(15分)甲醇可作为燃料电池的原料。工业上利用CO2和H2在一定条件下反应合成甲醇。
(1)已知在常温常压下:
①2CH3OH(l) + 3O2(g) = 2CO2(g) + 4H2O(g) ΔH=-1275.6 kJ/mol
②2CO (g)+ O2(g) = 2CO2(g) ΔH=-566.0 kJ/mol
③H2O(g) = H2O(l) ΔH=-44.0 kJ/mol
写出甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式: 。
(2)甲醇脱氢可制取甲醛CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g),甲醇的平衡转化率随温度变化曲线如下图所示。回答下列问题:
①600K时,Y点甲醇的υ(逆) (正)(填“>”或“<”)
②从Y点到X点可采取的措施是______________________________________。
③有同学计算得到在t1K时,该反应的平衡常数为8.1mol·L-1。你认为正确吗?请说明理由 。
(3)纳米级Cu2O由于具有优良的催化性能而受到关注。在相同的密闭容器中,使用不同方法制得的Cu2O(Ⅰ)和(Ⅱ)分别进行催化CH3OH的脱氢实验:CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g)。CH3OH的浓度(mol·L-1)随时间t (min)变化如下表:
序号 |
温度 |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
① |
T1 |
0.050 |
0.0492 |
0.0486 |
0.0482 |
0.0480 |
0.0480 |
② |
T1 |
0.050 |
0.0488 |
0.0484 |
0.0480 |
0.0480 |
0.0480 |
③ |
T2 |
0.10 |
0.094 |
0.090 |
0.090 |
0.090 |
0.090 |
可以判断:实验①的前20 min的平均反应速率 ν(H2)= ;
实验温度T1 T2(填“>”、“<”);催化剂的催化效率:实验① 实验②(填“>”、“<”)。
(4)电解法可消除甲醇对水质造成的污染,原理是:通电将Co2+氧化成Co3+,然后Co3+将甲醇氧化成CO2和H+(用石墨烯吸附除去Co2+)。现用如下图所示装置模拟上述过程,
则Co2+在阳极的电极反应式为 ;除去甲醇的离子方程为 。
二氧化锰是化学工业中常用的氧化剂和有机合成中的催化剂,其主要制备方法是碳酸锰热分解,反应原理为2MnCO3+O22MnO2+2CO2。经研究发现该反应过程为①MnCO3MnO+CO2 ②2MnO+O22MnO2。
回答下列问题:
(1)某温度下该平衡体系的压强为P,CO2、O2的物质的量分别为n1和n2,用平衡分压代替平衡浓度,写出碳酸锰热分解反应的平衡常数表达式K= (分压=总压×物质的量分数);K与反应①、②的平衡常数K1、K2关系为 。
(2)反应②在低温下能自发进行,则其△H 0(填“>”、“<”、“=”)。
(3)某科研小组对碳酸锰热分解法制二氧化锰的条件(焙烧温度和气氛)进行了研究,获得如下三幅图。该制备反应合适的焙烧温度为 ,合适的含水量气氛条件为 。
(4)MnO2也可在MnSO4—H2SO4—H2O为体系的电解液中电解获得,其阳极的电极反应式为 ,电解后溶液的pH将 (填“增大”、“ 减小”或“不变”)。
【化学-选修2:化学与技术】
重铬酸钠俗称红矾钠(Na2Cr2O7·2H2O),是重要的化工产品和强氧化剂。工业制备红矾钠的流程如下:
(1)化学上可将某些盐写成氧化物的形式,如Na2SiO3可写成Na2O·SiO2,则Fe(CrO2)2可写成__________。
(2)煅烧铬铁矿时,矿石中难溶的Fe(CrO2)2生成可溶于水的Na2CrO4,反应化学方程式如下:4Fe(CrO2)2+ 8Na2CO3+7O2 = 2Fe2O3+8Na2CrO4+8CO2。为了加快该反应的反应速率,可采取的措施是___。(写一种即可)
(3)已知CrO42-在不同的酸性溶液中有不同的反应,如:
2CrO42-+2H+= Cr2O72-+H2O; 3CrO42-+4H+= Cr3O102-+2H2O
①往混合溶液甲中加入硫酸必须适量的是__________________________________________。
②混合溶液乙中溶质的化学式是_________________________________________________。
(4)在含Cr2O72-废水中存在着平衡:Cr2O72-+H2O2CrO42-+2H+,请写出该平衡的平衡常数表达式K=________,若继续加水稀释,平衡将_________移动(填“正向”、“逆向”“不”)。
(5)请配平碱性溶液还原法中发生的离子反应:
□Cr2O72-+□S2-+□H2O ——□Cr(OH)3+□S2O32-+□OH-
某硫酸厂用以下几种方法处理SO2尾气。
(1)活性炭还原法
反应原理:恒温恒容.2C (s)+2SO2(g)S2(g)+2CO2(g) 。
反应进行到不同时间测得各物质的浓度如图
①第一次出现平衡的时间是第 min;
②0~20min反应速率表示为V(SO2)= ;
③30 min时,改变某一条件平衡发生移动,则改变的条件最有可能是 ;40min时,平衡常数值为____。
(2)亚硫酸钠吸牧法
①Na2SO3溶液吸收SO2的离子方程式为 ;
②常温下,当吸收至pH=6时,吸收液中相关离子浓度关系一定正确的是____(填序号)
a.c(Na+)+c(H+) >c(SO32-)+c(HSO3-)+ c(OH-)
b.c(Na+) = c(SO32-)+ c(HSO3-)+ C(H2SO3)
c.c(Na+)> c(SO32-)> c(OH一)>c(H+)
d.水电离出c(OH一)=l×l0-8 mol/L,
(3)电化学处理法
如图所示,Pt(1)电极的反应式为 ;碱性条件下,用P(2)电极排出的S2O42-溶液吸收NO2,使其转化为N2,同时有SO32-生成。若阳极转移电子6mol,则理论上处理NO2气体 mol。
(14分)( I )在一个容积固定不变的密闭容器中进行反应:2X(g) + Y(g)2Z(g),已知将2molX和1molY充入该容器中,反应在绝热条件下达到平衡时,Z的物质的量为pmol。回答下列问题:
(1)若把2molX和1molY充入该容器时,处于状态I,达到平衡时处于状态II(如图1),则该反应的△H 0,熵变△S_____0 ( 填:“< ,> ,= ”)。该反应在 (填:高温或低温)条件下能自发进行。
(2)该反应的v-t图像如图2中左图所示。若其他条件不变,仅在反应前加入合适的催化剂,则其v-t图像如图2中右图所示。以下说法正确的是 。
①a1>a2 ②b1<b2 ③ t1>t2 ④ 右图中阴影部分面积更大 ⑤两图中阴影部分面积相等
(3)若该反应在容积可变的密闭容器中发生,在温度为T1、T2时,平衡体系中X的体积分数随压强变化曲线如图所示。下列说法正确的是 。
A.A、C两点的反应速率:A>C
B.A、C两点的气体密度:A<C
C.B、C两点的气体的平均相对分子质量:B<C
D.由状态B到状态A,可以用加热的方法
(II)在容积可变的密闭容器中发生反应:mA(g) + nB(g)pC(g) ,在一定温度和不同压强下达到平衡时,分别得到A的物质的量浓度如下表
压强p/Pa |
2×105 |
5×105 |
1×106 |
c(A)/mol·L-1 |
0.08 |
0.20 |
0.44 |
(1)当压强从2×105 Pa增加到5×105 Pa时,平衡 移动(填:向左,向右,不)。
(2)维持压强为2×105 Pa,当反应达到平衡状态时,体系中共有amol气体,再向体系中加入bmolB,当重新达到平衡时,体系中气体总物质的量是 mol.。
(3)当压强为1×106 Pa时,此反应的平衡常数表达式: 。
(4)其他条件相同时,在上述三个压强下分别发生该反应。2×105 Pa时,A的转化率随时间变化如下图,请在图中补充画出压强分别为5×105 Pa 和1×106 Pa时,A的转化率随时间的变化曲线(请在图线上标出压强)。
(本题共12分)氨是一种重要的化工产品。“一氧化碳变换”是合成氨原料气生产中的重要环节,其反应方程式为:CO(g) + H2O(g)CO2(g) + H2(g)
