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- 2021-07-09 发布
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大题强化训练(一) 化学反应原理综合应用
1.(2018·辽宁五校协作体模拟)碳氢化合物是重要的能源物质。
(1)丙烷脱氢可得丙烯。已知有关化学反应的能量变化如图所示。
则相同条件下,反应C3H8(g)===CH3CH===CH2(g)+H2(g)的ΔH=________kJ·mol-1。
(2)常温常压下,空气中的CO2溶于水,达到平衡时,溶液的pH=5.60,c(H2CO3)=1.5×10-5mol·L-1。若忽略水的电离及H2CO3的第二级电离,则H2CO3HCO+H+的平衡常数K1=________。(结果保留2位有效数字,已知10-5.60=2.5×10-6)
(3)用氨气制取尿素的反应为2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(l)+H2O(g) ΔH<0。某温度下,向容积为100 L的密闭容器中通入4 mol NH3和2 mol CO2,该反应进行到40 s时达到平衡,此时CO2的转化率为50%。
①理论上生产尿素的条件是________。
A.高温、高压 B.高温、低压
C.低温、低压 D.低温、高压
②下列描述能说明反应达到平衡状态的是________。
A.反应混合物中CO2和H2O的物质的量之比为1∶2
B.混合气体的总质量不随时间的变化而变化
C.单位时间内消耗2a mol NH3,同时生成a mol H2O
D.保持温度和容积不变,混合气体的压强不随时间的变化而变化
③该温度下此反应的平衡常数K的值为________。
④图中的曲线Ⅰ表示该反应在前25 s内NH3的浓度随时间的变化。则在0~25 s内该反应的平均反应速率v(CO2)=________。保持其他条件不变,只改变一个条件,NH3的浓度变化曲线变成曲线Ⅱ,则改变的条件可能是________。
【解析】 (1)根据题图可写出热化学方程式:C3H8(g)===CH4(g)+HCCH(g)+H2(g) ΔH=+156.6 kJ·mol-1 ①和CH3CHCH2(g)===CH4(g)+HCCH(g) ΔH=+32.4 kJ·mol-1②,根据盖斯定律,由①-②可得C3H8(g)===CH3CH===CH2(g)+H2(g) ΔH=+124.2 kJ·mol-1。
(2)达到电离平衡时溶液中c(HCO)=c(H+)=2.5×10-6mol·L-1,则电离平衡常数K1==≈4.2×10-7。(3)①合成尿素的反应为气体总体积减小且放热的反应,故理论上生产尿素应选择低温、高压的条件。②达到平衡状态时CO2和H2O的物质的量均不再发生变化,但二者的物质的量之比不一定是1∶2,A项错误;该反应中有液体物质生成,故混合气体的总质量不再随时间发生变化,可以说明反应达到平衡状态,B项正确;无论反应是否达到平衡状态,单位时间内消耗2a mol NH3,同时一定生成a mol H2O,故C项不能说明反应达到平衡状态,C项错误;该反应前后气体分子数不相等,温度和容积恒定时,混合气体的压强不再发生变化,可以说明反应达到平衡状态,D项正确。③根据三段式法,则有:
2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(l)+H2O(g)
起始/(mol) 4 2 0 0
转化/(mol) 2 2×50% 1 1
平衡/(mol) 2 1 1 1
故平衡常数K==2 500。④从题图曲线Ⅰ可知,0~25 s内v(NH3)=6×10-4 mol·L-1·s-1,则v(CO2)=v(NH3)=3×10-4mol·L-1·s-1。
【答案】 (1)+124.2
(2)4.2×10-7
(3)①D ②BD ③2 500 ④3×10-4mol·L-1·s-1 加入CO2,增大CO2的浓度
2.(2018·烟台模拟)以天然气为原料合成甲醇。有关热化学方程式如下:
①2CH4(g)+O2(g)2CO(g)+4H2(g)
ΔH1=-70.8 kJ·mol-1
②CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH2
③2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(g)
ΔH3=-251.0 kJ·mol-1
(1)反应②的ΔH2=________kJ·mol-1。
(2)在体积可变的密闭容器中投入1 mol CO和2 mol H2,在不同条件下发生反应:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。实验测得平衡时CH3OH的物质的量随温度、压强变化如图1所示。
图1 图2
①M点时,H2的转化率为________;压强:p1________p2(填“>”“<”或“=”)。
②反应速率:N点v正(CO)________(填“>”“<”或“=”)M点v逆(CO)。
③若压强为p1,在1 L恒容密闭容器中进行上述反应(起始投料不变),在不同温度下上述反应的平衡常数的对数(lg K)如图2所示。则温度为506 K时,平衡常数K=________(保留三位小数),B、C、D、E四点中能正确表示该反应的lg K与T的关系的点为________。
④在2 L恒容密闭容器中充入a(a>0)mol H2、2 mol CO和7.4 mol CH3OH(g),在506 K下进行上述反应。为了使该反应逆向进行,a的范围为________________。
(3)某甲醇-空气燃料电池以KOH溶液为电解质溶液。当KOH全部转化成KHCO3时停止放电,写出此时负极的电极反应式__________________________。
【解析】 (1)根据盖斯定律知,①+②×2=③,代入数据计算得:ΔH2==-90.1 kJ·mol-1。(2)①M点时,生成的CH3OH为0.25 mol,消耗H2的物质的量为0.25 mol×2=0.50 mol,则H2的转化率α(H2)=×100%=25%。此反应的正反应是气体分子数减小的反应,增大压强,平衡向正反应方向移动。由题图1知,在相同温度下,p2到p1,CH2OH的物质的量增大,说明平衡向正反应方向移动,即p1>p2。②M、N点对应的温度相同,但M点对应的压强较大,反应速率较大。
③506 K时, CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
起始/(mol·L-1) 1 2 0
转化/(mol·L-1) 0.25 0.50 0.25
平衡/(mol·L-1) 0.75 1.50 0.25
K==≈0.148。
K越大,lg K越大,该反应的正反应是放热反应,升高温度,平衡常数K减小,所以,B、E点符合题意。④温度不变,平衡常数不变,K=0.148。为了使反应逆向进行,必须使Qc>K,即>0.148,解得:a<10,又因为H2的物质的量必须大于0,所以,a的范围为0<a<10。(3)依题意,氧化产物为KHCO3,故负极的电极反应式为CH3OH-6e-+7OH-===HCO+5H2O。
【答案】 (1)-90.1
(2)①25% > ②< ③0.148 BE ④0<a<10
(3)CH3OH-6e-+7OH-===HCO+5H2O
3.(2018·联考题,节选)(1)为了探究铜在酸化的硝酸钾溶液中的腐蚀速率,某同学设计如下方案:
实验
铜粉质量/g
pH
1 mol·L-1KNO3溶液体积/mL
恒温槽/℃
蒸馏水体积/mL
Ⅰ
2
2
15
30
0
Ⅱ
2
2
10
30
V1
Ⅲ
2
2
15
40
0
①表格中V1=________。
②上述实验可能得出的结论是________(填代号)。
A.其他条件相同时,铜粉的接触面积越大,铜被腐蚀的速率越大
B.其他条件相同时,NO浓度越大,铜被腐蚀的速率越大
C.其他条件相同时,温度升高,铜被腐蚀的速率越大
D.其他条件相同时,pH越高,铜被腐蚀的速率越小
(2)已知:常温下,Ksp[Cu(OH)2]=2.2×10-20。常温下,在一定量的氯化铜溶液中逐滴加入氨水至过量,可观察到先产生蓝色沉淀,后蓝色沉淀溶解转化成蓝色溶液。
①当溶液的pH=8时,c(Cu2+)=________mol·L-1。
②已知:常温下,
Cu2+(aq) + 4NH3(aq)[Cu(NH3)4]2+(aq) K1=2.0×1013。
