燃煤能排放大量的CO、CO2、SO2,PM2.5(可入肺颗粒物)污染也跟冬季燃煤密切相关。SO2、CO、CO2也是对环境影响较大的气体,对它们的合理控制、利用是优化我们生存环境的有效途径。
(1)如图所示,利用电化学原理将SO2转化为重要化工原料C
若A为SO2,B为O2,则负极的电极反应式为:________________________;
(2)有一种用CO2生产甲醇燃料的方法:CO2+3H2CH3OH+H2O
已知:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=-a kJ·mol-1;
2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)△H=-b kJ·mol-1;
H2O(g)=H2O(l)△H=-c kJ·mol-1;
CH3OH(g)=CH3OH(l)△H=-d kJ·mol-1,
则表示CH3OH(l)燃烧热的热化学方程式为:____________________________;
(3)光气 (COCl2)是一种重要的化工原料,用于农药、医药、聚酯类材料的生产,工业上通过Cl2(g)+CO(g)COCl2(g)制备。左图为此反应的反应速率随温度变化的曲线,右图为某次模拟实验研究过程中容器内各物质的浓度随时间变化的曲线。回答下列问题:
① 0~6 min内,反应的平均速率v(Cl2)= ;
② 若保持温度不变,在第7 min 向体系中加入这三种物质各2 mol,则平衡 移动(填“向正反应方向”、“向逆反应方向”或“不”);
③ 若将初始投料浓度变为c(Cl2)=0.7 mol/L、c(CO)=0.5 mol/L、c(COCl2)= mol/L,保持反 应温度不变,则最终达到化学平衡时,Cl2的体积分数与上述第6 min时Cl2的体积分数相同;
④ 随温度升高,该反应平衡常数变化的趋势是 ;(填“增大”、“减小”或“不变”)
⑤比较第8 min反应温度T(8)与第15 min反应温度T(15)的高低:T(8)______________T(15)(填“<”、“>”或“=”)。
钛冶炼厂与氯碱厂、甲醇厂组成一个产业链(如图所示),将大大提高资源的利用率,减少环境污染。
请回答下列问题:
(1)Fe位于元素周期表中第________________周期,第_______________族。
(2)写出钛铁矿在高温下与焦炭经氯化得到四氯化钛的化学方程式 。
(3)制备TiO2的方法之一是利用TiCl4水解生成TiO2·x H2O,再经焙烧制得。水解时需加入大量的水并加热,请结合化学方程式和必要的文字说明原因:
(4)反应后得到Mg、MgCl2、Ti的混合物,可采用真空蒸馏的方法分离得到Ti,依据下表信息,需加热的温度略高于 ℃即可。
|
TiCl4 |
Mg |
MgCl2 |
Ti |
熔点/℃ |
-25.0 |
648.8 |
714 |
1667 |
沸点/℃ |
136.4 |
1090 |
1412 |
3287 |
(5)用氧化还原滴定法测定TiO2的质量分数:一定条件下,将TiO2溶解并还原为Ti3+,再以KSCN溶液作指示剂,用NH4Fe(SO4)2标准溶液滴定Ti3+至全部生成Ti4+。滴定分析时,称取TiO2(摩尔质量为M g/mol)试样w g,消耗c mol/L NH4Fe(SO4)2标准溶液V mL,则TiO2质量分数为___________________。(用代数式表示)
(6)由CO和H2合成甲醇的方程式是:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。若不考虑生产过程中物质的任何损失,上述产业链中每合成6mol甲醇,至少需额外补充H2 mol。
某市对大气进行监测,发现该市首要污染物为可吸入颗粒物PM2.5(直径小于等于2.5um的悬浮颗粒物)其主要来源为燃煤、机动车尾气等。因此,对PM2.5、SO2、NOx等进行研究具有重要意义。
请回答下列问题:
(1)将PM2.5样本用蒸馏水处理制成待测试样。若测得该试样所含水溶性无机离子的化学组分及其平均浓度如下表:
离子 |
K+ |
Na+ |
NH4+ |
SO42- |
NO3- |
Cl- |
浓度/mol·L-1 |
