Question

10．由某精礦石（MCO₃•ZCO₃）可以制備單質(zhì)M，制備過程中排放出的二氧化碳可以作為原料制備甲醇，取該礦石樣品1.84g，高溫灼燒至恒重，得到0.96g僅含兩種金屬氧化物的固體，其中m（M）：m（Z）=3：5，請回答：
（1）該礦石的化學式為MgCO₃•CaCO₃．
（2）①以該礦石灼燒后的固體產(chǎn)物為原料，真空高溫條件下用單質(zhì)硅還原，僅得到單質(zhì)M和一種含氧酸鹽（只含Z、Si和O元素，且Z和Si的物質(zhì)的量之比為2：1）．寫出該反應的化學方程式2MgO+2CaO+Si$\frac{\underline{\;真空高溫\;}}{\;}$2Mg+Ca₂SiO₄．
②單質(zhì)M還可以通過電解熔融MCl₂得到，不能用電解MCl₂溶液的方法制備M的理由是電解MgCl₂溶液時，陰極上H⁺比Mg²⁺容易得到電子，電極反應式為2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，所以得不到鎂單質(zhì)．
（3）一定條件下，由CO₂和H₂制備甲醇的過程中含有下列反應：
反應1：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₁
反應2：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂
反應3：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃
其對應的平衡常數(shù)分別為K₁、K₂、K₃，它們隨溫度變化的曲線如圖1所示．則△H₁小于△H₂ （填“大于”、“小于”、“等于”），理由是曲圖l可知，隨著溫度升高，K₁增大，則△H₁＞0，根據(jù)蓋斯定律又得△H₃=△H₁+△H₂，所以△H₂＜△H₃．
（4）在溫度T₁時，使體積比為3：1的H₂和CO₂在體積恒定的密閉容器內(nèi)進行反應．T₁溫度下甲醇濃度隨時間變化曲線如圖2所示；不改變其他條件，假定t時刻迅速降溫到T₂，一段時間后體系重新達到平衡．試在圖中畫出t時刻后甲醇濃度隨時間變化至平衡的示意曲線．

Answer 1

分析 （1）由于M和Z的相對原子質(zhì)量之比為3：5，故設M和Z的相對原子質(zhì)量分別為3x，5x．
由于MCO₃•ZCO₃中MCO₃和ZCO₃的比值為1：1，故得到的氧化物MO和ZO的物質(zhì)的量之比也為1：1，根據(jù)MCO₃•ZCO₃的質(zhì)量為1.84g，得到氧化物的質(zhì)量為0.96g，可得：
$\frac{3x+5x+32}{3x+5x+120}$，即可解得x值，從而得出M和Z的相對原子質(zhì)量，并得出礦石的化學式；
（2）①由于灼燒后的產(chǎn)物為CaO和MgO的混合物，而真空高溫條件下用單質(zhì)硅還原，僅得到單質(zhì)Mg和一種含氧酸鹽，據(jù)此寫出化學方程式；②電解熔融的氯化鎂得到，在水溶液中電解，鎂離子不能在陰極得電子析出鎂，得不到金屬鎂；
（3）反應1、2、3其對應的平衡常數(shù)分別為K₁、K₂、K₃，根據(jù)圖1它們隨溫度變化的曲線結(jié)合蓋斯定律進行分析解答；
（4）在溫度T₁時，使體積比為3：1的H₂和CO₂在體積恒定的密閉容器內(nèi)進行反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃＜0，t時刻迅速降溫到T₂，降低溫度平衡向正反應方向移動，CH₃OH濃度增大，據(jù)此畫出t時刻后甲醇濃度隨時間變化至平衡的示意曲線．

解答 解：（1）由于M和Z的相對原子質(zhì)量之比為3：5，故設M和Z的相對原子質(zhì)量分別為3x，5x．
由于MCO₃•ZCO₃中MCO₃和ZCO₃的物質(zhì)的量之比為1：1，故得到的氧化物中MO和ZO的物質(zhì)的量之比也為1：1，根據(jù)MCO₃•ZCO₃的質(zhì)量為1.84g，得到氧化物的質(zhì)量為0.96g，可得：
$\frac{3x+5x+32}{3x+5x+120}$，x=8，M的相對原子質(zhì)量為3x=24，故M為Mg，Z的相對原子質(zhì)量為5x=40，故Z為Ca，則礦石的化學式為MgCO₃•CaCO₃，
故答案為：MgCO₃•CaCO₃；
（2）①由于灼燒后的產(chǎn)物為CaO和MgO的混合物，而真空高溫條件下用單質(zhì)硅還原，僅得到單質(zhì)Mg和一種含氧酸鹽，由于此含氧酸鹽中只含Z、Si和O元素，且Z和Si的物質(zhì)的量之比為2：1，故為Ca₂SiO₄，故此反應的化學方程式為：2MgO+2CaO+Si$\frac{\underline{\;真空高溫\;}}{\;}$2Mg+Ca₂SiO₄，
故答案為：2MgO+2CaO+Si$\frac{\underline{\;真空高溫\;}}{\;}$2Mg+Ca₂SiO₄；
②溶液中含有的陽離子的放電順序為：H⁺＞Mg²⁺，陰離子的放電順序為：Cl^-＞OH^-，電解MgCl₂溶液時，陰極上H⁺比Mg²⁺容易得到電子，電極反應式為2H₂O+2e^-，
=H₂↑+2OH^-，所以得不到鎂單質(zhì)，
故答案為：電解MgCl₂溶液時，陰極上H⁺比Mg²⁺容易得到電子，電極反應式為2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-，所以得不到鎂單質(zhì)；
（3）由圖l可知，隨著溫度升高，K₁增大，則反應1：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₁＞0，反應3由反應1+2所得，根據(jù)蓋斯定律：△H₃=△H₁+△H₂，所以△H₂＜△H₃，
故答案為：小于；曲圖l可知，隨著溫度升高，K₁增大，則△H₁＞0，根據(jù)蓋斯定律又得△H₃=△H₁+△H₂，所以△H₂＜△H₃；
（4）由圖l可知，隨著溫度升高，K₃減小，則反應3CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃＜0，t時刻迅速降溫到T₂，降低溫度平衡向正反應方向移動，CH₃OH濃度增大，t時刻后甲醇濃度隨時間變化至平衡的示意曲線為：，故答案為：．

點評 本題考查了復雜化合物的化學式的確定和化學方程式的書寫、電解原理及電極反應式的書寫、化學平衡等知識，熟練掌握蓋斯定律的應用、溶液中離子的放電順序、化學平衡移動原理等知識是解決本題的關(guān)鍵，題目難度較大．側(cè)重學生的分析、理解能力及化學計算能力的培養(yǎng)．