②a.由于方程式中H2、CO的化学计量数不等,所以v正(H2)=v逆(CO)时反应未达到平衡状态,a错误;
b.该反应有固体参加反应,若气体的密度不再随时间变化,说明气体质量不变,由于容器的容积不变,所以可根据密度不变判断反应处于平衡状态,b正确;
c.该反应是反应前后气体体积不等的反应,若气体的压强不再随时间变化,反应处于平衡状态,c正确;
d单位时间内断裂H一H键与断裂H—O键的数目相等,反应逆向进行,为处于平衡状态,d错误;
故合理选项是bc;
③反应MoS2(s)+4H2(g)+2Na2CO3(s)
Mo(s)+2CO(g)+4H2O(g)+2Na2S(s)在2L容器内进行,向其中加入0.1molMoS2、0.2molNa2CO3、0.4molH2,反应开始时c(H2)=0.2mol/L;由于在1100℃时H2的转化率是50%,所以平衡时,c(H2)=0.1mol/L,根据物质反应的变化关系可知,平衡时n(CO)=0.05mol/L,c(H2O)=0.1mol/L,因此该温度下的反应平衡常数K=
(mol/L)2=2.5×10-3(mol/L)2。
【点睛】
本题考查了氧化还原反应、盖斯定律、电解原理的应用、化学反应速率和化学平衡的有关知识,涉及反应中电子转移、化学反应速率、化学平衡常数的计算、平衡状态的判断、热化学方程式的书写、电极反应式的书写、溶液酸碱性的变化等,较为全面的考查了化学反应基本原理,考查了学生应用知识解决问题的能力,难度适中。
2.甲醇(CH3OH)的合成与应用具有广阔的发展前景。
Ⅰ.合成甲醇的部分工艺流程如下:
(1)甲烷与水蒸气反应制备合成甲醇的原料气CO、CO2和H2。
CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)、∆H=+206.2kJ·mol-1,CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)∆H=˗41.0kJ·mol-1,甲烷与水蒸气反应生成CO2和H2的热化学方程式为________。
(2)在催化剂的作用下,200~300℃时,合成反应器内发生反应:
ⅰ.CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g)∆H<0,ⅱ.CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g)∆H<0。
①一段时间内,记录合成反应器出、入口样品的温度,数据如图所示。
曲线_________是合成反应器出口样品的温度。
②如果你是工程师,请对合成反应器中压强的控制提出建议并说明理由:
_______。
合成反应器中有少量的副反应,会生成二甲醚(CH3OCH3)、甲酸甲酯等。
已知沸点:
甲醇64.7℃;二甲醚-24.9℃;甲酸甲酯32.0℃。
③CO和H2生成二甲醚的化学方程式是_________。
④从合成反应器出来的产品经分离提纯可以得到甲醇,请简述该方法_______。
Ⅱ.下图为甲醇燃料电池的示意图。
(3)①负极的电极反应式是_______。
②质子交换膜材料的合成是燃料电池的核心技术。
我国科研人员研发的一种质子交换膜材料的结构片段如下,它由三种单体缩聚而成。
已知:
ROH+R’Cl→R—O—R’+HCl,单体的结构简式是:
、_____、___。
【答案】
(1)CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)∆H=+165.2kJ·mol-1
(2)a适当加压。
加压能使该反应速率增大、原料转化率升高,也会增加设备和动力成本2CO+4H2
CH3OCH3+H2O降温冷凝得到液态甲醇粗品再蒸馏提纯
(3)CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+
或
【解析】
【分析】
I、
(1)应用盖斯定律写出热化学方程式;
(2)①两个反应都是放热反应,合成反应器出口样品的温度更高一些;
②两个反应都是气体体积减小的反应,从平衡的角度来看,高压更合适,但是压强高,意味着设备要好,这就需要加大成本的投入,因此需要适当加压;
③题中告知反应物和生成物,写完整方程式即可;
④题中给出了几个物质的沸点,甲醇的沸点较高,且和其他物质的沸点相差较大,可以通过降温冷凝的方法得到甲醇;
II、(3)①燃料电池的构造中有质子交换膜,则说明反应中产生H+,故负极电极反应为:
CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+;
②结合题中给出的方程式分析即可。
【详解】
I、
(1)根据盖斯定律,将两个热化学方程式加起来得:
CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)∆H=+165.2kJ·mol-1;
(2)①两个反应都是放热反应,合成反应器出口样品的温度更高一些,故选a;
②两个反应都是气体体积减小的反应,从平衡的角度来看,增大压力,能使该反应速率增大、原料转化率升高,但是压强高,意味着设备要好,这就需要加大成本的投入,因此需要适当加压;
③CO和H2生成二甲醚的化学方程式为:
2CO+4H2
CH3OCH3+H2O;
④题中给出了几个物质的沸点,甲醇的沸点较高,且和其他物质的沸点相差较大,可以通过降温冷凝的方法得到甲醇粗品,再经过蒸馏提纯;
II、(3)①燃料电池的构造中有质子交换膜,则说明反应中产生H+,故负极电极反应为:
CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+;
②结合题中给出的化学方程式,可以推出另外两种单体分别为:
、
或
。
3.研究发现,反应CCl4(g)+H2(g)
CHCl3(g)+HCl(g),可使CCl4(沸点77℃)转化为重要的化工原料CHCl3(沸点61.2℃),可减少其对臭氧层的破坏。
(已知:
该反应的副反应会生成CH2Cl2、CH3Cl和CH4等)
(1)CH4与Cl2反应时,每生成1molCCl4(g)或1molCHCl3(g)的焓变分别是△H1和△H2;H2在Cl2中燃烧,每生成1molHCl(g)产生的焓变为△H3,则:
CCl4(g)+H2(g)
CHCl3(g)+HCl(g)的△H=_____(用含有△H1、△H2和△H3的算式表示)
(2)在密闭容器中,CCl4+H2
CHCl3+HCl达到平衡状态后,测得如下数据(假设不考虑副反应)。
实验序号
温度/℃
初始CCl4浓度/(mol·L-1)
初始H2浓度/(mol·L-1)
CCl4的平衡转化率
1
110
0.8
1.2
α1
2
110
1
1
50%
3
100
1
1
α3
①实验1中,CCl4的转化率α1_____50%(填“大于”“小于”或“等于”)。
②实验2中,反应进行到10h时达到平衡,在这10h内,H2的平均反应速率为_____mol·L-1·min-1。
③110℃时,该反应的化学平衡常数的数值为________。
④实验3中,α3的值________。
A.等于50%B.大于50%C.小于50%D.依题所给信息无法判断
(3)120℃时,分别进行H2的初始浓度为2mol·L-1和4mol·L-1的实验(其他条件相同)。
测得CCl4的消耗百分率(x%,实线)和生成物中CHCl3的百分含量(y%,虚线)随时间(t)的变化关系如图。
①图中表示H2起始浓度为2mol·L-1CHCl3的百分含量的变化曲线是____(填字母)。
②依图可知,有利于提高CCl4的消耗百分率和产物中CHCl3的百分含量H2的起始浓度应该为________mol·L-1。
【答案】
(1)△H2-△H1+2△H3
(2)大于0.000831D(3)d4
【解析】
【分析】
(1)由题意知,CH4(g)+4Cl2(g)=CCl4(g)+4HCl(g)△H1①
CH4(g)+3Cl2(g)=CHCl3(g)+3HCl(g)△H2②
H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g)2△H3③
将②-①+③,即可求出CCl4(g)+H2(g)
CHCl3(g)+HCl(g)的△H;
(2)①实验1中,当H2的初始浓度为0.8mol/L时,CCl4的转化率为50%,现增大H2的浓度为1.2mol,平衡正向移动,CCl4的转化率增大,从而得出CCl4的转化率α1与50%的关系;
②实验2中,
反应进行到10h时达到平衡,在这10h内,H2的平均反应速率为
;
③110℃时,该反应的化学平衡常数的数值为
;
④与实验2进行比较,可认为实验3是在实验2的基础上完成的,由于不知反应的焓变,所以无法确定降温平衡移动的方向;
(3)①由反应知,增大H2的初始浓度,CCl4的消耗百分率增大,CHCl3的百分含量增大,由此可确定图中表示H2起始浓度为2mol·L-1CHCl3的百分含量的变化曲线;
