备战高考化学化学反应原理综合考查大题培优 易错 难题.docx
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备战高考化学化学反应原理综合考查大题培优易错难题
备战高考化学化学反应原理综合考查(大题培优易错难题)
一、化学反应原理综合考查
1.
近年来,随着聚酯工业的快速发展,氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。
因此,将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。
回答下列问题:
(1)Deacon发明的直接氧化法为:
4HCl(g)+O2(g)=2Cl2(g)+2H2O(g)。
下图为刚性容器中,进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系:
可知反应平衡常数K(300℃)____________K(400℃)(填“大于”或“小于”)。
设HCl初始浓度为c0,根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的数据计算K(400℃)=____________(列出计算式)。
按化学计量比进料可以保持反应物高转化率,同时降低产物分离的能耗。
进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是____________。
(2)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行:
CuCl2(s)=CuCl(s)+
Cl2(g)ΔH1=83kJ·mol-1
CuCl(s)+
O2(g)=CuO(s)+
Cl2(g)ΔH2=-20kJ·mol-1
CuO(s)+2HCl(g)=CuCl2(s)+H2O(g)ΔH3=-121kJ·mol-1
则4HCl(g)+O2(g)=2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH=_________kJ·mol-1。
(3)在一定温度的条件下,进一步提高HCI的转化率的方法是______________。
(写出2种)
(4)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,如下图所示:
负极区发生的反应有____________________(写反应方程式)。
电路中转移1mol电子,需消耗氧气__________L(标准状况)
【答案】大于
O2和Cl2分离能耗较高、HCl转化率较低﹣116增加反应体系压强、及时除去产物Fe3++e−=Fe2+,4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O5.6
【解析】
【详解】
(1)根据反应方程式知,HCl平衡转化率越大,平衡常数K越大,结合图像知升高温度平衡转化率降低,说明升高温度平衡向逆反应方向进行,则K(300℃)>K(400℃);
由图像知,400℃时,HCl平衡转化率为84%,用三段式法对数据进行处理得:
起始(浓度)c0c000
变化(浓度)0.84c00.21c00.42c00.42c0
平衡(浓度)(1-0.84)c0(1-0.21)c00.42c00.42c0
则K=
;根据题干信息知,进料浓度比过低,氧气大量剩余,导致分离产物氯气和氧气的能耗较高;进料浓度比过高,HCl不能充分反应,导致HCl转化率较低;
(2)根据盖斯定律知,(反应I+反应II+反应III)×2得
∆H=(∆H1+∆H2+∆H3)×2=-116kJ·mol-1;
(3)若想提高HCl的转化率,应该促使平衡正向移动,该反应为气体体积减小的反应,根据勒夏特列原理,可以增大压强,使平衡正向移动;也可以及时除去产物,减小产物浓度,使平衡正向移动;
(4)电解过程中,负极区即阴极上发生的是得电子反应,元素化合价降低,属于还原反应,则图中左侧为负极反应,根据图示信息知电极反应为:
Fe3++e-=Fe2+和4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O;电路中转移1mol电子,根据电子得失守恒可知需消耗氧气的物质的量是1mol÷4=0.25mol,在标准状况下的体积为0.25mol×22.4L/mol=5.6L。
2.以天然气为原料合成氨是现代合成氨工业发展的方向与趋势
