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- 2021-08-24 发布
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大题分点提速练(二) 化学反应原理综合试题集训
(分值:50分,建议用时:35分钟)
非选择题:共50分。每个试题考生都必须作答。
1.(10分)(2018·黑龙江五校联考)氨是一种重要的化工原料,工业合成氨对农业、化工和国防意义重大。回答下列有关问题:
(1)NH3在纯氧中燃烧发生置换反应,该反应的化学方程式为____________________________________________________________,
若反应过程中转移0.3 mol电子,则得到标准状况下氧化产物的体积为________L。
(2)随着机动车数量的增加,大气污染物中氮的氧化物逐渐增多。利用氨的还原性可治理氮氧化物的污染。已知下列热化学方程式:
①N2(g)+O2(g)===2NO(g) ΔH1=a kJ·mol-1
②4NH3(g)+5O2(g)===4NO(g)+6H2O(l)
ΔH2=b kJ·mol-1
则4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)===4N2(g)+6H2O(l) ΔH3=________kJ·mol-1。(用含字母的代数式表示)
(3)氨的水溶液的溶质为一水合氨(NH3·H2O),一水合氨和联氨(H2N—NH2)均为重要的碱,其电离常数如下表:
弱碱
NH3·H2O
H2N—NH2
电离常数(Kb)
2.0×10-5
Kb1=3.0×10-6
Kb2=7.6×10-15
①联氨的二级电离方程式为_______________________________________。
②常温下,浓度均为0.1 mol·L-1的NH3·H2O和H2N—NH2溶液,pH较大的是________(写化学式)。
③常温下,0.1 mol·L-1的氯化铵溶液中c(H+)=________mol·L-1。
(4)工业生产中可用天然气来制备合成氨的原料气H2,反应的化学方程式:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)
某科研小组在2 L密闭容器中模拟该工业生产,一定温度下测得如下部分数据:
时间/min
n(CH4)/mol
n(H2O)/mol
n(CO)/mol
n(H2)/mol
0
0.40
1.00
0
0
5
0.20
a
c
0.60
7
b
0.80
0.20
d
10
0.21
0.81
0.19
0.64
①前5 min,平均反应速率v(CO)=________mol·L-1·min-1。
②该温度下的平衡常数K=________(保留3位小数)。
③第7~10 min,在反应体系中充入了一定量的H2,平衡________(填“正向”“逆向”或“不”)移动,第10 min________(填“是”或“否”)达到新的平衡状态。
【解析】 (1)根据提示“置换反应”可写出化学方程式:4NH3+3O22N2+6H2O,根据化合价变化可知N2为氧化产物,生成1 mol N2,转移6 mol电子,故转移0.3 mol电子时,生成0.05 mol N2。(2)根据盖斯定律,由热化学方程式②-热化学方程式①×4,可得4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)===4N2(g)+6H2O(l) ΔH3=(b-4a)kJ·mol-1。(3)①根据一水合氨的电离方程式可写出N2H4的电离方程式:N2H4+H2ON2H+OH-、N2H+H2ON2H+OH-。②碱性越强,溶液pH越大,而NH3·H2O的电离常数比H2N—NH2的大,即前者的碱性强。③NH3·H2O的电离常数Kb=c(NH)·c(OH-)/c(NH3·H2O),NH的水解常数Kh=c(NH3·H2O)·c(H+)/c(NH),由此可推出Kb·Kh=c(H+)·c(OH-)=KW,水解常数Kh=KW/Kb=c(H+)·c(NH3·H2O)/c(NH)=c2(H+)/c(NH),c(NH)≈0.1 mol·L-1,得c2(H+)=5×10-11,即c(H+)≈7.1×10-6mol·L-1。(4)①对比表格中5 min和7 min时的数据可知,a=0.80,b=0.20,c=0.20,d=0.60,故0~5 min平均反应速率v(CO)=0.20 mol/(2 L×5 min)=0.02 mol·L-1·min-1。②比较5 min和7 min时的数据可知5 min时反应已经达到平衡,故平衡常数K=0.303×0.10/(0.10×0.40)≈0.068。③加入生成物,平衡向逆反应方向移动。10 min时,Qc=≈0.073≠0.068,故反应未达到平衡状态。
