Question

20．开发新能源、新材料是实现社会可持续发展的需要．请回答下列问题：
（1）图1为LiBH₄/MgH₂体系放氢焓变示意图．

则：Mg（s）+2B（s）=MgB₂（s）△H=-93 kJ•mol^-1．
（2）采用球磨法制备Al与LiBH₄的复合材料，并对Al-LiBH₄体系与水反应产氢的特性进行下列研究：25℃水浴时，每克不同配比的Al-LiBH₄复合材料与水反应产生H₂体积随时间变化关系如图2示．下列说法正确的是AB（填字母）．

A．25℃时，纯铝与水不反应
B．25℃时，纯LiBH₄与水反应产生氢气
C．25℃时，Al-LiBH₄复合材料中LiBH₄含量越高，1000s内产生氢气的体积越大
（3）工业上可采用CO和H₂合成再生能源甲醇，其反应的化学方程式为
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．

①在一容积可变的密闭容器中，充有10molCO和20mol H₂，用于合成甲醇．CO的平衡转化率（α）与温度（T）、压强（P）的关系如图3所示．则：上述合成甲醇的反应为放热反应（填“放热”或“吸热”）．
平衡常数K_A、K_B、K_C的大小关系为K_A=K_B＞K_C．
若达到平衡状态A时容器的体积为10L，则平衡状态B时容器的体积为2L．
②图中虚线为该反应在使用催化剂条件下，起始H₂、CO投料比和CO平衡转化率的关系图．当其他条件完全相同时，用实线画出不使用催化剂情况下，起始H₂、CO投料比和CO平衡转化率的关系示意图．
（4）次磷酸钴[Co（H₂PO₂）₂]广泛应用于化学镀钴，工业上利用电解法制备次磷酸钴的电极材料为金属钴和不锈钢，其电解装置如图4所示（其中阴离子交换膜只允许阴离子通过，其中阳离子交换膜只允许阳离子通过）．则：
①N极的电极反应式为：2H₂O+2e^-=H₂↑+OH^- 或2H⁺+2e^-=H₂↑；
②次磷酸钴在I区生成（填“Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ”）．
③已知次磷酸与足量氢氧化钠溶液反应的化学方程式为：
H₃PO₂+NaOH=NaH₂PO₂+H₂O，则NaH₂PO₂溶液中离子浓度由大到小的顺序为c（Na⁺）＞c（H₂PO₂^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）由图可知：①．2LiBH₄（s）+MgH₂（s）=2LiH（s）+2B（s）+MgH₂（s）+3H₂（g）△H=+200 kJ•mol^-1，
②2LiBH₄（s）+MgH₂（s）=2LiBH₄（s）+Mg（s））+H₂（g）△H=+76 kJ•mol^-1
③2LiBH₄（s）+MgH₂（s）=2LiH（s）+MgB₂（s）+4H₂（g）△H=+183 kJ•mol^-1
④2LiH（s）+MgB₂（s）+4H₂（g）=2LiH（s）+2B（s）+MgH₂（s）+3H₂（g）△H=+（200-183）kJ•mol^-1，即：MgB₂（s）+H₂（g）=2B（s）+MgH₂（s）△H=+17 kJ•mol^-1，
所以-④-②得：Mg（s）+2B（s）═MgB₂（s），据盖斯定律计算反应的焓变；
（2）①A．由图知LiBH₄含量为0时，氢气的体积为0，故25℃时，纯铝与水不反应，；
B．纯Al不与水反应，而Al-LiBH₄复合材料能与水反应生成氢气，应是LiBH₄与水反应生成氢气；
C．由图可知25℃时，Al-LiBH₄复合材料中LiBH₄含量为25%时，1000s内产生氢气的体积最大；
（3）①由图可知，随温度升高CO的转化率减小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动；
温度不变，化学平衡常数不变，温度升高平衡向吸热的方向移动，平衡常数减小；
根据CO的转化率计算平衡时A中各组分物质的量，再根据K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$计算平衡常数，A、B两点温度相同，二者平衡常数相同，结合B中CO转化率计算平衡时B中各组分物质的量，再根据平衡常数计算平衡时B容器的容积；
②不使用催化剂情况下，反应速率减慢，到达平衡时间变长，不影响平衡移动，平衡时CO转化率不变；
（4）①②由图可知，H₂PO₂^-经过阴离子交换膜进入I室生成Co（H₂PO₂）₂，则M为阳极，N为阴极，阴极上为水放电生成氢气与氢氧根离子，Na⁺经过阳离子交换膜进入Ⅱ室，有NaOH生成；
③氢氧化钠足量，发生反应：H₃PO₂+NaOH=NaH₂PO₂+H₂O，则H₃PO₂为一元酸，溶液中H₂PO₂^-水解呈碱性．

