无机化学综合应用 1.docx

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无机化学综合应用1

第28题　化学基本理论综合题

题组一　化学反应中的能量变化与化学平衡的综合

[解题指导]

解答化学基本理论综合题的一般步骤

步骤1：

浏览全题，明确题已知和所求，挖掘解题切入点。

步骤2：

（1）对于化学反应速率和化学平衡图像类试题：

明确纵横坐标的含义→理解起点、终点、拐点的意义→分析曲线的变化趋势。

（2）对于图表数据类试题：

分析数据→研究数据间的内在联系→找出数据的变化规律→挖掘数据的隐含意义。

（3）对于利用盖斯定律写热化学方程式或求ΔH类试题要做到：

①明确待求热化学方程式中的反应物和生成物；②处理已知热化学方程式中的化学计量数和焓变；③叠加处理热化学方程式确定答案。

（4）对于电化学类试题：

判断是原电池还是电解池→分析电极类别，书写电极反应式→按电极反应式进行相关计算。

（5）对于电解质溶液类试题：

明确溶液中的物质类型及其可能存在的平衡类型，然后进行解答。

步骤3：

针对题目中所设计的问题，联系相关理论逐个进行作答。

[挑战满分]（限时30分钟）

1．研究和深度开发CO、CO2的应用对构建生态文明社会具有重要的意义。

（1）CO可用于炼铁，已知：

Fe2O3（s）＋3C（s）===2Fe（s）＋3CO（g）　ΔH1＝＋489.0kJ·mol－1，C（s）＋CO2（g）===2CO（g）　ΔH2＝＋172.5kJ·mol－1

则CO还原Fe2O3（s）的热化学方程式为___________________________________________

________________________________________________。

（2）分离高炉煤气得到的CO与空气可设计成燃料电池（以KOH溶液为电解液）。

写出该电池的负极反应式：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

（3）CO2和H2充入一定体积的密闭容器中，在两种温度下发生反应：

CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g），测得CH3OH的物质的量随时间的变化见图1。

①曲线Ⅰ、Ⅱ对应的平衡常数大小关系为KⅠ________（填“＞”、“＝”或“＜”）KⅡ。

②一定温度下，在容积相同且固定的两个密闭容器中，按如下方式加入反应物，一段时间后达到平衡。

容器

甲

乙

反应物投入量

1molCO2、

3molH2

amolCO2、bmolH2、

cmolCH3OH（g）、

cmolH2O（g）

若甲中平衡后气体的压强为开始的0.8倍，要使平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等，且起始时维持化学反应向逆反应方向进行，则c的取值范围为_______________________。

（4）利用光能和光催化剂，可将CO2和H2O（g）转化为CH4和O2。

紫外光照射时，在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下，CH4产量随光照时间的变化见图2。

在0～15小时内，CH4的平均生成速率Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ从大到小的顺序为________（填序号）。