4×10-6 |
6×10-6 |
2×10-5 |
4×10-5 |
3×10-5 |
2×10-5 |
根据表中数据判断试样的pH约为 。
(2)为减少SO2的排放,常采取的措施有:
①将煤转化为清洁气体燃料。已知:
2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)K1
2C(s)+O2(g)=2CO(g)K2
C(s)+ H2O(g)=CO(g)+ H2(g)K=____ ___(用含K1、K2的式子表示)。
②洗涤含SO2的烟气。以下物质可作洗涤剂的是 。
A.Ca(OH)2 B.Na2CO3 C.CaCl2 D.NaHSO3
(3)汽车尾气中有NOx和CO的生成及转化为
①已知气缸中生成NO的反应为:N2 (g)+O2(g)2NO(g)△H0
若1mol空气含0.8molN2和0.2molO2,1300℃时在密闭容器内反应达到平衡,测得NO为8×10-4mol。计算该温度下的平衡常数K= 。
②汽车燃油不完全燃烧时产生CO,有人设想按下列反应除去CO,2CO(g)=2C(s)+O2(g)。已知该反应的△H0,简述该设想能否实现的依据 。
③目前,在汽车尾气系统中装置催化转化器可减少CO和NO的污染,其化学反应方程式为 。
(1)已知常温常压下:
①2CH3OH(l)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(g)△H=-1275.6kJ/mol
②H2O(l)=H2O(g)△H=+44.0kJ/mol
写出甲醇燃烧的热化学方程式________________________。
(2)甲醇是一种重要的化工原料,又是一种可再生能源,具有开发和应用的广阔前景。工业上用如下方法好处甲醇:
①方法一:该反应的△S__ ___0(填“>”或“<”)。图中曲线a到曲线b的措施是____ _____,恒温恒容时,下列说法能说明反应到达平衡状态的是___ _____。
A.体系的平均摩尔质量不再改变 | B.V(CO)=V(CH3OH) |
C.H2的转化率达到了最大限度 | D.△H不再改变 |
②方法二:将CO2和H2按物质的量之比1:3充入体积为2.0L的恒容密闭容器中反应,如图两条曲线分别表示压强为0.1MPa和5.0MPa下CO2转化率随温度的变化关系,其中a点的平衡常数表达式为:___________;a,b两点化学反应速率别用Va、Vb表示,则Va__ ___Vb(填“大于”、“小于”或“等于”)。已知原子利用率=期望产物的总质量与生成物的总质量之比,则方法二的原子利用率与方法一的原子利用率之比为__ _。
(3)甲醇对水质会造成一定的污染,有一种电化学法可消除这种污染,其原理是通电后将Co2+氧化成Co3+,然后以Co3+做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO2而净化。写出除去甲醇的离子方程式____ _____。
工业上合成氨的反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)ΔH=-92.60 kJ·mol-1。
(1)在绝热、容积固定的密闭容器中发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g),下列说法能说明上述反应向正反应方向进行的是____________________(填序号)。
①单位时间内生成2n mol NH3的同时生成3n mol H2
②单位时间内生成6n mol N—H键的同时生成2n mol H—H键
③用N2、H2、NH3的物质的量浓度变化表示的反应速率之比为1∶3∶2
④混合气体的平均摩尔质量增大
⑤容器内的气体密度不变
(2)已知合成氨反应在某温度下2 L的密闭容器中进行,测得如下数据:
根据表中数据计算:
①反应进行到2 h时放出的热量为_________________kJ。
②此温度下该反应的化学平衡常数K=_________________(保留两位小数)。
③反应达到平衡后,若往平衡体系中再加入N2、H2和NH3各1.00 mol,化学平衡将向________________方向移动(填“正反应”或“逆反应”或“不移动”)。
