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- 2021-07-05 发布
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题型三 化学原理类
(A组)
1.臭氧是地球大气中一种微量气体,人类正在保护和利用臭氧。
(1)氮氧化物会破坏臭氧层,已知:
①NO(g)+O3(g)===NO2(g)+O2(g) ΔH1=-200.9 kJ·mol-1
②2NO(g)+O2(g)===2NO2(g) ΔH2=-116.2 kJ·mol-1
则反应:2O3(g)===3O2(g) ΔH=________。
(2)大气中的部分碘源于O3对海水中I-的氧化。将O3持续通入NaI溶液中进行模拟研究,在第二组实验中加入亚铁盐探究Fe2+对氧化I-反应的影响,反应体系如图1,测定两组实验中I浓度实验的数据如图2所示:
①反应后的溶液中存在化学平衡:I2(aq)+I-(aq)I(aq),当c(I)/c(I-)=6.8时,溶液中c(I2)=________。(已知反应的平衡常数K=680)
②结合实验数据可知,Fe2+使I-的转化率________(填“增大”“无影响”或“减小”)。
③第二组实验18 s后,I浓度下降。导致I浓度下降的原因是
________________________________________________________________________。
(3)臭氧是一种杀菌消毒剂,还是理想的烟气脱硝剂。
①一种脱硝反应中,各物质的物质的量随时间的变化如图3所示,X为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________(填化学式)。
15
②一种臭氧发生装置原理如图4所示。阳极(惰性电极)的电极反应式为
________________________________________________________________________。
答案:
(1)-285.6 kJ·mol-1
(2)①0.01 mol·L-1 ②增大 ③c(Fe3+)增大,c(I-)减小,I2(aq)+I-(aq)I(aq)平衡向逆反应方向移动
(3)①N2O5 ②3H2O-6e-===O3↑+6H+
解析:(1)根据盖斯定律,由①×2-②得2O3(g)===3O2(g) ΔH=-285.6 kJ·mol-1。(2)①该反应的平衡常数K=c(I)/[c(I2)×c(I-)],则c(I2)== mol·L-1=0.01 mol·L-1。②结合题图2可知,Fe2+使I-的转化率增大。③18 s后,溶液中c(Fe3+)增大,发生反应:2Fe3++2I-===I2+2Fe2+,导致c(I-)减小,I2(aq)+I-(aq)I(aq)平衡向逆反应方向移动,从而使I浓度下降。(3)①由题图3可知,NO2反应了4 mol,O3反应了2 mol,生成X和O2各2 mol,根据各物质的变化量之比等于系数之比以及原子守恒,可确定X为N2O5。②由题图4可知,阳极上水失去电子生成臭氧和氢离子,电极反应式为3H2O-6e-===O3↑+6H+。
2.甲醇是重要的化工原料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇,可能发生的反应如下:
Ⅰ.CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH1=-41.0 kJ·mol-1
Ⅱ.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH2=-90.0 kJ·mol-1
Ⅲ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3
回答下列问题 :
(1)则ΔH3=________,在以上制备甲醇的两个反应中,反应Ⅱ优于反应Ⅲ,其原因为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)一定比例的合成气在装有催化剂的反应器中反应12小时,体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图1所示。
15
当温度为470 K时,图中P点________(填“是”或“不是”)处于平衡状态。490 K之后,甲醇产率下降的原因是
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)图2为一定比例的CO2、H2,CO、H2,CO、CO2、H2条件下甲醇生成速率与温度的关系。
①490 K时,根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是________(填“A”或“B”)。
A.CO2COCH3OH
B.COCO2CH3OH+H2O
