高考化学二轮复习热考大题专攻练五平衡理论与应用.docx
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高考化学二轮复习热考大题专攻练五平衡理论与应用
热考大题专攻练(五)
平衡理论与应用
(满分56分,建议用时25分钟) 大题强化练,练就慧眼和规范,占领高考制胜点!
可能用到的相对原子质量:
H-1 C-12 N-14
O-16 Na-23 Mg-24 Al-27 Si-28 S-32 Cl-35.5 Fe-56 Cu-64 As-75 I-127
1.(14分)利用氨水吸收烟气中的二氧化硫,其相关反应的主要热化学方程式如下:
SO2(g)+NH3·H2O(aq)NH4HSO3(aq)ΔH1=akJ·mol-1
NH3·H2O(aq)+NH4HSO3(aq)(NH4)2SO3(aq)+H2O(l)ΔH2=bkJ·mol-1
2(NH4)2SO3(aq)+O2(g)2(NH4)2SO4(aq)ΔH3=ckJ·mol-1
(1)反应2SO2(g)+4NH3·H2O(aq)+O2(g)2(NH4)2SO4(aq)+2H2O(l)的
ΔH=_______kJ·mol-1。
(2)用空气氧化(NH4)2SO3的速率随温度的变化如右图所示,当温度超过60℃时,(NH4)2SO3氧化速率下降的原因可能是____________________。
(3)以磷石膏废渣和碳酸铵为原料制备硫酸铵,不仅解决了环境问题,还使硫资源获得二次利用。
反应的离子方程式为CaSO4(s)+C
(aq)S
(aq)+CaCO3(s),该反应的平衡常数K=________。
[已知Ksp(CaCO3)=2.9×10-9,Ksp(CaSO4)=9.1×10-6]
(4)(NH4)2SO4在工农业生产中有多种用途。
①将黄铜精矿(主要成分Cu2S)与硫酸铵混合后在空气中进行焙烧,可转化为硫酸铜同时产生氨气。
该反应的化学方程式为_____________________________。
②研究硫酸铵的分解机理有利于对磷石膏的开发。
在500℃下硫酸铵分解过程中得到4种产物,其含氮物质随时间变化关系如图甲所示。
写出该条件下硫酸铵分解的化学方程式,并用单线桥标出电子转移的方向及数目:
________。
③(NH4)2SO4是工业制备K2SO4的重要原料。
根据图乙中相关物质的溶解度曲线,简述工业上制备K2SO4晶体的设计思路:
________。
【解析】
(1)根据盖斯定律分析,将反应标记为①、②、③,则①×2+②×2+③即可得热化学方程式为2SO2(g)+4NH3·H2O(aq)+O2(g)2(NH4)2SO4(aq)+2H2O(l)的ΔH=(2a+2b+c)kJ·mol-1。
(2)因为温度过高(NH4)2SO3会分解,浓度减小,所以反应速率降低。
(3)该反应的平衡常数K=
=
=
=
=3138。
(4)①黄铜精矿与硫酸铵在氧气存在的条件下反应生成硫酸铜和氨气和水,反应方程式为2Cu2S+2(NH4)2SO4+5O24CuSO4+4NH3+2H2O。
②从图分析,硫酸铵分解生成的氮气和氨气的比例为1∶4,根据化合价分析,氮元素化合价升高,所以有硫元素化合价降低,产生二氧化硫,所以氮气和二氧化硫的比例为1∶3,根据原子守恒配平,反应方程式为3(NH4)2SO4N2↑+4NH3↑+3SO2↑+6H2O↑,在反应中氮原子失去电子,硫原子得到电子,转移6个电子。
③通过图象分析,NH4Cl的溶解度在80℃以上比较大,所以先配制较高温度的溶液,利用氯化钾和硫酸钾的溶解度随温度变化不大,进行结晶操作,故操作为配制较高温度(80~100℃)下的硫酸铵、氯化钾饱和混合溶液,冷却结晶,过滤、洗涤。
答案:
(1)(2a+2b+c)
(2)温度过高(NH4)2SO3会分解,浓度减小(或温度升高氧气在溶液中溶解度降低)
(3)3138(4)①2Cu2S+2(NH4)2SO4+5O24CuSO4+4NH3+2H2O
②
③配制较高温度(80~100℃)下的硫酸铵、氯化钾饱和混合溶液,冷却结晶,过滤、洗涤
2.(14分)一种煤炭脱硫技术可以把硫元素以CaSO4的形式固定下来,可以减少SO2的排放,但产生的CO又会与CaSO4发生化学反应,从而降低脱硫效率。
相关的热化学方程式如下:
①CaSO4(s)+CO(g)CaO(s)+SO2(g)+CO2(g)ΔH1=+210.5kJ·mol-1
②
CaSO4(s)+CO(g)
CaS(s)+CO2(g) ΔH2=-47.3kJ·mol-1
请回答下列问题:
(1)反应CaO(s)+3CO(g)+SO2(g)CaS(s)+3CO2(g) ΔH3=________kJ·mol-1;平衡时增大压强,此反应________(“正向”“逆向”或“不”)移动。
(2)已知298K时,Ksp(CaCO3)=m×10-p,Ksp(CaSO4)=n×10-q。
