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題型專練11 基本理論
1. 氮和碳的化合物與人類生產(chǎn)、生活密切相關(guān)。
(1)已知:N2(g)+O2(g)===2NO(g); ΔH=+180.5 kJmol-1
2H2(g)+O2(g)===2H2O(g); ΔH=-483.6 kJmol-1
則反應(yīng)2H2(g)+2NO(g)===2H2O(g)+N2(g);ΔH=__________。
(2)在壓強為0.1 MPa條件,將CO和H2的混合氣體在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為甲醇的反應(yīng)為CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH<0
①下列能說明該反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的是________________。
a.混合氣體的密度不再變化 b.CO和H2的物質(zhì)的量之比不再變化
c.v(CO)=v(CH3OH) d.CO在混合氣中的質(zhì)量分數(shù)保持不變
②T1℃時,在一個體積為5 L的恒壓容器中充入1 mol CO、2 mol H2,經(jīng)過5 min達到平衡,CO的轉(zhuǎn)化率為0.75,則T1℃時,CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的平衡常數(shù)K=_______________________。
③在T1℃時,在體積為5 L的恒容容器中充入一定量的H2和CO,反應(yīng)達到平衡時CH3OH的體積分數(shù)與n(H2)/n(CO)的關(guān)系如圖所示。溫度不變,當(dāng)時,達到平衡狀態(tài),CH3OH的體積分數(shù)可能是圖象中的___________點。
(3)用催化轉(zhuǎn)化裝置凈化汽車尾氣,裝置中涉及的反應(yīng)之一為:2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)
①探究上述反應(yīng)中NO的平衡轉(zhuǎn)化率與壓強、溫度的關(guān)系,得到如圖1所示的曲線。催化裝置比較適合的溫度和壓強是___________。
②測試某型號汽車在冷啟動(冷啟動指發(fā)動機水溫低的情況下啟動)時催化裝置內(nèi)CO和NO百分含量隨時間變化曲線如圖2所示。則前10 s內(nèi),CO和NO百分含量沒明顯變化的原因是____________。
(4)右圖所示的裝置能吸收和轉(zhuǎn)化NO2和SO2。
①陽極區(qū)的電極反應(yīng)式為___________________________。
②陰極排出的溶液中含S2O離子,能將NO2氣體轉(zhuǎn)化為無污染氣體,同時生成的SO可在陰極區(qū)再生。寫出該反應(yīng)的離子方程式:___________________________。
【答案】 (1). -664.1 kJmol-1 (2). ad (3). 300 (4). F (5). 400K,1Mpa (6). 尚未達到催化劑工作溫度或尚未達到反應(yīng)所需的溫度 (7). SO2-2e-+2H2O===SO+4H+ (8). 4S2O+2 NO2+8OH-=8SO+N2+4H2O
【解析】(1)根據(jù)蓋斯定律:第二個方程式減第一個方程式,整理后即可計算出該反應(yīng)的ΔH= -664.1 kJmol-1;正確答案:-664.1 kJmol-1。
(2)①在壓強不變的情況下,反應(yīng)前后混合氣體的總質(zhì)量不發(fā)生改變,氣體的總體積在發(fā)生變化,當(dāng)二者的比值不再發(fā)生改變時,反應(yīng)達到平衡狀態(tài),a正確;CO和H2都為反應(yīng)物,在發(fā)生反應(yīng)時是按照1:2比例進行的,無 論 進 行 到 什 么 程 度,二 者的物質(zhì)的量之比不再變化,無法判斷反應(yīng)是否達平衡,b錯誤;v(CO)=v(CH3OH)沒 有 標 出 速 率 的方向,無法判定,c錯誤;反應(yīng)達到平衡狀態(tài)后,CO在混合氣中的質(zhì)量分數(shù)保持不變,d正確。答案選ad。
② 因為CO的轉(zhuǎn)化率為0.75,所 以 反應(yīng) 中 消 耗 CO的 總 量為 0.75 mol,容器的體積為5 L。
CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g)
起始量 1 2 0
變化量 0.75 1.5 0.75
平衡量 0.25 0.5 0.75
平衡濃度0.05 0.1 0.15
平衡常數(shù)=,正確答案:300。
③溫度不變,當(dāng)時, 甲醇的體積分數(shù)為最大值, 當(dāng)時,雖然增加了氫氣的濃度,平衡右移,甲醇的含量增加,但是混合氣體的總體積增加的多,導(dǎo)致CH3OH的體積分數(shù)減少,應(yīng)該是圖象中的F點;正確選項F。
(3)①根據(jù)圖像可知,在壓強不變的情況下,該反應(yīng)溫度越低,NO的轉(zhuǎn)化率越大;當(dāng)反應(yīng)溫度在400K時,壓強為1 Mpa時,轉(zhuǎn)化率為90%,當(dāng)壓強增大到5 Mpa時,轉(zhuǎn)化率為95%,雖然轉(zhuǎn)化率有提高,但是壓強的增大,需 要 很 高 的 成本,不劃算,所以催化裝置比較適合的溫度和壓強是400K、1Mpa;答案為400K、1Mpa。