完成下列填空:
23.恒温恒容条件下,能说明该反应达到平衡状态的是 (填字母序号)。
a.ν(CO)消耗= ν(H2O)生成 b.c(CO2) = c(CO)
c.混合气体的总压不再改变 d.混合气体的密度不再改变
24.将不同量的CO(g)和H2O(g)分别通入体积为2L的恒容密闭容器中进行反应,得到如下三组数据:
实验组 |
温度/℃ |
起始量/mol |
平衡量/mol |
达到平衡所需时间/min |
||
|
|
CO |
H2O |
CO2 |
CO |
|
1 |
650 |
4 |
2 |
1.6 |
2.4 |
5 |
2 |
900 |
2 |
1 |
0.4 |
1.6 |
3 |
3 |
650 |
2 |
1 |
A |
B |
t |
①实验1中从反应开始到达到平衡,以H2的浓度变化表示的反应速率为 。
②A = 。
③平衡常数:K(900℃) K(650℃) (填“>”、“<”或“=”=)。
25.温度是一氧化碳变换中最重要的工艺条件,实际生产过程中将温度控制在400℃左右,可能的原因是 。
26.C、H、O、N元素中,核外电子占据5个不同轨道的原子,其最外层电子排布式是 。这四种元素形成的化合物 (填“一定是”、“一定不是”、“不一定是”)离子化合物。
27.能证明碳的非金属性比硅强的事实是 (选填编号)。
a.酸性:H2CO3强于H2SiO3 b.高温下SiO2与C生成Si和CO
c.键的极性:C-H > Si-H d.熔点:金刚石 > 单晶硅
(本题共12分)大约100年前,德国化学家哈伯(F.Haber)开始研究由氮气和氢气合成氨。一种工业合成氨的简易流程图如下:
28.天然气中的H2S杂质常用氨水吸收,产物为NH4HS。一定条件下向NH4HS溶液中通入空气,得到单质硫并使吸收液再生,写出再生反应的化学方程式:___________________________________________。
29.工业上可用组成为K2O·M2O3·2RO2·nH2O的无机材料纯化含某些杂质的原料氢气。已知元素M、R均位于元素周期表中第3周期,两种元素原子的质子数之和为27。R原子核外电子有_____种不同运动状态,最外层的p电子有_______种自旋方向。
30.常温下,不能与M单质发生反应的是_________(填序号)
A.CuSO4溶液
B.Fe2O3
C.浓硫酸
D.NaOH溶液
E.Na2CO3固体
步骤Ⅱ中制氢气原理如下:
①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)- 206.4 kJ
②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)+ 41.2 kJ
31.对于反应①,一定可以提高平衡体系中H2百分含量,又能加快反应速率的措施是 。
A.升高温度 B.增大水蒸气浓度 C.加入催化剂 D.降低压强
32.利用反应②,将CO进一步转化,可提高H2产量。若1 mol CO和H2的混合气体(CO的体积分数为20%)与H2O反应,得到1.18 mol CO、CO2和H2的混合气体,则CO转化率为__________。
33.依据温度对合成氨反应的影响,在下图坐标系中,画出一定条件下的密闭容器内,从通入原料气开始,随温度不断升高,NH3物质的量变化的曲线示意图。
近年来燃煤脱硫技术受到各界科研人员的重视,某脱硫技术涉及如下反应:
I CaSO4(s)+ CO(g)CaO(s)+SO2(g)+CO2(g) △H1=+218.4 kJ·mol-l
II CaO(s) +3CO(g)+SO2(g)CaS(s)+3CO2(g) △H2=-394.0 kJ·mol-l
(1)若用K1、K2分别表示反应I、II的化学平衡常数,则反应1/2CaSO4(s)+2CO(g)1/2CaS(s)+2CO2(g)的平衡常数K=_________(用含K1、K2的式子表示)
(2)某温度下在一密闭容器中若只发生反应I,测得数据如下:
t/s |
0 |
10 |
20 |
30 |
50 |
c(CO)mol/L |
3 |
1.8 |
1.2 |
0.9 |
0.9 |
