高考化学大二轮复习热点大题专攻练四物质结构与性质.docx
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高考化学大二轮复习热点大题专攻练四物质结构与性质
(四)基本理论综合应用
1.中国首台静默移动发电站MFC30已正式问世,MFC30是基于甲醇重整制氢燃料电池的发电技术。
(1)甲醇制氢方式主要有以下三种:
反应Ⅰ:
甲醇水蒸气重整制氢:
CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4kJ·mol-1
反应Ⅱ:
甲醇分解制氢:
CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH2=+90.6kJ·mol-1
反应Ⅲ:
气态甲醇氧化重整制氢同时生成二氧化碳和氢气。
①已知CO的燃烧热为283.0kJ·mol-1,则反应Ⅲ的热化学反应方程式为________________________________________________________________________。
②这三种制氢方式中,等量的甲醇产生氢气最多的是反应________(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)。
(2)实验室模拟反应Ⅰ甲醇水蒸气重整制氢,合成气组成n(CH3OH)∶n(H2O)=1∶1时,体系中甲醇的平衡转化率与温度和压强的关系如图所示。
①该反应的平衡常数表达式为________。
②当温度为250℃、压强为p2时,反应达到平衡时H2的体积分数为________。
③图中的压强由小到大的顺序是________________________________________________________________________。
(3)MFC30燃料电池是以氢为燃料,Li2CO3与K2CO3混合的碳酸盐为电解质的高温型燃料电池,其负极的电极反应式为________________________________________________________________________,
正极上通入的气体为____________。
解析:
(1)已知三个反应①反应ⅠCH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4kJ·mol-1,②反应ⅡCH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH2=+90.6kJ·mol-1,③CO的燃烧热为283.0kJ·mol-1,CO(g)+1/2O2(g)===CO2(g) ΔH=-283.0kJ·mol-1,由盖斯定律②+③得反应Ⅲ的热化学反应方程式为CH3OH(g)+1/2O2(g)===CO2(g)+2H2(g) ΔH=-192.4kJ·mol-1;1mol甲醇产生氢气分别为3mol、2mol、2mol,最多的是反应Ⅰ。
(2)①反应Ⅰ甲醇水蒸气重整制氢:
CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1=+49.4kJ·mol-1,该反应的平衡常数K=
。
②CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)
起始/mol1100
反应/mol0.820.820.823×0.82
平衡/mol0.180.180.822.46
反应达平衡时H2的体积分数为2.46/(0.18+0.18+0.82+2.46)≈0.676。
③由方程式CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g),相同温度时,减小压强,平衡正向移动,CH3OH转化率增大,由图可知从p3到p1压强减小,图中的压强由小到大的顺序是p1<p2<p3。
(3)燃料电池中通入燃料的电极是负极,通入氧化剂的电极是正极,负极是H2作还原剂,H2-2e-+CO
===H2O+CO2,正极上氧气得电子和二氧化碳反应生成碳酸根离子,电极反应式为O2+2CO2-4e-===2CO
,故正极要不断通入O2(或空气)、CO2。
答案:
(1)①CH3OH(g)+1/2O2(g)===CO2(g)+2H2(g)
ΔH=-192.4kJ·mol-1
②Ⅰ
(2)①K=
②67.6%(或0.676或0.68) ③p1<p2<p3
(3)H2-2e-+CO
===H2O+CO2 O2(或空气)、CO2
2.合理利用或转化NO2、SO2、CO、NO等污染性气体是人们共同关注的课题。
Ⅰ.某化学课外小组查阅资料后得知:
2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的反应历程分两步:
①2NO(g)N2O2(g)(快) v1正=k1正·c2(NO),v1逆=k1逆·c(N2O2) ΔH1<0
②N2O2(g)+O2(g)2NO2(g)(慢)
v2正=k2正·c(N2O2)·c(O2),v2逆=k2逆·c2(NO2) ΔH2<0
请回答下列问题:
(1)反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的ΔH=________(用含ΔH1和ΔH2的式子表示)。
一定温度下,反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)达到平衡状态,写出用k1正、k1逆、k2正、k2逆表示平衡常数的表达式K=________。
(2)决定2NO(g)+O2(g)2NO2(g)反应速率的是反应②,反应①的活化能E1与反应②的活化能E2的大小关系为E1________E2(填“>”“<”或“=”)。
Ⅱ.(3)反应N2O4(g)2NO2(g),在一定条件下N2O4与NO2的消耗速率与自身压强有如下关系:
v(N2O4)=k1·p(N2O4),v(NO2)=k2·p2(NO2)。
其中k1、k2是与温度有关的常数。
一定温度下,相应的速率与压强关系如图所示,在图中标出的点中,能表示该反应达到平衡状态的两个点是____________________,理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)在25℃时,将amol·L-1的氨水溶液与0.02mol·L-1HCl溶液等体积混合后溶液恰好呈中性(忽略溶液混合后体积的变化),用含a的表达式表示25℃时NH3·H2O的电离常数Kb=____。
用质量分数为17%,密度为0.93g·cm-3的氨水,配制200mLamol·L-1的氨水溶液,所需原氨水的体积V=________mL。
(5)如图电解装置可将雾霾中的NO、SO2分别转化为NH
和SO
。
物质A的化学式为______________________,阴极的电极反应式是________________________________________________________________________。
解析:
Ⅰ.