（5）以TiO2/Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。

在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率的关系见图3。

①乙酸的生成速率主要取决于温度影响的范围是_______________________。

②Cu2Al2O4可溶于稀硝酸，写出有关的离子方程式：

___________________

________________________________________________________________________。

答案　

（1）Fe2O3（s）＋3CO（g）===2Fe（s）＋3CO2（g）

ΔH＝－28.5kJ·mol－1

（2）CO＋4OH－－2e－===CO

＋2H2O

（3）①＞　②0.4＜c≤1

（4）Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ

（5）①300～400℃　②3Cu2Al2O4＋32H＋＋2NO

===6Cu2＋＋6Al3＋＋2NO↑＋16H2O

解析　

（1）热化学方程式①：

Fe2O3（s）＋3C（s）===2Fe（s）＋3CO（g）　ΔH1＝＋489.0kJ·mol－1。

热化学方程式②：

C（s）＋CO2（g）===2CO（g）　ΔH2＝＋172.5kJ·mol－1

CO还原Fe2O3（s）的热化学方程式可以由①－②×3得到Fe2O3（s）＋3CO（g）===2Fe（s）＋3CO2（g）

ΔH＝－28.5kJ·mol－1。

（2）负极为失去电子一极即CO作负极反应物，由于在碱性环境中，CO2与OH－不共存，故生成CO

，电极反应式为CO＋4OH－－2e－===CO

＋2H2O。

（3）曲线Ⅰ平衡时产物物质的量大，则平衡常数KⅠ＞KⅡ。

要使平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等，平衡后各物质的量应该与甲中平衡时的量相等。

假设平衡时转化CO2（g）的物质的量为xmol

　　　　　CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g）

开始/mol　1　　　3　　　　0　　　　　0

转化/mol　x　　　3x　　　x　　　　　x

平衡/mol　1－x　3－3x　　x　　　　　x

计算：

＝0.8，则x＝0.4

由于平衡逆向进行，则c应大于0.4，如果a、b等于零时，c最大为1，则0.4＜c≤1。

（4）由图2中0～15小时内CH4的产量知，生成CH4的速率Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ。

（5）②Cu2Al2O4中Cu为＋1价，Al为＋3价，Cu＋与硝酸反应生成Cu2＋，硝酸会生成NO。

反应离子方程式为

3Cu2Al2O4＋32H＋＋2NO

===6Cu2＋＋6Al3＋＋2NO↑＋16H2O。

2．可燃冰的主要成分是甲烷，甲烷既是清洁燃料，也是重要的化工原料。

（1）甲烷和二氧化碳重整制合成气对温室气体的治理具有重大意义。

已知：

CH4（g）＋CO2（g）2CO（g）＋2H2（g）

ΔH＝＋247.3kJ·mol－1

CH4（g）C（s）＋2H2（g）　ΔH＝＋75kJ·mol－1

①反应2CO（g）===C（s）＋CO2（g）在________（填“高温”或“低温”）下能自发进行。

②合成甲醇的主要反应：

2H2（g）＋CO（g）CH3OH（g）　ΔH＝－90.8kJ·mol－1，T℃时此反应的平衡常数为160。

此温度下，在密闭容器中开始只充入CO、H2，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：

物质

H2

CO

CH3OH

浓度/mol·L－1

0.20

0.10

0.40

比较此时正、逆反应速率的大小：

v正________（填“＞”、“＜”或“＝”）v逆。

生产过程中，合成气要进行循环，其目的是_________________________________________________。

③在一固定容积的密闭容器中发生反应2H2（g）＋CO（g）CH3OH（g），若要提高CO的转化率，则可以采取的措施是________（填字母）。

a．升温b．加入催化剂

c．增加CO的浓度d．加入H2加压

e．加入惰性气体加压f．分离出甲醇

（2）以甲烷为燃料的新型电池的成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池，下图是目前研究较多的一类固体氧化物燃料电池的工作原理示意图。

①B极为电池的________极，该电极的反应式为_____________________________________

________________________________________________________________________。

②若用该燃料电池作电源，用石墨作电极电解100mL1mol·L－1的硫酸铜溶液，当两极收集到的气体体积相等时，理论上消耗甲烷的体积为____________________________（标况下）。

答案　

（1）①低温　②＞　提高原料的利用率　③df

（2）①负　CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O

②1.12L

解析　

（1）①用已知的第二个热化学方程式减去第一个热化学方程式得：

2CO（g）===C（s）＋CO2（g）　ΔH＝＋75kJ·mol－1－247.3kJ·mol－1＝－172.3kJ·mol－1。

该反应的ΔH＜0，ΔS＜0，欲使反应能自发进行必须符合复合判据ΔG＝ΔH－TΔS<0，该反应在低温下能自发进行。

②该时刻的浓度商Q＝

＝100＜K＝160，所以平衡正向移动，v正＞v逆；因为该反应是可逆反应，为了提高原料的利用率，合成气要进行循环。

③因该反应的ΔH＜0，升高温度，平衡向逆反应方向移动，CO的转化率降低；加入催化剂平衡不移动，CO的转化率不变；增加CO的浓度，CO的转化率降低；加入惰性气体加压，平衡不移动，CO的转化率不变。