前20 s 内v(SO2)=__________mo1·L-l·s-l,平衡时CO的转化率为__________。
(3)某科研小组研究在其它条件不变的情况下,改变起始一氧化碳物质的量,对反应IICaO(s) +3CO(g) +SO2 (g)CaS(s)+3CO2(g)的影响,实验结果如图所示(图中T表示温度):
①比较在a、b、c三点所处的平衡状态中,反应物SO2的转化率最高的是_______________。
②图像中T2_____T1(填“高于”、“低于”、“等于”或 “无法确定”)判断的理由是____________________。
为了减少煤燃烧对大气造成的污染,煤的气化和液化是高效、清洁利用煤炭的重要途径,而减少CO2气体的排放也是人类面临的重大课题.煤综合利用的一种途径如下所示:
(1)已知:C(s)+H2O(g)====CO(g)+H2(g) △H1=+131.3kJ•mol-1
C(s)+2H2O(g)====CO2(g)+2H2(g) △H2=+90kJ•mol-1
则一氧化碳与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式是 。
(2)将燃煤废气中的CO2转化为二甲醚的反应原理为:2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g);ΔH
①该反应平衡常数表达式为K= 。
②已知在某压强下,该反应在不同温度、不同投料比时,CO2的转化率如图所示。
该反应的ΔH________(填“>”、“<”或“=”)0。若温度不变,减小反应投料比[n(H2) /n(CO2)],则K将________(填“增大”、“减小”或“不变”)。
(3)一种新型氢氧燃料电池工作原理如下图所示。
①写出电极A的电极反应式 放电过程中,溶液中的CO32-将移向电极 (填A或B)
②以上述电池电解饱和食盐水,若生成0.2mol Cl2,则至少需通入O2的体积为 L(标准状况)
(14分)甲醇(CH3OH)和二甲醚(CH3OCH3)被称为21世纪的新型燃料。以CH4和H2O为原料制备二甲醚和甲醇的工业流程如下
(1)写出催化反应室1中在一定条件下进行的化学方程式: 。
(2)在压强为0.1MPa条件下,反应室3(容积为VL)中amolCO与2amolH2在催化剂作用下反应生成甲醇:CO(g) +2H2(g)CH3OH(g),CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示,
则:①P1 P2。(填“<”、“>”或“=”)
②在其它条件不变的情况下,反应室3再增加a mol CO与2a mol H2,达到新平衡时,CO的转化率 。(填“增大”、“减小”或“不变”)
③在P1压强下,100℃时,反应:CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)的平衡常数为 。(用含a、V的代数式表示)。
(3)下图为绿色电源“二甲醚燃料电池”的工作原理示意图,a电极的电极反应式为 。
(4)水煤气合成二甲醚的三步反应如下:
①2H2(g)+CO(g)CH3OH(g);ΔH=-90.8 kJ·mol-1
②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g);ΔH=-23.5kJ·mol-1
③CO(g)+H2O(g)CO2(g) + H2(g);ΔH=-41.3 kJ·mol-1
则反应:3H2(g) +3CO(g)CH3OCH3(g)+CO2(g)的ΔH= 。
煤化工是以煤为原料,经过化学加工使煤转化为气体、液体、固体燃料以及各种化工产品的工业过程。
(1)在煤的气化反应器中发生如下几种反应:
C(s)十H2O(g)=CO(g)+H2(g) △H1= +131kJ/mol
C(s)+O2(g)=CO2(g) △H2= —394kJ/mol
CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g) △H3= —283kJ/mol
则CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)△H=