④有甲、乙两个完全相同的容器,向甲容器中加入1 mol N2(g)和6mol H2(g),在一定条件下达到平衡时的热效应(吸热或放热)为Q,在相同条件下向乙容器中加入2 mol NH3(g)和3mol H2(g),达到平衡时的热效应(放热或吸热)为4Q。则甲容器中H2的转化率为________________。
火力发电厂释放出大量氮氧化合物(NOx)、SO2和CO2等气体会造成环境问题。对燃煤废气进行脱硝、脱硫和脱碳等处理,可实现绿色环保、节能减排、废物利用等目的。
(1)脱硝。利用甲烷催化还原NOx:
CH4(g)+ 4NO2(g)=4NO(g)+ CO2(g)+ 2H2O(g) △H1=-574 kJ/mol
CH4(g)+ 4NO(g)=2N2(g)+ CO2(g)+ 2H2O(g) △H2=-1160 kJ/mol
甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为 。
(2)脱碳。将CO2转化为甲醇:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H3
①在一恒温恒容密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2进行上述反应。测得CO2和CH3OH(g)浓度随时间变化如图1所示。回答:0~10 min内,氢气的平均反应速率为 mol/(L·min);第10 min后,保持温度不变,向该密闭容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g),则平衡 (填“正向”、“逆向”或“不”)移动。
②如图2,25℃时以甲醇燃料电池(电解质溶液为稀硫酸)为电源来电解300mL 某NaCl溶液,正极反应式为 。在电解一段时间后,NaCl溶液的pH值变为13(假设NaCl溶液的体积不变),则理论上消耗甲醇的物质的量为 mol。
③取五份等体积的CO2和H2的混合气体(物质的量之比均为1∶3),分别加入温度不同、容积相同的恒容密闭容器中,发生上述反应,反应相同时间后,测得甲醇的体积分数φ(CH3OH)与反应温度T的关系曲线如图3所示,则上述CO2转化为甲醇的反应的△H3 0(填“>”、“<”或“=”)。
(3)脱硫。燃煤废气经脱硝、脱碳后,与一定量氨气、空气反应,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,溶液中滴人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+) c(NH3·H2O)。(填“>”、“<”或“=”)
用NH3催化还原NxOy可以消除氮氧化物的污染。
已知:反应I: 4NH3(g)+6NO(g) 5N2(g)+6H2O(l) △H1
反应II: 2NO(g)+O2(g) 2NO2(g) △H2(且|△H1| =2|△H2|)
反应III:4NH3(g)+6NO2(g) 5N2(g)+3O2(g)+6H2O(l) △H3
反应I和反应II在不同温度时的平衡常数及其大小关系如下表
温度/K |
反应I |
反应II |
已知: |
298 |
K1 |
K2 |
|
398 |
K1′ |
K2′ |
(1)△H3 = (用△H1、△H2 的代数式表示);推测反应III是 反应(填“吸热”或“放热”)
(2)相同条件下,反应I在2L密闭容器内,选用不同的催化剂,反应产生N2的量随时间变化如图所示。
①计算0~4分钟在A催化剂作用下,反应速率v(NO)= 。
②下列说法不正确的是 。
A.单位时间内H-O键与N-H键断裂的数目相等时,说明反应已经达到平衡
B.若在恒容绝热的密闭容器中发生反应,当K值不变时,说明反应已经达到平衡
C.该反应的活化能大小顺序是:Ea(A)>Ea(B)>Ea(C)
D.增大压强能使反应速率加快,是因为增加了活化分子百分数
(3)一定条件下,反应II达到平衡时体系中n(NO)∶n(O2)∶n(NO2)=2∶1∶2。恒温恒压时,在其它条件不变时,再充入NO2气体, NO2体积分数 (填“变大”、“变小”或“不变”)
(4)电化学气敏传感器可用于监测环境中NH3的含量,其工作原理示意图如下,溶液中OH-向电极 移动(填a或b),负极的电极反应式为 。