【答案】 (1)4NH3+3O22N2+6H2O 1.12
(2)(b-4a)
(3)①N2H+H2ON2H+OH- ②NH3·H2O ③7.1×10-6
(4)①0.02 ②0.068 ③逆向 否
2.(10分)(2018·试题调研)燃煤产生的烟气中含有较多的CO2、CO、SO2等影响环境的气体。如何综合利用这些气体一直是科研单位研究的热点。
(1)已知:
2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH1
CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH2
2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH3
用ΔH2、ΔH3表示ΔH1,ΔH1=________。
(2)针对CO2与H2反应转化为二甲醚(g)和H2O(g),研究发现,该反应中CO2的平衡转化率随反应温度、投料比[n(H2)/n(CO2)]的变化曲线如图:
①ΔH1________0(填“>”或“<”)。
②若其他条件不变,仅仅增大压强,则逆反应速率会__________(填“增大”“减小”或“不变”,下同),平衡常数K会________。
③在其他条件不变时,请在图中画出平衡时CH3OCH3的体积分数随投料比[n(H2)/n(CO2)]变化的曲线图。
(3)研究发现,催化剂可以促使烟气CO、SO2转化为CO2、S(l)。反应原理为:2CO(g)+SO2(g)2CO2(g)+S(l) ΔH=-270 kJ·mol-1。
①其他条件相同,研究发现,分别选取Fe2O3、NiO、Cr2O3作上述反应的催化剂时,SO2的转化率随反应温度的变化如图,研究得出,应该选择Fe2O3作催化剂,主要原因可能是_____________________________________________。
②若在2 L恒容密闭容器中,将3 mol CO、1 mol SO2混合,在一定条件下引发反应,当SO2的平衡转化率为40%时,此时K=________。
③向反应容器中再分别通入下列气体,可以使SO2转化率增大的是________(填写编号)。
A.CO B.SO2 C.N2 D.H2S E.CO2
【解析】 (1)根据盖斯定律,得出ΔH1=ΔH3-2ΔH2。(2)①由题图可知,当投料比一定时,温度越高,CO2的平衡转化率越低,所以升温,平衡左移,正反应为放热反应。②其他条件不变,增大压强,正、逆反应速率均增大;平衡常数只与温度有关,不随其他条件的变化而变化。③当反应物按系数之比投料时,CH3OCH3的体积分数最大。(3)①根据题图,可以得出Fe2O3作催化剂时,在相对较低的温度下可获得较高的SO2转化率,从而节约能源。②利用三段式法进行计算:
2CO(g)+SO2(g)2CO2(g)+S(l)
初始/mol 3 1 0
转化/mol 0.8 0.4 0.8
平衡/mol 2.2 0.6 0.8
K==0.44。
③增加CO的量,可以使SO2的转化率增大,A项符合题意;若增加SO2的量,平衡向正反应方向移动,但是SO2的转化率会降低,B项不符合题意;通入N2,不影响平衡移动,C项不符合题意;通入H2S,H2S会与SO2反应,平衡逆向移动,SO2的转化率会降低,D项不符合题意;通入CO2,平衡逆向移动,SO2的转化率会降低,E项不符合题意。
【答案】 (1)ΔH3-2ΔH2
(2)①< ②增大 不变
(3)①Fe2O3作催化剂时,在相对较低的温度下可获得较高的SO2转化率,从而节约能源 ②0.44 ③A
3.(10分)苯乙烯是重要的基础有机化工原料。工业中以乙苯(C6H5—CH2CH3)为原料,采用催化脱氢的方法制取苯乙烯(C6H5—CH===CH2)的化学方程式为:
(1)已知:
化学键
C—H
C—C
C===C
H—H
键能/(kJ·mol-1)
412