（2）①B极通入的气体是甲烷，甲烷发生氧化反应，故B极是电池的负极。

电池总反应为CH4＋2O2===CO2＋2H2O，因为电解质是固体氧化物，所以正极O2发生还原反应生成O2－，正极反应式为O2＋4e－===2O2－，用总反应式减去正极反应式的2倍即得负极反应式。

②电解CuSO4溶液时，阴极生成Cu，阳极生成O2。

当Cu2＋被电解完之后，水电离产生的H＋被还原为H2。

0.1molCu2＋全部被还原时，阳极生成0.05molO2；此后再电解0.1molH2O时，生成0.1molH2和0.05molO2，两极收集到的气体体积相等。

电路中共转移0.4mol电子，消耗CH4的物质的量为0.4mol÷8＝0.05mol，标准状况下的体积V（CH4）＝0.05mol×22.4L·mol－1＝1.12L。

3．研究CO2与CH4的反应使之转化为CO与H2，对缓解燃料危机，减少温室效应具有重要的意义。

（1）已知：

①2CO（g）＋O2（g）===2CO2（g）

ΔH＝－566kJ·mol－1

②2H2（g）＋O2（g）===2H2O（g）

ΔH＝－484kJ·mol－1

③CH4（g）＋2O2（g）===CO2（g）＋2H2O（g）

ΔH＝－802kJ·mol－1

则CH4（g）＋CO2（g）2CO（g）＋2H2（g）

ΔH＝________kJ·mol－1

（2）在密闭容器中通入物质的量浓度均为0.1mol·L－1的CH4与CO2，在一定条件下发生反应CH4（g）＋CO2（g）2CO（g）＋2H2（g），测得CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如下图所示。

①据图可知，p1、p2、p3、p4由大到小的顺序为_______________________________。

②在压强为p4、1100℃的条件下，该反应5min时达到平衡点X，该温度下，反应的平衡常数为________（保留小数点后两位）。

（3）CO和H2在工业上还可以通过反应C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g）来制取。

①在恒温恒容下，如果从反应物出发建立平衡，可认定平衡已达到的是________（填选项字母）。

A．体系压强不再变化

B．H2与CO的物质的量之比为1∶1

C．混合气体的密度保持不变

D．气体平均相对分子质量为15，且保持不变

②在某密闭容器中同时投入四种物质，2min时达到平衡，测得容器中有1molH2O（g）、1molCO（g）、2.2molH2（g）和一定量的C（s），如果此时对体系加压，平衡向________（填“正”或“逆”）反应方向移动，第5min时达到新的平衡，请在图中画出2～5min内容器中气体平均相对分子质量的变化曲线。

答案　

（1）＋248　

（2）①p4＞p3＞p2＞p1　②1.64

（3）①AC　②逆

4．纳米级Cu2O由于具有优良的催化性能而受到关注，下表为制取Cu2O的三种方法：

方法Ⅰ

用炭粉在高温条件下还原CuO

方法Ⅱ

电解法，反应为2Cu＋H2O

Cu2O＋H2↑

方法Ⅲ

用肼（N2H4）还原新制Cu（OH）2

（1）工业上常用方法Ⅱ和方法Ⅲ制取Cu2O而很少用方法Ⅰ，其原因是反应条件不易控制，若控温不当易生成________而使Cu2O产率降低。

（2）已知：

2Cu（s）＋

O2（g）===Cu2O（s）　ΔH＝－akJ·mol－1

C（s）＋

O2（g）===CO（g）　ΔH＝－bkJ·mol－1

Cu（s）＋

O2（g）===CuO（s）　ΔH＝－ckJ·mol－1

则方法Ⅰ发生反应的热化学方程式为2CuO（s）＋C（s）===Cu2O（s）＋CO（g）　ΔH＝________kJ·mol－1。

（3）方法Ⅱ采用离子交换膜控制电解液中OH－的浓度而制备纳米Cu2O，装置如图所示，该电池的阳极生成Cu2O的反应式为______________________________________。