②需要控制在一定的溫度范圍內(nèi),才能發(fā)揮催化劑的最大催化能力,則前10 s內(nèi),尚未達到催化劑工作溫度或尚未達到反應(yīng)所需的溫度,所以CO和NO百分含量沒明顯變化;正確答案:尚未達到催化劑工作溫度或尚未達到反應(yīng)所需的溫度。
(4)①陽極發(fā)生氧化反應(yīng),SO2失去電子被氧化為硫酸,根據(jù)電子守恒、電荷守恒、原子守恒規(guī)律,極反應(yīng)為SO2-2e-+2H2O===SO+4H+ ;正確答案為 SO2-2e-+2H2O==SO+4H+。
②在堿性環(huán)境中,S2O離子中+3價硫元素被氧化為+4價的SO,NO2中+4價的氮元素被還原到0價,即為氮氣,無污染氣體,離子方程式為4S2O+2 NO2+8OH- = 8SO+N2
+4H2O ; 正確答案:4S2O+2 NO2+8OH- =8SO+N2+4H2O 。
2. 在一定的溫度、壓強和釩催化劑存在的條件下,SO2被空氣中的O2氧化為SO3。V2O5是釩催化劑的活性成分,郭汗賢等提出:V2O5在對反應(yīng)I的催化循環(huán)過程中,經(jīng)歷了Ⅱ、Ⅲ兩個反應(yīng)階段,圖示如圖1:
圖1
(1)①已知有關(guān)氣體分子中1mol化學(xué)鍵斷裂時需要吸收的能量數(shù)據(jù)如下:
化學(xué)鍵
S=O(SO2)
O=O(O2)
S=O(SO3)
能量/kJ
535
496
472
由此計算反應(yīng)Ⅰ的△H=_________kJmol-1。
②寫出反應(yīng)Ⅱ的化學(xué)方程式_________。
(2)不能說明反應(yīng)Ⅰ達到平衡狀態(tài)的是_________。
A.恒容密閉容器中混合氣體的壓強不再變化
B.恒容密團容器中混合氣體的密度不再變化
C.混合氣體的總物質(zhì)的量不再變化
D.混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再變化
E.n(SO2)∶n(O2)∶n(SO3)=2∶1∶2
F.SO2氣體的百分含量不再變化
(3)在保持體系總壓為105Pa的條件下進行反應(yīng)SO2+1/2O2SO3,原料氣中SO2和O2的物質(zhì)的量之比m(m=)不同時,SO2的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度(t)的關(guān)系如下圖所示:
①圖中m1、m2、m3的大小順序為_________,理由是_________。
②反應(yīng)I的化學(xué)平衡常數(shù)Kp表達式為_________(用平衡分壓代替平衡濃度表示)。圖中A點原料氣的成分是:n(SO2)=10mol,n(O2)=24.4mol,n(N2)=70mol,達平衡時SO2的分壓p(SO2)為_________Pa。(分壓=總壓物質(zhì)的量分數(shù))。
③近年,有人研發(fā)出用氧氣代替空氣的新工藝,使SO2趨于全部轉(zhuǎn)化。此工藝的優(yōu)點除了能充分利用含硫的原料外,主要還有_________。
【答案】 (1). -98 (2). SO2 + V2O5V2O4SO3 (3). B E (4). m1>m2>m3 (5). 相同溫度和壓強下,若SO2濃度不變,O2濃度增大,轉(zhuǎn)化率提高,m值減小。 (6). Kp= (7). =1200Pa( (8). 無尾氣排放,不污染環(huán)境
【解析】(1)①反應(yīng)熱等于反應(yīng)物的總鍵能減生成物的總鍵能;則反應(yīng)I的△H=(2535)+0.5496-3472=-98kJ/mol;正確答案:-98;
②反應(yīng)Ⅱ生成V204?S03,方程式為S02+V205?V204?S03,反應(yīng)ⅢV204?S03與氧氣反應(yīng)生成V205和S03,方程式為2V204?S03+02?2V205+S03,故答案為:S02+V205?V204?S03;
(2)該反應(yīng)為反應(yīng)前后氣體的總量不為0的反應(yīng),恒容密閉容器中混合氣體的壓強不再變化,反應(yīng)達平衡狀態(tài);A正確;反應(yīng)前后氣體的總質(zhì)量不變,恒容密團容器中混合氣體的密度恒為常數(shù),無法判斷反應(yīng)是否達到平衡狀態(tài);B錯誤;該反應(yīng)為反應(yīng)前后氣體的總量不為0的反應(yīng),合氣體的總物質(zhì)的量不再變化,反應(yīng)達平衡狀態(tài);C正確;反應(yīng)前后氣體的總質(zhì)量不變,混合氣體的總量在變化,當(dāng)混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再變化,反應(yīng)達平衡狀態(tài);D正確;n(SO2)∶n(O2)∶n(SO3)=2∶1∶2,無法判定反應(yīng)達平衡狀態(tài),E錯誤;反應(yīng)達平衡狀態(tài),各組分的濃度保持不變;SO2氣體的百分含量不再變化,可以判定反應(yīng)達平衡狀態(tài);F正確;正確選項:B E ;
(3)根據(jù)圖像可知:m=,m越大,二氧化硫轉(zhuǎn)化率越??;原因相同溫度和壓強下,若SO2濃度不變,增大氧氣的濃度,氧氣的轉(zhuǎn)化率減少,SO2的轉(zhuǎn)化率增大;正確答案:
m1>m2>m3 ;相同溫度和壓強下,若SO2濃度不變,O2濃度增大,轉(zhuǎn)化率提高,m值減?。?