348
612
436
H2和苯乙烯的燃烧热ΔH分别为-290 kJ·mol-1和-4 400 kJ·mol-1,则乙苯的燃烧热ΔH=________kJ·mol-1。
(2)在体积不变的恒温密闭容器中,发生乙苯催化脱氢的反应,反应过程中各物质浓度随时间变化的关系如图所示。在t1时刻加入H2,t2时刻反应再次达到平衡。回答下列问题:
①物质X为________,判断理由是___________________________________
____________________________________________________________。
②t2时刻,苯乙烯的浓度为________mol·L-1。
(3)在体积为2 L的恒温密闭容器中通入2 mol乙苯蒸气,2 min后达到平衡,测得氢气的浓度是0.5 mol·L-1,则乙苯蒸气的反应速率为________;维持温度和容器体积不变,向上述平衡中再通入1 mol氢气和1 mol乙苯蒸气,则v正________(填“大于”、“小于”或“等于”)v逆。
(4)实际生产时反应在常压下进行,且向乙苯蒸气中掺入水蒸气,利用热力学数据计算得到温度和投料比(M)对乙苯的平衡转化率的影响如图所示。[M=n(H2O)/n(乙苯)]
①比较图中A、B两点对应的平衡常数大小:KA________(填“>”、“<”或“=”)KB。
②图中投料比M1、M2、M3的大小顺序为________。
【解析】 (1)反应热=反应物总键能-生成物总键能,由有机物的结构可知,乙苯催化脱氢反应的反应热等于—CH2CH3的总键能与—CH===CH2、H2的总键能之差,故乙苯催化脱氢反应的ΔH=(5×412+348-3×412-612-436)kJ·mol-1=+124 kJ·mol-1,根据盖斯定律,乙苯的燃烧热ΔH=-290 kJ· mol-1+(-4 400 kJ· mol-1)+(+124 kJ·mol-1)=-4 566 kJ·mol-1。(2)①在t1时刻加入H2,根据图像知此时物质X的浓度不变,随后增大,因加入H2后平衡向左移动,故乙苯浓度增大,物质X为乙苯。②根据图像知物质Z是苯乙烯,物质Y是H2,t1时刻平衡时c(乙苯)=a mol·L-1,c(苯乙烯)=b mol·L-1,c(氢气)=c mol·L-1,则该温度下K=。设t1时刻加入x mol·L-1 H2,根据图像知t2时刻再次达到平衡时c(氢气)=2c mol·L-1,则根据三段式法进行计算:
t1时/(mol·L-1) a b c+x
转化/(mol·L-1) x-c x-c c+x-2c
t2时/(mol·L-1) a+(x-c) b-(x-c) 2c
t2时刻再次达到的平衡与原平衡的平衡常数相同,则K==,解得x=,则t2时刻,苯乙烯的浓度为b-(x-c
)mol·L-1= mol·L-1。(3)v(乙苯)=v(H2)==0.25 mol·L-1·mol-1。原平衡时氢气浓度为0.5 mol·L-1,苯乙烯的浓度为0.5 mol·L-1,乙苯的浓度为0.5 mol·L-1,平衡常数K=0.5×0.5/0.5=0.5。通入1 mol氢气和1 mol乙苯蒸气后,乙苯、苯乙烯、氢气的物质的量浓度分别为1 mol·L-1、0.5 mol·L-1、1 mol·L-1,则Qc=0.5×1/1=0.5=K,所以平衡不移动。(4)①根据图像,升高温度,乙苯的平衡转化率增大,平衡向正反应方向移动,说明正反应为吸热反应,B点温度高于A点,则B点的平衡常数大于A点。②该反应的正反应为气体分子数增大的反应,保持温度和压强不变,加入水蒸气,容器体积增大,等效于降低压强,平衡向正反应方向移动,因此加入水蒸气,能够提高乙苯的平衡转化率,加入的水蒸气的量越多,乙苯的平衡转化率越大,根据图像,投料比:M1>M2>M3。
【答案】 (1)-4 566
(2)①乙苯 加入H2后平衡向左移动,乙苯浓度增大
②(b2+ab)/(2a+b)
(3)0.25 mol·L-1·min-1 等于
(4)①< ②M1>M2>M3
4.(10分)含氮化合物在工农业生产中都有重要应用。
(1)氮和肼(N2H4)是两种最常见的氮氢化物。
已知:4NH3(g)+3O2(g)2N2(g)+6H2O(g)
ΔH1=-541.8 kJ·mol-1,化学平衡常数为K1。
N2H4(g)+O2(g)N2(g)+2H2O(g)
ΔH2=-534 kJ·mol-1,化学平衡常数为K2。
