内容正文:
综合突破04 化学反应原理综合分析(综合题2)
1.(2024-2025高二上·浙江省杭州市等4地·期中)CH3OH可作绿色燃料,可由CO或CO2制备。工业用CO2制备CH3OH原理如下:
反应1:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1= -90.7kJ·mol-1
反应2:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2kJ·mol-1 (副反应)
(1)反应3:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3=_________kJ·mol-1。
(2)恒定温度下,在一个容积可变的密闭容器中充有1molCO和2molH2,下列能说明反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)达到平衡状态的是_________。
A.v正(CO)=2v逆(H2)
B.容器内混合气体的密度不再改变
C.CO和H2的物质的量之比不再改变
D.混合气体的平均相对分子质量不再改变
(3)若以固体催化剂M催化反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),水分子首先被催化剂的活性表面吸附而解离,用两个化学方程式表示该催化反应历程(反应机理):① ;②MO+CO=M+CO2。
(4)不同压强下,按照n(CO2):n(H2)=1:3投料,实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如下图所示。
已知:CO2的平衡转化率
CH3OH的平衡产率
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图 (填“甲”或“乙”);图乙中T1温度时,三条曲线几乎交于一点且随温度升高而变大的原因是 。
2.(2024-2025高二上·浙江省杭州市西湖区学军西溪、学军紫金港、学军海创园·期中)明年是苯发现的两百周年,以苯为代表的芳香族化合物在各领域有广泛应用。
Ⅰ.苯乙烯(C6H5CH=CH2)是重要的化工原料,工业上制苯乙烯的主流方法是乙苯(C6H5CH2CH3)脱氢法,包括多种不同工艺路线,其主反应相同,最大区别是原料中添加的气体不同:传统乙苯脱氢(添加水蒸气稀释),O2氧化脱氢(添加O2),CO2氧化脱氢(添加CO2)。其中涉及的主要反应方程式如下:
ⅰ:C6H5CH2CH3(g)C6H5CH=CH2(g)+H2(g) ΔH1=+118kJ·mol−1(主反应)
ⅱ:H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g) ΔH2=-242kJ·mol−1(O2氧化脱氢还涉及的反应)
ⅲ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH3=+41kJ·mol−1(CO2氧化脱氢还涉及的反应)
请回答:
(1)O2氧化脱氢工艺中发生反应ⅳ:C6H5CH2CH3(g) +1/2O2(g)C6H5CH=CH2(g) +H2O(g)。
①ΔH= kJ·mol−1。
②反应ⅳ自发进行的条件是 。
(2)在恒温恒压条件下进行传统乙苯脱氢(反应ⅰ),可能发生2个副反应(活化能接近):
ⅴ:C6H5CH2CH3(g)C6H6(g)+C2H4(g)
ⅵ:C6H5CH2CH3(g) +H2(g)C6H5CH3(g)+CH4(g)
①以乙苯和水蒸气为原料,仅发生反应ⅰ、ⅴ、ⅵ,平衡时测得乙苯转化率为50%,芳香烃产物苯乙烯、苯、甲苯(C6H5CH3)的选择性S()分别为80%、10%、10%,反应ⅵ的平衡常数K= (用分数表示)。
②下列说法正确的是 。
A.水蒸气温度较高,可为反应提供热量,且有利于减少催化剂表面的积碳
B.若其他条件不变,用等物质的量的CO2替换水蒸气,可增大乙苯的平衡转化率
C.O2氧化脱氢法中苯乙烯易被过度氧化,使产品纯度降低
D.随着反应进行,n(C2H4)和n(CH4)的增大程度相同
Ⅱ.重氮化反应是制备芳香族化合物的重要反应。若以Br为催化剂,HNO2作氧化剂,盐酸酸化(浓度恒定),反应方程式为:。在恒温密闭容器中反应,总反应的速率为v,反应历程中的三个基元反应如下,且基元反应ⅷ的。
ⅶ:(快速平衡)
ⅷ:慢反应)
ⅸ:(快反应)
(3)下列说法正确的是__________。
A.c(Br-)在反应过程中几乎不变 B.其他条件不变,v与c(HNO2)近似成正比
C.增大c(C6H5NH2),v显著增大 D.若T1>T2且其他条件相同,v1和v2可能相等
(4)某反应条件下,反应过程中c(H2NO2+)随时间t的变化如图。其他条件不变,增大初始c0(Br-),在图中画出c(H2NO2+)随时间t变化的曲线 (注意曲线极值点的坐标)。
3.(2024-2025高二上·浙江省金砖联盟·期中)汽车尾气的污染不容忽视,对汽车尾气中污染气体NO和CO的转化是研究热点。回答下列问题:
(1)汽车尾气中的CO是由于汽油在气缸内不均匀、不充分燃烧导致的,而生成的可能原因是 。(用必要化学方程式解释)
(2)利用铑催化处理汽车尾气中的NO与CO的化学反应方程式为2CO(g)+2NO(g)2CO2(g)+N2(g)。
①已知该反应的ΔH=-746.5kJ·mol−1,正反应活化能为akJ·mol−1,则其逆反应活化能为 kJ·mol−1。
②CO还原NO的反应路径如下图1所示,其中(s)指的是物质吸附在铑催化剂上,下图2所示为随温度升高NO(s)的解离速率、N2O(s)的生成速率、的生成速率以及的生成速率变化曲线,根据图1可知生成的基元反应有两个(、代表生成N2的两种不同路径),结合两图写出温度在时生成N2的主要基元反应方程式: 。
③一定温度下,在恒容密闭容器中充入和发生上述反应,部分物质的体积分数随时间(t)的变化如下图所示。下列说法正确的是 (填选项字母)。
A.上述反应的正反应在高温下才能自发进行
B.曲线b表示随时间的变化
C.2v正(NO)=v逆(N2)时,反应达到平衡状态
D.气体的平均相对分子质量:
(3)某研究小组探究催化剂对、转化率的影响。将和按物质的量之比1:1以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应,相同时间内测量逸出气体中含量,从而确定尾气脱氮率(即的转化率),结果如下图所示(曲线Ⅱ最高点对应温度是450度,脱氮率为50%):
①a点 (填“是”或“否”)为对应温度下的平衡脱氮率,说明其理由: 。
②450℃时,平衡脱氮率为50%,压强恒为,则 (为以分压表示的平衡常数,用含的代数式表示)。
4.(2024-2025高二上·浙江省金砖联盟·期中)以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2
回答下列问题:
(1)上述反应体系在一定条件下建立平衡后,若先在恒温恒压下充入氦气,反应Ⅱ的平衡将 (填“正向”“逆向”或“不”)移动;再将反应体系体积压缩至原来一半,重新达到平衡时两反应所需时间 (填“>”“<”或“=”)。
(2)①反应Ⅰ、Ⅱ的(K代表化学平衡常数)随(温度的倒数)的变化如下图所示。据图判断,降低温度时,反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的化学平衡常数将 (填“增大”“减小”或“不变”)。
②已知反应Ⅱ的速率方程可表示为,,其中、分别为正、逆反应的速率常数,与的关系如图所示,①、②、③、④四条斜线中,表示的是 ;
(3)恒压条件下,将CO2和H2按体积比1:3混合,初始压强为P0,在不同催化剂作用下发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,在相同的时间段内CH3OH的选择性和产率随温度的变化如下图。
已知:CH3OH的选择性
①在上述条件下合成甲醇的工业条件是 。
A.210℃ B.230℃ C.催化剂CZT D.催化剂
②在230℃以上,升高温度CO2的转化率增大,但甲醇的产率降低,原因是 。
5.(2024-2025高二上· 浙江省温州环大罗山联盟·期中)我国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和目标,CO2的综合利用对低碳减排有着重要意义。请回答:
I.CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一,该重整反应体系主要涉及以下反应:
①CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) K1
②CH4(g)C(s)+2H2(g) K2
③2CO(g)C(s)+CO2(g) K3
(1)反应③的K3= (含K1、K2的代数式)。
(2)上述反应体系在一定条件下建立平衡后,下列说法不正确的有__________(填字母)。