运用化学反应原理研究氮、硫等单质及其化合物的反应有重要意义。
(1)硫酸生产过程中2SO2(g)+O2(g)2SO3(g),平衡混合体系中SO3的百分含量和温度的关系如图所示,根据下图回答下列问题:
①2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)的△H______0(填“>”或“<”)。
②一定条件下,将SO2与O2以体积比2:1置于一体积不变的密闭容器中发生以上反应,能说明该反应已达到平衡的是___________(填字母编号)。
a.体系的密度不发生变化
b.SO2与SO3的体积比保持不变
c.体系中硫元素的质量百分含量不再变化
d.单位时间内转移4 mol 电子,同时消耗2 mol SO3
e.容器内的气体分子总数不再变化
(2)一定的条件下,合成氨反应为:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。图1表示在此反应过程中的能量的变化,图2表示在2L的密闭容器中反应时N2的物质的量随时间的变化曲线。图3表示在其他条件不变的情况下,改变起始物氢气的物质的量对此反应平衡的影响。
①该反应的平衡常数表达式为 ,升高温度,平衡常数 (填“增大”或“减小”或“不变”)。
②由图2信息,计算0~10min内该反应的平均速率v(H2)= ,从11min起其它条件不变,压缩容器的体积为1L,则n(N2)的变化曲线为 (填“a”或“b”或“c”或“d”)。
③图3 a、b、c三点所处的平衡状态中,反应物N2的转化率最高的是 点,温度T1 T2(填“>”或“=”或“<”)
(3)若将等物质的量的SO2与NH3溶于水充分反应,所得溶液呈 性,所得溶液中c(H+)- c(OH-)= (填写表达式)(已知:H2SO3:Ka1=1.7×10-2,Ka2=6.0×10-8,NH3·H2O:Kb=1.8×10-5)。
肼(N2H4)与N2O4,是火箭发射中最常用的燃料与助燃剂。
(1)已知
则使1 mol N2O4 (l)完全分解成相应的原子时需要吸收的能量是 。
(2)800℃时,某密闭容器中存在如下反应:,若开始向容器中加入1 mol/L的NO2,反应过程中NO的产率随时间的变化如下图曲线I所示。
①反应Ⅱ相对于反应I而言,改变的条件可能是 。
②请在图中绘制出在其它条件与反应I相同时,反应在820℃时进行,NO的产率随时间的变化曲线。
③800℃时,若开始时向容器中同时加入1 mol/L NO、0.2 mol/L O2、0.5 mol/L NO2,则v(正)____v(逆)。
(3)己知,t时,将一定量的NO2、N2O4,充人一个容器为2L的恒容密闭容器中,浓度随时间变化关系如下表所示:
①c( X)代表 (填化学式)的浓度,该反应的平衡常数K= 。
②前10 min内用NO2表示的反应速率为 ,20 min时改变的条件是 ;重新达到平衡时,NO2的百分含量 (填选项前字母)。
a.增大 b.减小 c.不变 d.无法判断
A是由导热材料制成的密闭容器,B是一耐化学腐蚀且易于传热的气球。关闭K2,将等量且少量的NO2通过K1、K3分别充人A、B中,反应起始时,A、B的体积相同。(已知:2NO2 N2O4;△H<0)
(1)一段时间后,反应达到平衡,此时A、B中生成的N2O4的速率是VA___VB。(填“>”、“<”、“=”);若打开活塞K2,气球B将_____(填:变大、变小、不变)。
(2)若在A、B中再充入与初始量相等的NO2,则达到平衡时,NO2的转化率αA将______(填增大或减小、不变);若通入等量的Ne气,则达到平衡时,A中NO2的转化率将_____,B中NO2的转化率将_______(填: 变大、变小、不变)。
(3)室温下,若A、B都保持体积不变,将A套上一个绝热层,B与外界可以进行热传递,则达到平衡时,_____中的颜色较深。
(4)若在容器A中充入4.6g的NO2,达到平衡后容器内混合气体的平均相对分子质量为57.5,则平衡时N2O4的物质的量为___
煤化工中两个重要反应为①C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g) ΔH=+131.3 kJ·mol-1,②CO(g)+ H2O(g)CO2(g) + H2(g)。