(1)①2NO(g)N2O2(g);②N2O2(g)+O2(g)2NO2(g),而目标反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的ΔH=①+②=ΔH1+ΔH2,由K=
,结合v正、v逆的定义,可得K=
。
(2)因为决定2NO(g)+O2(g)2NO2(g)速率的是反应②,所以反应①的活化能E1远小于反应②的活化能E2。
Ⅱ.(3)满足平衡条件v(NO2)=2v(N2O4)即为平衡点,B、D点的压强之比等于其反应速率之比为1∶2,所以B、D为平衡点。
(4)反应后溶液中c(NH
)=c(Cl-)=0.01mol·L-1,c(NH3·H2O)=
mol·L-1-c(NH
)=
mol·L-1,c(OH-)=10-7mol·L-1,则Kb=
=
=(2×10-9)/(a-0.02);设氨水的体积为VmL,则根据稀释定律可知:
V×0.93g·cm-3×17%=17g·mol-1×amol·L-1×0.2L,解得V≈21.5amL。
(5)NO得电子生成铵根离子,离子方程式为NO+5e-+6H+===NH
+H2O,为阴极反应,阳极上SO2失电子形成硫酸。
答案:
(1)ΔH1+ΔH2
(2)<
(3)B、D 图中只有D点的NO2的消耗速率是B点N2O4的消耗速率的2倍,所以表示达到化学平衡状态的点是B、D
(4)
或
21.5a或
或
(5)H2SO4 NO+6H++5e-===NH
+H2O
3.随着科学技术的发展和环保要求不断提高,CO2的捕集利用技术成为研究的重点。
Ⅰ.工业上使用的捕碳剂有NH3和(NH4)2CO3,它们与CO2可发生如下可逆反应:
NH3(l)+H2O(l)+CO2(g)NH4HCO3(aq) ΔH1
2NH3(l)+H2O(l)+CO2(g)(NH4)2CO3(aq) ΔH2
(NH4)2CO3(aq)+H2O(l)+CO2(g)
2NH4HCO3(aq) ΔH3
则ΔH3=________(用含ΔH1、ΔH2的表达式表示)。
Ⅱ.目前国际空间站处理CO2的一个重要方法是将CO2还原,所涉及的化学反应方程式为CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O(g),已知:
H2的体积分数随温度的升高而增加。
(1)该反应的ΔS________0(填“>”“=”或“<”),该反应的ΔH________0(填“>”或“<”)。
(2)在恒容密闭容器中通入等物质的量的CO2和H2并发生上述反应,温度T下,CO2物质的量浓度c(CO2)随时间t变化的曲线如图所示。
下列能说明反应达到平衡状态的是________。
A.体系压强保持不变
B.混合气体密度保持不变
C.甲烷和水蒸气的物质的量之比保持不变
D.H2的质量分数保持不变
(3)温度T下,反应前20s的平均速率v(H2)=________(用含a、b的代数式表示)。
(4)温度T下,该反应的平衡常数K=________(用含a、b的代数式表示)。
(5)若降低温度,反应重新达到平衡,则v(正)________;CO2转化率________(填“增大”“减小”或“不变”)。
Ⅲ.工业上常用高浓度的K2CO3溶液吸收CO2,得溶液X,再利用电解法使K2CO3溶液再生,其装置示意图如下:
(1)在阳极区发生的反应包括__________________________和H++HCO
===CO2↑+H2O。
(2)简述CO
在阴极区再生的原理:
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析:
Ⅰ.根据盖斯定律,反应3=2×反应1-反应2,所以ΔH3=2ΔH1-ΔH2。
Ⅱ.