A.增大CO的浓度,反应①、②、③的正反应速率都增加
B.恒温恒压下向体系中通入氦气,反应①的平衡向右移动,平衡常数增大
C.加入反应①的催化剂,可加快反应①的反应速率,提高CH4的平衡转化率
D.移去全部C(s),反应②、③的平衡均向右移动
II.已知二氧化碳加氢制乙醇的总反应可表示为2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g) ΔH<0。该反应一般认为通过如下步骤来实现:
④CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
⑤2CO(g)+64H2(g)CH3CH2OH(g)+H2O(g)
现控制CO2和H2初始投料比为1:3,在总压为的恒压条件下,经过反应,平衡时各物质的物质的量分数与温度的关系如图所示:
(3)上图中曲线a代表的物质为 (填化学式),T4温度时,该反应的平衡常数 [对于气相反应,用某组分B的平衡压强代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数,记作KP,如,为平衡总压强,为平衡系统中的物质的量分数]。
(4)若反应⑤的活化能远大于反应④,在图中绘制出CO的“浓度~时间”示意图 。
6.(2024-2025高二上·浙江省温州新力量联盟·期中)研发二氧化碳利用技术、降低空气中二氧化碳含量一直是化学研究热点。
(1)工业上用CO2来生产燃料甲醇。某温度下,在容积为5L的密闭容器中,充入4mol CO2和12molH2在一定条件下发生反应生成CH3OH,测得CO2、CH3OH(g)和H2O(g)的物质的量(n)随时间变化如图所示
①根据已知求生成甲醇的化学方程式 。
②0~2分钟,该反应中氢气的平均速率为 。
③该温度下,此反应的平衡常数K= (保留一位小数)。
④保持温度和体积不变,向上述平衡体系中再同时充入1.5molH2O和0.5mol CO2,平衡将 (填“正向”“逆向”或“不”)移动。
⑤在恒温恒容条件下,能说明该反应已达平衡状态的是 。
A.混合气体的密度保持不变 B.CO2体积分数保持不变
C.容器中气体压强保持不变 D.容器中CH3OH浓度与H2O浓度之比为1∶1
(2)一定温度下,向2L密闭容器中加入1mol CH3OH(g),发生反应CH3OH(g)CO(g)+2H2(g),CO的体积分数随时间的变化如图所示。若在时刻再加入1mol CH3OH(g),在t2时刻重新达到平衡,请在图上画出CO的体积分数随时间变化的曲线(不要求计算具体数值,画出变化的趋势和范围即可) 。
7.(2024-2025高二上·浙江省浙东北联盟·期中)合理利用温室气体是当前能源与环境研究的热点。CO2催化加氢可缓解CO2对温室效应的影响,其原理为:
反应Ⅰ:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH1=-41kJ·mol−1
反应Ⅱ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2
(1)反应Ⅰ的ΔS 0(填“>”、“<”或“=”),说明理由 。
(2)反应Ⅰ中,,,其中和分别为正、逆反应速率,和分别为正、逆反应速率常数,和仅受温度影响。请在下图中画出随T的变化斜线 。(,T表示温度)
(3)在0.1MPa下,将1mol CO2和4mol H2充入2L刚性密闭容器中,假设只发生反应Ⅰ,当CO平衡产率为40%时,此时总压为P,计算该温度下反应Ⅰ的平衡常数Kp= 。(计算结果用分数表示)
(4)某实验室控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2,经过相同时间测得如下四组实验数据:
反应序号
T/K
催化剂
转化率/%
甲醇选择性/%
①
543
Cu/ZnO纳米棒
12.3
42.3
②
543
Cu/ZnO纳米片
10.9
72.7
③
553
Cu/ZnO纳米棒
15.3
39.1
④
553
Cu/ZnO纳米片
12.0
71.6
结合实验数据,选择Cu/ZnO (填“纳米棒”或“纳米片”)更有利于提高甲醇产率。
(5)下图为CO2和H2在某催化剂M表面发生反应Ⅱ得到单分子甲醇的反应历程(*表示吸附态),CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2 kJ·mol−1 (“eV”表示电子伏特,指一个电子的电位差加速后所获得的动能,leVJ,mol-1)。
(6)对于反应Ⅱ,下列说法正确的是___________。
A.低温、高压有利于提高CO2转化为甲醇的平衡转化率
B.增大CO2和H2的初始投料比,有利于提高CO2转化为甲醇的平衡转化率
C.使用催化剂M生成甲醇的反应历程中,是该反应的决速步
D.及时分离出水可加快上述反应的反应速率
8.(2024-2025高二上·浙江省衢州五校联盟·期中)工业上可利用甲烷水蒸气转化法生产氢气。涉及的反应如下:
Ⅰ.CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH1=+206kJ·mol−1
Ⅱ.CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) ΔH2
(1)已知反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的ΔH=-41kJ·mol−1,则ΔH2= kJ·mol−1。反应Ⅱ自发进行的条件是 。
(2)若在恒温恒压的密闭容器中只发生反应Ⅰ,下列条件能说明反应I—定已达平衡状态的是__________。
A.c(CO):c(H2)=1:3
B.容器内气体的平均密度不再改变
C.反应吸收的热量达到206kJ
D.键断裂的同时有键断裂
(3)恒压为1MPa时,向某密闭容器中按水碳比投料,时平衡体系中部分组分的物质的量如下表所示:
组分
CH4
H2O
H2
CO2
物质的量
0.04
0.32
0.5
0.08
用各组分气体的平衡分压代替平衡浓度也可以表示化学反应的平衡常数(Kp),时反应Ⅰ的平衡常数Kp= MPa2。(结果保留两位小数,已知气体分压气体总压各气体的体积分数)。
(4)实际工业生产过程中,常向反应体系中加入适量多孔CaO,其优点是 。
(5)反应Ⅰ也可以设计成原电池,其反应装置如下图所示:
请写出负极的电极反应式: 。
9.(2024-2025高二上·浙江省浙南名校联盟·期中)CO2过度排放会引起气候、环境等问题。在Cu/ZnO催化剂下,CO2和H2可发生反应,生成CH3O和CO,热化学方程式如下:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-50.1kJ·mol−1
Ⅱ. CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41.2kJ·mol−1
请回答以下问题:
(1)在恒温恒容容器中通入一定量的CO2和H2,则反应达到平衡状态的标志为_______。
A.体系内气体的平均摩尔质量不再变化 B.混合气体密度不再变化
C.n(CO):n(CO2)不再变化 D.容器中压强不再变化
(2)在一定温度下,向体积固定的密闭容器中通入1mol CO2和2.3mol H2,起始压强为3.3MPa,发生反应Ⅰ和Ⅱ。平衡时,总压为2.5MPa,CO2的转化率为50%,则反应Ⅰ的平衡常数Kp= (MPa)-2(以分压表示,分压=总压物质的量分数)
(3)不同压强下,维持投料比相同,实验测定CO2的平衡转化率随温度变化关系如图1所示。在恒压密闭容器中,维持投料比相同,将CO2和H2按一定的流速通过反应器,CO2的转化率[]和甲醇的选择性()随温度变化关系如图2所示。图示温度范围内催化剂的活性受温度影响不大。
①下列说法不正确的是 。
A.图1中,P1<P2<P3
B.图1中550℃后以反应Ⅱ为主,反应Ⅱ前后气体分子数相等,压强改变对平衡基本没有影响
C.图2中236℃前,升温使CH3OH选择性上升,原因是升高温度使反应Ⅰ速率加快,且加快程度大于反应Ⅱ
D.改用活性更好的催化剂能使图2中各温度下CO2转化率都增大
②图2中236℃后,升温使CO2转化率和CH3OH选择性都下降,请从平衡移动的角度解释原因 。
(4)某研究小组自制甲烷燃料电池,电解质是KOH溶液,负极反应式是 。该电池以3.2A恒定电流工作48分钟,消耗CH4的体积为0.49L,该电池化学能转化为电能的转化率为 。[已知:该条件下CH4的摩尔体积为;电荷量电流时间;;]
10.(2024-2025高二上·浙江省杭州地区(含周边)重点中学·期中)醋酸是日常生活中常见的酸,也是一种重要的溶剂。
(1)一定条件下,冰醋酸加水稀释过程中溶液导电能力随加水体积变化曲线如图所示,则三点溶液中,c(H+)由大到小为 。
