，则平衡常数K₂=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{c（{O}_{2}）}$=$\frac{0.1{3}^{2}}{0.02}$=0.845，
故答案为：0.845；
（4）由图2分析，在350℃左右碳酸锰转化率比较高，故答案为：350℃．

点评 本题考查反应热计算、反应速率计算、化学平衡常数、图象分析等，题目综合性强，侧重考查学生分析计算能力，需要学生具备扎实的基础，难度中等．