则反应:
CaCO3(s)+
S
(aq)CaSO4(s)+C
(aq)的平衡常数数值表示式为__________________
(用含m、n、p、q的式子表示)。
(3)用碘量法可测定排放烟气中二氧化硫的含量,请写出碘溶液与二氧化硫发生氧化还原反应的离子方程式_____________________
__________________________________;
(4)反应①②的平衡常数的对数lgK随反应T的变化曲线见图,其中曲线Ⅰ代表______________反应,P为两曲线交点,则在该温度下两反应均达平衡时,体系中c(SO2)=________mol·L-1,从减少二氧化硫排放的角度来考虑,本体系适宜的反应条件是____________。
A.低温低压 B.低温高压
C.高温高压 D.高温低压
【解析】
(1)由盖斯定律可知,反应CaO(s)+3CO(g)+SO2(g)CaS(s)+3CO2(g)
ΔH3=-ΔH1+4ΔH2=-399.7kJ·mol-1,增大压强,平衡向气体物质的量减小的方向移动,则应向正反应方向移动。
(2)CaCO3(s)+S
(aq)CaSO4(s)+C
(aq)的平衡常数数值表达式为
=
=
=
×10q-p。
(3)碘与二氧化硫发生氧化还原反应的方程式为I2+SO2+2H2OS
+2I-+4H+。
(4)由图象可知,曲线Ⅰ中,随着温度升高,lgK值减小,即K减小,则反应为放热反应,故曲线Ⅰ代表的应为反应②。
反应①的平衡常数K1=
反应②的平衡常数K2=
当P点时,曲线Ⅰ与曲线Ⅱ的平衡常数相同,则
=
所以c(SO2)=1mol·L-1;SO2的排放只与反应①有关,减小二氧化硫的排放,低温高压更有利于①中平衡逆向移动。
答案:
(1)-399.7 正向
(2)
×10q-p
(3)I2+SO2+2H2OS
+2I-+4H+
(4)②1B
3.(14分)发射航天火箭常用肼(N2H4)与N2O4作燃料与助燃剂。
(1)肼易溶于水,性质与氨相似,用电离方程式表示肼的水溶液显碱性的原因____________________________________。
(2)肼(N2H4)与N2O4的反应为2N2H4(l)+N2O4(g)3N2(g)+4H2O(g)
ΔH=-1077kJ·mol-1
已知反应相关的化学键键能数据如下:
化学键
N—H
N—N
N≡N
O—H
E/(kJ·mol-1)
390
190
946
460
则使1molN2O4(g)分子中化学键完全断裂时需要吸收的能量是________。
(3)N2O4与NO2之间存在反应N2O4(g)2NO2(g)。
将一定量的N2O4放入恒容密闭容器中,测得其平衡转化率[α(N2O4)]随温度变化如图所示。
①由图推测该反应ΔH________0(填“>”或“<”),理由为____________________
________,若要提高N2O4的转化率,除改变反应温度外,其他措施有____________
________________(要求写出一条)。
②图中a点对应温度下,已知N2O4的起始压强p0为108kPa,列式计算该温度下反应的平衡常数Kp=__________(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
③在一定条件下,该反应N2O4、NO2的消耗速率与自身压强间存在关系:
v(N2O4)=k1p(N2O4),v(NO2)=k2p2(NO2),其中k1、k2是与反应温度有关的常数。
相应的速率—压强关系如下图所示,一定温度下,k1、k2与平衡常数Kp的关系是k1=________,在下图标出的点中,能表示反应达到平衡状态的点为________,理由是________________________________。
【解析】
(1)根据题意,肼易溶于水发生电离:
N2H4·H2ON2+OH-,故溶液显碱性。
(2)设N2O4(g)分子中化学键的键能和为X,据热化学反应:
2N2H4(l)+N2O4(g)
3N2(g)+4H2O(g)
ΔH=8×390kJ·mol-1+2×190kJ·mol-1+X-3×946kJ·mol-1-8×460kJ·mol-1
=-1077kJ·mol-1,
解得X=1941kJ·mol-1。
因此使1molN2O4(g)分子中化学键完全断裂时需要吸收的能量是1941kJ。
(3)①由图象可知,温度越高,N2O4的转化率越大,故反应为吸热反应,ΔH>0。
反应正向是气体系数增大的反应,故可以减小体系压强使N2O4的转化率增大。
②设平衡时N2O4的转化率为α,假设开始加入的N2O4为1mol·L-1。
则
N2O4(g)2NO2(g)
开始(mol·L-1):
1 0
转化(mol·L-1):
α 2α
平衡(mol·L-1):
1-α 2α
因此
=
p0(N2O4)=
×108kPa=115kPa。
