配合物广泛存在于自然界,且在生产和生活中都发挥着重要作用。…——2023 高考化学第 19 题答案解析

2023_省自主命题(广东)

2023 广东 第 19 题 解答题 区分题
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19. 配合物广泛存在于自然界,且在生产和生活中都发挥着重要作用。

(1) 某有机物 R 能与 $\mathrm{Fe}^{2+}$ 形成橙红色的配离子 $\left[\mathrm{FeR}_{3}\right]^{2+}$ , 该配离子可被 $\mathrm{HNO}_{3}$ 氧化成淡蓝色的配离子

$\left[\mathrm{FeR}_{3}\right]^{3+}$ 。

①基态 $Fe^{2+}$ 的 3d 电子轨道表示式为 \_\_\_\_。

②完成反应的离子方程式: $NO_{3}^{-}+2\left[FeR_{3}\right]^{2+}+3H^{+}\rightleftharpoons\underline{\hspace{2cm}}+2\left[FeR_{3}\right]^{3+}+H_{2}O$

(2) 某研究小组对(1)中②的反应进行了研究。

用浓度分别为 $2.0 \, mol \cdot L^{-1}$ 、 $2.5 \, mol \cdot L^{-1}$ 、 $3.0 \, mol \cdot L^{-1}$ 的 $HNO_{3}$ 溶液进行了三组实验,得到 $\mathrm{c}\left(\left[\mathrm{FeR}_{3}\right]^{2+}\right)$ 随时间 t 的变化曲线如图。

① $c(HNO_{3})=3.0\ mol\cdot L^{-1}$ 时,在0\~1 min内, $\left[FeR_{3}\right]^{2+}$ 的平均消耗速率=\_\_\_\_。

②下列有关说法中,正确的有\_\_\_\_。

A. 平衡后加水稀释, $\frac{\mathrm{c}\left(\left[\mathrm{FeR}_{3}\right]^{2+}\right)}{\mathrm{c}\left(\left[\mathrm{FeR}_{3}\right]^{3+}\right)}$ 增大

B. $\left[\mathrm{FeR}_{3}\right]^{2+}$ 平衡转化率: $\alpha_{\mathrm{III}} > \alpha_{\mathrm{II}} > \alpha_{\mathrm{I}}$ C. 三组实验中, 反应速率都随反应进程一直减小

D. 体系由橙红色转变为淡蓝色所需时间: $t_{\mathrm{III}} > t_{\mathrm{II}} > t_{\mathrm{I}}$

③ R 的衍生物 L 可用于分离稀土。溶液中某稀土离子(用 M 表示)与 L 存在平衡:

$$ \mathrm{M} + \mathrm{L} \rightleftharpoons \mathrm{ML} $$

$$ \mathrm{ML} + \mathrm{L} \rightleftharpoons \mathrm{ML} _ {2} \quad \mathrm{K} _ {2} $$

研究组配制了 L 起始浓度 $c_{0}(L)=0.02\ mol\cdot L^{-1}$ 、 M 与 L 起始浓度比 $c_{0}(M)/c_{0}(L)$ 不同的系列溶液,反应平衡后测定其核磁共振氢谱。配体 L 上的某个特征 H 在三个物种 L、ML、ML $_{2}$ 中的化学位移不同,该特征 H 对应吸收峰的相对峰面积 S(体系中所有特征 H 的总峰面积计为 1)如下表。

<table><tr><td> $c_0(M)/c_0(L)$ </td><td>S(L)</td><td>S(ML)</td><td> $S(ML_2)$ </td></tr><tr><td>0</td><td>1.00</td><td>0</td><td>0</td></tr><tr><td>a</td><td>x</td><td>&lt;0.01</td><td>0.64</td></tr><tr><td>b</td><td>&lt;0.01</td><td>0.40</td><td>0.60</td></tr></table>

【注】核磁共振氢谱中相对峰面积 S 之比等于吸收峰对应 H 的原子数目之比;“<0.01”表示未检测到。
① $c_{0}(M)/c_{0}(L)=a$ 时,x= \_\_\_\_。

② $c_{0}(M)/c_{0}(L)=b$ 时,平衡浓度比 $c_{平}(ML_{2}):c_{平}(ML)=$ \_\_\_\_。

(4) 研究组用吸收光谱法研究了(3)中 M 与 L 反应体系。当 $c_{0}(L) = 1.0 \times 10^{-5} \mathrm{~mol} \cdot \mathrm{L}^{-1}$ 时, 测得平衡时各物种 $c_{\text {平}} / c_{0}(L)$ 随 $c_{0}(M) / c_{0}(L)$ 的变化曲线如图。 $c_{0}(M) / c_{0}(L) = 0.51$ 时, 计算 M 的平衡转化率 \_\_\_\_(写出计算过程, 结果保留两位有效数字)。

参考答案

(1) ①. 3d; (2) HNO₂ (2) ①. $5 \times 10^{-5} \mathrm{~mol} / (\mathrm{L} \cdot \min)$ ②. A、B; (3) ①. 0.36 ②. 3: 4 或 0.75; (4) 98%