(2)提出:溶剂在液态下能自发发生电离,产生溶剂阳离子与溶剂阴离子的现象,称为自耦电离,如液态水的自耦电离方程式为:2H2OH3O++OH-。在冰醋酸中也存在类似的自耦电离。
①试写出冰醋酸自耦电离的方程式 ;
②高氯酸、硫酸、盐酸和硝酸都是强酸,其酸性在水溶液中差别不大,但在冰醋酸做溶剂时却能区分强弱。表中是某温度下这四种酸在冰醋酸中的电离常数:
酸
HClO4
H2SO4
HCl
HNO3
如将纯硝酸和纯硫酸混合,可以得到硝基正离子NO2+,请根据以上数据写出该反应的离子方程式 。
若保持温度不变,将少量H2SO4溶于冰醋酸中,关于所得溶液下列说法正确的是 。
A.加入少量冰醋酸,c(HSO4+)与c(SO42-)均减小
B.加入少量H2SO4,H2SO4的电离程度增大
C.加入少量CH3COONa固体,c(HSO4-)与c(SO42-)的比值减小
D.加入少量Na2SO4固体,c(CH3COO-)减小
(3)维持的稳定对生命体的生理活动、化学电源的高效工作等具有重要意义。维持稳定的缓冲溶液应用在某种液钒电池中能稳定电池的输出电流,该电池装置示意图如图所示,电池的总反应如下:
①放电时,B室中c(H+) (填“增大”、“减小”或“不变”)。
②充电时,A室中的c(H+)变化缓慢的原因是 。
11.(2024-2025高二上·浙江省温州市十校联合体·期中)丙烯是重要的有机化工原料,丙烷制丙烯是化工研究的热点。由丙烷(C3H8)制丙烯(C3H6)的两种方法如下:
反应Ⅰ(直接脱氢):C3H8(g)C3H6(g)+H2(g) ΔH1
反应Ⅱ(氧化脱氢):2C3H8(g)+O2(g)2C3H6(g)+2H2O(g) ΔH2=-236kJ·mol−1
(1)已知:2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ΔH=-484kJ·mol−1,则ΔH1为 kJ·mol−1。
(2)一定温度下,向恒容密闭容器中充入1mol C3H8,开始压强为p kPa,仅发生反应Ⅰ(直接脱氢)。
①下列情况能说明该反应达到平衡状态的是 (填字母,下同)。
A.容器内压强保持不变 B.气体密度保持不变
C.C3H6与H2的物质的量之比保持不变 D.反应速率
②欲提高丙烯的平衡产率同时加快反应速率,应采取的措施是 。
A.减小压强 B.升高温度 C.及时分离出H2 D.加催化剂
③反应过程中,C3H8的气体体积分数与反应时间的关系如图所示。此温度下该反应的平衡常数Kp= (用含的代数式表示,Kp是用反应体系中气体物质的分压表示的平衡常数,平衡分压总压体积分数)。
(3)①一定条件下,恒压密闭容器中仅发生反应Ⅱ(氧化脱氢)。C3H8与O2起始物质的量比分别为1:1平衡时C3H8的体积分数随温度的变化关系如图所示。在图中画出的曲线 。
②相比反应Ⅰ(直接脱氢),反应Ⅱ(氧化脱氢)的优点可能有 (任写一点)。
(4)某工厂对尾气处理后的Na2SO3溶液进行电解,可循环再生NaOH,同时得到某种副产物,其原理如图所示。则极的电极反应方程式为 。
12.(2024-2025高二上·浙江省浙里特色联盟·期中)氢能是理想清洁能源,氢能产业链由制氢、储氢和用氢组成。
(1)工业上常利用甲烷水蒸气重整制氢:
反应I:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH=+206kJ·mol−1
反应Ⅱ:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH=-41kJ·mol−1
①反应CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)的ΔH= kJ·mol−1。
②在一定温度下,向恒容密闭容器中通入CH4和H2O,下列说法正确的是 。
A.加入催化剂能提高CH4(g)平衡转化率
B.平衡时向容器中充入He(g),反应I平衡正向移动
C.继续通入CH4(g),能提高H2O(g)平衡转化率
D.反应体系中气体相对分子质量不变时到达化学平衡状态
(2)在一定温度下,向1L的密闭容器中通入1molCO(g)和molH2O(g),只发生反应Ⅱ:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),反应达平衡时H2O(g)的转化率50%,反应Ⅱ的平衡常数K= 。
(3)氢燃料清洁能源车辆的使用将减少空气中氮氧化物的含量,某氢氧燃料电池工作示意图如下。
①电极a的电极反应式是 。
②下列说法正确的是 。
A.b极是负极
B.OH-向a极移动
C.电池工作一段时间后,溶液中的会变大
D.有2mol电子经过驱动汽车,消耗H2为1mol
(4)反应H2+HCO3-HCOO-+H2O可用于储氢。
密闭容器中,其他条件不变,向含有催化剂的0.1mol·L-1 NaHCO3溶液中通入H2,HCOO-产率随温度变化如图所示。温度高于70℃,HCOO-产率下降的可能原因是 。
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综合突破04 化学反应原理综合分析(综合题2)
1.(2024-2025高二上·浙江省杭州市等4地·期中)CH3OH可作绿色燃料,可由CO或CO2制备。工业用CO2制备CH3OH原理如下:
反应1:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1= -90.7kJ·mol-1
反应2:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2kJ·mol-1 (副反应)
(1)反应3:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3=_________kJ·mol-1。
(2)恒定温度下,在一个容积可变的密闭容器中充有1molCO和2molH2,下列能说明反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)达到平衡状态的是_________。
A.v正(CO)=2v逆(H2)
B.容器内混合气体的密度不再改变
C.CO和H2的物质的量之比不再改变
D.混合气体的平均相对分子质量不再改变
(3)若以固体催化剂M催化反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),水分子首先被催化剂的活性表面吸附而解离,用两个化学方程式表示该催化反应历程(反应机理):① ;②MO+CO=M+CO2。
(4)不同压强下,按照n(CO2):n(H2)=1:3投料,实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如下图所示。
已知:CO2的平衡转化率
CH3OH的平衡产率
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图 (填“甲”或“乙”);图乙中T1温度时,三条曲线几乎交于一点且随温度升高而变大的原因是 。
【答案】(1)-49.5
(2)BD
(3)M+H2OMO+H2
(4)乙 T1时以反应2为主,反应2前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响
【解析】(1)由题干信息可知,反应1:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1= -90.7kJ·mol-1,反应2:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2kJ·mol-1,则反应1+反应2可得反应3:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),根据盖斯定律可知,ΔH3=ΔH1+ΔH2=(-90.7kJ/mol)+(+41.2kJ/mol)=-49.5kJ/mol;
(2)A.当2v正(CO)= v逆(H2)时,正、逆反应速率相等,可说明反应达到平衡状态,即v正(CO)=2v逆(H2)是正逆反应速率不相等,不能说明反应达到化学平衡,A不合题意;B.反应前后,混合气体的质量不变,但该反应是在恒压容器中进行,反应前后容器的体积发生变化,即混合气体的密度是一个变量,当混合气体的密度不再发生变化,反应达到平衡状态,B符合题意;C.根据题干可知,CO和H2的投料比等于化学计量数之比,因此CO和H2的物质的量之比是一个定值,无法判定反应达到平衡状态,C不合题意;D.混合气体的平均相对分子质量在数值上等于平均摩尔质量,平衡体系中混合气体的质量不变,反应前后混合气体的分子数减小,所以当混合气体的平均相对分子质量保持不变时,可判定反应已达平衡,D符合题意;故选BD;
(3)若以固体催化剂M催化反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),水分子首先被催化剂的活性表面吸附而解离,用两个化学方程式表示该催化反应历程(反应机理):根据总反应方程式和历程②MO+CO=M+CO2可得,历程①反应为:M+H2OMO+H2;