(一)天然气与氮气为原料,以固态质子交换膜为电解质,在低温常压下通过电解原理制备氨气如图所示:
写出在阴极表面发生的电极反应式:
_____________。
(二)天然气为原料合成氨技术简易流程如下:
一段转化主要发生的反应如下:
①CH4(g)+H2O(g)
CO(g)+3H2(g)ΔH1=206kJ·molˉ1
②CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g)ΔH2=-41kJ·molˉ1
二段转化主要发生的反应如下:
③2CH4(g)+O2(g)
2CO(g)+4H2(g)ΔH3=-71.2kJ·molˉ1
④2CO(g)+O2(g)
2CO2(g)ΔH4=-282kJ·molˉ1
(1)已知CO中不含C=O,H-H的键能为436kJ·molˉ1,H-O的键能为463kJ·molˉ1,C-H的键能为414kJ·molˉ1,试计算C=O的键能_________。
(2)实验室模拟一段转化过程,在800oC下,向体积为1L的恒容密闭反应器中,充入1mol的CH4与1mol的H2O,达到平衡时CH4的转化率为40%,n(H2)为1.4mol,请计算反应②的平衡常数_________。
(3)下列说法正确的是_________。
A.合成氨过程实际选择的温度约为700℃,温度过高或过低都会降低氨气平衡产率
B.上述工业流程中压缩既能提高反应速率又能提高合成氨的产率
C.二段转化释放的热量可为一段转化提供热源,实现能量充分利用
D.二段转化过程中,需严格控制空气的进气量,否则会破坏合成气中的氢氮比
(4)已知催化合成氨中催化剂的活性与催化剂的负载量、催化剂的比表面积和催化反应温度等因素有关,如图所示:
①实验表明相同温度下,负载量5%催化剂活性最好,分析负载量9%与负载量1%时,催化剂活性均下降的可能原因是________。
②在上图中用虚线作出负载量为3%的催化剂活性变化曲线_______。
【答案】N2+6H++6e-=2NH3799.5kJ·molˉ13.5BCD负载量1%时,则负载量过低导致催化活性降低,负载量9%负载量虽高但催化剂的比表面积会降低而使催化活性降低
【解析】
【分析】
【详解】
(一)与外电源负极相连的为电解池阴极,发生还原反应,装置中N2转化为NH3,所以阴极表面发生的电极反应:
N2+6H++6e-=2NH3,故答案:
N2+6H++6e-=2NH3;
(二)
(1)根据盖斯定律可知将反应①+②得到:
CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)ΔH=165kJ/mol,ΔH=4E(C-H)+4E(O-H)-2E(C=O)-4E(H-H)=4×414kJ/mol+4×463kJ/mol-2×E(C=O)-4×436kJ/mol=165kJ/mol,可得E(C=O)=799.5kJ/mol,故答案为:
799.5kJ/mol;
(2)发生的反应为①CH4(g)+H2O(g)
CO(g)+3H2(g)ΔH1=206kJ·molˉ1
解得x=0.2mol/L。
反应②的平衡常数K=
=3.5,故答案:
3.5;
(3)A.合成氨的反应为放热过程,温度升高降低平衡转化率,故A错误;
B.压缩相当于加压,反应向气体分子数减少方向移动,加压有利于反应正向进行,所以上述工业流程中压缩既能提高反应速率又能提高合成氨的产率,故B正确;
C.一段过程主要为吸热过程,二段主要过程为放热过程,因此可以通过传热装置转化释放的热量,可为一段反应转化提供热源,实现能量充分利用,故C正确;
D.二段过程中主要是有O2参加反应,可通过空气来提供反应所需要的O2,但需严格控制空气的进气量,否则会发生其余副反应,破坏合成气中的氢氮比,故D正确;
故答案为:
B、C、D;
(4)①负载量较低时,提供催化活性中心的活性位点不足,可能导致催化剂活性不够,负载量过高,催化剂的比表面积会降低,导致催化剂活性中心位点过于拥挤,可能导致空间坍塌影响催化活性,故答案为:
负载量1%时,则负载量过低导致催化活性降低,负载量9%负载量虽高但催化剂的比表面积会降低而使催化活性降低;
②负载量为3%小于负载量5%,并且已知负载量1%时活性低于5%负载量,负载量为9%时高于负载量为1%的催化剂活性,但1%的负载量与9%的负载量所体现的催化活性及其接近,可推知低负载量对于催化剂活性的影响较之于高负载量对于催化剂活性的影响更大,则3%负载量的催化剂活性应介于5%与9%之间的负载量之间的活性,所以作图为:
,故答案:
。
3.