解答 解：（1）由图可知：①．2LiBH₄（s）+MgH₂（s）=2LiH（s）+2B（s）+MgH₂（s）+3H₂（g）△H=+200 kJ•mol^-1，
②2LiBH₄（s）+MgH₂（s）=2LiBH₄（s）+Mg（s））+H₂（g）△H=+76 kJ•mol^-1
③2LiBH₄（s）+MgH₂（s）=2LiH（s）+MgB₂（s）+4H₂（g）△H=+183 kJ•mol^-1
④2LiH（s）+MgB₂（s）+4H₂（g）=2LiH（s）+2B（s）+MgH₂（s）+3H₂（g）△H=+（200-183）kJ•mol^-1，即：MgB₂（s）+H₂（g）=2B（s）+MgH₂（s）△H=+17 kJ•mol^-1，
所以-④-②得：Mg（s）+2B（s）═MgB₂（s），则△H=-（17+76）kJ•mol^-1，
故答案为：-93 kJ•mol^-1；
（2）①A．由图知LiBH₄含量为0时，氢气的体积为0，故25℃时，纯铝与水不反应，故A正确；
B．纯Al不与水反应，而Al-LiBH₄复合材料能与水反应生成氢气，应是LiBH₄与水反应生成氢气，故B正确；
C．由图可知25℃时，Al-LiBH₄复合材料中LiBH₄含量为25%时，1000s内产生氢气的体积最大，故C错误，
故选：AB；
（3）①由图可知，随温度升高CO的转化率减小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，正反应为放热反应；
因B点与A点温度相同，K不变，对于上述反应温度升高平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小，所以A、B、C三点的平衡常数K_A=K_B＞K_C；
T₁时，A点对应的α=0.5，则：
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：10      20        0
变化量（mol）：5       10        5
平衡量（mol）：5       10        5
平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{5}{10}}{\frac{5}{10}×（\frac{10}{10}）^{2}}$=1，A、B两点温度相同，二者平衡常数相同，
B中平衡时CO转化率为0.8，则：
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：10      20      0
变化量（mol）：8       16      8
平衡量（mol）：2       4       8
设平衡时B容器的容积为VL，则：$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=1，解得V=2，
故答案为：放热；K_A=K_B＞K_C；2；
②不使用催化剂情况下，反应速率减慢，到达平衡时间变长，不影响平衡移动，平衡时CO转化率不变，不使用催化剂情况下，起始H₂、CO投料比和CO平衡转化率的关系示意图：，
故答案为：；
（4）由图可知，H₂PO₂^-经过阴离子交换膜进入I室生成Co（H₂PO₂）₂，则M为阳极，N为阴极，阴极上为水放电生成氢气与氢氧根离子，Na⁺经过阳离子交换膜进入Ⅱ室，有NaOH生成．
①N极的电极反应式为：2H₂O+2e^-=H₂↑+OH^- 或2H⁺+2e^-=H₂↑，故答案为：2H₂O+2e^-=H₂↑+OH^- 或2H⁺+2e^-=H₂↑；
②次磷酸钴在I区生成，故答案为：I；
③氢氧化钠足量，发生反应：H₃PO₂+NaOH=NaH₂PO₂+H₂O，则H₃PO₂为一元酸，溶液中H₂PO₂^-水解呈碱性，溶液中离子浓度为：c（Na⁺）＞c（H₂PO₂^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（Na⁺）＞c（H₂PO₂^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

点评 本题考查化学平衡计算、反应热有关计算、电解原理应用、离子浓度大小比较等，是对学生总能力的考查，难度较大．