平衡1 a mol·L-1 b mol·L-1 c mol·L-1
平衡2 d mol·L-1 e mol·L-1 f mol·L-1
用等式表示a、b、c、d、e、f之间的关系:_____________________________
_________________________________________________________。
若向蓝色溶液中滴加少量的盐酸,Cu2+的平衡转化率降低,原因是_________________________________________________________。
③蓝色沉淀溶解过程中存在平衡:Cu(OH)2(s)+4NH3(aq) [Cu(NH3)4]2+(aq)+2OH-(aq) K2,常温下,K2=________。
【解析】 (1)①本题采用控制变量法设计实验。平行实验中应保证溶液总体积相等,V1=5。②比较实验Ⅰ和Ⅱ,仅改变硝酸钾溶液浓度,可以探究浓度对反应速率的影响;比较实验Ⅰ和Ⅲ,仅改变温度,可以探究温度对反应速率的影响。由于铜粉质量相等、溶液的pH相同,不能得出接触面积和pH对反应速率的影响。(2)①pH=8,c(H+)=1×10-8mol·L-1,c(OH-)==1×10-6mol·L-1,c(Cu2+)==2.2×10-8mol·L-1。②
平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数不变,利用平衡常数不变找出各物质平衡浓度之间的关系,常温下,平衡1和平衡2的平衡常数相同,故=。铜离子平衡转化率降低,说明平衡向左移动,联系NH3+H+NH,知加入盐酸消耗了平衡体系中的NH3,NH3的浓度降低,平衡左移。③K2=
=
=K1·Ksp[Cu(OH)2]=2.0×1013×2.2×10-20=4.4×10-7。
【答案】 (1)①5 ②BC
(2)①2.2×10-8 ②= NH3与H+结合生成了NH,降低了NH3的浓度,平衡左移 ③4.4×10-7
4.(2018·模拟精选)Ⅰ.在分析化学中常用Na2C2O4晶体作为基准物质测定KMnO4溶液的浓度。
(1)若将W g Na2C2O4配成100 mL标准溶液,移取20.00 mL置于锥形瓶中,则KMnO4溶液应装在________(填“酸式”或“碱式”)滴定管中,判断滴定达到终点的现象是____________________________________________
_________________________________________________________。
(2)写出热的经硫酸酸化的KMnO4与Na2C2O4反应生成Mn2+和CO2的化学方程式:_________________________________________________________
_________________________________________________________。
(3)25 ℃ 时,用pH计测得0.10 mol·L-1草酸钠溶液的pH=a,则H2C2O4的第二级电离平衡常数Ka2=________。
Ⅱ.(1)以CaO为吸收体,将生物材质(以C计)与水蒸气反应制取H2。相关主要反应如下:
a:C(s)+H2O(g)===CO(g)+H2(g) ΔH=+131.0 kJ·mol-1
b:CO(g)+H2O(g)===CO2(g)+H2(g) ΔH=-43 kJ·mol-1
c:CaO(s)+CO2(g)===CaCO3(s) ΔH=-178.3 kJ·mol-1
①反应C(s)+2H2O(g)+CaO(s)CaCO3(s)+2H2(g)的ΔH=________kJ·mol-1。若K1、K2、K3分别为反应a、b、c的平衡常数,则该反应的平衡常数K=________(用K1、K2、K3表示)。
②对于可逆反应C(s)+2H2O(g)+CaO(s)CaCO3(s)+2H2(g),采取以下措施可以提高H2的产率的是________。(填字母)
A.降低体系的温度 B.压缩容器的体积
C.增加CaO的量 D.选用适当的催化剂
(2)利用甲醇与水蒸气反应制取H2,反应方程式如下:
CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH=+49.4 kJ·mol-1