③根据题意:
v(N2O4)=k1p(N2O4),v(NO2)=k2p2(NO2),Kp=
故
=
=
平衡时NO2的消耗速率为N2O4消耗速率的2倍,则
=2,故k1=
k2Kp。
因为满足平衡条件v(NO2)(消耗)=2v(N2O4)(消耗),故B点与D点是平衡状态的点。
答案:
(1)N2H4·H2ON2+OH-(或N2H4+H2ON2+OH-)
(2)1941kJ
(3)①> 温度升高,α(N2O4)增加,说明平衡右移,该反应为吸热反应,ΔH>0 减小体系压强(或移出NO2等)
②
=
p0(N2O4)=
×108kPa=115kPa
③
k2Kp B点与D点 满足平衡条件v(NO2)(消耗)=2v(N2O4)(消耗)
【加固训练】
火力发电厂释放出大量的氮氧化物(NOx)、二氧化硫和二氧化碳等气体会对环境造成严重影响。
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)
ΔH1=-574kJ·mol-1
CH4(g)+4NO(g)2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)ΔH2=-1160kJ·mol-1则甲烷直接将NO2还原为N2的热化学方程式为____________________。
(2)脱碳。
将CO2转化为甲醇的热化学方程式为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
ΔH3
①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的关系曲线如上图所示,则上述CO2转化为甲醇的反应热ΔH3________0(填“>”“<”或“=”),该反应的平衡常数表达式为_________________________________。
②在一恒温恒容密闭容器中充入1molCO2和3molH2,进行上述反应。
测得CO2和CH3OH(g)的浓度随时间变化如图所示,试回答:
0~10min内,氢气的平均反应速率为__________mol·L-1·min-1。
第10min后,若向该容器中再充入1molCO2和3molH2,则再次达到平衡时CH3OH(g)的体积分数________(填“变大”“减少”或“不变”)。
(3)脱硫。
①有学者想利用如下图所示装置用原电池原理将SO2转化为重要的化工原料。
A、B是惰性电极,A极的电极反应式为__________________。
②某种脱硫工艺中将废气处理后,与一定量的氨气、空气反应,生成硫酸铵和硝酸铵的混合物,可作为化肥。
常温下,将NH4NO3溶解于水中,为了使该溶液中的N和N离子的物质的量浓度之比等于1∶1,可以采取的正确措施为( )
A.加入适量的硝酸,抑制N的水解
B.加入适量的氨水,使溶液的pH=7
C.加入适量的NaOH溶液,使溶液的pH=7
D.加入适量的NH4NO3
【解析】
(1)根据盖斯定律分析,(①+②)/2即可得热化学方程式为CH4(g)+2NO2(g)CO2(g)+2H2O(g)+N2(g) ΔH=
=
-867kJ·mol-1。
(2)①由图分析,最高点为平衡点,到平衡后,温度越高,甲醇的体积分数越小,说明平衡逆向移动,则正反应为放热反应。
化学平衡常数K=
。
②由图可知,10min时,反应已经到平衡,二氧化碳的浓度改变量为1.00mol·L-1
-0.25mol·L-1=0.75mol·L-1,所以10min内,v(CO2)=
=
0.075mol·L-1·min-1,v(H2)=3v(CO2)=0.225mol·L-1·min-1。
第10min后,向该容器中再充入1molCO2和3molH2,等效为增大压强,平衡向正反应方向移动,甲醇的体积分数变大。
(3)①该电池中,负极失去电子被氧化,所以负极上投放的是二氧化硫,二氧化硫失去电子和水反应生成硫酸根离子和氢离子,电极反应为SO2-2e-+2H2OS
+4H+。
②在硝酸铵溶液中因为铵根离子水解,所以N和N离子的物质的量浓度之比不是1∶1,要是铵根离子和硝酸根离子的物质的量的浓度比为1∶1,则使水解平衡逆向移动。
加入适量的硝酸,抑制铵根离子水解,但引入硝酸根离子,所以A错误;加入适量的氨水,使溶液显中性,根据电荷守恒,铵根离子浓度等于硝酸根离子浓度,B正确;加入适量的氢氧化钠,铵根离子和氢氧根反应生成一水合氨,C错误;加入适量的硝酸铵,溶液仍为酸性,铵根离子和硝酸的浓度仍不相等,D错误。
答案:
(1)CH4(g)+2NO2(g)CO2(g)+2H2O(g)+N2(g)ΔH=-867kJ·mol-1