②根據(jù)反應(yīng):SO2(g)+1/2O2(g) SO3(g),其他條件不變時,化學(xué)平衡常數(shù)Kp為生成物的平衡分壓與反應(yīng)物的平衡分壓的分壓冪之比;平衡常數(shù)可以用壓強表示為:Kp=;
根據(jù)題給信息,壓強為Pa,二氧化硫的轉(zhuǎn)化率為88%;n(SO2)=10mol,n(O2)=24.4mol, n(N2)=70mol,進行如下計算:
SO2(g) + 1/2O2(g) SO3(g),
起始量: 10 24.4 0
變化量: 1088% 0.51088% 1088%
平衡量:1012% 24.4-588% 1088%
平衡時,混合氣體總量為1012%+24.4-588%+1088%+70=104.4-588%=100mol
達平衡時SO2的分壓p(SO2)為1012%105 100100%=1200 Pa;正確答案:1200 Pa;
③使二氧化硫氣體趨于全部轉(zhuǎn)化為三氧化硫,這樣就沒有二氧化硫氣體的剩余,減少了對環(huán)境的污染;正確答案:無尾氣排放,不污染環(huán)境;
3. 氮元素也與碳元素一樣存在一系列氫化物,如NH3、N2H4、N3H5、N4H6等。請回答下列有關(guān)問題:
(1)上述氮的系列氫化物的通式為____________。
(2)已知:2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) △H=-483.6kJmol-1,查閱文獻資料,化學(xué)鍵鍵能如下表:
化學(xué)鍵
H-H
N=N
N-H
E/kJmol-1
436
946
391
①氨分解反應(yīng)NH3(g)N2(g)+H2(g)的活化能Ea1=300kJmol-1,則合成氨反應(yīng) N2(g)+H2(g)NH3(g)的活化能Ea2=___________。
②氨氣完全燃燒生成氮氣和氣態(tài)水的熱化學(xué)方程式為__________________________。
③如右圖是氨氣燃料電池示意圖。a電極的電極反應(yīng)式為________________。
(3)已知NH3H2O為一元弱堿。N2H4H2O為二元弱堿,在水溶液中的一級電離方程式表示為:N2H4H2O+H2ON2H5H2O++OH-。則可溶性鹽鹽酸肼(N2H6Cl2)第一步水解的離子方程式為__________________;溶液中離子濃度由大到小的排列順序為___________________。
(4)通過計算判定(NH4)2SO3溶液的酸堿性(寫出計算過程)________________________。(已知:氨水Kb=1.810-5;H2SO3 Ka1=1.310-2Ka2=6.310-8)。
【答案】 (1). NnH(n+2) (2). 254kJmol-1 (3). 4NH3(g)+3O2(g)=2N2(g)+6H2O(g)△H=-1266.8kJmol-1 (4). NH3+6OH--6e-=N2↑+6H2O (5). N2H62++H2ON2H5H2O++H+ (6). [Cl-]>[N2H62+]>[H+]>[N2H5H2O+]>[OH-] (7). O32-的水解常數(shù)Kh1===10-7,NH4+的水解常數(shù)Kh===10-10,Kh1>Kh,故SO32-水解起主要作用而呈堿性
【解析】(1)通過觀察可知:氮與氫原子數(shù)相差2個,通式為NnH(n+2),正確答案:NnH(n+2);
(2)①NH3(g)N2(g)+H2(g),△H=反應(yīng)物的總鍵能-生成物的總鍵能=3391-1/2946-3/2436=+46 kJmol-1; △H= Ea1- Ea2=46;300- Ea2=46,Ea2=254kJmol-1;
② 2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) △H=-483.6kJmol-1, NH3(g)N2(g)+H2(g),△H==+46 kJmol-1;
根據(jù)蓋斯定律:兩個式子整理完成后,4NH3(g)+3O2(g)=2N2(g)+6H2O(g) △H=1266.8kJmol-1;正確答案:4NH3(g)+3O2(g)=2N2(g)+6H2O(g) △H=1266.8kJmol-1;
③ 氨氣燃料電池,氨氣做負極,負極發(fā)生氧化反應(yīng),失去電子,在堿性環(huán)境下氧化為氮氣;極反應(yīng)為NH3+6OH--6e-=N2↑+6H2O;正確答案為:NH3+6OH--6e-=N2↑+6H2O;
(3)N2H4H2O為二元弱堿,N2H6Cl2為強酸弱堿鹽,水解顯酸性,第一步水解的離子方程式為N2H62++H2ON2H5H2O++H+;溶液中的離子:Cl-、N2H62+、H+、OH-、N2H5H2O+
;根據(jù)水解規(guī)律:溶液中離子濃度大小排列順序為:c(Cl-)>c(N2H62+)>c(H+)>c(N2H5H2O+)
>c(OH-);正確答案:c(Cl-)>c(N2H62+)> c(H+)>c(N2H5H2O+)>c(OH-);
(4)鹽類水解平衡常數(shù)Kh=KW/Ka ,其中KW為離子積,Ka為弱酸或弱堿的電離平衡常數(shù);
已知:氨水Kb=1.810-5;H2SO3 Ka1=1.310-2 Ka2=6.310-8);NH4+的水解常數(shù)Kh1===10-10;SO32-的水解常數(shù)Kh2===10-7,Kh1
”“<”或“=”)。
②下列說法正確的是_________(填序號)。
A.當(dāng)混合氣體密度不變時,說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)
B.當(dāng)壓強或n(H2)/n(CO2)不變時,均可證明反應(yīng)已達平衡狀態(tài)
C.當(dāng)溫度高于250℃時,因為催化劑的催化效率降低,所以平衡向逆反應(yīng)方向移動
D.若將容器由“恒容”換為“恒壓”,其他條件不變,則CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大
③250℃時,將平衡后的混合氣體(不考慮平衡移動) 通入300mL 3mol/L的NaOH溶液中充分反應(yīng),則所得溶液中所有離子的濃度大小關(guān)系為__________
④圖中M點對應(yīng)乙烯的質(zhì)量分數(shù)為_____________。
(5)達平衡后,將容器體積瞬間擴大至2L并保持不變,平衡向_____移動(填“正向”“逆向”或“不”),容器內(nèi)混合氣體的平均相對分子質(zhì)量______(填“增大”“減小”或“不變”)。