一定温度下,向容积为2 L的密闭恒容容器中充入1 mol CH3OH(g)和3 mol H2O(g),达到平衡状态时,吸收热量19.76 kJ。则
①达到平衡时混合气体的压强是反应前的________倍。
②此温度下该反应的平衡常数是________(保留两位有效数字)。
Ⅲ.已知:常温下,Ksp(PbSO4)≈2.0×10-8,Ksp(PbCO3)≈1.0×10-13。
若PbSO4和PbCO3在浊液中共存时c(SO)∶c(CO)=________。
【解析】 Ⅰ.(1)高锰酸钾具有强氧化性,能腐蚀碱式滴定管的橡皮管,故KMnO4溶液应装在酸式滴定管中;KMnO4溶液呈紫色,达到滴定终点时,滴入最后一滴KMnO4溶液,溶液由无色变为浅紫红色,且半分钟内不褪色。(2)根据得失电子守恒、原子守恒配平化学方程式:2KMnO4+5Na2C2O4+8H2SO4===K2SO4+2MnSO4+5Na2SO4+10CO2↑+8H2O。(3)0.10 mol·L-1草酸钠溶液的pH=a,则溶液中c(H+)=10-amol·L-1,草酸钠溶液以C2O的一级水解为主,根据C2O+H2OHC2O+OH-,故c(HC2O)≈c(OH-)=10a-14mol·L-1,c(C2O)=(0.10-10a-14)mol·L-1≈0.1 mol·L-1,则H2C2O4的第二级电离平衡常数Ka2=≈=1013-2a。
Ⅱ.(1)①根据盖斯定律,由a+b+c可得:C(s)+2H2O(g)+CaO(s) CaCO3(s)+2H2(g) ΔH=(131.0-43-178.3)kJ·mol-1=-90.3 kJ·mol-1,该反应的平衡常数K=K1·K2·K3。②该反应为放热反应,降低体系的温度,平衡向正反应方向移动,H2的产率增大,A项正确;该反应是气体分子数不变的反应,压缩容器的体积,平衡不移动,H2的产率不变,B项错误;增加CaO的量不会使平衡发生移动,H2的产率不变,C项错误;选用适当的催化剂,能加快反应速率,缩短达到平衡的时间,但平衡不移动,H2
的产率不变,D项错误。(2)达到平衡状态时,n(CO2)=1 mol×=0.4 mol,则c(CO2)=0.2 mol·L-1。根据三段式法,存在:
CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)
起始/(mol·L-1) 0.5 1.5 0 0
转化/(mol·L-1) 0.2 0.2 0.2 0.6
平衡/(mol·L-1) 0.3 1.3 0.2 0.6
①在恒温恒容条件下,压强之比等于物质的量(或浓度)之比,故平衡时的压强与反应前的压强的比值为=1.2。
②平衡常数K==≈0.11。
Ⅲ.若PbSO4和PbCO3共存时,二者均达到溶解平衡,c(SO)=,c(CO)=
又因为二者的c(Pb2+)相同,故===2.0×105。
【答案】 Ⅰ.(1)酸式 滴入最后一滴KMnO4溶液,溶液由无色变为浅紫红色,且半分钟内不褪色
(2)2KMnO4+5Na2C2O4+8H2SO4===K2SO4+2MnSO4+5Na2SO4+10CO2↑+8H2O
(3)1013-2a
Ⅱ.(1)①-90.3 K1·K2·K3 ②A
(2)①1.2 ②0.11
Ⅲ.2.0×105
5.(2018·乌鲁木齐二次诊断)党的十九大报告指出:要持续实施大气污染防治行动,打赢蓝天保卫战。当前空气质量检测的主要项目除了PM2.5外,还有CO、SO2、氮氧化物(NO和NO2)、O3等气体。
(1)汽车尾气中含有NO和CO气体,可利用催化剂对CO、NO进行催化转化反应:
2CO(g)+2NO(g) N2(g)+2CO2(g) ΔH
①已知下列热化学方程式:
N2(g)+O2(g)===2NO(g) ΔH1=+180.5 kJ·mol-1
2C(s)+O2(g)===2CO(g) ΔH2=-221.0 kJ·mol-1
C(s)+O2(g)===CO2(g) ΔH3=-393.5 kJ·mol-1
则ΔH=________。
②在一定温度下,将2.0 mol NO、2.4 mol CO气体通入到固定容积为2 L的密闭容器中,反应过程中部分物质的浓度变化如图所示。在0~15 min,以N2表示该反应的平均速率v(N2)=____。若保持反应体系温度不变,20 min时再向容器中充入NO、N2各0.4 mol,化学平衡将________移动(填“向左”“向右”或“不”)。