(2)将不同量的CO(g)和H2O(g)分别通入到体积为2 L的恒容密闭容器中,进行反应
CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g),得到如下三组数据:
实验组 |
温度/℃ |
起始量/mol |
平衡量/mol |
反应达平衡时间/min |
||
CO |
H2O |
H2 |
CO |
|||
1 |
650 |
4 |
2 |
1.6 |
2.4 |
5 |
2 |
900 |
2 |
1 |
0.4 |
1.6 |
3 |
①实验l中以 CO2表示的反应速率为 。
②在900℃时,此反应的平衡常数K=
③若其它条件不变向实验2的平衡混合物中再加入0.4 mol H2O和0.4 mol CO2,达到新平衡时CO的转化率将 (变大、变小、不变)
(3)将标准状况下224mLCO2通入200mL 0.1 mol/L KOH溶液中,充分反应后得到溶液X,若不考虑溶液体积的变化,下列有关X的叙述不正确的是
A、c(OH-)=c(H+)+ c(HCO3—)+ 2c(H2CO3)
B、该溶液中,c(K+) > c(CO32—) > c(OH-) > c(HCO3—)> c(H+)
C、该溶液中,水电离出的c(OH-)大于水电离出的c(H+)
(4)以CO和O2为原料,用KOH作电解质组成燃料电池,则该电池负极的反应式为 。
若将该电池作电源,以石墨为电极电解硫酸铜溶液,当产生时0.64gCu,理论上至少需要消耗标况下的CO气体 mL
甲醇可通过将煤的气化过程中生成的CO和H2在一定条件下发生如下反应制得:CO(g) + 2H2(g)=CH3OH(g)
请根据下图回答下列问题:
(1)从反应开始到平衡,用CO浓度变化表示平均反应速率v(CO)=____mol / (L·min)。
(2)写出该反应的热化学方程式____________________________________________
(3)恒容条件下,下列措施中能使 n(CO) n(CH3OH)增大的有 。
A.升高温度 B.充入He气
C.再充入1 mol CO和2 mol H2 D.使用催化剂
(4)若在温度和容积相同的三个密闭容器中,按不同方式投入反应物,测得反应达到平衡时的有关数据如下表:
容器 |
反应物投入的量 |
反应物的转化率 |
CH3OH的浓度 |
能量变化(Q1、Q2、Q3均大于0) |
甲 |
1 mol CO和2 mol H2 |
a1 |
c1 |
放出Q1kJ热量 |
乙 |
1mol CH3OH |
a2 |
c2 |
吸收Q2kJ热量 |
丙 |
2mol CO和4 mol H2 |
a3 |
c3 |
放出Q3kJ热量 |
则下列关系正确的是:
A. c1=c2
B.2Q1=Q3 ……
C.2a1=a3
D. a1+ a3=1
E.该反应若生成1 mol CH3OH,则放出(Q1+ Q2)kJ热量
(5)若在一体积可变的密闭容器中充入1molCO、2mol H2和1mol CH3OH,达到平衡时测得混合气体的密度是同温同压下起始的1.6倍,则该反应向 (填“正”、“逆”)反应方向移动,理由是由质量守恒,密度为原来的1.6倍,所以体积缩小,平衡正移。
I.还原剂还原法、光催化氧化法、电化学吸收法是减少氮氧化物排放的有效措施。
(1)利用炭粉可以将氮氧化物还原。
已知:N2(g)+O2(g)=2NO(g) ΔH=+180.6 kJ·mol-1
C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH=-393.5 kJ·mol-1
反应:C(s)+2NO(g)=CO2(g)+N2(g) ΔH=_____kJ·mol-1。
(2)TiO2在紫外线照射下会使空气中的某些分子产生活性基团OH,OH能将NO、NO2氧化,如下图所示,OH与NO2的反应为NO2+OH=HNO3。
写出OH与NO反应的化学方程式:_____________。
II.甲醇、乙醇是重要的有机化工原料,有着重要的用途和应用前景。
(3)若在恒温恒容的容器内进行反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),则可用来判断该反应达到平衡状态的标志有 (填字母)。