【答案】 (1). 2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g) ΔH=-127.8kJ/mol (2). 低溫 (3). C2H4-12e-+6CO32-=8CO2+2H2O (4). > (5). D (6). c(Na+)>c(CO32-)>c(HCO3-)>c(H+) (7). 14%或0.14 (8). 逆向 (9). 減小
【解析】
(1).根據(jù)題給信息分別寫出三個熱化學(xué)反應(yīng)方程式:H2O(g)=H2O(l)ΔH=-44.0kJ/mol,C2H4(g)+3O2(g)=2CO2(g)+2H2O(l) △H=-1411.0kJmol- ,H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) △H=-285.8kJ/mol;根據(jù)蓋斯定律,整理出熱化學(xué)方程式并計算出反應(yīng)的ΔH;正確答案:2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g) ΔH=-127.8kJ/mol;該反應(yīng)為一個?S<0,ΔH<0的反應(yīng),在低溫下能夠進行;正確答案:低溫;
(2)乙烯氣體與氧氣形成的燃料電池,電解質(zhì)為熔融碳酸鈉;乙烯做負極被氧化生成二氧化碳;根據(jù)電子守恒和電荷守恒規(guī)律,極反應(yīng)為: C2H4-12e-+6CO32-=8CO2+2H2O;正確答案:C2H4-12e-+6CO32-=8CO2+2H2O;
(3從圖像看出,溫度升高,二氧化碳的轉(zhuǎn)化率降低,該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng);升高溫度,平衡左移,平衡常數(shù)減小;
①正確答案:KM >KN;
② 可逆反應(yīng):2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g) ΔH=-127.8kJ/mol;其他條件下不變,反應(yīng)前后的氣體的總質(zhì)量不變,容器的體積不變,混合氣體密度恒為定值,無法判定平衡狀態(tài),A錯誤;該反應(yīng)為反應(yīng)前后氣體總量減少的反應(yīng),壓強不變可以判定反應(yīng)達平衡狀態(tài),但是氫氣、二氧化碳均為反應(yīng)物,按一定比例關(guān)系進行反應(yīng),n(H2)/n(CO2)始終保持不變,無法判定平衡狀態(tài), B錯誤;溫度高于250℃時,催化劑的催化效率降低,但是催化劑對平衡的移動無影響,向左移動是因為溫度升高的緣故;C錯誤;該反應(yīng)為氣體體積減少的的反應(yīng),若將容器由“恒容”換為“恒壓”,其他條件不變,相當(dāng)于加壓的過程,平衡右移,CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大,D正確;正確答案:D;
③250℃時,根據(jù)圖像看出,二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為50%,平衡后剩余二氧化碳的量150%=0.5mol,設(shè)反應(yīng)生成碳酸氫鈉xmol,碳酸鈉y mol,根據(jù)碳原子守恒:x+y=0.5;根據(jù)鈉離子守恒:x+2y=30.3,解之,x= 0.1mol ,y=0.4mol;即碳酸氫鈉0.1mol,碳酸鈉 0.4mol, 碳酸鈉的量比碳酸氫鈉大,CO32-水解很少,剩余得多;所以c(CO32-)>c(HCO3-);溶液中離子濃度大小關(guān)系:c(Na+)>c(CO32-)>c(HCO3-)>c(H+);正確答案:c(Na+)>c(CO32-)>c(HCO3-)>c(H+);
④可逆反應(yīng): 2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g) + 4H2O(g)
起始量:1 3 0 0
變化量 150% 350% 0.550% 250%
平衡量 0.5 1.5 0.25 1
混合氣體的總質(zhì)量:144+32=50g, 乙烯的質(zhì)量:0.2528=7 g,所以乙烯的質(zhì)量分數(shù)為750100%= 14%或0.14;正確答案:14%或0.14;
(5)增大體積,相當(dāng)于減壓,平衡向左移動;正確答案:逆向;反應(yīng)前后混合氣體的總質(zhì)量不變,體積變大,所以密度減少;正確答案:減小。
5. 氮的化合物在生產(chǎn)生活中廣泛存在。
(1)①氯胺(NH2Cl)的電子式為________??赏ㄟ^反應(yīng)NH3(g)+Cl2(g)=NH2Cl(g)+HCl(g)制備氯胺,已知部分化學(xué)鍵的鍵能如右表所示(假定不同物質(zhì)中同種化學(xué)鍵的鍵能一樣),則上述反應(yīng)的ΔH=_________。
化學(xué)鍵
鍵能/(kJmol-1)
N-H
391.3
Cl-Cl
243.0
N-Cl
191.2
H-Cl
431.8
②NH2Cl與水反應(yīng)生成強氧化性的物質(zhì),可作長效緩釋消毒劑,該反應(yīng)的化學(xué)方程式為________。
(2)用焦炭還原NO的反應(yīng)為:2NO(g)+C(s)N2(g)+CO2(g),向容積均為1L的甲、乙、丙三個恒容恒溫(反應(yīng)溫度分別為400℃、400℃、T℃)容器中分別加入足量的焦炭和一定量的NO,測得各容器中n(NO)隨反應(yīng)時間t的變化情況如下表所示:
t/min
0
40
80
120
160
n(NO)(甲容器)/mol
2.00
1.50
1.10
0.80
0.80
n(NO)(乙容器)/mol
1.00
0.80
0.65
0.53
0.45
n(NO)(丙容器)/mol
2.00
1.45
1.00
1.00
1.00
①該反應(yīng)為____________(填“放熱”或“吸熱”)反應(yīng)。
②乙容器在200min達到平衡狀態(tài),則0~200min內(nèi)用NO的濃度變化表示的平均反應(yīng)速率v(NO)=_________。
(3)用焦炭還原NO2的反應(yīng)為:2NO2(g)+2C(s) N2(g)+2CO2(g),在恒溫條件下,1molNO2和足量C發(fā)生該反應(yīng),測得平衡時NO2和CO2的物質(zhì)的量濃度與平衡總壓的關(guān)系如圖所示:
①A、B兩點的濃度平衡常數(shù)關(guān)系:Kc(A)_____Kc(B)(填“<”或“>”或“=”)。
②A、B、C三點中NO2的轉(zhuǎn)化率最高的是______(填“A”或“B”或“C”)點。
③計算C點時該反應(yīng)的壓強平衡常數(shù)Kp(C)=______(Kp是用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓物質(zhì)的量分數(shù))。
【答案】 (1). (2). +11.3kJ/mol-1 (3). NH2Cl+H2ONH3+HClO或NH2Cl+2H2ONH3H2O+HClO( (4). 放熱 (5). 0.003molL-1min-1 (6). = (7). A (8). 2MPa
【解析】
(1)(1)①氮原子最外層有5個電子,氯原子最外層有7個電子,氫原子最外層1個電子,三種原子間以共價鍵結(jié)合,氯胺(NH2Cl)的電子式為;正確答案:。反應(yīng)為NH3(g)+Cl2(g)=NH2Cl(g)+HCl(g),ΔH=反應(yīng)物總鍵能-生成物總鍵能=3391.3+243-2391.3-191.2-431.8=+11.3kJ/mol-1;正確答案:+11.3kJ/mol-1。
②生成物具有強氧化性、具有消毒作用的是次氯酸,氯元素由-1價氧化為+1價,氮元素由-2價還原到-3價,生成氨氣;正確答案:NH2Cl+H2ONH3+HClO或NH2Cl+2H2ONH3?H2O+HClO。
(2)①從甲丙兩個反應(yīng)過程看出,加入的n(NO)一樣,但是丙過程先達平衡,說明丙的溫度比甲高;丙中n(NO)剩余量比甲多,說明升高溫度,平衡左移,該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng);正確答案:放熱。
② 容積為1L的甲中: 2NO(g)+C(s)N2(g)+CO2(g),
起始量 2 0 0
變化量 1.2 0.6 0.6
平衡量 0.8 0.6 0.6
平衡常數(shù)=c(N2)c(CO2)/ c2(NO)=0.60.6/0.82=9/16;甲乙兩個反應(yīng)過程溫度相同,所以平衡常數(shù)相同;
容積為1L的乙容器中,設(shè)NO的變化量為xmol:
2NO(g)+C(s)N2(g)+CO2(g),
起始量 1 0 0
變化量 x 0.5x 0.5x
平衡量 1- x 0.5x 0.5x
平衡常數(shù)=c(N2)c(CO2)/ c2(NO)= 0.5x0.5x/(1- x)2=9/16,解之得x=0.6mol;0~200min內(nèi)用NO的濃度變化表示的平均反應(yīng)速率v(NO)= 0.61200= 0.003molL-1min-1;正確答案:0.003molL-1min-1。
(3) ①平衡常數(shù)只與溫度有關(guān),由于溫度不變,平衡常數(shù)不變, Kc(A)= Kc(B);正確答案: =。
②增大壓強,平衡左移,NO2的轉(zhuǎn)化率降低,所以A、B、C三點中壓強最小為A點,該點轉(zhuǎn)化率最大;正確答案:A。
③由焦炭還原NO2的反應(yīng)為:2NO2(g)+2C(s)N2(g)+2CO2(g),在恒溫條件下,1molNO2和足量C發(fā)生反應(yīng)在C點時,NO2和CO2的物質(zhì)的量濃度相等,可知此時反應(yīng)體系中n(NO2)=0.5mol,n(N2)=0.25mol,n(CO2)=0.5mol,則三種物質(zhì)的分壓分別為:P(NO2)=P(CO2)=10MPa=4,P(N2)=2MPa,C點時該反應(yīng)的壓強平衡常數(shù)Kp(C)= 2MPa42MPa/42MPa=2 MPa;正確答案:2MPa。
6. 前兩年華北地區(qū)頻繁出現(xiàn)的霧霾天氣引起了人們的高度重視,化學(xué)反應(yīng)原理可用于治理環(huán)境污染,請回答以下問題。
(1)一定條件下,可用CO處理燃煤煙氣生成液態(tài)硫,實現(xiàn)硫的回收。
①已知:2CO(g) + O2(g) = 2CO2(g) ΔH = ?566 kJmol ̄1
S(l) + O2(g) = SO2(g) ΔH = ?296 kJmol ̄1
則用CO處理燃煤煙氣的熱化學(xué)方程式是________________________。
②在一定溫度下,向2 L 密閉容器中充入 2 mol CO、1 mol SO2發(fā)生上述反應(yīng),達到化學(xué)平衡時SO2的轉(zhuǎn)化率為90%,則該溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K = _________________。
(2)SNCR─SCR是一種新型的煙氣脫硝技術(shù)(除去煙氣中的NOx),其流程如下:
已知該方法中主要反應(yīng)的熱化學(xué)方程式:
4NH3(g) + 4NO(g) + O2(g) ? 4N2(g) + 6H2O(g) ΔH = ?1646 kJmol ̄1,在一定溫度下的密閉恒壓的容器中,能表示上述反應(yīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)的是__________________(填字母)。
a.4υ逆(N2) = υ正(O2)
b.混合氣體的密度保持不變
c.c(N2):c(H2O):c(NH3)=4:6:4
d.單位時間內(nèi)斷裂4 mol N─H鍵的同時斷裂4 mol N≡N鍵
(3)如圖所示,反應(yīng)溫度會直接影響SNCR技術(shù)的脫硝效率。
①SNCR技術(shù)脫硝的溫度選擇925 ℃的理由是___________________。
②SNCR與SCR技術(shù)相比,SNCR技術(shù)的反應(yīng)溫度較高,其原因是____________________________________;但當(dāng)煙氣溫度高于1000℃時,SNCR脫硝效率明顯降低,其原因可能是_____________________。
(4)一種三室微生物燃料電池可用于污水凈化、海水淡化,其工作原理如圖所示:
①中間室的Cl ̄ 移向_________(填“左室”或“右室”),處理后的含硝酸根廢水的pH__________(填“增大”或“減小”)
②若圖中有機廢水中的有機物用C6H12O6表示,請寫出左室發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式:______________________________________________。