(2)在相同温度下,两个体积均为1 L的恒容密闭容器中,发生CO、NO催化转化反应,有关物质的物质的量如表:
容编号器
起始物质的量/mol
平衡物质的量/mol
NO
CO
N2
CO2
CO2
Ⅰ
0.2
0.2
0
0
a
Ⅱ
0.3
0.3
b
0.1
0.2
①容器Ⅰ中平衡后气体的压强为开始时的0.875倍,则a=________。
②容器Ⅱ平衡时的气体压强为p,用平衡分压代替平衡浓度表示的平衡常数K为________。
(3)汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放。某研究小组在实验室以耐高温试剂AgZSW5对CO、NO催化转化进行研究。测得NO转化为N2的转化率随温度、CO混存量的变化情况如图所示。
①在=1条件下,最佳温度应控制在________左右。
②若不使用CO,温度超过775 K,发现NO的分解率降低,其可能的原因为__________________。
③加入CO后NO转化为N2的转化率增大的原因是__________________________(用平衡移动的原理解释)。
(4)以NO2、O2、熔融NaNO3组成的燃料电池装置如图所示,在使用过程中石墨Ⅰ电极反应生成一种氧化物Y,则该电极反应式为__________________________。
【解析】 (1)①将3个热化学方程式分别标注为①②③,则根据盖斯定律③×2-②-①,可得2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g) ΔH=2×(-393.5 kJ/mol)-(-221.0 kJ/mol)-180.5 kJ/mol=-746.5 kJ/mol。②由图可知,15 min内,N2浓度的变化量为0.2 mol/L,在0~15 min,以N2表示的该反应的平均速率v(N2)==≈0.013 mol/(L·min);将2.0 mol NO、2.4 mol CO气体通入固定容积为2 L的容器中,则
2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g)
1.2 1 0 0
0.4 0.4 0.2 0.4
0.8 0.6 0.2 0.4
化学平衡常数K==≈0.14,
20 min时再向容器中充入NO、N2各0.4 mol,则
2CO(g)+2NO(g) N2(g)+2CO2(g)
0.8 0.8 0.4 0.4
Qc==≈0.156>0.14,所以平衡将向左移动。
(2)①容器的体积为1 L,则
2CO(g)+2NO(g) N2(g)+2CO2(g)
0.2 0.2 0 0
a a 0.5a a
0.2-a 0.2-a 0.5a a
容器Ⅰ中平衡后气体的压强为开始时的0.875倍,恒温条件下,气体的压强之比等于气体的物质的量之比,则(0.2-a+0.2-a+0.5a+a)÷(0.2+0.2)=0.875,解得a=0.1。②容器Ⅰ与容器Ⅱ温度相同,平衡常数相同,容器Ⅰ中的化学平衡常数K===5,容器Ⅱ,
2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g)
0.3 0.3 B 0.1
0.1 0.1 0.05 0.1
0.2 0.2 B+0.05 0.2
K===5,解得b=0.15 mol,则平衡时气体的总物质的量为0.8 mol,各组分气体均为0.2 mol,各气体的分压均为,用平衡分压代替平衡浓度表示的平衡常数Kp==。(4)通入O2的一极发生还原反应,为燃料电池的正极,通入NO2气体的一极为燃料电池的负极,发生氧化反应,且NO2被氧化为N2O5,电极反应式为NO2+NO-e-===N2O5。
【答案】 (1)①-746.5 kJ·mol-1 ②0.013 mol/(L·min) 向左
(2)①0.1 ②
(3)①870 K(860~880 K范围都可以) ②NO直接分解成N2的反应是放热反应,升高温度不利于反应进行 ③加入的CO与NO分解生成的O2反应,使NO分解平衡向生成N2的方向移动,因此NO转化率升高
(4)NO2+NO-e-===N2O5