(1)这是一个气体体积减小的反应,所以反应熵变ΔS<0。
因为温度升高时,平衡体系H2的体积分数增大,即平衡逆向移动,所以正反应为放热反应,ΔH<0。
(2)A.反应正向进行时,气体物质的量减小,反应逆向进行时,气体物质的量增大。
当容器体积不变时,二者都会导致体系压强改变,所以体系压强不变的状态一定是化学平衡状态,A正确。
由于反应进行过程中气体的质量始终保持不变,容器体积不变时,混合气体密度始终不变,所以混合气体密度不变时不一定是化学平衡状态,B错误。
反应开始时只有CO2和H2,所以生成的CH4与H2O物质的量之比始终为1∶2,则CH4与H2O物质的量之比保持不变时不一定是化学平衡状态,C错误。
反应正向进行时H2质量分数减小,反应逆向进行时H2质量分数增大,所以H2质量分数不变时,一定是该反应处于化学平衡状态,D正确。
(3)前20sΔc(CO2)=(a-b)mol·L-1,则v(CO2)=
,v(H2)=
×4=
mol·L-1·s-1。
(4)平衡建立过程中,反应消耗CO2(a-b)mol·L-1,则参加反应的H2为4(a-b)mol·L-1,生成CH4:
(a-b)mol·L-1、H2O:
2(a-b)mol·L-1,所以反应达到平衡时,CO2:
bmol·L-1,H2:
[a-4(a-b)]mol·L-1=(4b-3a)mol·L-1,CH4:
(a-b)mol·L-1,H2O:
2(a-b)mol·L-1,K=
。
(5)温度降低时,化学反应速率减小,重新建立平衡后,v(正)也减小。
由于该反应是放热反应,降低温度后平衡正向移动,所以CO2的转化率增大。
Ⅲ.K2CO3溶液吸收CO2生成KHCO3,溶液中存在的离子包括K+、H+、HCO
、CO
、OH-。
(1)电解时还原性最强的OH-在阳极放电生成O2,反应原理为4OH--4e-===2H2O+O2↑,反应的OH-来源于水,所以电解时阳极产生H+,H++HCO
===CO2↑+H2O。
(2)阴极区氧化性最强的H+放电生成H2,H+主要来源于水,所以电解时阴极产生OH-,OH-+HCO
===H2O+CO
,使CO
得到再生。
答案:
Ⅰ.2ΔH1-ΔH2
Ⅱ.
(1)< <
(2)A、D (3)
mol·L-1·s-1
(4)
(5)减小 增大
Ⅲ.
(1)4OH--4e-===2H2O+O2↑
(2)阴极H+放电产生H2,OH-浓度变大并与HCO
反应使CO
再生
4.