【答案】 (1). 2CO(g) + SO2(g) = 2CO2(g) + S(l) ΔH = ?270 kJ/mol (2). K=1620 (3). b (4). 925℃時脫硝效率高,殘留氨濃度較小 (5). 沒有使用催化劑,反應(yīng)的活化能較高 (6). 因為脫硝的主要反應(yīng)是放熱反應(yīng),溫度過高,使脫硝反應(yīng)逆向移動(或高溫下N2與O2生成了NO等合理答案) (7). 左室 (8). 增大 (9). C6H12O6 – 24e ̄ + 6H2O = 6CO2↑ + 24H+
【解析】(1)①根據(jù)蓋斯定律:第一個反應(yīng)減去第二個反應(yīng)整理得出CO處理燃煤煙氣的熱化學(xué)方程式2CO(g) + SO2(g) = 2CO2(g) + S(l) ΔH = ?270 kJ/mol;正確答案:2CO(g) + SO2(g)= 2CO2(g)+ S(l) ΔH = ?270 kJ/mol。
②根據(jù)已知可知:反應(yīng)開始時c(CO)=1 mol/L,c(SO2)=0.5 mol/L;據(jù)反應(yīng)方程式列式:
2CO(g) + SO2(g) = 2CO2(g) + S(l)
起始濃度 1 0.5 0
變化濃度 190% 0.590% 190%
平衡濃度 0.1 0.05 0.9
該溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K = c2(CO2)/ c2(CO)c(SO2)= 0.92/ 0.120.05=1620;正確答案1620。
(2)速率之比和系數(shù)成正比:υ逆(N2) = 4υ正(O2),a錯誤;反應(yīng)前后氣體的總質(zhì)量不變,當(dāng)容器內(nèi)的壓強保持不變時,容器的體積也就不再發(fā)生改變,氣體的密度也就不再發(fā)生變化,反應(yīng)達到平衡狀態(tài);b正確;c(N2):c(H2O):c(NH3)=4:6:4 的狀態(tài)僅僅是反應(yīng)進行過程中一種狀態(tài),無法判定平衡狀態(tài); c錯誤;單位時間內(nèi)斷裂12mol N─H鍵的同時斷裂4 mol N≡N鍵,反應(yīng)達平衡狀態(tài),d錯誤;正確答案b。
(3)① 從圖示看出當(dāng)溫度選擇925 ℃時,脫硝效率高,殘留氨濃度較??;正確答案:脫硝效率高,殘留氨濃度較小。
② 從上述流程看出,SNCR技術(shù)的反應(yīng)沒有使用催化劑,反應(yīng)的活化能較高,因此反應(yīng)溫度較高;因為脫硝的主要反應(yīng)是放熱反應(yīng),溫度過高,使脫硝反應(yīng)逆向移動,脫硝效率明顯降低;正確答案:沒有使用催化劑,反應(yīng)的活化能較高;因為脫硝的主要反應(yīng)是放熱反應(yīng),溫度過高,使脫硝反應(yīng)逆向移動(或高溫下N2與O2生成了NO等合理答案)。
(4)①從題給信息看出,硝酸根離子中氮元素變?yōu)榈獨?,發(fā)生還原反應(yīng),該極為原電池的正極(右室);電解質(zhì)溶液中的Cl ̄ 移向負極,即左室;在正極溶液中的硝酸根離子發(fā)生反應(yīng)為:2NO3-+10e-+6H2O=N2↑+12OH-,產(chǎn)生OH-,溶液的堿性增強,pH增大;正確答案:左室;增大。
②C6H12O6在負極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳氣體,極反應(yīng)為:C6H12O6 – 24e ̄ + 6H2O = 6CO2↑ + 24H+;正確答案:C6H12O6 – 24e ̄ + 6H2O = 6CO2↑ + 24H+。
7. COS和H2S是許多煤化工產(chǎn)品的原料氣。已知:
Ⅰ.COS(g)+H2(g)H2S(g)+CO(g) ΔH=X kJmol-1;
I.CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH=-42kJmol-1;
(1)斷裂1mol分子中的化學(xué)鍵所需吸收的能量如下表所示:
分子
COS(g)
H2(g)
CO(g)
H2S(g)
H2O(g)
CO2(g)
能量/kJmol-1
1321
440
1076
680
930
1606
則X=_____________________。
(2)向10L容積不變的密閉容器中充入1molCOS(g)、ImolH2(g)和1molH2O(g),進行上述兩個反應(yīng),在某溫度下達到平衡,此時CO的體積分數(shù)為4%,且測得此時COS的物質(zhì)的量為0.80mol,則該溫度下反應(yīng)I的平衡常數(shù)為_________________(保留兩位有效數(shù)字)
(3)現(xiàn)有兩個相同的2L恒容絕熱(與外界沒有熱量交換)密閉容器M、N,在M中充入1molCO和1molH2O,在N中充入1molCO2和ImolH2,均在700℃下開始按Ⅱ進行反應(yīng)。達到平衡時,下列說法正確的是_________。
A.兩容器中CO的物質(zhì)的量M>N
B.兩容器中正反應(yīng)速率MN
(4)氫硫酸、碳酸均為二元弱酸,其常溫下的電離常數(shù)如下表:
H2CO3
H2S
Ka1
4.410-7
1.310-7
Ka2
4.710-11
7.110-15
煤的氣化過程中產(chǎn)生的H2S可用足量的Na2CO3溶液吸收,該反應(yīng)的離子方程式為______________;常溫下,用100ml0.2molL-1InaOH溶液吸收48mL(標況)H2S氣體,反應(yīng)后溶液中離子濃度從大到小的順序為__________________________________。
(5)25℃時,用Na2S沉淀Cu2+、Sn2+兩種金屬離子 (M2+),所需S2-最低濃度的對數(shù)值1gc(S2-)與Igc(M2+)的關(guān)系如右圖所示,請回答:
①25℃時Ksp(CuS)=_______________。
②25℃時向50mL的Sn2+、Cu2+濃度均為0.01mol/L的混合溶液中逐滴加入Na2S溶液,當(dāng)Na2S溶液加到150mL時開始生成SnS沉淀,則此時溶液中Cu2+濃度為_____________mol/L。
【答案】 (1). 5 (2). 0.034 (3). AC (4). H2S+CO32-=HS-+HCO3- (5). c(Na+)>c(HS-)>c(OH-) >c(H+))> c(S2-) (6). 10-35 (7). 2.510-13
