Question

18．某经济开发区将钛冶炼厂与氯碱厂、甲醇厂组成了一个产业链（如图1所示），大大地提高了资源利用率，减少了环境污染．

请填写下列空白：
（1）写出钛铁矿经氯化得到四氯化钛的化学方程式：2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO．
（2）由CO和H₂合成甲醇的方程式是：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
①已知该反应在300℃时的化学平衡常数为0.27，该温度下将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为2L的密闭容器中，比较此时反应：v_（正）＜v_（逆）．
②若不考虑生产过程中物质的任何损失，该产业链中每合成19.2t甲醇，至少需额外补充H₂1.0t．（提示：电解饱和食盐水产生的氢气不算在内）
（3）用甲醇-空气碱性（KOH）燃料电池作电源电解精炼粗铜（图2），在接通电路一段时间后纯Cu质量增加3.2g．
①请写出燃料电池中的负极反应式：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．
②燃料电池正极消耗空气的体积是2.8L（标准状况，空气中O₂体积分数以20%计算）．
（4）在25℃下，将a mol•L^-1的氨水与0.01mol•L^-1的盐酸等体积混合，反应时溶液中c（NH₄⁺）=c（Cl^-）．则溶液显中性（填“酸”、“碱”或“中”）；用含a的代数式表示NH₃•H₂O的电离常数K_b=$\frac{10{\;}^{-9}}{a-0.01}$．

Answer 1

分析 （1）从图示可知钛铁矿经氯化得到四氯化钛、氯化铁和一氧化碳，依据原子守恒配平写出该反应的方程式；
（2）①根据浓度熵数值和平衡常数的大小关系来判断；
②根据CO和H₂合成甲醇的方程式：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）以及2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO和2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑得到相应关系式来计算；
（3）①根据负极反应=总反应-正极反应来回答；
②根据电路中的电子守恒来计算回答；
（4）在25℃下，平衡时溶液中c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=0.005mol/L，根据物料守恒得c（NH₃．H₂O）=（0.5a-0.005）mol/L，根据电荷守恒得c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7mol/L，溶液呈中性，NH₃•H₂O的电离常数K_b=$\frac{c（OH{\;}^{-}）．c（NH{\;}_{4}{\;}^{+}）}{c（NH{\;}_{3}．H{\;}_{2}O）}$，据此计算．

解答 解：（1）从图示可知氯化时的反应物为FeTiO₃、C、Cl₂，生成物为FeCl₃、TiCl₄、CO，再根据得失电子和原子守恒即可得出该反应的方程式为2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO，
故答案为：2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO；
（2）①将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为2L的密闭容器中，此状态的浓度熵Qc=$\frac{C{\;}_{（甲醇）}}{C{\;}_{（一氧化碳）}C{{\;}_{（氢气）}}^{2}}$=$\frac{1}{1×1.5{\;}^{2}}$=0.44＞0.27，即Qc＞K，所以此时反应将向逆反应方向进行，v_（正）＜v_（逆），
故答案为：＜；
②由方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）、2FeTiO₃+6C+7Cl₂$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2FeCl₃+2TiCl₄+6CO和2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑得如下关系式：6CH₃OH→6CO→7Cl₂→7H₂，而6CH₃OH→12H₂，故每生产6molCH₃OH（192g）需额外补充5molH₂（10g），则生产19.2t甲醇，至少需额外补充1.0t氢气，
故答案为：1.0；
（3）①甲醇-空气碱性（KOH）燃料电池的总反应为：3O₂+2CH₃OH+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，正极反应式为：3O₂+12e^-+6H₂O=12OH^-，负极反应=总反应-正极反应，即为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②电解精炼粗铜时，阴极电极反应为：Cu²⁺+2e^-=Cu，当生成3.2g纯铜，至少转移电子0.1mol，燃料电池的正极反应为：3O₂+12e^-+6H₂O=12OH^-，转移电子0.1mol，消耗氧气0.025mol，折合成空气为0.125mol，在标准状况下的体积为2.8L，故答案为：2.8L；
（4）在25℃下，平衡时溶液中c（NH₄⁺）=c（Cl^-）=0.005mol/L，根据物料守恒得c（NH₃．H₂O）=（0.5a-0.005）mol/L，根据电荷守恒得c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7mol/L，溶液呈中性，NH₃•H₂O的电离常数K_b=$\frac{c（OH{\;}^{-}）．c（NH{\;}_{4}{\;}^{+}）}{c（NH{\;}_{3}．H{\;}_{2}O）}$=$\frac{10{\;}^{-7}×5×10{\;}^{-3}}{0.5a-5×10{\;}^{-3}}$=$\frac{10{\;}^{-9}}{a-0.01}$，
故答案为：中；$\frac{10{\;}^{-9}}{a-0.01}$．

点评 本题主考查了化学方程式的书写及计算、平衡移动动的判断、电解原理的应用、盐类的水解等知识，要求学生具有分析和解决问题的能力，难度中等，有一定的综合性．