(1)催化还原CO2是解决温室效应及能源问题的重要手段之一。
研究表明,在催化剂Cu/ZnO存在下,CO2和H2可发生两个反应,分别生成CH3OH和CO。
反应的热化学方程式如下:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-53.7kJ·mol-1
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2
已知:
①CO和H2的燃烧热分别为283.0kJ·mol-1和285.8kJ·mol-1
②H2O(l)===H2O(g) ΔH3=+44.0kJ·mol-1
反应Ⅰ的平衡常数表达式K=________;反应Ⅱ的ΔH2=________kJ·mol-1。
(2)某化学科研小组研究在其他条件不变时,改变某一条件对反应aA(g)+bB(g)cC(g)平衡的影响,得到如图1所示关系,图中p表示压强,T表示温度,α表示平衡转化率。
若此反应在低温条件下自发进行,则p1________p2(填“>”“<”或“=”)。
(3)常温下,用0.1000mol·L-1的盐酸滴定20.00mL未知浓度的Na2CO3溶液,溶液的pH与所加盐酸的体积关系如图2所示。
已知b、d点分别为用酚酞和甲基橙作指示剂的滴定终点。
①比较b点和d点时水的电离程度b________d(填“>”“<”或“=”)。
②写出滴定过程中c~d段反应的离子方程式________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
③滴定时,加入盐酸10mL时,溶液中各粒子浓度的关系正确的是________。
a.c(Na+)>c(HCO
)>c(Cl-)>c(CO
)>c(OH-)>c(H+)
b.c(Na+)+c(H+)=2c(CO
)+c(HCO
)+c(OH-)
c.c(Na+)=2[c(CO
)+c(HCO
)+c(H2CO3)]
d.c(OH-)=c(H+)+c(HCO
)-c(CO
)
(4)乙醛酸(HOOCCHO)是有机合成的重要中间体。
工业上用“双极室成对电解法”生产乙醛酸,原理如图3所示,该装置中阴、阳两极均为惰性电极,两极室均可产生乙醛酸,其中乙二醛与M电极的产物反应生成乙醛酸。
①N电极上的电极反应式为________________________________________________________________________。
②若有4molH+通过质子交换膜,并完全参与了反应,则该装置中生成的乙醛酸为________mol。
解析:
(1)根据平衡常数的定义可知,K=
。
由热化学方程式:
a.CO(g)+
O2(g)===CO2(g) ΔH=-283.0kJ·mol-1;b.H2(g)+
O2(g)H2O(l) ΔH=-285.8kJ·mol-1;c.H2O(l)===H2O(g) ΔH=+44kJ·mol-1。
根据盖斯定律,b-a+c即可得反应Ⅱ:
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=-285.8kJ·mol-1+283.0kJ·mol-1+44kJ·mol-1=+41.2kJ·mol-1。
(2)根据图像可知当压强一定时,温度升高A的转化率降低,结合勒夏特列原理:
温度升高平衡向吸热的方向移动,由此可以推知正反应ΔH<0;又因为该反应可以在低温时自发进行,根据ΔH-TΔS<0时反应自发进行,推出ΔS<0,故a+b>c,根据勒夏特列原理:
当温度一定时,压强增大平衡向气体分子总数减小的方向移动,可推知压强增大平衡正向移动,A的转化率增大,所以p1>p2。
(3)①用盐酸滴定碳酸钠溶液的过程中,用酚酞作指示剂时滴定的终点产物为NaHCO3,二者的反应比例为1∶1,即图像中的b点,用甲基橙作指示剂时滴定的终点产物为H2CO3,二者的反应比例为2∶1,即图像中的d点,NaHCO3促进水的电离,H2CO3抑制水的电离,故水的电离程度:
b>d。
②滴定过程中b点到d点之间溶液中已经没有Na2CO3,只有NaHCO3,所以只发生NaHCO3与盐酸的反应。
③加入盐酸10mL时,溶液中有NaHCO3和NaCl以及剩余的Na2CO3,三者的物质的量之比为1∶1∶1,CO
的水解程度大于HCO
,且二者均为少部分水解,故c(Na+)>c(HCO
)>c(Cl-)>c(CO
)>c(OH-)>c(H+),a正确;b、c、d三个选项考查溶液中离子之间的守恒关系,只有c项正确。
(4)①N电极上HOOCCOOH得电子生成HOOCCHO,配平方程式即可。
②阴、阳极各生成2mol乙醛酸,共4mol。
答案:
(1)
+41.2
(2)>
(3)①> ②H++HCO
===CO2↑+H2O或H++HCO
===H2CO3 ③ac
(4)①HOOCCOOH+2e-+2H+===HOOCCHO+H2O ②4
5.雾霾中含有多种污染物,包括氮氧化物(NOx)、CO、SO2等。
它们可以通过化学反应得到一定的消除或转化。