(4)反应2是气体体积不变化的反应,CO2的平衡转化率只与温度有关,由图乙可知,T1温度后纵坐标对应量的变化与压强无关(3条曲线重合)、只与温度有关,所以图乙对应纵坐标表示CO2平衡转化率;由于反2:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)是气体体积不变化的吸热反应,压强对平衡没有影响,T1温度时,体系中主要发生反应2,所以三条曲线几乎交于一点,故选乙;T1时以反应2为主,反应2前后气体分子数相等,压强改变对平衡没有影响。
2.(2024-2025高二上·浙江省杭州市西湖区学军西溪、学军紫金港、学军海创园·期中)明年是苯发现的两百周年,以苯为代表的芳香族化合物在各领域有广泛应用。
Ⅰ.苯乙烯(C6H5CH=CH2)是重要的化工原料,工业上制苯乙烯的主流方法是乙苯(C6H5CH2CH3)脱氢法,包括多种不同工艺路线,其主反应相同,最大区别是原料中添加的气体不同:传统乙苯脱氢(添加水蒸气稀释),O2氧化脱氢(添加O2),CO2氧化脱氢(添加CO2)。其中涉及的主要反应方程式如下:
ⅰ:C6H5CH2CH3(g)C6H5CH=CH2(g)+H2(g) ΔH1=+118kJ·mol−1(主反应)
ⅱ:H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g) ΔH2=-242kJ·mol−1(O2氧化脱氢还涉及的反应)
ⅲ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH3=+41kJ·mol−1(CO2氧化脱氢还涉及的反应)
请回答:
(1)O2氧化脱氢工艺中发生反应ⅳ:C6H5CH2CH3(g) +1/2O2(g)C6H5CH=CH2(g) +H2O(g)。
①ΔH= kJ·mol−1。
②反应ⅳ自发进行的条件是 。
(2)在恒温恒压条件下进行传统乙苯脱氢(反应ⅰ),可能发生2个副反应(活化能接近):
ⅴ:C6H5CH2CH3(g)C6H6(g)+C2H4(g)
ⅵ:C6H5CH2CH3(g) +H2(g)C6H5CH3(g)+CH4(g)
①以乙苯和水蒸气为原料,仅发生反应ⅰ、ⅴ、ⅵ,平衡时测得乙苯转化率为50%,芳香烃产物苯乙烯、苯、甲苯(C6H5CH3)的选择性S()分别为80%、10%、10%,反应ⅵ的平衡常数K= (用分数表示)。
②下列说法正确的是 。
A.水蒸气温度较高,可为反应提供热量,且有利于减少催化剂表面的积碳
B.若其他条件不变,用等物质的量的CO2替换水蒸气,可增大乙苯的平衡转化率
C.O2氧化脱氢法中苯乙烯易被过度氧化,使产品纯度降低
D.随着反应进行,n(C2H4)和n(CH4)的增大程度相同
Ⅱ.重氮化反应是制备芳香族化合物的重要反应。若以Br为催化剂,HNO2作氧化剂,盐酸酸化(浓度恒定),反应方程式为:。在恒温密闭容器中反应,总反应的速率为v,反应历程中的三个基元反应如下,且基元反应ⅷ的。
ⅶ:(快速平衡)
ⅷ:慢反应)
ⅸ:(快反应)
(3)下列说法正确的是__________。
A.c(Br-)在反应过程中几乎不变 B.其他条件不变,v与c(HNO2)近似成正比
C.增大c(C6H5NH2),v显著增大 D.若T1>T2且其他条件相同,v1和v2可能相等
(4)某反应条件下,反应过程中c(H2NO2+)随时间t的变化如图。其他条件不变,增大初始c0(Br-),在图中画出c(H2NO2+)随时间t变化的曲线 (注意曲线极值点的坐标)。
【答案】(1) -124 任意温度,任意压强
(2) AC
(3)D
(4)(图中颜色较浅的线)
【解析】(1)①根据盖斯定律可知,ⅳ=ⅰ+ⅱ,则该反应的△H=△H1+△H2=(+118kJ/mol)+(-242kJ/mol)=-124kJ/mol;②该反应是放热反应,且是熵增的反应,则反应ⅳ自发进行的条件是:任意温度,任意压强;
(2)①设最初乙苯的物质的量为2 mol,水蒸气的物质的量为2 mol,三个反应都平衡时容器中总物质的量为n mol,乙苯转化率为50%,则参加反应的乙苯的物质的量为1mol,苯乙烯、苯、甲苯(C6H5CH3)的选择性S分别为80%、10%、10%,则平衡时苯乙烯、苯、甲苯的物质的量分别为0.8mol,0.1mol,0.1mol,氢气的物质的量为0.8mol-0.1mol=0.7mol,甲烷的物质的量为0.1mol,乙苯的物质的量为0.5mol,则反应ⅵ的平衡常数;②A.反应ⅰ为吸热反应,水蒸气温度较高,可为反应提供热量,且温度高时有利于碳变为二氧化碳,有利于减少催化剂表面的积碳,A正确;B.CO2氧化脱氢为吸热反应,而反应ⅰ也为吸热反应,则若其他条件不变,用等物质的量的CO2替换水蒸气,会减小乙苯的平衡转化率,B错误;C.苯乙烯中含有碳碳双键,容易被氧化,则O2氧化脱氢法中苯乙烯易被过度氧化,使产品纯度降低,C正确;D.反应ⅵ中需要氢气参与反应,而反应ⅴ不需要氢气参与,则两个副反应的速率不同,随着反应进行,n(C2H4)和n(CH4)的增大程度不相同,D错误;故选AC;
(3)A.随着反应进行,会逐渐生成水,则c(Br-)浓度会减小,A错误;B.根据题意,HNO2在反应ⅶ中是反应物,而该反应的总反应速率是由慢反应ⅷ决定的,根据速率方程可知,其他条件不变,v与c(HNO2)近似成正比,B错误;C.C6H5NH2是反应ⅸ的反应,而该反应的总反应速率是由慢反应ⅷ决定的,故增大c(C6H5NH2),对反应速率影响不大,C错误;D.该反应中使用到了催化剂,则催化剂的活性是决定速率的主要因素,则若T1>T2且其他条件相同,v1和v2可能相等,D正确;故选D;
(4)该反应的反应速率是由慢反应ⅷ的速率决定的,根据速率方程,则其他条件不变,增大初始c0(Br-),c(H2NO2+)会在更短的时间内达到极值点,故选(图中颜色较浅的线)。
3.(2024-2025高二上·浙江省金砖联盟·期中)汽车尾气的污染不容忽视,对汽车尾气中污染气体NO和CO的转化是研究热点。回答下列问题:
(1)汽车尾气中的CO是由于汽油在气缸内不均匀、不充分燃烧导致的,而生成的可能原因是 。(用必要化学方程式解释)
(2)利用铑催化处理汽车尾气中的NO与CO的化学反应方程式为2CO(g)+2NO(g)2CO2(g)+N2(g)。
①已知该反应的ΔH=-746.5kJ·mol−1,正反应活化能为akJ·mol−1,则其逆反应活化能为 kJ·mol−1。
②CO还原NO的反应路径如下图1所示,其中(s)指的是物质吸附在铑催化剂上,下图2所示为随温度升高NO(s)的解离速率、N2O(s)的生成速率、的生成速率以及的生成速率变化曲线,根据图1可知生成的基元反应有两个(、代表生成N2的两种不同路径),结合两图写出温度在时生成N2的主要基元反应方程式: 。
③一定温度下,在恒容密闭容器中充入和发生上述反应,部分物质的体积分数随时间(t)的变化如下图所示。下列说法正确的是 (填选项字母)。
A.上述反应的正反应在高温下才能自发进行
B.曲线b表示随时间的变化
C.2v正(NO)=v逆(N2)时,反应达到平衡状态
D.气体的平均相对分子质量:
(3)某研究小组探究催化剂对、转化率的影响。将和按物质的量之比1:1以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应,相同时间内测量逸出气体中含量,从而确定尾气脱氮率(即的转化率),结果如下图所示(曲线Ⅱ最高点对应温度是450度,脱氮率为50%):
①a点 (填“是”或“否”)为对应温度下的平衡脱氮率,说明其理由: 。
②450℃时,平衡脱氮率为50%,压强恒为,则 (为以分压表示的平衡常数,用含的代数式表示)。
【答案】(1)高温或放电环境下,空气中的氮气和氧气反应生成的,方程式为:N2+O22NO
(2) (a+746.5) N2O(s)→N2+O(s) BD
(3)否 该反应为放热反应,温度越低平衡转化率越高,根据曲线II可知,a点对应的温度低于450℃,其平衡转化率应该高于450℃下的平衡转化率
【解析】(1)因为汽油中基本不含氮元素,所以NO主要来自于N2和氧气的反应,二者在高温或放电下反应,方程式为:N2+O22NO;
(2)根据△H=正反应活化能-逆反应活化能可得,逆反应活化能=正反应活化能-△H =(a+746.5) kJ·mol-1;
由图2可知,550K时主要生成,结合图1可知,主要来源于N2O的解离,基元反应的方程式为:N2O(s)→N2+O(s);反应为放热的熵减反应,则上述反应的正反应在低温下才能自发进行,A项错误;由化学方程式可知,一氧化氮、一氧化碳、二氧化碳的系数相同,且为氮气系数的2倍,结合图像比较物质的体积分数的变化量可知,曲线b表示物质的变化量较小,故b表示的是随时间的变化,B项正确;2v正(NO)=v逆(N2)时,正逆反应速率不相等,反应没有达到平衡状态,C项错误;混合气体的平均摩尔质量为M=,气体质量不变,但是气体的总物质的量随反应进行而减小,故气体平均相对分子质量逐渐变大,所以气体的平均相对分子质量:,D项正确;答案是BD;