A.H2百分含量保持不变 |
B.容器中气体的压强保持不变 |
C.容器中混合气体的密度保持不变 |
D.2v(H2)正= v(CH3OH )逆 |
(4)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) 其平衡常数表达式为K=___________。该反应的平衡常数K 随温度T 的变化如图所示,
则该反应的 △H 0。(填“>”、“<”或“=”)。已知该反应在300℃时的化学平衡常数为0.27,该温度下将2 mol CO、3 mol H2和2 mol CH3OH充入容积为2 L的密闭容器中,此时反应将 (填“向正反应方向进行”、“向逆反应方向进行”或“处于平衡状态”)。
(5)下图所示是一种酸性燃料电池乙醇检测仪,具有自动吹气流量侦测与控制的功能,适合进行现场乙醇检测。负极反应式为_________。
I.已知存在如下反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+ H2(g)。800℃时,该反应化学平衡常数K=1.0,某时刻测得该温度下密闭容器中各物质的物质的量见下表:
此时反应中正、逆反应速率的关系式是 (填代号)。
a.(正)(逆) b.(正) < (逆)
c.(正) = (逆) d.无法判断
II.如图所示,A是恒容的密闭容器,B是一个透明气囊。保持恒温,关闭K2,将各1 mol NO2通过K1、K3分别充入A、B中,反应起始时A、B的体积相同均为a L。
①B中可通过________________判断可逆反应2NO2N2O4已经达到平衡。
②若平衡后在A容器中再充入0.5mol N2O4,则重新到达平衡后,平衡混合气中NO2的体积分数____(填“变大”“变小”或“不变”)。
③若容器A中到达平衡所需时间t s,达到平衡后容器内压强为起始压强的0.8倍,则平均化学反应速率v(NO2)等于____________________。
④若打开K2,平衡后B容器的体积缩至0.4a L,则打开K2之前,气球B体积为______L。
III.一定条件下,用甲烷可以消除氮氧化物(NOx)的污染。已知:
CH4(g) + 4NO(g) = 2N2(g) + CO2(g) + 2H2O(g); △H1= -1160kJ/mol
CH4(g) + 4NO2(g) =" 4NO(g)" + CO2(g) + 2H2O(g);△H2
现有一份在相同条件下对H2的相对密度为17的NO与NO2的混合气体,用16g甲烷气体催化还原该混合气体,恰好生成氮气、二氧化碳气体和水蒸气,共放出1042.8kJ热量。则△H2=___________。
A、B、C、D、E、F是六种短周期主族元素,它们的原子序数依次增大,其中C、F分别是同一主族元素,A、F两种元素的原子核中质子数之和比C、D两种元素原子核中质子数之和少2,F元素的最外层电子数是次外层电子数的0.75倍。又知B元素的最外层电子数是内层电子数的2倍,E元素的最外层电子数等于其电子层数。请回答:
(1)1 mol由E、F二种元素组成的化合物跟由A、C、D三种元素组成的化合物反应生成两种盐和水,完全反应后消耗后者的物质的量为 。
(2)A、C、F间可以形成甲、乙两种负一价双原子阴离子,甲有18个电子,乙有10个电子,则甲与乙反应的离子方程式为 ;
(3)科学研究证明:化学反应热只与始终态有关,与过程无关。单质B的燃烧热为a kJ/mol。由B、C二种元素组成的化合物BC 14g完全燃烧放出热量b kJ,写出单质B和单质C反应生成BC的热化学方程式
;
(4)工业上在高温的条件下,可以用A2C与BC反应制取单质A2。在等体积的I、II两个密闭容器中分别充入1 molA2C和1mol BC、2 mol A2C和2 mol BC。一定条件下,充分反应后分别达到平衡(两容器温度相等)。下列说法正确的是 。
A.达到平衡所需要的时间:I>II
B.达到平衡后A2C的转化率:I=II
C.达到平衡后BC的物质的量:I>II
D.达到平衡后A2的体积分数:I<II
(5)用B元素的单质与E元素的单质可以制成电极浸入由A、C、D三种元素组成化
合物的溶液中构成电池,则电池负极反应式为 。