(1)氮硫的氧化物的转化:
NO2(g)+SO2(g)SO3(g)+NO(g) ΔH
已知:
①NO(g)+
O2(g)NO2(g)
ΔH1=-56.5kJ·mol-1
②2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
ΔH2=-196.6kJ·mol-1
则ΔH=________kJ·mol-1。
一定条件下,将NO2与SO2以一定比例置于恒温恒容的密闭容器中发生上述反应,下列能说明反应达到平衡状态的有________。
a.混合气体的密度不变
b.混合气体的颜色保持不变
c.SO3和NO的体积比保持不变
d.反应速率v(NO2)∶v(SO2)∶v(SO3)∶v(NO)=1∶1∶1∶1
(2)碳氧化物的转化:
①CO可用于合成甲醇,反应方程式为CO+2H2CH3OH,在一恒温恒容密闭容器中充入1molCO和2molH2进行上述反应。
测得CO和CH3OH(g)浓度随时间变化如图1所示。
则0~4min内,氢气的反应速率为__________mol·L-1·min-1;第4min后,保持温度不变,向该密闭容器中再充入1molCO和1molCH3OH(g),则平衡________(填“正向”“逆向”或“不”)移动。
②通过电解CO制备CH4,电解液为碳酸钠溶液,工作原理如图2所示,写出阴极的电极反应式________________________________________________________________________。
若以甲醇燃料电池作为电源,则生成标准状况下1.12LCH4需要消耗CH3OH的质量为________。
(3)硫氧化物的转化:
硫的氧化物与一定量氨气、空气反应,可生成硫酸铵。
硫酸铵水溶液呈酸性的原因是____________________(用离子方程式表示);室温时,向(NH4)2SO4溶液中滴入NaOH溶液至溶液呈中性,则所得溶液中微粒浓度大小关系:
c(Na+)________(填“>”“<”或“=”)c(NH3·H2O)。
解析:
(1)根据盖斯定律,由
×(②-①×2)可得:
NO2(g)+SO2(g)SO3(g)+NO(g) ΔH=-41.8kJ·mol-1。
混合气体的质量恒定,在恒容容器中混合气体的密度保持不变,a项不能说明反应达到平衡状态;混合气体的颜色保持不变,说明NO2的浓度不变,b项可以说明反应达到平衡状态;SO3和NO的体积比始终是一定值,c项不能说明反应达到平衡状态;反应速率之比始终等于系数之比,d项不能说明反应达到平衡状态。
(2)①由题图1可知,0~4min内,CO的浓度减少了0.75mol·L-1,则v(CO)=
=0.1875mol·L-1·min-1,根据反应速率之比等于系数之比,v(H2)=2v(CO)=0.375mol·L-1·min-1。
第4min平衡时,c(CO)=0.25mol·L-1,c(H2)=0.5mol·L-1,c(CH3OH)=0.75mol·L-1,故平衡常数K=
=12,再充入1molCO和1molCH3OH(g)后,Qc=
=5.6,Qc<K,平衡正向移动。
②由题图2知,阴极上CO发生还原反应生成CH4,电极反应式为CO+6e-+5H2O===6OH-+CH4,根据阴极反应式可知,每生成1molCH4转移6mol电子,甲醇燃料电池的总反应为CH3OH+
O2===CO2+2H2O,则每消耗1mol甲醇转移6mol电子,生成标准状况下1.12L(0.05mol)甲烷时,电路中转移0.3mol电子,消耗n(CH3OH)=0.05mol,故m(CH3OH)=0.05mol×32g·mol-1=1.6g。
(3)(NH4)2SO4为强酸弱碱盐,NH
水解使溶液显酸性:
NH
+H2ONH3·H2O+H+。
向(NH4)2SO4溶液中滴入NaOH溶液至溶液呈中性,则c(H+)=c(OH-),根据电荷守恒可得:
c(NH
)+c(Na+)+c(H+)=c(OH-)+2c(SO
),根据物料守恒得:
c(NH
)+c(NH3·H2O)=2c(SO
),联立上述各式可得:
c(Na+)=c(NH3·H2O)。
答案:
(1)-41.8 b
(2)①0.375 正向 ②CO+6e-+5H2O===6OH-+CH4 1.6g
(3)NH
+H2ONH3·H2O+H+ =
6.研究和深度开发二氧化碳的应用对发展低碳经济,构建生态文明社会具有重要的意义。
CO2与H2在一定条件下反应可合成乙烯:
2CO2(g)+6H2(g)
CH2===CH2(g)+4H2O(g) ΔH1
已知:
2H2(g)+O2(g)===2H2O(g)
ΔH2=-480kJ·mol-1
CH2===CH2(g)+3O2(g)===2CO2(g)+2H2O(g) ΔH3=-1400kJ·mol-1
(1)ΔH1=________。
(2)科学家用氮化镓与铜组装成如图1所示的人工光合系统,利用该装置成功地以CO2和H2O为原料合成了CH4。
铜电极表面的电极反应式为_________________________________