(3)a点不是对应温度下的平衡脱氮率,理由是该反应为放热反应,温度越低平衡转化率越高,根据曲线Ⅱ可知,a点对应的温度低于450℃,其平衡转化率应该高于450℃下的平衡转化率;设450℃时,一氧化氮和一氧化碳的起始物质的量都为2mol,由一氧化氮的平衡脱氮率为50%可知,平衡时一氧化氮、一氧化碳、氮气、二氧化碳的物质的量分别为2mol-2mol×50%=1mol、2mol-2mol×50%=1mol、2mol×50%×=0.5mol、2mol×50%=1mol,由压强恒为p可知,一氧化氮、一氧化碳、氮气、二氧化碳的平衡分压分别为、、、,则分压平衡常数KP=。
4.(2024-2025高二上·浙江省金砖联盟·期中)以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2
回答下列问题:
(1)上述反应体系在一定条件下建立平衡后,若先在恒温恒压下充入氦气,反应Ⅱ的平衡将 (填“正向”“逆向”或“不”)移动;再将反应体系体积压缩至原来一半,重新达到平衡时两反应所需时间 (填“>”“<”或“=”)。
(2)①反应Ⅰ、Ⅱ的(K代表化学平衡常数)随(温度的倒数)的变化如下图所示。据图判断,降低温度时,反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的化学平衡常数将 (填“增大”“减小”或“不变”)。
②已知反应Ⅱ的速率方程可表示为,,其中、分别为正、逆反应的速率常数,与的关系如图所示,①、②、③、④四条斜线中,表示的是 ;
(3)恒压条件下,将CO2和H2按体积比1:3混合,初始压强为P0,在不同催化剂作用下发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,在相同的时间段内CH3OH的选择性和产率随温度的变化如下图。
已知:CH3OH的选择性
①在上述条件下合成甲醇的工业条件是 。
A.210℃ B.230℃ C.催化剂CZT D.催化剂
②在230℃以上,升高温度CO2的转化率增大,但甲醇的产率降低,原因是 。
【答案】(1)正向 =
(2)增大 ③
(3) BD 230℃以上,升高温度,反应Ⅰ平衡逆向移动,反应Ⅱ平衡正向移动,但温度对反应Ⅱ的平衡影响更大
【解析】(1)上述反应体系在一定条件下建立平衡后,若先在恒温恒压下充入氦气,则容器的体积增大,反应体系中各物质的浓度均减小,反应Ⅰ的平衡逆向移动,使CO2、H2的浓度有所增大,导致反应Ⅱ的平衡将正向移动;再将反应体系体积压缩至原来一半,两个反应在同一体系中进行,则重新达到平衡时两反应所需时间相同,即tⅠ= tⅡ;
(2)①据图判断,降低温度时,增大,反应Ⅰ的增大,即反应Ⅰ的K增大,则平衡正向移动,即ΔH1<0;反应Ⅱ的减小,即反应Ⅱ的K减小,则平衡逆向移动,即ΔH2>0,由Ⅰ-Ⅱ式可得:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),则该反应的ΔH=ΔH1-ΔH2<0,所以降低温度,该反应平衡正向移动,其化学平衡常数将增大;②反应Ⅱ的ΔH2>0,增大,即T降低,平衡逆向移动,v正<v逆,<,且化学反应速率减小,减小,减小,则①、②、③、④四条斜线中,表示的是③;
(3)①由图可知,使用催化剂CZ(Zr-1)T时甲醇的选择性和产率均更高,230℃时,在催化剂CZ(Zr-1)T催化下甲醇产率最高,则在上述条件下合成甲醇的工业条件是230℃、催化剂CZ(Zr-1)T,故选BD;②反应Ⅰ为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,CO2的转化率减小,甲醇的产率降低,而反应Ⅱ为吸热反应,平衡正向移动,且温度对反应Ⅱ的平衡影响更大,所以总体CO2的转化率增大,则在230℃以上,升高温度CO2的转化率增大,但甲醇的产率降低,原因是:230℃以上,升高温度,反应Ⅰ平衡逆向移动,反应Ⅱ平衡正向移动,但温度对反应Ⅱ的平衡影响更大。
5.(2024-2025高二上· 浙江省温州环大罗山联盟·期中)我国力争2030年前二氧化碳排放达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和目标,CO2的综合利用对低碳减排有着重要意义。请回答:
I.CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一,该重整反应体系主要涉及以下反应:
①CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) K1
②CH4(g)C(s)+2H2(g) K2
③2CO(g)C(s)+CO2(g) K3
(1)反应③的K3= (含K1、K2的代数式)。
(2)上述反应体系在一定条件下建立平衡后,下列说法不正确的有__________(填字母)。
A.增大CO的浓度,反应①、②、③的正反应速率都增加
B.恒温恒压下向体系中通入氦气,反应①的平衡向右移动,平衡常数增大
C.加入反应①的催化剂,可加快反应①的反应速率,提高CH4的平衡转化率
D.移去全部C(s),反应②、③的平衡均向右移动
II.已知二氧化碳加氢制乙醇的总反应可表示为2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g) ΔH<0。该反应一般认为通过如下步骤来实现:
④CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
⑤2CO(g)+64H2(g)CH3CH2OH(g)+H2O(g)
现控制CO2和H2初始投料比为1:3,在总压为的恒压条件下,经过反应,平衡时各物质的物质的量分数与温度的关系如图所示:
(3)上图中曲线a代表的物质为 (填化学式),T4温度时,该反应的平衡常数 [对于气相反应,用某组分B的平衡压强代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数,记作KP,如,为平衡总压强,为平衡系统中的物质的量分数]。
(4)若反应⑤的活化能远大于反应④,在图中绘制出CO的“浓度~时间”示意图 。
【答案】(1)K2/K1
(2)BC
(3)H2
(4)
【解析】(1)①CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) K1
②CH4(g)C(s)+2H2(g) K2
②-①得反应2CO(g)C(s)+CO2(g),所以K3= K2/K1。
(2)A.增大CO的浓度,反应③正反应速率增大,反应③平衡右移,反应①逆反应速率突然变大,平衡左移,正反应速率逐渐增大,当正逆反应速率相同时,达新平衡,反应①平衡向左移动过程中,CH4浓度增大,反应②的正反应速率增加,故A正确;B.恒温恒压下向体系中通入氦气,相当于减压,反应①的平衡向右移动,温度不变,平衡常数不变,故B错误;C.加入反应①的催化剂,可加快反应①的反应速率,催化剂不能使平衡移动,不能提高CH4的平衡转化率,故C错误;D.移去全部C(s),反应②、③的v(逆)=0,则v(正)>v(逆),反应②、③的平衡均向右移动,D正确;选BC。
(3)2CO2(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+3H2O(g) ΔH<0,升高温度,平衡向逆反应方向移动,反应物浓度逐渐增大,生成物浓度逐渐减小,所以c代表物质H2O、d代表物质CH3CH2OH,a代表物质H2,b代表物质CO2。由图中数据可知,总压为8MPa的恒压条件下,T4温度时,达平衡,H2和H2O的物质的量分数为0.375,CH3CH2OH和CO2的物质的量分数分别为0.125,该反应的平衡常数;
(4)反应⑤的活化能远大于反应④,则反应⑤为慢反应,所以随时间进行CO的浓度先增大后减小,CO浓度随时间变化图像为。
6.(2024-2025高二上·浙江省温州新力量联盟·期中)研发二氧化碳利用技术、降低空气中二氧化碳含量一直是化学研究热点。
(1)工业上用CO2来生产燃料甲醇。某温度下,在容积为5L的密闭容器中,充入4mol CO2和12molH2在一定条件下发生反应生成CH3OH,测得CO2、CH3OH(g)和H2O(g)的物质的量(n)随时间变化如图所示
①根据已知求生成甲醇的化学方程式 。
②0~2分钟,该反应中氢气的平均速率为 。
③该温度下,此反应的平衡常数K= (保留一位小数)。
④保持温度和体积不变,向上述平衡体系中再同时充入1.5molH2O和0.5mol CO2,平衡将 (填“正向”“逆向”或“不”)移动。
⑤在恒温恒容条件下,能说明该反应已达平衡状态的是 。
A.混合气体的密度保持不变 B.CO2体积分数保持不变
C.容器中气体压强保持不变 D.容器中CH3OH浓度与H2O浓度之比为1∶1