②依图可知,H2浓度越大,越有利于提高CCl4的消耗百分率和产物中CHCl3的百分含量,由此可得出H2的起始浓度。
【详解】
(1)由题意知,CH4(g)+4Cl2(g)=CCl4(g)+4HCl(g)△H1①
CH4(g)+3Cl2(g)=CHCl3(g)+3HCl(g)△H2②
H2(g)+Cl2(g)=2HCl(g)2△H3③
将②-①+③,即可求出CCl4(g)+H2(g)
CHCl3(g)+HCl(g)的△H=△H2-△H1+2△H3;
(2)①实验1中,当H2的初始浓度为0.8mol/L时,CCl4的转化率为50%,现增大H2的浓度为1.2mol,平衡正向移动,CCl4的转化率增大,从而得出CCl4的转化率α1大于50%;
②实验2中,
反应进行到10h时达到平衡,在这10h内,H2的平均反应速率为
=0.00083mol·L-1·min-1;
③110℃时,该反应的化学平衡常数的数值为
=1;
④与实验2进行比较,可认为实验3是在实验2的基础上完成的,由于不知反应的焓变,所以无法确定降温平衡移动的方向,答案为:
D;
(3)①由反应知,减小H2的初始浓度,CCl4的消耗百分率减小,CHCl3的百分含量减小,由此可确定图中表示H2起始浓度为2mol·L-1时CHCl3的百分含量的变化曲线为d;
②依图可知,H2浓度越大,越有利于提高CCl4的消耗百分率和产物中CHCl3的百分含量,由此可得出H2的起始浓度为4mol·L-1。
【点睛】
在化学平衡体系中,增大A物质的浓度,平衡正向移动,B物质的转化率增大,但A物质的转化率减小;对生成物来说,增大其中一种反应物的浓度,都能增大生成物的产率。
4.二甲醚(CH3OCH3)重整制取H2,具有无毒、无刺激性等优点。
回答下列问题:
(1)CH3OCH3和O2发生反应I:
CH3OCH3(g)+1/2O2(g)=2CO(g)+3H2(g)△H
已知:
CH3OCH3(g)
CO(g)+H2(g)+CH4(g)△H1
CH4(g)+3/2O2(g)=CO(g)+2H2O(g)△H2
H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g)△H3
①则反应I的△H=____(用含△H1、△H2、△H3的代数式表示)。
②保持温度和压强不变,分别按不同进料比通入CH3OCH3和O2,发生反应I。
测得平衡时H2的体积百分含量与进料气中n(O2)/n(CH3OCH3)的关系如图所示。
当n(O2)/n(CH3OCH3)>0.6时,H2的体积百分含量快速降低,其主要原因是____(填标号)。
A.过量的O2起稀释作用
B.过量的O2与H2发生副反应生成H2O
C.n(O2)/n(CH3OCH3)>0.6平衡向逆反应方向移动
(2)T℃时,在恒容密闭容器中通入CH3OCH3,发生反应II:
CH3OCH3(g)
CO(g)+H2(g)+CH4(g),测得容器内初始压强为41.6kPa,反应过程中反应速率v(CH3OCH3)时间t与CH3OCH3分压P(CH3OCH3)的关系如图所示。
①t=400s时,CH3OCH3的转化率为____(保留2位有效数字);反应速率满足v(CH3OCH3)=kPn(CH3OCH3),k=_____s-1;400s时v(CH3OCH3)=_____kPa.s-1。
②达到平衡时,测得体系的总压强P总=121.6kPa,则该反应的平衡常数Kp=________________kPa2(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
③该温度下,要缩短达到平衡所需的时间,除改进催化剂外,还可采取的措施是____,其理由是____。
【答案】
(1)△H1+△H2-2△H3B
(2)16%4.4
10-41.65
10-24
104增大反应物的压强提高反应物的压强,化学反应速率加快
【解析】
【分析】
(1)①根据盖斯定律计算;
②由信息可知,过量的O2与H2发生副反应生成H2O,使H2的体积百分含量快速降低;
(2)①列出三段式,根据等温等容条件下,压强之比等于物质的量之比,求出转化率;
根据v(CH3OCH3)=kPn(CH3OCH3)和图象数据计算k;结合图象数据,根据速率公式计算速率;
②列出三段式,找出平衡时CH3OCH3(g)、CO(g)、H2(g)、CH4(g)分压,再代入平衡常数表达式计算;
