Question

5．乙炔是重要的化工原料，广泛用于有机合成和氧炔焊等．生产乙炔的方法有多种，如电石法、甲烷裂解法等．
（1）在Co（NO₃）₂催化下，乙炔可被50%的浓硝酸（硝酸被还原为NO₂）在20～70℃时直接氧化为H₂C₂O₄•2H₂O．
①该反应的化学方程式为C₂H₂+8HNO₃$→_{20～70℃}^{Co（NO_{3}）_{2}}$H₂C₂O₄•2H₂O+8NO₂↑+2H₂O；
②实际生产中硝酸可循环利用而不被消耗，用方程式说明：3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，2NO+O₂=2NO₂（4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃）．
（2）电石法原理为：由石油焦与生石灰在电炉中生成电石CaC₂（含Ca₃P₂、CaS等杂质），电石与水反应生成C₂H₄（含PH₃及H₂S等杂质）．
①已知焦炭固体与氧化钙固体每生成l g CaC₂固体，同时生成CO气体吸收7.25kJ的    热量，则该反应的热化学方程式为CaO（s）+3C（s）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CaC₂（s）+CO（g）△H=+464kJ/mol；
②用CuSO₄溶液净化乙炔气体，去除PH₃的反应之一为：4CuSO₄+PH₃+4H₂O═4Cu↓+H₃PO₄+4H₂SO₄，每去除1mol PH₃，该反应中转移电子的物质的量为8mol；
③反应H₂S（aq）+Cu²⁺（aq）═CuS（s）+2H⁺（aq）的平衡常数为8×10¹⁵；（已知K_sp（CuS）=1.25×10^-36，H₂S的K_al=1×10^-7，K_a2=1×10^-13）
④电石法工艺流程简单、容易操作、乙炔纯度高，缺点是消耗大量的电能（或污染严重）（举1例）．
（3）甲烷裂解法原理为：2CH₄（g）?C₂H₂（g）+3H₂（g）△H，实验测得该反应的Kp（用平衡分压代替浓度计算的平衡常数，分压=总压×物质的量分数）与温度的关系如右图所示：
①该反应的△H＞0（填“＞”、“=”或“＜”）；
②图中G点v_（正）＞v_（逆）（填“＞”、“=”或“＜”）；
③M点时，若容器中气体的总物质的量为1mol，则总压P与n（CH₄）、n（C₂H₂）及n（H₂）之间的关系为p=$\sqrt{\frac{{n}^{2}（{CH}_{4}）}{{n}^{3}（{H}_{2}）•n（{C}_{2}{H}_{2}）}}$或${n}^{2}（C{H}_{4}）=n（{C}_{2}{H}_{2}）•{n}^{3}（{H}_{2}）•{p}^{2}$．

Answer 1

分析 （1）①在Co（NO₃）₂催化下，乙炔可被50%的浓硝酸（硝酸被还原为NO₂），在20～70℃时直接氧化为H₂C₂O₄•2H₂O，反应为氧化还原反应，注意配平，据此写出反应的方程式；
②实际生产中硝酸可循环利用而不被消耗，考虑NO₂溶于水产生硝酸和NO，NO被氧化又可以变成NO₂，循环使用，据此写出反应的方程式；
（2）①焦炭固体与氧化钙固体每生成l g CaC₂固体，即反应每生成$\frac{1}{64}mol$CaC₂固体，反应吸收热量7.25kJ，则每生成1molCaC₂，反应需吸收热量7.25×64=464kJ，据此写出热化学方程式，注意标注物质的状态；
②膦PH₃具有一定的还原性，能将CuSO₄还原为Cu，自身可生成H₃PO₄，反应为4CuSO₄+PH₃+4H₂O═4Cu↓+H₃PO₄+4H₂SO₄，反应为氧化还原反应，P从-3价升高为+5价，转移8个电子，据此计算；
③根据多重平衡规则计算反应H₂S（aq）+Cu²⁺（aq）═CuS（s）+2H⁺（aq）的平衡常数；
④电石法工艺流程简单、容易操作、乙炔纯度高，但制备电石由石油焦与生石灰在电炉中生成电石CaC₂，反应消耗电能，反应生成PH₃和H₂S会污染环境，据此分析缺点；
（3）①根据图象分析，随着温度升高，平衡常数的对数值增大，则平衡常数也增大，反应向正反应方向的趋势增大；
②图中G点在M点下方，G点的含义为反应商J＜K_p，反应向正反应方向进行；
③M点时，温度为1400K，此时平衡常数为lgK_p=0，则K_p=1，根据分压平衡常数的概念计算．