(2)一定温度下,向2L密闭容器中加入1mol CH3OH(g),发生反应CH3OH(g)CO(g)+2H2(g),CO的体积分数随时间的变化如图所示。若在时刻再加入1mol CH3OH(g),在t2时刻重新达到平衡,请在图上画出CO的体积分数随时间变化的曲线(不要求计算具体数值,画出变化的趋势和范围即可) 。
【答案】(1) CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) 0.6mol·L-1·min-1 8.3 不 BC
(2)(趋势向上正确,起点、终点低于原平衡状态)
【解析】(1)根据题意和图像可知,起始时通入4molCO2和12molH2发生反应,平衡时生成3molCH3OH和3molH2O,还剩余1molCO2,利用元素守恒可知,还剩余3molH2,根据转化物质的物质的量之比等于系数之比,可以得到:=3mol,=9mol,=3mol,=3mol,可以得到反应的化学方程式为:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g);②根据①题中的化学方程式结合图像可知,0~2分钟时,=2mol,所以 =6mol,可以算出该反应中氢气的平均速率为;③根据①题中信息可知,该温度达平衡时,,,,,可以计算出该温度下的平衡常数为;。④保持温度和体积不变,向上述平衡体系中再同时充入1.5molH2O和0.5mol CO2,可以得到此时,平衡不移动。⑤恒温恒容装置中,发生CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),进行分析:A.本题中气体总质量是定值,总体积是定值,气体密度不是变量,不能根据气体密度不变判断可逆反应是否达到平衡,A不符合题意;B.CO2体积分数保持不变时,反应达平衡,B符合题意;C.该反应为反应前后,气体分子数变化的可逆反应,恒温恒容条件下,物质的量(气体分子数)与容器中气体压强成正比,即容器中气体压强是变量,当变量不变时,反应达平衡,C符合题意;D.从反应开始直至平衡,容器中CH3OH浓度与H2O浓度之比恒为1∶1,即容器中CH3OH浓度与H2O浓度之比为1∶1不是变量,不能根据比值不变,判断反应是否达到平衡,D不符合题意;故选BC。
(2)达到平衡后,通入甲醇蒸气,一氧化碳的体积分数一定会减小,随着反应的发生,一氧化碳的体积分数会逐渐增大,但是小于原平衡中一氧化碳的体积分数(再通入甲醇蒸气,相当于在原平衡基础上增大压强,相当于在原平衡的基础上,逆向移动,导致一氧化碳的体积分数减小);故选(趋势向上正确,起点、终点低于原平衡状态)。
7.(2024-2025高二上·浙江省浙东北联盟·期中)合理利用温室气体是当前能源与环境研究的热点。CO2催化加氢可缓解CO2对温室效应的影响,其原理为:
反应Ⅰ:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH1=-41kJ·mol−1
反应Ⅱ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2
(1)反应Ⅰ的ΔS 0(填“>”、“<”或“=”),说明理由 。
(2)反应Ⅰ中,,,其中和分别为正、逆反应速率,和分别为正、逆反应速率常数,和仅受温度影响。请在下图中画出随T的变化斜线 。(,T表示温度)
(3)在0.1MPa下,将1mol CO2和4mol H2充入2L刚性密闭容器中,假设只发生反应Ⅰ,当CO平衡产率为40%时,此时总压为P,计算该温度下反应Ⅰ的平衡常数Kp= 。(计算结果用分数表示)
(4)某实验室控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2,经过相同时间测得如下四组实验数据:
反应序号
T/K
催化剂
转化率/%
甲醇选择性/%
①
543
Cu/ZnO纳米棒
12.3
42.3
②
543
Cu/ZnO纳米片
10.9
72.7
③
553
Cu/ZnO纳米棒
15.3
39.1
④
553
Cu/ZnO纳米片
12.0
71.6
结合实验数据,选择Cu/ZnO (填“纳米棒”或“纳米片”)更有利于提高甲醇产率。
(5)下图为CO2和H2在某催化剂M表面发生反应Ⅱ得到单分子甲醇的反应历程(*表示吸附态),CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2 kJ·mol−1 (“eV”表示电子伏特,指一个电子的电位差加速后所获得的动能,leVJ,mol-1)。
(6)对于反应Ⅱ,下列说法正确的是___________。
A.低温、高压有利于提高CO2转化为甲醇的平衡转化率
B.增大CO2和H2的初始投料比,有利于提高CO2转化为甲醇的平衡转化率
C.使用催化剂M生成甲醇的反应历程中,是该反应的决速步
D.及时分离出水可加快上述反应的反应速率
【答案】(1)> 该反应为焓变(ΔH)大于0,必须熵变(ΔS)大于0,才能使反应在较高温度下自发进行
(2)画出斜线趋势逐渐减小即可
(3)
(4)纳米片
(5)-49.12
(6)AD
【解析】(1)反应Ⅰ是吸热反应,ΔH>0,反应能自发进行,则ΔG=ΔH-TΔS<0,故需要ΔS>0,此时反应在较高温度下能自发进行;
(2)和仅受温度影响,即升高温度,增大,p减小,画出随T的变化斜线为;
(3)反应I:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),当CO平衡产率为40%时,列三段式:
此时总压为P,总物质的量为5mol,由阿伏加德罗定律可知,此时压强与物质的量成正比,即Kp===;
(4)温度相同时,使用纳米片,CO2的转化率减小,但甲醇的选择性增大,说明使用Cu/ZnO纳米片使主反应活化能比副反应活化能下降幅度更大,更有利于加快主反应速率,所以选择Cu/ZnO纳米片;
(5)根据图知,总热化学反应方程式为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=(-0.51×1.6×10-19×10-3×6.02×1023)kJ/mol=-49.1kJ/mol;
(6)A.该反应是一个反应前后气体体积减小的放热反应,低温、高压平衡正向移动,有利于提高CO2转化为甲醇的平衡转化率,故A正确;B.增大CO2与H2的初始投料比,CO2的转化率降低,氢气的转化率提高,故B错误;C.CH2O*+H*═CH3O*的能垒最小,反应速率最快,不是决速步骤,故C错误;D.及时分离出水,平衡正向移动,总压强不变,则反应物的分压增大,反应速率加快,故D正确;答案为AD。
8.(2024-2025高二上·浙江省衢州五校联盟·期中)工业上可利用甲烷水蒸气转化法生产氢气。涉及的反应如下:
Ⅰ.CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH1=+206kJ·mol−1
Ⅱ.CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) ΔH2
(1)已知反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的ΔH=-41kJ·mol−1,则ΔH2= kJ·mol−1。反应Ⅱ自发进行的条件是 。
(2)若在恒温恒压的密闭容器中只发生反应Ⅰ,下列条件能说明反应I—定已达平衡状态的是__________。
A.c(CO):c(H2)=1:3
B.容器内气体的平均密度不再改变
C.反应吸收的热量达到206kJ
D.键断裂的同时有键断裂
(3)恒压为1MPa时,向某密闭容器中按水碳比投料,时平衡体系中部分组分的物质的量如下表所示:
组分
CH4
H2O
H2
CO2
物质的量
0.04
0.32
0.5
0.08
用各组分气体的平衡分压代替平衡浓度也可以表示化学反应的平衡常数(Kp),时反应Ⅰ的平衡常数Kp= MPa2。(结果保留两位小数,已知气体分压气体总压各气体的体积分数)。
(4)实际工业生产过程中,常向反应体系中加入适量多孔CaO,其优点是 。
(5)反应Ⅰ也可以设计成原电池,其反应装置如下图所示:
请写出负极的电极反应式: 。
【答案】(1)+165 高温自发
(2)BD
(3)0.59
(4)CaO与CO2反应,使反应Ⅱ平衡正移,提高氢气产率;CaO与CO2反应放热为体系提供能量,温度升高,反应Ⅰ、Ⅱ平衡均正移
(5) CH4+H2O-6e-=CO+6H+
【解析】(1)根据盖斯定律,反应Ⅱ-反应Ⅰ可得反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的ΔH=-41kJ·mol−1,则。反应Ⅱ是熵增的吸热反应,自发进行时ΔG=ΔH-T-ΔS <0,说明该反应进行自发进行的条件是高温自发。