则用NH3和O2制取N2H4的热化学方程式为________________________________________,该反应的化学平衡常数K=________(用K1、K2表示)。
(2)对于2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g),在一定温度下,于1 L的恒容密闭容器中充入0.1 mol NO和0.3 mol CO,反应开始进行。
①下列能说明该反应已经达到平衡状态的是________(填字母代号)。
A.c(CO)=c(CO2)
B.容器中混合气体的密度不变
C.v(N2)正=2v(NO)逆
D.容器中混合气体的平均摩尔质量不变
②图1为容器内的压强(p)与起始压强(p0)的比值随时间(t)的变化曲线。0~5 min内,该反应的平均反应速率v(N2)=________,平衡时NO的转化率为________。
图1 图2
(3)使用间接电化学法可处理燃烧烟气中的NO,装置如图2所示。已知电解池的阴极室中溶液的pH在4~7之间,写出阴极的电极反应式____________________________________________________________。
用离子方程式表示吸收池中除去NO的原理___________________________
____________________________________________________________。
【解析】 (1)将题中热化学方程式依次编号为①、②,根据盖斯定律,由①-2×②得:4NH3(g)+O2(g)2N2H4(g)+2H2O(g) ΔH=+526.2 kJ·mol-1,K1=,K=,K==。
(2)①c(CO)=c(CO2),反应不一定达到平衡状态,A项错误;混合气体的密度等于混合气体的质量除以容器体积,这是一个定值,故混合气体的密度不变不能说明反应达到平衡状态,B项错误;2v(N2)正=v(NO)逆时反应达到平衡状态,C项错误;该反应在反应前后气体分子数不相等,故容器中混合气体的平均摩尔质量不变可以说明反应达到平衡状态,D项正确。②同温同容条件下压强之比等于物质的量之比,设0~5 min反应的NO为x mol,则反应的CO为x mol,生成N2 0.5x mol,生成CO2 x mol,则=0.925,解得x=0.06,故
0~5 min内,v(N2)==0.006 mol·L-1·min-1;由图像可知,在10 min时反应达到平衡,设达到平衡时反应的NO为y mol,则反应的CO为y mol,生成N2 0.5y mol,生成CO2 y mol,则=0.90,解得y=0.08,则平衡时NO的转化率为×100%=80%。(3)由装置图可知,阴极室是HSO放电,在酸性条件下生成S2O,则阴极的电极反应式为2HSO+2e-+2H+===S2O+2H2O;由题图知,NO与S2O反应生成N2和HSO,离子方程式为2NO+2S2O+2H2O===N2+4HSO。
【答案】 (1)4NH3(g)+O2(g)2N2H4(g)+2H2O(g) ΔH=+526.2 kJ·mol-1 (2)①D ②0.006 mol·L-1·min-1 80%
(3)2HSO+2e-+2H+===S2O+2H2O
2NO+2S2O+2H2O===N2+4HSO
5.(10分)(2018·试题调研)磷单质及其化合物在工农业生产中有着重要的应用。回答下列问题:
(1)有一种磷单质的结构式是,它与白磷的关系是________。
(2)已知PCl5(g)中P—Cl键的键能为a kJ·mol-1,PCl3(g)中P—Cl键的键能为b kJ·mol-1,Cl2(g)中Cl—Cl键的键能为c kJ·mol-1,则反应PCl5(g)??PCl3(g)+Cl2(g)的ΔH=________kJ·mol-1。在2 L恒容密闭容器中,充入2 mol PCl5(g),达到平衡时,PCl5(g)的转化率为80%,该反应的平衡常数K=________;若再充入1 mol PCl5(g),达到新平衡后,PCl5(g)的转化率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)PH3的稳定性________(填“大于”或“小于”)GeH4。“鬼火”主要是PH3在空气中燃烧所致,“鬼火”生成的最终物质是________(填化学式)。PH3具有强还原性,PH3与AgNO3溶液在某条件下反应时,氧化剂与还原剂的物质的量之比为2∶1,则二者反应的化学方程式为____________________。