【解析】(1) ΔH=反應(yīng)物斷鍵吸收的總能量-生成物成鍵放出的總能量=1321+440-680-1076=5 kJmol-1;正確答案:5。
(2) COS(g)+H2(g)H2S(g)+CO(g)
起始量 1 1 0 0
變化量 x x x x
平衡量 1-x 1- x x x
CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
起始量 x 1 0 1- x
變化量 y y y y
平衡量 x- y 1- y y 1- x+ y
根據(jù)題給信息可知:1-x=0.8, x=0.2 mol;反應(yīng)后混合氣體總量為1-x+x+x-y+1-y+y+1- x+y=3mol,根據(jù)CO的體積分數(shù)為4%列方程 (0.2-y)/3=0.04, y=0.08 mol; c(H2)=(1- x+ y)/10=0.088mol/L;c(H2S)= x /10=0.02mol/L;c(CO)= (x-y)/10=0.012 mol/L; c(COS)= (1-x)/10=0.08mol/L;反應(yīng)I的平衡常數(shù)為c(CO)c(H2S)/ c(H2) c(COS)= 0.0120.02/0.080.088=0.034;正確答案:0.034。
(3) 由于容器M的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。隨著反應(yīng)的進行,反應(yīng)的溫度升高;由于恒容絕熱,升高溫度,平衡左移,兩容器中CO的物質(zhì)的量M>N,A正確;M中溫度大于N中的溫度,所以兩容器中正反應(yīng)速率M>N,B錯誤;容器M中反應(yīng)是從正反應(yīng)方向開始的,容器N中是反應(yīng)是從逆反應(yīng)方向開始的,由于恒容絕熱(與外界沒有熱量交換),所以CO的轉(zhuǎn)化率與容器Ⅱ中CO2的轉(zhuǎn)化率之和必然小于1,C正確;容器M中反應(yīng)是從正反應(yīng)方向開始的,由于恒容絕熱(與外界沒有熱量交換),平衡左移,所以兩容器中反應(yīng)的平衡常數(shù)MH2S>HCO3->HS-;所以H2S與Na2CO3溶液反應(yīng)生成NaHS和NaHCO3;正確答案:H2S+CO32-=HS-+HCO3-。設(shè)生成Na2S xmol和NaHS ymol,根據(jù)硫元素守恒:x+y=44810-3/22.4 ;根據(jù)鈉元素守恒:2x+y=0.10.2,解之x=0,y=0.02mol;所以100ml、0.2molL-1NaOH溶液恰好吸收448mL(標況)H2S氣體生成NaHS,NaHS溶液電離大于水解過程,溶液顯堿性,溶液中各離子濃度大小關(guān)系為:c(Na+)>c(HS-)>c(OH-) >c(H+))> c(S2-);正確答案:c(Na+)>c(HS-)>c(OH-) >c(H+))> c(S2-)。
(5)①在25℃時,CuS飽和溶液中存在沉淀溶解平衡:CuS(s)?Cu2+(aq)+S2-(aq),Ksp(CuS)=c(Cu2+)c(S2-)=10-2510-10=10-35;正確答案:10-35。
②Ksp(SnS)= c(Sn2+)c(S2-)=10-251=10-25>Ksp(CuS)=10-35,所以25℃時向50mL的Sn2+、Cu2+濃度均為0.01mol/L的混合溶液中逐滴加入Na2S溶液,Cu2+先沉淀完成后,
Sn2+開始沉淀;c(Sn2+)=(5010-30.01)/(20010-3)=2.510-3 molL-1;根據(jù)Ksp(SnS)=c(S2-)2.510-3=10-25,c(S2-)=410-23 molL-1 ;根據(jù)Ksp(CuS)=c(Cu2+)410-23=10-35,c(Cu2+)=2.510-13molL-1;正確答案:2.510-13。
8. 2017年5月18日中共中央國務(wù)院公開致電祝賀南海北部神狐海域進行的“可燃冰”試采成功?!翱扇急笔翘烊粴馑衔铮庑蜗癖诔爻合卵杆俜纸忉尫懦黾淄?,被稱為未來新能源。
(1)“可燃冰”作為能源的優(yōu)點是__________(回答一條即可)。
(2)甲烷自熱重整是先進的制氫方法,包含甲烷氧化和蒸汽重整兩個過程。向反應(yīng)系統(tǒng)同時通入甲烷,氧氣和水蒸氣,發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下:
反應(yīng)過程
化學(xué)方程式
焓變△H(kJ.mol-l)
活化能E.(kJ.mol-1)
甲烷氧化
CH4(g)+O2(g)CO(g)+2H2O(g)
-802.6
125.6
CH4(g)+O2(g)CO2(g)+2H2(g)
-322.0
172.5
蒸氣重整
CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)
+206.2
240.1
CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)
+158.6
243.9
回答下列問題:
①在初始階段,甲烷蒸汽重整的反應(yīng)速率______(填“大于”“小于”或“等于”)甲烷氧化的反應(yīng)速率。
②反應(yīng)CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強關(guān)系[其中n(CH4):n(H2O)=1:1]如圖所示。
該反應(yīng)在圖中A點的平衡常數(shù)Kp=________(用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓物質(zhì)的量分數(shù)),圖中壓強(p1、p2、p3、p4)由大到小的順序為___________。
③從能量角度分析,甲烷自熱重整方法的先進之處在于___________。
④如果進料中氧氣量過大,最終會導(dǎo)致H2物質(zhì)量分數(shù)降底,原因是__________。
(3)甲烷超干重整CO2技術(shù)可得到富含CO的氣體,其能源和開境上的雙重意義重大,甲烷超干重整CO2的催化轉(zhuǎn)化原理如圖所示。
①過程II中第二步反應(yīng)的化學(xué)方程式為_____________。
②只有過程I投料比_______,過程II中催化劑組成才會保持不變。
③該技術(shù)總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為______________。