(1)如图的氮循环是生态系统物质循环的重要部分,人类活动加剧了氮循环中的物质转化。
①下列说法正确的是_______(填字母序号)
A.固氮过程中,N2只做氧化剂
B.硝化过程需要有氧化剂参与
C.反硝化过程有助于弥补人工固氮对氮循环造成的影响
D.同化、氨化过程中,实现了氮元素在无机物和有机物之间的转化
②反硝化过程中,CH3OH可作为反应的还原剂,1mol还原剂失去6mol电子。
请将该反应的离子方程式补充完整:
5CH3OH+□NO3—
□_______+□_______+□_______+□_______,_____________
(2)研究表明,氮氧化物(NOx)和二氧化硫都与大气中雾霾的形成有关。
①已知:
SO2生成SO3总反应方程式是2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g)ΔH=-196.6kJ/mol
此反应可通过如下两步完成:
2NO(g)+O2(g)
2NO2(g)ΔH1=-113kJ/mol
NO2(g)+SO2(g)
SO3(g)+NO(g)ΔH2=_______。
②一定温度下,向2L恒容密闭容器中充入NO2和SO2各1mol,5min达到平衡,此时容器中NO2和NO的浓度之比为1∶3,则NO2的平衡转化率是_______。
(3)砷(As)是第四周期ⅤA族元素,其化合物,有着广泛的用途。
①AsH3的稳定性比NH3的稳定性_______(填“强’’或“弱’’)。
用原子结构解释原因_______。
②常将含砷废渣(主要成分为As2S3)制成浆状,通入O2氧化,生成H3AsO4和单质硫。
写出发生反应的化学方程式_______。
③298K时,将20mL3xmol•L-1Na3AsO3、20mL3xmol•L-1I2和20mLNaOH溶液混合,发生反应:
AsO33-(aq)+I2(aq)+2OH-
AsO43-(aq)+2I-(aq)+H2O(l)。
溶液中c(AsO43﹣)与反应时间(t)的关系如图所示。
若平衡时溶液的pH=14,则该反应的平衡常数K为_______。
【答案】BCD5CH3OH+6NO3-
N2↑+4HCO3-+CO32-+8H2O—41.8kJ/mol75%弱N和As位于同一主族,As的电子层数比N的多,原子半径As比N的大,得电子能力As比N弱,非金属性As比N弱,氢化物AsH3的稳定性比NH3弱2As2S3+5O2+6H2O=4H3AsO4+6S
【解析】
【分析】
【详解】
(1)①A.氮气在大气中氧化为亚硝酸根离子、硝酸根离子,N的化合价升高,被氧化,所以N2作还原剂,故A错误;
B.NH3转化成HNO2,增加了O元素,则NH3被氧气氧化,所以在硝化细菌作用下发生的硝化过程需要有氧化剂参与,故B正确;
C.反硝化过程,生成氮气,向大气提供氮气,即反硝化过程有助于弥补人工固氮对氮循环造成的影响,故C正确;
D.氨化过程是动植物蛋白转化为氨气或铵根离子,即有机物转化为无机物,同化、氨化过程中,实现了氮元素在无机物和有机物之间的转化,故D正确;
故选BCD。
②反硝化过程中,CH3OH可作为反应的还原剂,1mol还原剂失去6mol电子。
CH3OH与硝酸根离子反应生成氮气、碳酸根离子、碳酸氢根离子和水,反应的离子方程式为:
5CH3OH+6NO3-
N2↑+4HCO3-+CO32-+8H2O,故答案为:
5CH3OH+6NO3-
N2↑+4HCO3-+CO32-+8H2O;
(2)①Ⅰ.2SO2(g)+O2(g)
2SO3(g)ΔH=-196.6kJ·mol-1
Ⅱ.2NO(g)+O2(g)
2NO2(g)ΔH1=-113kJ·mol-1
盖斯定律计算(Ⅰ-Ⅱ)×
得到NO2(g)+SO2(g)
SO3(g)+NO(g)ΔH2=-41.8kJ·mol-1,故答案为:
-41.8kJ·mol-1;
②一定温度下,向2L恒容密闭容器中充入NO2和SO2各1mol,5min达到平衡,此时容器中NO2和NO的浓度之比为1:
3,结合三行计算列式得到,设消耗NO2的物质的量为x:
NO2和NO的浓度之比为1:
3,物质的量之比=1:
3,(1-x):
x=1:
3,x=0.75mol,NO2的平衡转化率=
×100%=75%,
故答案为:
75%;
(3)①非金属性:
N>As,AsH3的稳定性比NH3的稳定性弱,用原子结构解释原因:
N和As位于同一主族,As的电子层数比N的多,原子半径As比N的大,得电子能力As比N弱,非金属性As比N弱,氢化物AsH3的稳定性比NH3弱;
②常将含砷废渣(主要成分为As2S3)制成浆状,通入O2氧化,生成H3AsO4和单质硫,结合电子转移配平得方程式为:
2As2S3+5O2+6H2O=4H3AsO4+6S;
故答案为:
2As2S3+5O2+6H2O=4H3AsO4+6S;
③列三段式如下:
根据平衡常数表达式K=
=
=
,故答案为:
。
4.资源化利用CO2,可以减少温室气体排放,还可以获得燃料或重要的化工产品。
回答下列问题:
(1)CO2的捕集
①用饱和Na2CO3溶液做吸收剂可“捕集”CO2。
写出“捕集”CO2反应的离子方式_____________。
②聚合离子液体是目前广泛研究的CO2吸附剂。
结合图像分析聚合离子液体吸附CO2的有利条件是_________________________。
(2)生产尿素:
工业上以CO2、NH3为原料生产尿素[CO(NH2)2],该反应分为二步进行:
