(15分)納米級Cu2 O 粉末,由于量子尺寸效應(yīng),其具有特殊的光學(xué)、電學(xué)及光電化學(xué)性質(zhì),在太陽電池、傳感器、超導(dǎo)體、制氫和電致變色、環(huán)境中處理有機污染物等方面有著潛在的應(yīng)用。
Ⅰ.納米氧化亞銅的制備
(1)四種制取Cu2O的方法如下:
①火法還原。用炭粉在高溫條件下還原CuO;
②最新實驗研究用肼(N2H4)還原新制Cu(OH)2可制備納米級Cu2O,同時放出N2。
已知:N2H4(l)+O2(g)N2(g)+2H2O(l) △H=-a kJ/mol
Cu(OH)2(s)CuO(s)+H2O(l) △H=b kJ/mol
4CuO(s)2Cu2O(s)+O2(g) △H=c kJ/mol
則該方法制備Cu2O的熱化學(xué)方程式為 。
③工業(yè)中主要采用電解法:用銅和鈦作電極,電解氯化鈉和氫氧化鈉的混合溶液,電解總方程式為:2Cu+H2OCu2O+H2↑,則陽極反應(yīng)式為: 。
④還可采用Na2SO3還原CuSO4法:將Na2SO3 和CuSO4加入溶解槽中,制成一定濃度的溶液,通入蒸氣加熱,于100℃~104℃間反應(yīng)即可制得。寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式: 。
Ⅱ.納米氧化亞銅的應(yīng)用
(2)用制得的Cu2O進(jìn)行催化分解水的實驗
①一定溫度下,在2 L密閉容器中加入納米級Cu2O并通入10. 0 mol水蒸氣,發(fā)生反應(yīng):
2H2O(g) 2H2(g)+O2(g) △H=+484 kJ·mol-1
T1溫度下不同時段產(chǎn)生O2的量見下表:
時間/min |
20 |
40 |
60 |
80 |
n(O2)/mol |
1.0 |
1.6 |
2.0 |
2.0 |
前20 min的反應(yīng)速率 v(H2O)= ;該該溫度下,反應(yīng)的平衡常數(shù)的表達(dá)式K= ;若T2溫度下K=0.4,T1 T2(填>、<、=)
②右圖表示在t1時刻達(dá)到平衡后,只改變一個條件又達(dá)到平衡的不同時段內(nèi),H2的濃度隨時間變化的情況,則t1時平衡的移動方向為 ,t2時改變的條件可能為 ;若以K1、K2、K3分別表示t1時刻起改變條件的三個時間段內(nèi)的平衡常數(shù),t3時刻沒有加入或減少體系中的任何物質(zhì),則K1、K2、K3的關(guān)系為 ;
③用以上四種方法制得的Cu2O在其它條件相同下分別對水催化分解,產(chǎn)生氫氣的速率v隨時間t變化如圖所示。下列敘述正確的是 。
A.方法③、④制得的Cu2O催化效率相對較高
B.方法④制得的Cu2O作催化劑時,水的平衡轉(zhuǎn)化率最高
C.催化效果與Cu2O顆粒的粗細(xì)、表面活性等有
D.Cu2O催化水分解時,需要適宜的溫度
Ⅰ、(1)②4Cu(OH)2(s)+ N2H4(l)2Cu2O(s)+N2(g)+6H2O(l) △H=4b+c-a kJ/mol (2分)
③2Cu+2OH-—2e-=Cu2O+H2O(2分)
④2CuSO4+3Na2SO3=Cu2O+3Na2SO4+2SO2↑(2分)
Ⅱ、(2)①5.0×10-2 mol·L-1·min-1 (1分) (1分) >(1分)
②逆向(1分) 增大壓強或增大濃度 (1分) (2分)
③ACD(2分)
【解析】Ⅰ、(1)②考查蓋斯定律的應(yīng)用。根據(jù)已知反應(yīng)可知,②×4+③-①即得到4Cu(OH)2(s)+ N2H4(l)2Cu2O(s)+N2(g)+6H2O(l),所以反應(yīng)熱△H=(4b+c-a)kJ/mo。
③電解池中陽極失去電子,所以根據(jù)總反應(yīng)式可知,陽極是銅失去電子,被氧化生成氧化亞銅,方程式為2Cu+2OH-—2e-=Cu2O+H2O。
④亞硫酸鈉是還原劑,其氧化產(chǎn)物是硫酸鈉。硫酸銅是氧化產(chǎn)物,根據(jù)電子得失守恒可知,還原產(chǎn)物是氧化亞銅和SO2,所以方程式為2CuSO4+3Na2SO3=Cu2O+3Na2SO4+2SO2↑。
Ⅱ、(2)①前20 min生成氧氣是1.0mol,所以消耗水蒸氣是2.0mol,所以反應(yīng)速率是。平衡常數(shù)是在可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時,生成物濃度的冪之積和反應(yīng)物濃度的冪之積的比值,所以表達(dá)式為K=。T1時平衡體系中氧氣時2mol,氫氣是4mol,水蒸氣是6mol,因此平衡常數(shù)=。T2溫度下K=0.4<4/9,則平衡逆反應(yīng)方向移動,由于正反應(yīng)是吸熱反應(yīng),所以溫度是T1大于T2。
②t1時氫氣的濃度減小,說明所以向逆反應(yīng)方向移動。T2時氫氣的濃度增大,然后逐漸減小,說明改變的條件是增大壓強或增大濃度。t3時刻沒有加入或減少體系中的任何物質(zhì),由于氫氣的濃度逐漸增大,說明改變的條件是升高溫度,所以關(guān)系為。
③根據(jù)圖像可知,曲線4的反應(yīng)速率最快,但催化劑不能改變平衡狀態(tài),即不能改變轉(zhuǎn)化率,B是錯誤的,其余都是正確的,答案選ACD。
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