Question

10．二氧化錳是化學工業中常用的氧化劑和有機合成中的催化劑，其主要制備方法是碳酸錳和O₂高溫下反應，反應原理為2MnCO₃（s）+O₂（g）?2MnO₂（s）+2CO₂（g）．經研究發現該反應過程為①MnCO₃（s）?MnO（s）+CO₂ （g）   ②2MnO（s）+O₂（g）?2MnO₂（s）．
回答下列問題：
（1）某溫度下該平衡體系的壓強為P，CO₂、O₂的物質的量分別為n₁和n₂，用平衡分壓代替平衡濃度，寫出碳酸錳和O₂高溫下反應的平衡常數表達式K=$\frac{P{{n}_{1}}^{2}}{{n}_{2}（{n}_{1}+{n}_{2}）}$（用P、n₁、n₂表示，分壓=總壓×物質的量分數）；K與反應①、②的平衡常數K₁、K₂關系為K=K₁²×K₂．
（2）反應②在一定條件下能自發進行，則其△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）某科研小組對碳酸錳和O₂高溫下反應制二氧化錳的條件（焙燒溫度和氣氛）進行了研究，獲得如下三幅圖．則該制備反應合適的焙燒溫度為350℃，合適的水分含量氣氛條件為含水量30%．

（4）MnO₂也可在MnSO₄-H₂SO₄-H₂O為體系的電解液中電解獲得，其陽極的電極反應式為Mn²⁺-2e^-+2H₂O=MnO₂+4H⁺，電解后溶液的pH將減小（填“增大”、“減小”或“不變”）．

Answer 1

分析 （1）生成物濃度的冪之積比上反應濃度的冪之積，固體不代入表達式；2MnCO₃+O₂═2MnO₂+2CO₂為方程①②之和，所以K=K₁×K₂；
（2）反應自發進行的判斷依據是△H-T△S＜0，反應自發進行，△H-T△S＞0，反應非自發進行；
（3）由圖分析在在指定溫度下和水分含量下碳酸錳轉化率要高；
（4）陽極發生氧化反應，錳由+2價變成+4價，產生大量的氫離子．

解答 解：（1）反應①的平衡常數表達式K1=$\frac{{c}^{2}（C{O}_{2}）}{c（{O}_{2}）}$=$\frac{（{P×\frac{{n}_{1}}{{n}_{1}+{n}_{2}}）}^{2}}{P×\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}+{n}_{2}}}$=$\frac{P{{n}_{1}}^{2}}{{n}_{2}（{n}_{1}+{n}_{2}）}$，K與反應①、②的平衡常數K₁、K₂關系為：2MnCO₃+O₂═2MnO₂+2CO₂為方程①的系擴大2倍后與②之和所以K=K₁²×K₂，
故答案為：=$\frac{P{{n}_{1}}^{2}}{{n}_{2}（{n}_{1}+{n}_{2}）}$；K=K₁²×K₂；
（2）反應②在低溫下能，只有△H＜0，△G＜0反應自發，
故答案為：＜；
（3）由圖2分析，在350℃左右碳酸錳轉化率比較高，由圖3可知水分含量的30%左右碳酸錳轉化率比較高（或20%-40%都正確），
故答案為：350℃；含水量30%；
（4）陽極發生氧化反應，錳由+2價變成+4價，電極反應為Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺，產生大量的氫離子，電解后溶液的pH將減小，
故答案為：Mn²⁺+2H₂O-2e^-=MnO₂+4H⁺；減小．

點評 本題考查化學平衡常數的含義，平衡移動、電化學相關知識，題目難度中等，試題綜合性強，學生要有一定的化學基本功才能解決，試題培養了學生的靈活應用能力．