②490 K时,曲线a与曲线b相比,CO的存在使甲醇生成速率增大,结合反应Ⅰ、Ⅲ分析原因:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)研究证实,CO2也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇,则生成甲醇的电极反应式为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案:
(1)-49.0 kJ·mol-1 反应Ⅱ符合“原子经济性”的原则(绿色化学),即原子利用率为100%
(2)不是 反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,且催化剂活性降低
(3)①B ②CO促进反应Ⅰ正向移动,二氧化碳和氢气的量增加,水蒸气的量减少,有利于反应Ⅲ正向进行
(4)CO2+6H++6e-===CH3OH+H2O
解析:(1)根据盖斯定律:反应Ⅱ-反应Ⅰ=反应Ⅲ,故ΔH3=ΔH2-ΔH1=-90.0 kJ·mol-1-(-41.0 kJ·mol-1)=-49.0 kJ·mol-1,由于反应Ⅱ生成物只有甲醇,原子利用率为100%,符合“原子经济性”的原则(绿色化学),故反应Ⅱ优于反应Ⅲ。(2)温度为470
15
K时,图中P点甲醇产率没有达到最大,不是处于平衡状态。反应Ⅱ、Ⅲ均为放热反应,490 K之后,升高温度平衡逆向移动,且催化剂活性降低,使甲醇产率下降。(3)根据图2,①490 K时,从甲醇的生成速率来看,a曲线大于c曲线,即甲醇来源于CO2和H2,故490 K时,根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是B;②490 K时,曲线a与曲线b相比,CO的存在使甲醇生成速率增大,从化学热力学,结合反应Ⅰ、Ⅲ分析,对Ⅰ.CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),CO是反应物,CO促进反应Ⅰ正向移动,CO2和H2的量增加,水蒸气的量减少,反应Ⅲ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)正向进行,故CO的存在使甲醇生成速率增大。(4)CO2在酸性水溶液中通过电解生成甲醇,CO2中碳元素化合价降低,被还原,发生还原反应,则生成甲醇的电极反应式为CO2+6H++6e-===CH3OH+H2O。
3.治理SO2、CO、NOx污染是化学工作者研究的重要课题。
Ⅰ.硫酸厂大量排放含SO2的尾气会对环境造成严重危害。
(1)工业上可利用废碱液(主要成分为Na2CO3)处理硫酸厂尾气中的SO2,得到Na2SO3溶液,该反应的离子方程式为
________________________________________________________________________。
Ⅱ.沥青混凝土可作为反应:2CO(g)+O2(g)2CO2(g)的催化剂。图甲表示在相同的恒容密闭容器、相同起始浓度、相同反应时间段下,使用同质量的不同沥青混凝土(α型、β型)催化时,CO的转化率与温度的关系。
(2)a、b、c、d四点中,达到平衡状态的是________。
(3)已知c点时容器中O2浓度为0.02 mol·L-1,则50 ℃时,在α型沥青混凝土中CO转化反应的平衡常数K=________(用含x的代数式表示)。
(4)下列关于图甲的说法正确的是________。
A.CO转化反应的平衡常数K(a)K
15
(c),A项错误;从图象可以看出,同温下β型沥青混凝土催化下,催化能力强于α型,所以在均未达到平衡状态时,同温下β型沥青混凝土中CO转化速率比α型要大,B项正确;反应物的浓度越大,分子之间发生有效碰撞的几率越高,b点时达到平衡,一氧化碳的转化率最大,剩余物质的浓度最小,有效碰撞几率不是最高的,C项错误;温度太高,催化剂可能会失去活性,催化能力下降,D项正确。(5)模拟尾气中一氧化氮的物质的量为0.025 mol,而图中参与反应生成X和Y的一氧化氮的物质的量为0.025 mol×(8%+16%)=0.006 mol,模拟尾气中O2的物质的量为0.5 mol,测得排出的气体中含0.45 mol O2,说明实际参与反应的氧气的物质的量为0.05 mol,同时测得0.0525 mol CO2,根据氧原子守恒,可知一氧化二氮的物质的量为0.05×2+0.006-0.052 5×2=0.001 mol,根据氮守恒,可知氮气的物质的量为=0.002 mol,所以16%对应的是氮气,而8%对应的是一氧化二氮,即Y对应的是N2O。(6)实验过程中采用NO模拟NOx,而不采用NO2的原因是二氧化氮与四氧化二氮之间存在平衡,会导致一定的分析误差。
4.氮的化合物在工业生产和生活中都有重要的应用,运用化学原理研究氮的单质及其化合物具有重要意义。
Ⅰ.一氯胺(NH2Cl)在中性或酸性环境中会发生水解,生成具有强烈杀菌作用的HClO,是重要的水的消毒剂。
(1)写出NH2Cl的电子式:________________。
(2)写出NH2Cl与水反应的化学方程式:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)一定条件下(T ℃、1.01×105 Pa),可以用Cl2(g)和NH3(g)制得NH2Cl(g),同时得到HCl(g)。已知部分化学键的键能如下表:
化学键
N—H
Cl—Cl
N—Cl
H—Cl
键能/(kJ·mol-1)
391.3
243.0
191.2
431.8
写出该反应的热化学方程式:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
Ⅱ.亚硝酰氯(NOCl)是有机合成中的重要试剂,可由NO与Cl2在一定条件下合成:2NO(g)+Cl2(g)2NOCl(g) ΔH<0。保持恒温恒容条件,将物质的量之和为3 mol的NO和Cl2以不同的氮氯比进行反应,平衡时某反应物的转化率与氮氯比及不同温度的关系如图所示:
15
(4)图中T1、T2的关系为T1________T2(填“>”“<”或“=”)。
(5)图中纵坐标为物质________的转化率,理由为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(6)图中A、B、C三点对应的NOCl体积分数最大的是________(填“A”“B”或“C”)。
(7)若容器容积为1 L,则B点的平衡常数为________。
答案:
(1)
(2)NH2Cl+H2O===HClO+NH3(或NH2Cl+2H2O===HClO+NH3·H2O)
(3)Cl2(g)+NH3(g)===NH2Cl(g)+HCl(g) ΔH=+11.3 kJ·mol-1
(4)< (5)Cl2 增加时,Cl2的转化率增大
(6)A (7)80 L·mol-1
解析:
(1)①氮原子与氢原子、氯原子之同形成1对共用电子对,NH2Cl的电子式为。
(2)一氯胺(NH2Cl)在中性或酸性环境中会发生水解,生成具有强烈杀菌作用的HClO,NH2Cl与水反应的化学方程式为NH2Cl+H2O===HClO+NH3。
(3)NH3(g)+Cl2(g)===NH2Cl(l)+HCl(g),ΔH=反应物的键能之和-生成物的键能之和=(3×391.3+243.0)-(2×391.3+191.2+431.8)=+11.3 kJ·mol-1,热化学方程式为Cl2(g)+NH3(g)===NH2Cl(g)+HCl(g) ΔH=+11.3 kJ·mol-1。
(4)根据图象,在其他条件相同时,T1下的转化率比T2大,该反应为放热反应,说明T1B;相同温度时,随着的增大,平衡正向移动,但NOCl体积分数减小,即平衡时NOCl体积分数A>C;因此NOCl体积分数最大的是A。(7)假设n(NO)=2x,则n(Cl2)=x,则2x+x=3 mol,x=1 mol,A点氯气的转化率为80%,则
2NO(g)+Cl2(g)2NOCl(g)
起始(mol) 2 1 0
转化(mol) 1.6 0.8 1.6
平衡(mol) 0.4 0.2 1.6
K(A)==80,温度不变,K不变,因此B点平衡常数为80。
(B组)
5.C、N、S的氧化物常会造成一些环境问题,科研工作者正在研究用各种化学方法来消除这些物质对环境的影响。
(1)目前工业上有一种方法是用CO2和H2在230 ℃、催化剂条件下转化生成甲醇蒸气和水蒸气。图1表示恒压容器中0.5 mol CO2和1.5 mol H2转化率达80%时的能量变化示意图。写出该反应的热化学方程式
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)“亚硫酸盐法”吸收烟气中的SO2。室温条件下,将烟气通入(NH4)2SO3溶液中,测得溶液pH与含硫组分物质的量分数的关系如图2所示。
请写出a点时n(HSO)n(H2SO3)=_________________________________________,
b点时溶液pH=7,则
n(NH):n(HSO)=________________。
15
(3)催化氧化法去除NO。一定条件下,用NH3消除NO污染,其反应原理为4NH3+6NO5N2+6H2O。不同温度条件下,n(NH3) :n(NO)分别为4:1、3:1、1:3时,得到NO脱除率曲线如图3所示:
①请写出N2的电子式________。
②曲线c对应NH3与NO的物质的量之比是________。
③曲线a中NO的起始浓度为6×10-4mg·m-3,从A点到B点经过0.8 s,该时间段内NO的脱除速率为________mg·m-3·s-1。
(4)间接电化学法去除NO。其原理如图4所示,写出电解池阴极的电极反应式(阴极室溶液呈酸性,加入HSO,生成S2O):
________________________________________________________________________。
答案:
(1)CO2(g)+3H2(g),CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49 kJ·mol-1
(2)1:1 3:1
(3)①:N⋮⋮N: ②1:3 ③1.5×10-4
(4)2HSO+2e-+2H+===S2O+2H2O
解析:
(1)根据题图1,恒压容器中0.5 mol CO2和1.5 mol H2转化率达80%时放出热量为23 kJ-3.4 kJ=19.6 kJ,则热化学方程式为:CO2(g)+3H2(g),CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-×2 kJ·mol-1=-49 kJ·mol-1。
(2)由题图2可知,a点时HSO和H2SO3物质的量分数相等,所以n(HSO):n(H2SO3)=1:1;根据题图2曲线可知,b点时溶液中含硫组分为HSO和SO,即溶质为NH4HSO3和(NH4)2SO3,且n(SO)=n(HSO),溶液的pH=7,结合电荷守恒可知n(NH)=n(HSO)+2n(SO),则n(NH)=3n(HSO),所以n(NH):n(HSO)=3:1。
(3)①N2的电子式为:N⋮⋮N:。②其他条件相同时,NH3含量越高,NO脱除率越大。则曲线a、b、c对应n(NH3)n(NO)分别为4:1、3:1、1:3。③曲线a中NO的起始浓度为6×10-4 mg·m-3,从A点到B点经过0.8 s,该时间段内NO的脱除速度为=1.5×10-4mg·m-3·s-1。
(4)电解池阴极上HSO转化为S2O,由于阴极室溶液呈酸性,配平电极反应式为:2HSO+2e-+2H+===S2O+2H2O。
6.实施以节约能源和减少废气排放为基本内容的节能减排政策,是应对全球气候问题、建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择。试运用所学知识,回答下列问题:
(1)已知在一定温度下,①C(s)+CO2(g)2CO(g) ΔH1=a kJ/mol 平衡常数K1
15
;②CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g) ΔH2=b kJ/mol 平衡常数K2;
某反应的平衡常数表达式K3=,请写出此反应的热化学方程式:____________________________________________________,K1、K2、K3之间的关系是:____________________。
(2)将原料气按n(CO2) :n(H2)=1:4置于密闭容器中发生反应:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g),测得H2O(g)的物质的量分数与温度的关系如图所示(虚线表示平衡曲线)。
①该反应的平衡常数K随温度降低而________(填“增大”或“减小”)。
②在密闭恒温(高于100 ℃)恒容装置中进行该反应,下列能说明达到平衡状态的是________。
A.混合气体密度不再改变
B.混合气体压强不再改变
C.混合气体平均摩尔质量不再改变
D.n(CO2) :n(H2)=1:2
③200 ℃达到平衡时体系的总压强为p,该反应平衡常数Kp的计算表达式为________。(不必化简,用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)
(3)500 ℃时,CO与水反应生成CO2和H2。将CO2和H2分离得到H2的过程示意图如下。
①吸收池中所有离子浓度的等式关系是
________________________________________________________________________。
②结合电极反应式,简述K2CO3溶液的再生原理:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案:(1)C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ΔH=(a+b) kJ/mol K3=K1·K2
15
(2)①增大 ②BC ③
(3)①c(K+)+c(H+)===2c(CO)+c(HCO)+c(OH-)
②阴极反应:2H2O+2e-=H2↑+2OH-,OH-+HCO===CO+H2O,使K2CO3溶液得以再生
解析:平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积,平衡常数中,分子为生成物,分母为反应物,所以该方程式为C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ,根据盖斯定律,①和②相加得此反应的ΔH=(a+b) kJ/mol ,因此,该反应的热化学方程式为: C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ΔH=(a+b) kJ/mol ,根据化学方程式可知:K1=, K2=,K3=,则K3=K1·K2。(2)①根据图中平衡时H2O(g)的物质的量分数随温度的降低而增大,可知该反应正反应为放热反应,K随温度降低而增大;②根据在密闭恒温(高于100 ℃)恒容装置中进行该反应CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g);混合气体密度不会改变,所以不能作为平衡的依据,A错误;由反应可知两边计量数不相等,混合气体压强不再改变说明反应达到平衡,B正确;混合气体平均摩尔质量不再改变,M=m/n,说明n不再改变,说明达到平衡,C正确; n(CO2):n(H2)不可能等于1:2,故D错;③在密闭容器里全部由气体参与的反应中,平衡时气体压强之比=气体物质的量之比=气体物质的量浓度之比。