【答案】 能量密度高、清潔、污染小、儲量大 (2). 小于 (3). (Mpa)2或0.1875(Mpa)2 (4). p1>p2>p3>p4 (5). 甲烷氧化反應(yīng)放出熱量正好洪蒸汽重整反應(yīng)所吸收自熱量,達到能量平衡 (6). 氧氣量過大,會將H2氧化導(dǎo)致H2物質(zhì)量分數(shù)降低 (7). 3Fe+4CaCO3Fe3O4+4CaO+4CO↑ (8). 1/3 (9). CH4(g)+ 3CO2(g)2H2O(g) +4CO(g) △H=+349kJ/mol
【解析】(1). “可燃冰”分子結(jié)構(gòu)式為:CH4H2O,是一種白色固體物質(zhì),外形像冰,有極強的燃燒力,可作為上等能源。它主要由水分子和烴類氣體分子(主要是甲烷)組成,所以也稱它為甲烷水合物,它的優(yōu)點:能量密度高、清潔、污染小、儲量大等;正確答案:能量密度高、清潔、污染小、儲量大。
(2)①從表中活化能數(shù)據(jù)看出在初始階段,甲烷蒸汽重整反應(yīng)活化能較大,而甲烷氧化的反應(yīng)活化能均較小,所以甲烷氧化的反應(yīng)速率快;正確答案:小于。
② 根據(jù)題給信息,假設(shè)甲烷有1mol, 水蒸氣有1mol,
CH4(g)+ H2O(g) CO(g)+ 3H2(g)
起始量 1 1 0 0
變化量 0.2 0.2 0.2 0.6
平衡量 0.8 0.8 0.2 0.6
平衡后混合氣體的總量:0.8+0.8+0.2+0.6=2.4 mol;各物質(zhì)分壓分別為:p(CH4)=p(H2O)=40.82.4=4/3,p(C0)= 40.22.4=1/3, p(H2)=40.62.4=1,A點的平衡常數(shù)Kp=131/3(4/3)2=3/16;根據(jù)圖像分析,當(dāng)溫度不變時,壓強減小,平衡左移,甲烷的轉(zhuǎn)化率增大,所以壓強的大小順序:p1>p2>p3>p4;正確答案3/16;p1>p2>p3>p4。
③甲烷氧化反應(yīng)放出熱量正好提供給甲烷蒸汽重整反應(yīng)所吸收熱量,能量達到充分利用;正確答案:甲烷氧化反應(yīng)放出熱量正好洪蒸汽重整反應(yīng)所吸收自熱量,達到能量平衡。
④氧氣量過大,剩余的氧氣會將H2氧化為水蒸氣,會導(dǎo)致H2物質(zhì)量分數(shù)降低;正確答案:氧氣量過大,會將H2氧化導(dǎo)致H2物質(zhì)量分數(shù)降低。
(3)①根據(jù)圖示分析,第一步反應(yīng)是還原劑把四氧化三鐵還原為鐵,第二步反應(yīng)是鐵被碳酸鈣氧化為四氧化三鐵,而本身被還原為一氧化碳;正確答案:3Fe+4CaCO3 Fe3O4+4CaO+4CO↑。
②反應(yīng)的歷程:①CH4(g)+ CO2(g)2H2(g) +2CO(g);②Fe3O4(s)+4H23Fe(s)+4H2O(g); ③Fe3O4(s)+4 CO(g)3Fe(s)+4 CO2(g);三個反應(yīng)消去Fe3O4和Fe,最終得到CH4(g)+ 3CO2(g)2H2O(g) +4CO(g);所以只有過程I投料比1/3時,才能保證II中催化劑組成保持不變;正確答案:1/3。
③ ①CH4(g)+3/2O2(g)CO(g)+2H2O(g) △H1=-802.6 kJ.mol-l;
②CH4(g)+O2(g)CO2(g)+2H2(g) △H2=-322.0 kJ.mol-l;
③CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) △H3=+158.6 kJ.mol-l;
②1.5-①得方程式⑤:1/2 CH4(g)+ CO(g)+ 2H2O(g)=3/2 CO2(g)+3 H2(g),△H4=3/2△H2-△H1; 然后再進行③3-⑤4得方程式并進行△H的相關(guān)計算:CH4(g)+ 3CO2(g)2H2O(g) +4CO(g),△H=+349kJ/mol;正確答案:CH4(g)+ 3CO2(g)2H2O(g) +4CO(g),△H=+349kJ/mol。
9. 由H、C、N、O、S等元素形成多種化合物在生產(chǎn)生活中有著重要應(yīng)用。
I.化工生產(chǎn)中用甲烷和水蒸氣反應(yīng)得到以CO和H2為主的混合氣體,這種混合氣體可用于生產(chǎn)甲醇,回答下列問題:
(1)對甲烷而言,有如下兩個主要反應(yīng):
①CH4(g)+1/2O2(g)=CO(g)+2H2(g)△H1=-36kJmol-1
②2CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H2=+216kJmol-1
若不考慮熱量耗散,物料轉(zhuǎn)化率均為100%,最終爐中出來的氣體只有CO、H2,為維持熱平衡,年生產(chǎn)lmolCO,轉(zhuǎn)移電子的數(shù)目為______________________。
(2)甲醇催化脫氫可制得重要的化工產(chǎn)品一甲醛,制備過程中能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖所示。
①寫出上述反應(yīng)的熱化學(xué)方程式________________________________。
②反應(yīng)熱大小比較:過程I________過程II(填“大于”、“小于”或“等于”)。
II.(3)汽車使用乙醇汽油并不能減少NOx的排放,這使NOx的有效消除成為環(huán)保領(lǐng)城的重要課題。某研究性小組在實驗室以Ag-ZSM-5為催化劑,刪得NO轉(zhuǎn)化為N2的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化情況如圖所示。若不使用CO,溫度超過775K,發(fā)現(xiàn)NO的分解率降低。其可能的原因為_____________________________________,
在n(NO)/n(CO)=1的條件下,為更好的除去NOx物質(zhì),應(yīng)控制的最佳溫度在_______K左右。
(4)車輛排放的氮氧化物、煤燃燒產(chǎn)生的二氧化硫是導(dǎo)致霧霾天氣的“罪魁禍首”?;钚蕴靠商幚泶髿馕廴疚颪O。在5L密閉容器中加入NO和活性炭(假設(shè)無雜質(zhì)),一定條件下生成氣體E和F。當(dāng)溫度分別在T1℃和T2℃時,測得各物質(zhì)平衡時物質(zhì)的量(n/mol)如下表:
物質(zhì)
溫度℃
活性炭
NO
E
F
初始
3.000
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