(2)A.c(CO):c(H2)=1:3,取决于起始物质的浓度、不能说明各成分的量不变、不能说明已平衡,错误;B.恒温恒压条件下,气体的分子总数、容积体积、气体密度均随反应而变,故混合气体的密度不变能说明已平衡,正确;C. 已知Ⅰ.CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH1=+206kJ·mol−1,反应吸收的热量达到206kJ,不能说明各成分的量不变、不能说明已平衡,错误;D.2molO-H键断裂的同时有3molH-H键断裂,说明正反应和逆反应速率相等,正确;选BD。
(3)恒压为1MPa时,向某密闭容器中按水碳比3:1投料,设投料时水和甲烷的物质的量分别为3a mol、amol;根据元素守恒,由表格可知氢原子共为1.8mol=10amol, a=0.18mol,则初始水和甲烷的物质的量分别为0.54 mol、0.18mol;
发生上述反应Ⅰ:
发生上述Ⅱ反应:
则平衡时n(CO2)=ymol=0.08mol, n(H2)=(3x+4y)mol=0.5mol,n(CO)=x=0.06mol, n(H2O)=0.32mol,n(CH4)=0.04mol,混合气体共1mol,则反应Ⅰ的平衡常数。
(4)实际工业生产过程中,常向反应体系中加入适量多孔CaO,其优点是:CaO与CO2反应,使反应Ⅱ平衡正移,提高氢气产率;CaO与CO2反应放热为体系提供能量,温度升高,反应Ⅰ、Ⅱ平衡均正移。
(5)原电池负极发生氧化反应,反应ⅠCH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)中甲烷被氧化为CO,则负极的电极反应式:CH4+H2O-6e-=CO+6H+。
9.(2024-2025高二上·浙江省浙南名校联盟·期中)CO2过度排放会引起气候、环境等问题。在Cu/ZnO催化剂下,CO2和H2可发生反应,生成CH3O和CO,热化学方程式如下:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-50.1kJ·mol−1
Ⅱ. CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41.2kJ·mol−1
请回答以下问题:
(1)在恒温恒容容器中通入一定量的CO2和H2,则反应达到平衡状态的标志为_______。
A.体系内气体的平均摩尔质量不再变化 B.混合气体密度不再变化
C.n(CO):n(CO2)不再变化 D.容器中压强不再变化
(2)在一定温度下,向体积固定的密闭容器中通入1mol CO2和2.3mol H2,起始压强为3.3MPa,发生反应Ⅰ和Ⅱ。平衡时,总压为2.5MPa,CO2的转化率为50%,则反应Ⅰ的平衡常数Kp= (MPa)-2(以分压表示,分压=总压物质的量分数)
(3)不同压强下,维持投料比相同,实验测定CO2的平衡转化率随温度变化关系如图1所示。在恒压密闭容器中,维持投料比相同,将CO2和H2按一定的流速通过反应器,CO2的转化率[]和甲醇的选择性()随温度变化关系如图2所示。图示温度范围内催化剂的活性受温度影响不大。
①下列说法不正确的是 。
A.图1中,P1<P2<P3
B.图1中550℃后以反应Ⅱ为主,反应Ⅱ前后气体分子数相等,压强改变对平衡基本没有影响
C.图2中236℃前,升温使CH3OH选择性上升,原因是升高温度使反应Ⅰ速率加快,且加快程度大于反应Ⅱ
D.改用活性更好的催化剂能使图2中各温度下CO2转化率都增大
②图2中236℃后,升温使CO2转化率和CH3OH选择性都下降,请从平衡移动的角度解释原因 。
(4)某研究小组自制甲烷燃料电池,电解质是KOH溶液,负极反应式是 。该电池以3.2A恒定电流工作48分钟,消耗CH4的体积为0.49L,该电池化学能转化为电能的转化率为 。[已知:该条件下CH4的摩尔体积为;电荷量电流时间;;]
【答案】(1)ACD
(2)0.4
(3)AD 升温使反应I平衡正向移动的程度大于反应Ⅱ平衡正向移动的程度,使CO2转化率和CH3OH选择性下降
(4) CH4+8OH--10e-=CO32-+7H2O 60%
【解析】(1)A.反应Ⅰ的反应前后气体分子数不等,反应Ⅱ反应前后气体分子数相等,则反应前后气体的总分子数不等,而混合气的总质量不变,则平衡前体系内气体的平均摩尔质量不断发生改变,当平衡摩尔质量不再变化时,反应达平衡状态,A符合题意;B.反应前后混合气的质量不变,体积不变,则混合气体的密度始终不变,当密度不再变化时,反应不一定达平衡状态,B不符合题意;C.随着反应的进行,CO的物质的量不断增大,CO2的物质的量不断减小,当n(CO):n(CO2)不再变化时,反应达平衡状态,C符合题意;D.反应达平衡前,容器中气体的物质的量不断发生改变,而容器的体积不变,所以压强不断发生改变,当压强不再变化时,反应达平衡状态,D符合题意;故选ACD。
(2)在一定温度下,向体积固定的密闭容器中通入1mol CO2和2.3mol H2,起始压强为3.3MPa,发生反应Ⅰ和Ⅱ。平衡时,总压为2.5MPa,CO2的转化率为50%,设反应Ⅰ中CO2的变化量为x,则反应Ⅱ中CO2的变化量为(1mol×50%-x),可建立如下两个三段式:
平衡时混合气的物质的量为:(0.5+1.8-2x+x+0.5-x+0.5)mol=(3.3-2x)mol,则,x=0.4mol,所以反应Ⅰ的平衡常数Kp==0.4 (MPa)-2。
(3)①A.加压,反应Ⅰ平衡正向移动,反应Ⅱ平衡逆向移动,但反应Ⅰ为主反应,占主导地位,所以CO2的转化率增大,由此得出,图1中,P1>P2>P3,A不正确;B.升高温度,反应Ⅰ平衡逆向移动,反应Ⅱ平衡正向移动,当温度达到550℃后,压强改变对平衡基本没有影响,由于反应Ⅱ反应前后气体分子数相等,则以反应Ⅱ为主,B正确;C.图2中236℃前,升温使CH3OH选择性上升,原因是升高温度使反应Ⅰ速率加快,虽然反应Ⅱ速率也加快,但反应Ⅰ速率加快程度大于反应Ⅱ,C正确;D.催化剂只能改变反应速率,从而改变反应达平衡的时间,但不能改变反应物的平衡转化率,所以改用活性更好的催化剂并不能使图2中各温度下CO2转化率都增大,D不正确;故选AD。②图2中236℃后,升温使CO2转化率和CH3OH选择性都下降,说明温度对反应Ⅰ的影响程度大于反应Ⅱ,则从平衡移动的角度解释原因:升温使反应I平衡正向移动的程度大于反应Ⅱ平衡正向移动的程度,使CO2转化率和CH3OH选择性下降。
(4)甲烷燃料电池中,甲烷通入的电极为负极,则甲烷失电子产物与电解质反应生成CO32-等,负极反应式是CH4+8OH--10e-=CO32-+7H2O 。该电池以3.2A恒定电流工作48分钟,则需电能为3.2A×48×60s=9216C,消耗CH4的体积为0.49L,产生的化学能为=15360C,该电池化学能转化为电能的转化率为=60%。
10.(2024-2025高二上·浙江省杭州地区(含周边)重点中学·期中)醋酸是日常生活中常见的酸,也是一种重要的溶剂。
(1)一定条件下,冰醋酸加水稀释过程中溶液导电能力随加水体积变化曲线如图所示,则三点溶液中,c(H+)由大到小为 。
(2)提出:溶剂在液态下能自发发生电离,产生溶剂阳离子与溶剂阴离子的现象,称为自耦电离,如液态水的自耦电离方程式为:2H2OH3O++OH-。在冰醋酸中也存在类似的自耦电离。
①试写出冰醋酸自耦电离的方程式 ;
②高氯酸、硫酸、盐酸和硝酸都是强酸,其酸性在水溶液中差别不大,但在冰醋酸做溶剂时却能区分强弱。表中是某温度下这四种酸在冰醋酸中的电离常数:
酸
HClO4
H2SO4
HCl
HNO3
如将纯硝酸和纯硫酸混合,可以得到硝基正离子NO2+,请根据以上数据写出该反应的离子方程式 。
若保持温度不变,将少量H2SO4溶于冰醋酸中,关于所得溶液下列说法正确的是 。
A.加入少量冰醋酸,c(HSO4+)与c(SO42-)均减小
B.加入少量H2SO4,H2SO4的电离程度增大
C.加入少量CH3COONa固体,c(HSO4-)与c(SO42-)的比值减小
D.加入少量Na2SO4固体,c(CH3COO-)减小
(3)维持的稳定对生命体的生理活动、化学电源的高效工作等具有重要意义。维持稳定的缓冲溶液应用在某种液钒电池中能稳定电池的输出电流,该电池装置示意图如图所示,电池的总反应如下:
①放电时,B室中c(H+) (填“增大”、“减小”或“不变”)。
②充电时,A室中的c(H+)变化缓慢的原因是 。
【答案】(1) b>a>c
(2)2CH3COOHCH3COOH2++CH3COO- HNO3+H2SO4NO2++HSO4-+H2O AC
(3)减小 充电时,H+通过质子膜从B室进入A室,A室溶液中的CH3COO-与H+结合CH3COOH (或“CH3COOH-CH3COONa溶液有缓冲作用”),从而使c(H+)的变化减缓
【解析】(1)溶液或熔融电解质导电的原因是存在自由移动的离子,由图,导电性b大于a大于c,则醋酸电溶液中离出的氢离子浓度b大于a大于c,故为:b>a>c;
(2)①根据水的自耦电离原理,冰醋酸自耦电离的方程式为:2CH3COOHCH3COOH2++CH3COO-;