根据200 ℃反应达到平衡时H2O(g)的物质的量分数,可知平衡时H2O(g)所占的压强为0.6p,根据化学方程式可知CH4所占的压强为0.3p,因此CO2和H2所占的压强为0.1p。根据初始投料比以及CO2和H2化学计量数之比可知达到平衡时,两者的物质的量之比也为1:4,故平衡时CO2所占的压强为0.02p,H2所占的压强为0.08p,故可写出Kp的计算表达式为。(3)①由图示已知吸收池用的是K2CO3溶液吸收CO2,离子方程式为:CO+CO2+H2O===2HCO,溶质为KHCO3或K2CO3、KHCO3,只能依据电荷守恒得 c(K+)+c(H+)===2c(CO)+c(HCO)+c(OH-);②已知惰性电极电解KHCO3,阴极水放电生成氢气,阴极附近c(OH-)增大,OH-+HCO===CO+H2O,K+向阴极移动,使K2CO3溶液得以再生。
7.CO、CO2是化石燃料燃烧的主要产物。
(1)将含0.02 mol CO2和0.01 mol CO的混合气体通入有足量Na2O2固体的密闭容器中,同时不断地用电火花点燃,充分反应后,固体质量增加________g。
(2)已知:2CO(g)+O2(g)===2CO2(g) ΔH=-566.0 kJ·mol-1,键能Eo===o=499.0 kJ·mol-1。则反应:CO(g)+O2(g)CO2(g)+O(g)的ΔH=__________ kJ·mol-1。
(3)在某密闭容器中发生反应:2CO2(g)2CO(g)+O2(g),1 mol CO2在不同温度下的平衡分解量如图所示。
15
①恒温恒容条件下,能表示该可逆反应达到平衡状态的有________(填字母)。
A.CO的体积分数保持不变
B.容器内混合气体的密度保持不变
C.容器内混合气体的平均摩尔质量保持不变
D.单位时间内,消耗CO的浓度等于生成CO2的浓度
②分析上图,若1 500 ℃时反应达到平衡状态,且容器体积为1 L,则此时反应的平衡常数K=________(计算结果保留1位小数)。
③向2 L的恒容密闭容器中充入2 mol CO2(g),发生反应:2CO2(g)2CO(g)+O2(g),测得温度为T ℃时,容器内O2的物质的量浓度随时间的变化如曲线Ⅱ所示。图中曲线Ⅰ表示相对于曲线Ⅱ仅改变一种反应条件后,c(O2)随时间的变化,则改变的条件是________;a、b两点用CO浓度变化表示的净反应速率关系为va(CO)________(填“>”“<”或“=”)vb(CO)。
答案:(1)0.84 g (2)-33.5
(3)①AC ②3.2×10-8mol·L-1 ③升温 <
解析:(1)①Na2O2与CO2反应:2CO2+2Na2O2===2Na2CO3+O2,电火花不断引燃,发生反应:2CO+O2===2CO2,整个过程相当于CO+Na2O2===Na2CO3,由于加入足量的Na2O2固体,则反应后的气体只能为O2,所以反应后生成物的化学式是Na2CO3、O2,将含0.02 mol CO2和0.01 mol CO的混合气体通入有足量Na2O2固体的密闭容器中,固体质量增加为CO的质量=(0.02 mol+0.01 mol)×28 g·mol-1=0.84 g。(2)①已知:2CO(g)+O2(g)===2CO2(g) ΔH=-566.0 kJ·mol-1;键能Eo===o=499.0 kJ·mol-1,即O2(g)===2O(g) ΔH=+499 kJ·mol-1;由盖斯定律:两个方程相加除以2即可得到CO(g)+O2(g)CO2
15
(g)+O(g) ΔH=-33.5 kJ·mol-1。(3)①CO的体积分数保持不变是平衡标志,A项正确;反应前后气体质量不变,体积不变,容器内混合气体的密度始终保持不变,不能说明反应达到平衡状态,B项错误;反应前后气体物质的量变化,气体质量不变,容器内混合气体的平均摩尔质量保持不变,说明反应达到平衡状态,C项正确;2CO2(g)2CO(g)+O2(g),单位时间内,消耗CO的浓度等于生成CO2的浓度说明反应逆向进行,不能说明反应达到平衡状态,D项错误;②设生成的氧气为x mol,则
2CO2(g)2CO(g)+O2(g)
起始量(mol): 1 0 0
转化量(mol): 2x 2x x
平衡量(mol): 1-2x 2x x
平衡时,氧气的体积分数为0.2%,则=0.2%,则x=0.002,则c(CO2)=0.996 mol·L-1,c(CO)=0.004 mol·L-1,c(O2)=0.002 mol·L-1,则K=≈3.2×10-8mol·L-1;③向2 L的恒容密闭容器中充入2 mol CO2(g),发生反应:2CO2(g)2CO(g)+O2(g),反应为吸热反应,图中曲线Ⅰ表示相对于曲线Ⅱ仅改变一种反应条件后c(O2)随时间的变化,曲线Ⅰ达到平衡时间缩短,平衡状态下氧气浓度增大,则改变的条件是升温,温度越高反应速率越大,则a、b两点用CO浓度变化表示的净反应速率关系为va(CO)
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