第一步:
2NH3(g)+CO2(g)⇌H2NCOONH4(s)△H=-159.5kJ·mol-1
第二步:
H2NCOONH4(s)⇌CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H=+116.5kJ·mol-1
①写出上述合成尿素的热化学方程式___________________________。
该反应化学平衡常数K的表达式:
_________________________。
②某实验小组模拟工业上合成尿素,在一定体积的密闭容器中投入4molNH3和1molCO2,实验测得反应中各组分物质的量随时间的变化如图所示:
已知总反应的快慢由慢的一步反应决定,则合成尿素总反应的快慢由第__________步反应决定,总反应进行到___________min时到达平衡
(3)合成乙酸:
中国科学家首次以CH3OH、CO2和H2为原料高效合成乙酸,其反应路径如图所示:
①原料中的CH3OH可通过电解法由CO2制取,用稀硫酸作电解质溶液,写出生成CH3OH的电极反应式_______________________。
②根据图示,写出总反应的化学方程___________。
【答案】H2O+CO32-+CO2=2HCO3-低温,低流速2NH3(g)+CO2(g)⇌CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H=-43kJ·mol-1K=[H2O]/[NH3]2.[CO2]二55CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2OCH3OH+CO2+H2
CH3COOH+H2O
【解析】
【分析】
(1)①H2O、CO32-、CO2反应生成HCO3-;
②根据图知,温度越低、流速越小吸附量越大;
(2)利用盖斯定律求解热化学方程式;K等于气体生成物浓度幂之积与气体反应物浓度幂之积的比;
②达到平衡时时间越长,反应速率越慢,慢反应决定整个反应速率;各物质的物质的量不变时反应达到平衡状态;
(3)①电解时,CO2失电子和H+反应生成CH3CH2OH;
②根据图知,反应物是CH3CH2OH、CO2和H2,生成物是CH3COOH和水,LiI和Rh作催化剂。
【详解】
(1)①H2O、CO32-、CO2反应生成HCO3-,离子方程式为H2O+CO32-+CO2=2HCO3-;
②根据图知,温度越低、流速越小吸附量越大,所以聚合离子液体吸附CO2的有利条件是低温,低流速(或25℃,10mL·min-1);
(2)①将第一步和第二步方程式相加得到方程式2NH3(g)+CO2(g)⇌CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H=(-159.5+116.5)kJ·mol-1=-43kJ·mol-1;化学平衡常数K等于气体生成物浓度幂之积与气体反应物浓度幂之积的比,
;
②达到平衡时时间越长,反应速率越慢,慢反应决定整个反应速率。
根据图知,第一步的反应,的反应物NH3和CO2的量迅速达到定值,说明第一步反应速率大,第二步反应较慢,所以第二步决定整个反应速率;根据图知,55min各物质的物质的量不变,反应达到平衡状态;
(3)①电解时,CO2失电子和H+反应生成CH3OH,电极反应式为CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O;
②根据图知,反应物是甲醇、二氧化碳和氢气,生成物是乙酸和水,LiI和Rh作催化剂,总反应方程式为:
CH3OH+CO2+H2
CH3COOH+H2O。
5.I.合成气(CO+H2)广泛用于合成有机物,工业上常采用天然气与水蒸气反应等方法来制取合成气。
(1)已知:
5.6L(标况下)CH4与水蒸气完全反应,吸收51.5KJ的热量,请写出该反应的热化学方程式_______________________________________________。
(2)在150℃时2L的密闭容器中,将2molCH4和2molH2O(g)混合,经过15min达到平衡,此时CH4的转化率为60%。
回答下列问题:
①从反应开始至平衡,用氢气的变化量来表示该反应速率v(H2)=____________。
②在该温度下,计算该反应的平衡常数K=________________________(保留两位小数)。
③下列选项中能表示该反应已达到平衡状态的是__________________________
A.v(H2)逆=3v(CO)正B.密闭容器中混合气体的密度不变
C.密闭容器中总压强不变D.C(CH4)=C(CO)
(3)合成气中的氢气也用于合成氨气:
N2+3H2
2NH3。
保持温度和体积不变,在甲、乙、丙三个容器中建立平衡的相关信息如下表。
则下列说法正确的是___________。
容
器
体积
起始物质
平衡时NH3的物质的量
平衡时N2的
体积分数
反应开始时的速率
平衡时容器内压强
甲
1L
1molN2+3molH2
1.6mol
φ甲
ν甲
P甲
乙
1L
2molN2+6molH2
n1mol
φ乙
ν乙
P乙
丙
2L
2molN2+6molH2
n2mol
φ丙
ν丙
P丙
A.n1=n2=3.2B.φ甲=φ丙>φ乙C.ν乙>ν丙>ν甲D.P乙>P甲=P丙
II.