③提高反应物的压强,能加快化学反应速率。
【详解】
(1)①已知:
i.CH3OCH3(g)
CO(g)+H2(g)+CH4(g)△H1
ii.CH4(g)+3/2O2(g)=CO(g)+2H2O(g)△H2
iiiH2(g)+1/2O2(g)=H2O(g)△H3
根据盖斯定律i+ii-iii×2得:
CH3OCH3(g)+1/2O2(g)=2CO(g)+3H2(g)△H=△H1+△H2-2△H3,
故答案为△H1+△H2-2△H3;
②反应I:
CH3OCH3(g)+1/2O2(g)
2CO(g)+3H2(g),由信息可知,过量的O2与H2发生副反应生成H2O,使H2的体积百分含量快速降低,A、C选项不能说明H2的体积百分含量快速降低,故选B;
故答案为B;
(2)①设起始时CH3OCH3的物质的量为n,则
CH3OCH3(g)
CO(g)+H2(g)+CH4(g),
起始量(mol)n000
转化量(mol)n
n
n
n
400s时(mol)n-n
n
n
n
总物质的量:
n+2n
根据等温等容条件下,压强之比等于物质的量之比,有
=
,解得
=0.16=16%;
由图象可知,当P(CH3OCH3)=10.0kPa时,v(CH3OCH3)=4.4×10-3kPa·s-1,
根据v(CH3OCH3)=kPn(CH3OCH3),n=1,则k=
s-1=4.4
10-4s-1;
由图象可知,400s时P(CH3OCH3)=35.0kPa,则v(CH3OCH3)=
=1.65×10-2kPa.s-1。
故答案为16%;4.4
10-4;1.65
10-2;
②达到平衡时,测得体系的总压强P总=121.6kPa,设平衡转化率为
1,则
CH3OCH3(g)
CO(g)+H2(g)+CH4(g),
起始量(mol)n000
转化量(mol)n
1n
1n
1n
1
平衡量(mol)n-n
1n
1n
1n
1总物质的量:
n+2n
1
根据等温等容条件下,压强之比等于物质的量之比,有
=
,解得
1=0.96,
则平衡时CH3OCH3(g)、CO(g)、H2(g)、CH4(g)分压分别为1.67kPa、39.98kPa、39.98kPa、39.98kPa,则该反应的平衡常数Kp=
4
104kPa2
③除使用催化剂外,提高反应物的压强,能加快化学反应速率;
故答案为4
104;增大反应物的压强;提高反应物的压强,化学反应速率加快。
5.Ⅰ.氮氧化物的存在会破坏地球环境,人们一直在积极探索改善大气质量的有效措施。
已知:
N2(g)+O2(g)
2NO(g)△H=+181.5kJ·mol-1
(1)氮氧化物是形成臭氧层空洞光化学烟雾、_______(列举一种)等大气污染现象的物质之一。
(2)某科研小组尝试利用固体表面催化工艺进行NO的分解。
若用
、
、
和
分别表示N2、NO、O2和固体催化剂,在固体催化剂表面分解NO的过程如图所示。
从吸附到解吸的过程中,能量状态最低的是_______(填字母序号)。
(3)温度为T1时,在容积为1L的恒容密闭容器中充入0.6molNO2,仅发生反应2NO2(g)
2NO(g)+O2(g)△H>0,达平衡时c(O2)=0.2mol·L-1,则该温度下反应的平衡常数为______。
实验测得:
v正=v(NO2)消耗=k正c2(NO2),v逆=v(NO2)消耗=2v(O2)消耗=k逆c2(NO)·c(O2),k正、k逆为速率常数,仅受温度影响。
当温度改变为T2时,若k正=k逆,则T1_____T2(填“>”或“<”)。
Ⅱ.氮氧化物(NOx)是电厂主要排放的污染物之一。
工业上采用氨脱硝处理后排放,原理如下:
①4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)
4N2(g)+6H2O(g)△H1=-1632.4kJ·mol-1;
②4NH3(g)+6NO(g)
5N2(g)+6H2O(g)△H2=akJ·mol-1;
当反应温度过高时,NH3发生氧化反应:
③4NH3(g)+5O2(g)
4NO(g)+6H2O(g)△H3=-902.0kJ·mol-1。
(4)反应②中的a=______。
(5)反应②中,常用的催化剂有Cr2O3和Fe2O3,Cr2O3的催化效率更好一些。
下列表示两种催化剂在反应②催化过程中的能量变化示意图合理的是______(填选项字母)。
Ⅲ.利用电解法处理高温空气中稀薄的NO(O2浓度约为NO浓度的10倍),装置示意图如下