(2)① ②0.225 变大 (3)SO2-2e-+2H2OS +4H+B 4.(14分)能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。 甲醇是一种可再生能源,具有广泛的开发和应用前景,因此甲醇被称为21世纪的新型燃料。 工业上用CO生产燃料甲醇,一定条件下发生反应: CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。 图1表示反应中能量的变化;图2表示一定温度下,在体积为2L的密闭容器中加入4molH2和一定量的CO后,CO和CH3OH(g)的浓度随时间变化图。 请回答下列问题: (1)在“图1”中,曲线________(填“a”或“b”)表示使用了催化剂;该反应属于________(填“吸热”或“放热”)反应。 (2)根据“图2”判断,下列说法不正确的是________。 A.起始充入的CO为1mol B.增加CO浓度,CO的转化率增大 C.容器中压强恒定时,反应已达平衡状态 D.保持温度和密闭容器容积不变,再充入1molCO和2molH2,再次达到平衡时n(CH3OH)/n(CO)会增大 (3)从反应开始到建立平衡,v(H2)=________;该温度下CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的化学平衡常数为________。 若保持其他条件不变,向平衡体系中再充入0.5molCO、1molH2、1.5molCH3OH,此反应进行的方向为________(填“正反应方向”或“逆反应方向”)。 (4)请在“图3”中画出平衡时甲醇蒸气百分含量(纵坐标)随温度(横坐标)变化的曲线,要求画压强不同的2条曲线(在曲线上标出p1、p2,且p1>p2)。 (5)科学家常用量热剂来直接测定某一反应的反应热,现测得: CH3OH(g)+ O2(g) CO2(g)+2H2O(g)ΔH=-192.9kJ·mol-1,又知H2O(l)H2O(g)ΔH= +44kJ·mol-1,请写出32g的CH3OH(g)完全燃烧生成液态水的热化学方程式 _________________________________。 【解析】 (1)由图可知,曲线b降低了反应所需的活化能,则b使用了催化剂,该反应中反应物的总能量大于生成物的总能量,则该反应为放热反应。 (2)图中起始时CO的浓度是1.00mol·L-1,容器体积为2L,则起始充入的CO为2mol,A错误;增加CO浓度,会促进氢气的转化,氢气的转化率增大,但CO的转化率减小,故B错误;该反应为反应前后气体系数不等的反应,则压强不变时,该反应达到平衡状态,故C正确;再充入1molCO和2molH2,体积不变,则相当于增大压强,平衡正向移动,再次达到平衡时n(CH3OH)/n(CO)会增大,故D正确。 (3)由图2可知,反应中减小的CO的浓度为1.00mol·L-1-0.25mol·L-1= 0.75mol·L-1,10min时达到平衡,则用CO表示的化学反应速率为 =0.075mol·L-1·min-1,则v(H2)=0.075mol·L-1·min-1×2= 0.15mol·L-1·min-1。 CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) 开始(mol·L-1)1 20 转化(mol·L-1)0.751.50.75 平衡(mol·L-1)0.25 0.50.75 则化学平衡常数K= =12。 向平衡体系中再充入0.5molCO、1molH2、1.5molCH3OH,则Q= =3 (4)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH<0, 升高温度,平衡逆向移动,甲醇的含量降低, 增大压强,平衡正向移动,甲醇含量升高,因此图象为 (5)根据盖斯定律甲醇完全燃烧生成液态水的热化学方程式CH3OH(g)+ O2(g) CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-280.9kJ·mol-1。 答案: (1)b 放热 (2)A、B (3)0.15mol·L-1·min-1 12 正反应方向 (4) (5)CH3OH(g)+ O2(g)CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-280.9kJ·mol-1 【方法规律】化学图象解题步骤 步骤1: 究原。 根据题目所给信息和图象信息,提取“起点”“拐点”“终点”的纵、横坐标数据,结合相关的化学反应原理,写出可能发生反应的化学方程式或离子方程式。 步骤2: 整合。 在解答这类题目时要注意认真观察、仔细分析图象,准确理解题意,弄清图象题中与曲线或直线变化有关的量,根据图象中给定的量变关系,在识图、究原的基础上,进一步将图象信息与反应原理结合起来,提取相关数据,找准切入点,进行推理、判断。
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