解答 解：（1）①在Co（NO₃）₂催化下，乙炔可被50%的浓硝酸（硝酸被还原为NO₂），在20～70℃时直接氧化为H₂C₂O₄•2H₂O，反应为氧化还原反应，注意配平，则该反应的化学方程式为：C₂H₂+8HNO₃$→_{20～70℃}^{Co（NO_{3}）_{2}}$H₂C₂O₄•2H₂O+8NO₂↑+2H₂O，
故答案为：C₂H₂+8HNO₃$→_{20～70℃}^{Co（NO_{3}）_{2}}$H₂C₂O₄•2H₂O+8NO₂↑+2H₂O；
②实际生产中硝酸可循环利用而不被消耗，考虑NO₂溶于水产生硝酸和NO，NO被氧化又可以变成NO₂，循环使用，则方程式为：3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，2NO+O₂=2NO₂（或总反应4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃），
故答案为：3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO，2NO+O₂=2NO₂（或4NO₂+O₂+2H₂O=4HNO₃）；
（2）①焦炭固体与氧化钙固体每生成l g CaC₂固体，即反应每生成$\frac{1}{64}mol$CaC₂固体，反应吸收热量7.25kJ，则每生成1molCaC₂，反应需吸收热量7.25×64=464kJ，则该反应的热化学方程式为：CaO（s）+3C（s）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CaC₂（s）+CO（g）△H=+464kJ/mol，
故答案为：CaO（s）+3C（s）$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CaC₂（s）+CO（g）△H=+464kJ/mol；
②膦PH₃具有一定的还原性，能将CuSO₄还原为Cu，自身可生成H₃PO₄，反应为4CuSO₄+PH₃+4H₂O═4Cu↓+H₃PO₄+4H₂SO₄，反应为氧化还原反应，P从-3价升高为+5价，转移8个电子，则每去除1mol PH₃，该反应中转移电子的物质的量为8mol，
故答案为：8mol；
③反应为：H₂S（aq）+Cu²⁺（aq）═CuS（s）+2H⁺（aq），根据多重平衡规则，该反应的平衡常数为K=$\frac{{c}^{2}（{H}^{+}）}{c（C{u}^{2+}）c（{H}_{2}S）}$=$\frac{{c}^{2}（{H}^{+}）}{c（C{u}^{2+}）c（{H}_{2}S）}•\frac{c（{S}^{2-}）}{c（{S}^{2-}）}$=$\frac{{K}_{a1}•{K}_{a2}}{{K}_{sp}（CuS）}$=$\frac{1×1{0}^{-7}×1×1{0}^{-3}}{1.25×1{0}^{-36}}$=8×10¹⁵，
故答案为：8×10¹⁵；
④电石法工艺流程简单、容易操作、乙炔纯度高，但制备电石由石油焦与生石灰在电炉中生成电石CaC₂，反应消耗电能，反应生成PH₃和H₂S会污染环境，则缺点是：消耗大量的电能（或污染严重），
故答案为：消耗大量的电能（或污染严重）；
（3）①根据图象分析，随着温度升高，平衡常数的对数值增大，则平衡常数也增大，反应向正反应方向的趋势增大，因此升高温度有利于反应正向进行，则正反应为吸热反应，焓变△H＞0，
故答案为：＞；
②图中G点在M点下方，G点的含义为反应商J＜K_p，反应向正反应方向移动，则化学反应速率为v_正＞v_逆，
故答案为：＞；
③M点时，温度为1400K，此时平衡常数为lgK_p=0，则K_p=1，分压平衡常数K_p=$\frac{{p}^{3}（{H}_{2}）p（{C}_{2}{H}_{2}）}{{p}^{2}（C{H}_{4}）}$=1，均为平衡分压，根据理想气体状态方程，pV=nRT，容器中气体的总物质的量为1mol，则1=n（CH₄）+n（C₂H₂）+n（H₂），此时有pV=RT，考虑反应方程式：2CH₄（g）?C₂H₂（g）+3H₂（g），反应由甲烷裂解而来，则平衡时必有n（H₂）=3n（C₂H₂），则p（H₂）=3p（C₂H₂），p=$\frac{nRT}{V}$=$\frac{[n（C{H}_{4}）+n（{C}_{2}{H}_{2}）+n（{H}_{2}）]}{V}RT$=p（CH₄）+p（C₂H₂）+p（H₂），这就是大学无机化学中的道尔顿分压定律的应用！密闭体系总压为各组分气体的分压之和！
由pV=RT，结合平衡常数K_p=$\frac{{p}^{3}（{H}_{2}）p（{C}_{2}{H}_{2}）}{{p}^{2}（C{H}_{4}）}$=1，则p³（H₂）p（C₂H₂）=p²（CH₄），则有$[\frac{n（{H}_{2}）RT}{V}]^{3}•[\frac{n（{C}_{2}{H}_{2}）RT}{V}]=[\frac{n（C{H}_{4}）RT}{V}]^{2}$，因此${n}^{3}（{H}_{2}）n（{C}_{2}{H}_{2}）•{p}^{2}={n}^{2}（C{H}_{4}）$，所以总压P与n（CH₄）、n（C₂H₂）及n（H₂）之间的关系为：p=$\sqrt{\frac{{n}^{2}（{CH}_{4}）}{{n}^{3}（{H}_{2}）•n（{C}_{2}{H}_{2}）}}$或${n}^{2}（C{H}_{4}）=n（{C}_{2}{H}_{2}）•{n}^{3}（{H}_{2}）•{p}^{2}$，
故答案为：p=$\sqrt{\frac{{n}^{2}（{CH}_{4}）}{{n}^{3}（{H}_{2}）•n（{C}_{2}{H}_{2}）}}$或${n}^{2}（C{H}_{4}）=n（{C}_{2}{H}_{2}）•{n}^{3}（{H}_{2}）•{p}^{2}$．

点评 本题主要考查化学原理部分知识，包含氧化还原反应方程式的书写和配平，热化学方程式的书写和配平，平衡常数的计算，化学平衡的移动，理想气体状态方程的应用，考查综合分析问题的能力，是一道好题，题目难度中等．