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【答案】(1) ①. 3d ②. HNO₂

(2) ①. $5 \times 10^{-5} \mathrm{~mol} / (\mathrm{L} \cdot \min)$ ②. A、B

(3) ①. 0.36 ②. 3: 4 或 0.75

(4) 98%

【解析】
【小问 1 详解】

<table><tr><td>1基态 $Fe^{2+}$ 的3d电子轨道表示式为</td><td>↑↓</td><td>↑</td><td>↑</td><td>↑</td><td>↑</td></tr></table>

②根据原子守恒可知离子方程式中需要增加 $HNO_{2}$ 。

【小问 2 详解】

①浓度分别为 $2.0\mathrm{mol}\cdot \mathrm{L}^{-1}$ 、 $2.5\mathrm{mol}\cdot \mathrm{L}^{-1}$ 、 $3.0\mathrm{mol}\cdot \mathrm{L}^{-1}$ 的 $\mathrm{HNO}_3$ 溶液,反应物浓度增加,反应速率增大,据此可知三者对应的曲线分别为I、II、III; $\mathrm{c(HNO_3)} = 3.0\mathrm{mol}\cdot \mathrm{L}^{-1}$ 时,在 $0\sim 1\mathrm{min}$ 内,观察图像可知 $\left[\mathrm{FeR}_3\right]^{2 + }$ 的平均消耗速率为 $\frac{(1.5 - 1.0)\times 10^{-4}\mathrm{mol}\cdot\mathrm{L}^{-1}}{1\min} = 5\times 10^{-5}\mathrm{mol / (L\cdot \min)}$ ;

②A. 对于反应 $\mathrm{NO}_3^- + 2\left[\mathrm{FeR}_3\right]^{2+} + 3\mathrm{H}^+ \rightleftharpoons \mathrm{HNO}_2 + 2\left[\mathrm{FeR}_3\right]^{3+} + \mathrm{H}_2\mathrm{O}$ ,加水稀释,平衡往粒子数增加的方向移动, $\left[\mathrm{FeR}_3\right]^{2+}$ 含量增加, $\left[\mathrm{FeR}_3\right]^{3+}$ 含量减小, $\frac{\mathrm{c}\left(\left[\mathrm{FeR}_3\right]^{2+}\right)}{\mathrm{c}\left(\left[\mathrm{FeR}_3\right]^{3+}\right)}$ 增大,A 正确;
B. $\mathrm{HNO}_3$ 浓度增加, $\left[\mathrm{FeR}_3\right]^{2+}$ 转化率增加,故 $\alpha_{\mathrm{III}} > \alpha_{\mathrm{II}} > \alpha_{\mathrm{I}}$ ,B 正确;
C. 观察图像可知,三组实验反应速率都是前期速率增加,后期速率减小,C 错误;
D. 硝酸浓度越高,反应速率越快,体系由橙红色转变为淡蓝色所需时间越短,故 $t_{\mathrm{III}} < t_{\mathrm{II}} < t_{\mathrm{I}}$ ,D 错误;故选 AB。

【小问 3 详解】

① $c_{0}(M)/c_{0}(L)=a$ 时, $S(\mathrm{ML}_{2})+S(\mathrm{ML})+S(\mathrm{L})=1$ ,且 $S(\mathrm{ML}_{2})=0.64$ , $S(\mathrm{ML})<0.01$ 得x=0.36;
② $S(\mathrm{ML}_{2})$ 相比于 $S(\mathrm{ML})$ 含有两个配体,则 $S(\mathrm{ML}_{2})$ 与 $S(\mathrm{ML})$ 的浓度比应为 $S(\mathrm{ML}_{2})$ 相对峰面积S的一半与 $S(\mathrm{ML})$ 的相对峰面积S之比,即 $\frac{0.6\times\frac{1}{2}}{0.4}=\frac{3}{4}$ 。

【小问 4 详解】

$c_{0}(M)=0.51c_{0}(L)=5.1\times10^{-6}mol\cdot L^{-1}$ ; $c_{\text{平}}(ML)=c_{\text{平}}(L)=0.4c_{0}(L)=4.0\times10^{-6}mol\cdot L^{-1}$ ,由 L 守恒可知 $c_{\text{平}}(ML_{2})=\frac{1\times10^{-5}mol\cdot L^{-1}\cdot(4\times10^{-6}mol\cdot L^{-1}+4\times10^{-6}mol\cdot L^{-1})}{2}=1.0\times10^{-6}mol\cdot L^{-1}$ ,则 $c_{\text{转}}(M)=4.0\times10^{-6}mol\cdot L^{-1}+1.0\times10^{-6}mol\cdot L^{-1}=5.0\times10^{-6}mol\cdot L^{-1}$ ;则 M 的转化率为 $\frac{5.0\times10^{-6}}{5.1\times10^{-6}}\times100\%\approx98\%$

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