Question

15．Cu的化合物在生活及科研中有重要作用，不同反應可制得不同狀態的Cu₂O．
（1）科學研究發現納米級的Cu₂O可作為太陽光分解水的催化劑．
①在加熱條件下用液態肼（N₂H₄）還原新制Cu（OH）₂可制備納米級Cu₂O，同時放出N₂．當收集的N₂體積為3.36L（已換算為標準狀況）時，可制備納米級Cu₂O的質量為43.2g；
②一定溫度下，在2L密閉容器中加入納米級Cu₂O并通入0.20mol水蒸氣，發生反應：2H₂O（g）═2H₂（g）+O₂（g）△H=+484kJ•mol^-1；測得20min時O₂的物質的量為0.0016mol，則前20min的反應速率v（H₂O）=8×10^-5mol/（L•min）；該溫度下，反應的平衡常數表達式K=$\frac{{c}^{2}（{H}_{2}）•c（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{H}_{2}O）}$；圖1表示在t₁時刻達到平衡后，只改變一個條件又達到平衡的不同時段內，H₂的濃度隨時間變化的情況，則t₁時平衡的移動方向為逆向，t₂時改變的條件可能為增大壓強 和增大H₂濃度；若以K₁、K₂、K₃分別表示t₁時刻起改變條件的三個時間段內的平衡常數，t₃時刻沒有加入或減少體系中的任何物質，則K₁、K₂、K₃的關系為K₁=K₂＜K₃；
（2）已知：2Cu₂O（s）+O₂（g）═4CuO（s）△H=-292kJ•mol^-12C（s）+O₂（g）═2CO（g）△H=-221484kJ•mol^-1請寫出用足量炭粉還原CuO（s）制備Cu₂O（s）的熱化學方程式：2CuO（s）+C（s）=CO（g）+Cu₂O（s），△H=+35.5kJ•mol^-1；
（3）用電解法也可制備Cu₂O．原理如圖2所示，則陽極電極反應可以表示為：2Cu++2OH^--2e^-=C₂u+H₂O．

Answer 1

分析 （1）①根據電子轉移數目守恒計算；
②根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（O₂），再根據速率之比等于化學計量數之比計算v（H₂O）；
平衡常數指生成物濃度的系數次冪之積與反應物濃度系數次冪之積的比值；
由圖可知H₂的濃度隨時間降低，改變條件瞬間H₂濃度不變，所以不可能是改變H₂濃度，故改變的條件使平衡向逆反應移動；
由圖可知t₂時，改變條件瞬間H₂濃度增大，體積減小增大壓強可以使H₂濃度增大，增大H₂濃度也可使H₂濃度增大；
t₁時刻與t₂時刻溫度相同，溫度不變，平衡常數不變．由圖可知t₃時刻沒有加入或減少體系中的任何物質，H₂濃度增大，平衡向正反應進行，該反應為氣體體積減小的反應，且正反應為吸熱反應，所以t₃時刻改變的體積為升高溫度；
（2）根據蓋斯定律解答；
（3）銅在陽極上，被氧化，與氫氧根反應生成氧化亞銅與水．

解答 解：（1）①令生成的Cu₂O的物質的量為nmol，根據電子轉移數目守恒，則有nmol×2×（1-0）=$\frac{3.36L}{22.4L/mol}$×2×[0-（-2）]，解得n=0.3，所以可制備Cu₂O的質量為0.3mol×144g/mol=43.2g，故答案為：43.2g；
②20min時O₂的物質的量為0.0016mol，所以v（O₂）=$\frac{\frac{0.0016mol}{2L}}{20min}$=4×10^-5mol/（L•min），速率之比等于化學計量數之比，所以v（H₂O）=2v（O₂）=2×4×10^-5mol/（L•min）=8×10^-5mol/（L•min）；
平衡常數指生成物濃度的系數次冪之積與反應物濃度系數次冪之積的比值，所以反應2H₂O（g）?2H₂（g）+O₂（g）平衡常數的表達式k=$\frac{{c}^{2}（{H}_{2}）•c（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{H}_{2}O）}$；
由圖可知H₂的濃度隨時間降低，改變條件瞬間H₂濃度不變，所以不可能是改變H₂濃度，故改變的條件使平衡向逆反應移動，使H₂的濃度降低；
由圖可知t₂時，改變條件瞬間H₂濃度增大，體積減小增大壓強可以使H₂濃度增大，增大H₂濃度也可使H₂濃度增大，所以改變的條件為增大壓強或增大H₂濃度；
t₁時刻與t₂時刻溫度相同，溫度不變，平衡常數不變，所以K₁=K₂．t₃時刻沒有加入或減少體系中的任何物質，由圖可知，H₂濃度增大，所以平衡向正反應進行，該反應為氣體體積減小的反應，且正反應為吸熱反應，所以t₃時刻改變的條件為升高溫度，所以K₂＜K₃．所以K₁=K₂＜K₃；
故答案為：8×10^-5mol/（L•min）；$\frac{{c}^{2}（{H}_{2}）•c（{O}_{2}）}{{c}^{2}（{H}_{2}O）}$；逆向；增大壓強或增大H₂濃度；K₁=K₂＜K₃；
（2）已知：①2Cu₂O（s）+O₂（g）=4CuO（s）△H=-292kJ•mol^-1
②2C（s）+O₂（g）=2CO（g）△H=-221kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，②-①得4CuO（s）+2C（s）=2CO（g）+2Cu₂O（s），△H=+71kJ•mol^-1
即2CuO（s）+C（s）=CO（g）+Cu₂O（s），△H=+35.5kJ•mol^-1
故答案為：2CuO（s）+C（s）=CO（g）+Cu₂O（s），△H=+35.5kJ•mol^-1；
（3）銅在陽極上，被氧化，與氫氧根反應生成氧化亞銅與水，電極反應式為2Cu++2OH^--2e^-=C₂u+H₂O．
故答案為：2Cu++2OH^--2e^-=C₂u+H₂O．

點評 本題總合性較大，涉及電子轉移守恒、反應速率、影響化學平衡的因素、熱化學方程式、電化學等．化學平衡的知識主要通過濃度-時間圖來進行，考查學生從圖象獲取信息的能力，難度較大．