(4)298 K时,向H3PO4溶液中滴入NaOH溶液,溶液中H3PO4、H2PO、HPO和PO的物质的量分数δ(X)随pH的变化如图所示。
①H3PO4的三步电离常数分别为Ka1、Ka2、Ka3,则Ka2=________;请根据结构与性质的关系解释Ka1≫Ka2的原因_________________________________。
②pH=7时,溶液中主要含磷元素的离子浓度大小关系为________,Kh(HPO)=________。
【解析】 (2)PCl5的分解反应是气体分子数增大的可逆反应,平衡后再充入PCl5(g),相当于将容器压缩,平衡逆向移动,PCl5(g)的转化率减小。(3)PH3燃烧生成P2O5和H2O,P2O5与H2O化合生成H3PO4。(4)①Ka2=,图中HPO与H2PO的交点表示c(HPO)=c(H2PO),此时Ka2=c(H+)=1.0×10-7.2。
②Kh(HPO)=====1.0×10-6.8。
【答案】 (1)互为同素异形体
(2)5a-3b-c 3.2 减小
(3)大于 H3PO4 PH3+2AgNO3===H3PO4+2Ag↓+2NO (4)①1.0×10-7.2 第一步电离后生成的阴离子较难进一步电离出带正电荷的氢离子
②c(H2PO)>c(HPO) 1.0×10-6.8
6.某研究小组为探究弱酸性条件下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素,将混合均匀的新制铁粉和碳粉置于锥形瓶底部,塞上瓶塞(如图1)。从胶头滴管中滴入几滴醋酸溶液,同时测量容器中的压强变化。
图1
(1)请完成以下实验设计表(表中不要留空格):
编号
实验目的
碳粉/g
铁粉/g
醋酸/%
①
为以下实验作参照
0.5
2.0
90.0
②
醋酸浓度的影响
0.5
36.0
③
0.2
2.0
90.0
(2)编号①实验测得容器中压强随时间变化如图2。t2时,容器中压强明显小于起始压强,其原因是铁发生了________腐蚀,请在图3中用箭头标出发生该腐蚀时电子流动方向;此时,碳粉表面发生了________(填“氧化”或“还原”)反应,其电极反应式是______________________________________。
图2 图3
(3)该小组对图2中0~t1时压强变大的原因提出了如下假设,请你完成假设二:
假设一:发生析氢腐蚀产生了气体;
假设二:________________;
……
(4)为验证假设一,某同学设计了检验收集的气体中是否含有H2的方案。请你再设计一个实验方案验证假设一,写出实验步骤和结论。
【解析】 (1)本题采用“控制变量法”进行研究,即保持其他条件相同,只考虑其中一个因素对实验的影响。探究醋酸浓度对电化学腐蚀的影响时,应保证碳粉和铁粉的质量与参照实验相同,因此实验②中铁粉为2.0 g;对比实验①和③可知,铁粉的质量及醋酸的浓度相同,而碳粉的质量不同,显然探究的是碳粉的含量对铁的电化学腐蚀的影响。(2)当铁发生析氢腐蚀时,由于生成H2,容器的压强不断增大,而发生吸氧腐蚀时,由于消耗O2,容器的压强不断减小,t2时容器的压强明显小于起始压强,说明铁发生了吸氧腐蚀,此时Fe
作负极,失去电子发生氧化反应;碳粉作正极,O2在其表面得到电子发生还原反应,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-(或4H++O2+4e-===2H2O)。
(3)Fe发生电化学腐蚀时,放出热量,使体系的温度升高。
(4)参照实验①中药品的用量及操作方法,更换多孔橡皮塞,增加进、出气导管,并通入稀有气体,排出空气,滴加醋酸溶液,同时测量瓶内压强的变化、温度的变化等,确定猜想一是否成立。
【答案】 (1)②2.0 ③碳粉含量的影响
(2)吸氧 见右图 还原 O2+2H2O+4e-===4OH-(或4H++O2+4e-===2H2O)
(3)反应放热,温度升高
(4)实验步骤和结论(不要求写具体操作过程):
①药品用量和操作同编号①实验(多孔橡皮塞增加进、出导管);
②通入氩气排净瓶内空气;
③滴入醋酸溶液,同时测量瓶内压强变化(也可测温度变化、检验Fe2+等)。
如果瓶内压强增大,假设一成立。否则假设一不成立。
(本题属于开放性试题,合理答案均给分)