(1)下列说法正确的是 。
A.当反应①的容器中混合气体的密度不再变化时反应达到最大限度 |
B.反应②的熵变△S >0 |
C.反应①中增加C固体的量能增大反应速率 |
D.在反应中②及时分离出产生的H2对正反应速率无影响 |
(2)若工业上要增加反应①的速率,最经济的措施为 。
(3)现将不同量的CO(g)和H2O(g)分别通入2L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 |
H2 |
CO2 |
|||
I |
650 |
4 |
2 |
1.6 |
1.6 |
5 |
Ⅱ |
900 |
2 |
1 |
0.5 |
0.5 |
3 |
Ⅲ |
900 |
a |
b |
c |
d |
t |
①实验I中,从反应开始到反应达到平衡时,H2O的平均反应速率为___。
②CO(g)和H2O(g)反应的△H 0(填“大于”、“小于”或“等于”)
③实验III中,若平衡时,CO的转化率大于水蒸气,则a、b必须满足的关系是_____,与实验Ⅱ相比,化学平衡常数 (填“增大”、“减小”或“不变”)。
④若在900℃时,实验II反应达到平衡后,向此容器中再加入1 mol CO、0.5 mol H2O、0.2 mol CO2、0.5 mol H2,平衡向________方向移动(填“正反应”、“逆反应”“不移动”)。
(4)CO、H2可用于甲醇和甲醚,其反应为(m、n均大于0):
反应①:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH= -mkJ·mol-1
反应②: 2CO(g)+4 H2(g)CH3OCH3(g) +H2O(g) ΔH=-nkJ·mol-1
反应③:2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+ H2O(g) △H<0
则m与n的关系为 。
(共12分)红矾钠(重铬酸钠:Na2Cr2O7·2H2O)是重要的化工原料,工业上用铬铁矿(主要成分是FeO·Cr2O3)制备红矾钠的过程中会发生如下反应:4FeO(s)+Cr2O3(s)+8Na2CO3(s)+7O2(g)8Na2CrO4(s)+2Fe2O3(s)+8CO2(g) ΔH<0
(1)请写出上述反应的化学平衡常数表达式:K=__________________。
(2)图1、图2表示上述反应在t1时达到平衡,在t2时因改变某个条件而发生变化的曲线。
由图1判断,反应进行至t2时,曲线发生变化的原因是________________(用文字表达);
由图2判断,t2到t3的曲线变化的原因可能是________(填写序号)。
a.升高温度 b.加了催化剂 c.通入O2 d.缩小容器体积
(3)工业上可用上述反应中的副产物CO2来生产甲醇:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g),
①已知该反应能自发进行,则下列图像正确的是________________
②在容积为2L的密闭容器中,由CO2和H2合成甲醇,在其他条件不变得情况下,考查温度对反应的影响,实验结果如图所示(注:T1、T2均大于300℃);下列说法正确的是______(填序号)
A.温度为T1时,从反应开始到平衡,生成甲醇的平均速率:v(CH3OH)= mol·L-1·min-1 |
B.该反应在T1时的平衡常数比T2时的小 |
C.该反应为放热反应 |
D.处于A点的反应体系从T1变到T2,达到平衡时增大 |
③在T1温度时,将1molCO2和3molH2充入一密闭恒容器中,充分反应达到平衡后,CO2转化率为a,则容器内的压强与起始压强之比为___________。
工业合成氨与制备硝酸一般可连续生产,流程如图所示:
(1)工业生产时,制取氢气的一个反应为:CO+H2O(g)CO2+H2 T℃时,往1L密闭容器中充入0.2mol CO和0.3mol水蒸气。反应建立平衡后,体系中c(H2)=0.12mol·L-1。该温度下此反应的平衡常数K=_____(填计算结果)。