(1)常温下,在xmol·L-1氨水中加入等体积的ymol·L-1硫酸得混合溶液M恰好显中性。
①M溶液中所有离子浓度由大到小的顺序为_________________。
②常温下,NH3·H2O的电离常数K=_____(用含x和y的代数式表示,忽略溶液混合前后的体积变化)。
(2)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,固体电解质可传导O2-
阴极的电极反应式为___________________________。
②消除一定量的NO所消耗的电量远远大于理论计算量,可能的原因是(不考虑物理因素)________。
【答案】CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)
21.87ACBD
2NO+4e-=N2+2O2-阴极发生副反应O2+4e-=2O2-
【解析】
【分析】
【详解】
I.
(1)标况下,5.6LCH4物质的量为:
=0.25mol,吸收51.5kJ的热量,则1mol甲烷反应吸收热量=51.5kJ×
=206kJ,该反应的热化学方程式为:
CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+206kJ/mol;
(2)在150℃时2L的密闭容器中,将2molCH4和2molH2O(g)混合,经过15min达到平衡,此时CH4的转化率为60%,则
①从反应开始至平衡,用氢气的变化量来表示该反应速率v(H2)=
=0.12mol•L-1•min-1;
②结合①计算得到的平衡浓度,计算得到该反应的平衡常数K=(1.83×0.6)/(0.4×0.4)=21.87;
③A.v逆(H2)=3v正(CO),说明正逆反应速率相同,反应达到平衡状态,故A正确;
B.密闭容器中混合气体的质量和体积不变,密度始终不变,不能说明反应达到平衡状态,故B错误;
C.反应前后气体物质的量增加,气体压强之比等于气体物质的量之比,密闭容器中总压强不变,说明反应达到平衡状态,故C正确;
D.浓度关系和消耗量、起始量有关,c(CH4)=c(CO)不能说明反应达到平衡状态,故D错误;
故答案为:
AC;
(3)A.甲和丙为等效平衡,则n2=1.6mol,但乙与甲相比,相当于增大压强,平衡向着正向移动,则n1>3.2,故A错误;
B.甲和丙达到平衡状态为相同平衡状态,氮气体积分数相同,乙相当于甲平衡状态再加入1mol氮气和3mol氢气,增大压强平衡正向进行,氮气体积分数减小,φ甲=φ丙>φ乙,故B正确;
C.乙容器中反应物浓度大于甲和丙,反应速率大,甲和丙起始浓度相同反应速率相同,故C错误;
D.乙中物质浓度是甲的2倍,且压强大于甲,甲和丙为等效平衡,压强相同,得到P乙>P甲=P丙,故D正确;
故答案为:
BD;
II.
(1)①根据电荷守恒,c(NH4+)+c(H+)=c(OH-)+2c(SO42-),混合后溶液显中性,则c(NH4+)=2c(SO42-),则
;
②xmol•L-1氨水中加入等体积的ymol•L-1硫酸得混合溶液M恰好显中性,则c(NH4+)=2c(SO42-)=2×
mol•L-1=ymol•L-1,混合后,根据物料守恒c(NH3•H2O)+c(NH4+)=0.5xmol•L-1,则c(NH3•H2O)=(0.5x-y)mol•L-1,K=c(NH4+)•c(OH-)/c(NH3•H2O)=y×1×10-7/(0.5x-y)=2y×10-7/(x-2y);
(2)①阴极:
NO得到电子生成N2,结合守恒原则,则电极方程式为2NO+4e-=N2+2O2-;
②消除一定量的NO所消耗的电量远远大于理论计算量,可能存在副反应,O2浓度约为NO浓度的10倍,氧气易得到电子生成O2-,电极方程式为:
O2+4e-=2O2-。
6.甲醛(HCHO)俗称蚁醛,在化工、医药、农药等方面有广泛的应用。
I·甲醛的制备
工业上利用甲醇脱氢法制备甲醛,己知:
CH3OH(g)
HCHO(g)+H2(g)△H
(1)该反应的能量变化如图甲所示,△H=___kJ•mol-1。
(2)为提
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