②在冰醋酸中,硫酸的电离常数大于硝酸的电离常数,硫酸酸性强于硝酸,硫酸提供氢离子,阴离子为HSO4-,所以将纯硝酸和纯硫酸混合,可以得到硝基正离子NO2+,该反应方程式为:HNO3+H2SO4NO2++HSO4-+H2O;A.加入少量冰醋酸,硫酸的电离平衡、均正向移动,由于溶液体积增大为主要因素,导致c(HSO4+)与c(SO42-)均减小,正确;B.加入少量H2SO4,促使H2SO4电离正向移动,但是H2SO4自身的电离程度减小,错误;C.加入少量CH3COONa固体,醋酸根离子和CH3COOH2+结合,导致CH3COOH2+浓度减小,正向进行,HSO4-电离程度增大,c(HSO4-)减小、c(SO42-)增大,则c(HSO4-)与c(SO42-)的比值减小,正确;D.加入少量Na2SO4固体,c(SO42-)增大,平衡逆向移动,抑制HSO4-电离,增大了醋酸的自藕电离,c(CH3COO-)增大,错误;故选AC;
(3)由总反应可知,放电时,锌为负极,失去电子发生氧化反应,石墨电极为正极,VOSO4得到电子发生还原反应生成V2(SO4)3;①放电时,石墨电极为正极,VOSO4得到电子发生还原反应生成V2(SO4)3:,反应消耗氢离子,B室中c(H+)减小。②充电时,A室中的c(H+)变化缓慢的原因是:充电时,阳离子向阴极移动,则H+通过质子膜从B室进入A室,A室溶液中的CH3COO-与H+结合CH3COOH-(或“CH3COOH-CH3COONa溶液有缓冲作用”),从而使c(H+)的变化减缓。
11.(2024-2025高二上·浙江省温州市十校联合体·期中)丙烯是重要的有机化工原料,丙烷制丙烯是化工研究的热点。由丙烷(C3H8)制丙烯(C3H6)的两种方法如下:
反应Ⅰ(直接脱氢):C3H8(g)C3H6(g)+H2(g) ΔH1
反应Ⅱ(氧化脱氢):2C3H8(g)+O2(g)2C3H6(g)+2H2O(g) ΔH2=-236kJ·mol−1
(1)已知:2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ΔH=-484kJ·mol−1,则ΔH1为 kJ·mol−1。
(2)一定温度下,向恒容密闭容器中充入1mol C3H8,开始压强为p kPa,仅发生反应Ⅰ(直接脱氢)。
①下列情况能说明该反应达到平衡状态的是 (填字母,下同)。
A.容器内压强保持不变 B.气体密度保持不变
C.C3H6与H2的物质的量之比保持不变 D.反应速率
②欲提高丙烯的平衡产率同时加快反应速率,应采取的措施是 。
A.减小压强 B.升高温度 C.及时分离出H2 D.加催化剂
③反应过程中,C3H8的气体体积分数与反应时间的关系如图所示。此温度下该反应的平衡常数Kp= (用含的代数式表示,Kp是用反应体系中气体物质的分压表示的平衡常数,平衡分压总压体积分数)。
(3)①一定条件下,恒压密闭容器中仅发生反应Ⅱ(氧化脱氢)。C3H8与O2起始物质的量比分别为1:1平衡时C3H8的体积分数随温度的变化关系如图所示。在图中画出的曲线 。
②相比反应Ⅰ(直接脱氢),反应Ⅱ(氧化脱氢)的优点可能有 (任写一点)。
(4)某工厂对尾气处理后的Na2SO3溶液进行电解,可循环再生NaOH,同时得到某种副产物,其原理如图所示。则极的电极反应方程式为 。
【答案】(1)+124
(2)AD B 4p/3
(3) 减少能耗(产物易于分离、催化剂表面不易积碳)
(4) SO32-+H2O-2e-= SO42-+2H+
【解析】(1)反应Ⅰ(直接脱氢):C3H8(g)C3H6(g)+H2(g) ΔH1
反应Ⅱ(氧化脱氢):2C3H8(g)+O2(g)2C3H6(g)+2H2O(g) ΔH2=-236kJ·mol−1
反应Ⅲ:2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ΔH=-484kJ·mol−1;
(Ⅱ-Ⅲ) 得C3H8(g)C3H6(g)+H2(g) ΔH1=;
(2)①A.反应前后气体化学计量数和不同,压强是变量,容器内压强保持不变,反应一定达到平衡状态,故选A;B.气体总质量不变、容器体积不变,密度的恒量,气体密度保持不变,反应不一定平衡,故不选B;C.C3H6与H2都是生成物,C3H6与H2的物质的量之比始终为1:1,C3H6与H2的物质的量之比保持不变,反应不一定平衡,故不选C;D.反应速率,正逆反应速率比等于化学计量数之比,反应一定达到平衡状态,故选D;选AD。②A.减小压强,反应速率减慢,故不选A;B.升高温度,反应速率加快,正反应吸热,升高温度,平衡正向移动,丙烯的平衡产率增大,故选B;C.及时分离出H2,反应速率减慢,故不选C;D.催化剂不能使平衡移动,加催化剂,丙烯的平衡产率不变,故不选D;选B;③
,,平衡总压强为,此温度下该反应的平衡常数Kp=。
(3)①,相当于增大氧气浓度,平衡正向移动,丙烷的体积分数减小,所以的曲线为。②相比反应Ⅰ,反应Ⅱ是放热反应,减少能耗,反应Ⅱ有水生成,产物易于分离。
(4)根据图示, SO32-向b电极移动,b是阳极,则b极亚硫酸根离子失电子发生氧化反应生成硫酸,电极反应方程式为SO32-+H2O-2e-= SO42-+2H+。
12.(2024-2025高二上·浙江省浙里特色联盟·期中)氢能是理想清洁能源,氢能产业链由制氢、储氢和用氢组成。
(1)工业上常利用甲烷水蒸气重整制氢:
反应I:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH=+206kJ·mol−1
反应Ⅱ:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH=-41kJ·mol−1
①反应CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)的ΔH= kJ·mol−1。
②在一定温度下,向恒容密闭容器中通入CH4和H2O,下列说法正确的是 。
A.加入催化剂能提高CH4(g)平衡转化率
B.平衡时向容器中充入He(g),反应I平衡正向移动
C.继续通入CH4(g),能提高H2O(g)平衡转化率
D.反应体系中气体相对分子质量不变时到达化学平衡状态
(2)在一定温度下,向1L的密闭容器中通入1molCO(g)和molH2O(g),只发生反应Ⅱ:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),反应达平衡时H2O(g)的转化率50%,反应Ⅱ的平衡常数K= 。
(3)氢燃料清洁能源车辆的使用将减少空气中氮氧化物的含量,某氢氧燃料电池工作示意图如下。
①电极a的电极反应式是 。
②下列说法正确的是 。
A.b极是负极
B.OH-向a极移动
C.电池工作一段时间后,溶液中的会变大
D.有2mol电子经过驱动汽车,消耗H2为1mol
(4)反应H2+HCO3-HCOO-+H2O可用于储氢。
密闭容器中,其他条件不变,向含有催化剂的0.1mol·L-1 NaHCO3溶液中通入H2,HCOO-产率随温度变化如图所示。温度高于70℃,HCOO-产率下降的可能原因是 。
【答案】(1)+165 CD
(2)1
(3) H2-2e-+2OH-=2H2O BD
(4) NaHCO3受热分解,导致HCOO-产率下降
【解析】(1)采用盖斯定律计算甲烷与水反应生成二氧化碳和氢气的焓变,其气体与气体之间反应,影响平衡主要因素有压强、温度及浓度,具体情况具体分析;
(2)利用转化率计算各物质平衡时的浓度,再计算得到平衡常数;
(3)氢氧燃料电池工作原理为:氢气进入电极为负极发生氧化反应,氧气进入正极发生还原反应;
(4)储氢反应产率随着温度升高而增加,产率降低,反应属于吸热反应,但温度由70℃升温至80℃时,产率降低,碳酸氢钠受热易分解,反应物减少,产率降低;
【解析】(1)①根据盖斯定律计算,由反应I+Ⅱ可以计算出甲烷与水反应生成二氧化碳和氢气的焓变,ΔH=206-41=+165kJ·mol−1;②A.催化剂只能改变反应所需活化能,不能提高甲烷的平衡转化率,A错误;B.恒容密闭容器中,反应平衡时通入氦气,反应体系内,总体积不变,各物质浓度也不变,虽然总压升高,但是各物质分压也提高,平衡不移动,B错误;C.继续通入甲烷气体,平衡正向移动,水的转化率升高,C正确;D.由于反应前后化学计量数总和不等,当气体相对分子质量不变时,化学反应达到平衡状态,D正确;故选CD;
(2)根据反应列出三段式,平衡常数;
(3)①根据分析,电极a为负极,发生氧化反应,电极反应式为H2-2e-+2OH-=2H2O;②A.根据分析,a电极为负极,A错误;B.a电极发生反应消耗OH-,OH-要向a电极迁移,B正确;C.电池总反应式2H2+O2=2H2O,电池工作一段时间后,水的质量增加,溶液变稀,氢氧根离子浓度减小,pH减小,C错误;D.根据a电极的电极反应式,2mol电子经过驱动汽车,消耗氢气1mol,D正确;故选BD;
(4)根据分析,温度升高,产率增加,反应属于吸热反应,但温度高于70℃时,产率下降,可能是因为碳酸氢钠受热分解,导致产率降低。
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