(2)合成塔中发生反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g);△H<0。下表为不同温度下该反应的平衡常数。由此可推知,表中T1____300℃(填“>”、“<”或“=”)。
(3)N2和H2以铁作催化剂从145℃就开始反应,不同温度下NH3的产率如右图所示。温度高于900℃时,NH3产率下降的原因是 。
(4)硝酸厂的尾气直接排放将污染空气,目前科学家探索利用燃料气体中的甲烷等将氮氧化物还原为氮气和水,其反应机理为:
CH4(g)+4NO2(g)=4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g); △H=-574kJ·mol-1;
CH4(g)+4NO(g)=2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g); △H=-1160kJ·mol-1
则甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为: 。
(5)氨气在纯氧中燃烧,生成一种单质和水。科学家利用此原理,设计成氨气-氧气燃料电池,则通入氨气的电极碱性条件下发生反应的电极反应式为 。
(16分)FeCl3具有净水作用,但腐蚀设备,而聚合氯化铁是一种新型的絮凝剂,处理污水比FeCl3高效,且腐蚀性小。请回答下列问题:(16分)
(1)FeCl3净水的原理是 。FeCl3溶液腐蚀钢铁设备,除H+作用外,另一主要原因是(用离子方程式表示) 。
(2)为节约成本,工业上用NaClO3氧化酸性FeCl2废液得到FeCl3。
①若酸性FeCl2废液中各离子浓度如下:则该溶液的pH约为 。
c(Fe2+)=2.0×10-2mol·L-1,c(Fe3+)=1.0×10-3mol·L-1, c(Cl-)=5.3×10-2mol·L-1,
②NaClO3能在酸性条件下氧化FeCl2,写出离子方程式:
(3)FeCl3在溶液中分三步水解:
Fe3++H2O Fe(OH)2++H+ K1
Fe(OH)2++H2OFe(OH)2++H+ K2
Fe(OH)++H2OFe(OH)3+H+ K3
以上水解反应的平衡常数K1、K2、K3由大到小的顺序是 。
通过控制条件,以上水解产物聚合,生成聚合氧化铁,离子方程式为: xFe3++yH2OFex(OH)y(3x-y)++yH+
欲使平衡正向移动可采用的方法是(填序号) 。
a.降温 b.加水稀释 c.加入NH4Cl d.加入NaHCO3
室温下,使氯化铁溶液转化为高浓度聚合氯化铁的关键条件是 。
(4)天津某污水处理厂用氯化铁净化污水的结果如下图所示。
由图中数据得出每升污水中投放聚合氯化铁[以Fe(mg·L-1)表示]的最佳范围约为 mg·L-1。
甲醇(CH3OH)是一种重要的化工原料,也是一种比较理想的燃料。甲醇在各个领域有着广泛的应用。
(1)实验测得:32 g甲醇在氧气中完全燃烧,生成二氧化碳气体和液态水时释放出726.4 kJ的热量,试写出甲醇燃烧的热化学方程式:________________。
(2)燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。下图是一个化学过程的示意图。2CH3OH+3O2+4KOH K2CO3+6H2O
①A(石墨)电极的名称是 。
②通入O2的电极的电极反应式是 。
③写出通入CH3OH的电极的电极反应式是 。
④乙池中反应的化学方程式为 。
⑤当电路中通过0.01mol电子时,丙池溶液的C(H+) = mol/L(忽略电解过程中溶液体积的变化)。
(3)合成甲醇的主要反应是:2H2(g)+ CO(g)CH3OH(g) △H=—90.8 kJ·mol—1。
①在恒温恒容条件下,充入一定量的H2和CO,发生反应2H2(g)+ CO(g) CH3OH(g)。则该反应达到平衡状态的标志有
a.混合气体的密度保持不变
b.混合气体的总压强保持不变
c.CO的质量分数保持不变
d.甲醇的浓度保持不变
e.v正(H2)= v逆(CH3OH)
f.v(CO)= v(CH3OH)
②要提高反应2H2(g)+ CO(g) CH3OH(g)中CO的转化率,可以采取的措施是:
a.升温
b.加入催化剂
c.增加CO的浓度
d.加入H2
e.加入惰性气体
f.分离出甲醇