（4）方法Ⅲ为加热条件下用液态肼（N2H4）还原新制Cu（OH）2来制备纳米级Cu2O，同时放出N2。

该制法的化学方程式为_________________________________________。

（5）在相同的密闭容器中，用以上两种方法制得的Cu2O分别进行催化分解水的实验：

2H2O（g）

2H2（g）＋O2（g）　ΔH>0

水蒸气的浓度（mol·L－1）随时间t（min）变化如下表所示。

序号

温度

0min

10min

20min

30min

40min

50min

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

0.100

0.0940

0.0900

0.0900

0.0900

0.0900

下列叙述正确的是________（填字母代号）。

A．实验的温度：

T2

B．实验①前20min的平均反应速率v（O2）＝7×10－5mol·L－1·min－1

C．实验②比实验①所用的催化剂催化效率高

答案　

（1）铜（或Cu）　

（2）－（a＋b－2c）（或2c－a－b）

（3）2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O

（4）4Cu（OH）2＋N2H4△,2Cu2O＋N2↑＋6H2O

（5）C

解析　

（1）用炭粉在高温条件下还原CuO，若控温不当易生成铜单质而使Cu2O产率降低。

（2）设三个已知热化学方程式依次分别为①、②、③，由①＋②－③×2得2CuO（s）＋C（s）===Cu2O（s）＋CO（g）　ΔH＝（2c－a－b）kJ·mol－1。

（3）阳极发生氧化反应，结合生成的氧化亚铜的化学式，得阳极的电极反应式为2Cu－2e－＋2OH－===Cu2O＋H2O。

（4）N2H4与Cu（OH）2反应，产物除Cu2O、N2外还有水，所以化学方程式为4Cu（OH）2＋N2H4△,2Cu2O＋N2↑＋6H2O。

（5）A项，观察表中②③数据可知，T1到T2平衡正向移动，而正反应为吸热反应，所以T2>T1，错误；B项，实验①前20min的平均反应速率v（H2O）＝7×10－5mol·L－1·min－1，所以v（O2）＝3.5×10－5mol·L－1·min－1，错误；C项，实验②与实验①相比，达到的平衡状态相同，但实验②所用时间短，反应速率快，所以实验②比实验①所用的催化剂催化效率高，正确。

题组二　化学平衡与电解质溶液的综合题

[挑战满分]（限时30分钟）

1．一定条件下，通过下列反应可实现燃煤烟气中硫的回收：

2CO（g）＋SO2（g）

2CO2（g）＋S（l）　ΔH

（1）已知：

2CO（g）＋O2（g）===2CO2（g）　ΔH1＝－566kJ·mol－1

S（l）＋O2（g）===SO2（g）　ΔH2＝－296kJ·mol－1

则反应热ΔH＝________kJ·mol－1。

（2）其他条件相同、催化剂不同时，SO2的转化率随反应温度的变化如图a所示。

260℃时________（填“Fe2O3”、“NiO”或“Cr2O3”）作催化剂反应速率最快。

Fe2O3和NiO作催化剂均能使SO2的转化率达到最高，不考虑价格因素，选择Fe2O3的主要优点是______。

（3）科研小组在380℃、Fe2O3作催化剂时，研究了不同投料比[n（CO）∶n（SO2）]对SO2转化率的影响，结果如图b所示。

请在图b中画出n（CO）∶n（SO2）＝2∶1时，SO2的转化率的预期变化曲线。

（4）工业上还可用Na2SO3溶液吸收烟气中的SO2：

Na2SO3＋SO2＋H2O===2NaHSO3。

某温度下用1.0mol·L－1Na2SO3溶液吸收纯净的SO2，当溶液中c（SO

）降至0.2mol·L－1时，吸收能力显著下降，应更换吸收剂。

①此时溶液中c（HSO

）约为________mol·L－1。

②此时溶液的pH＝________。

（已知该温度下SO

＋H＋HSO

的平衡常数K＝8.0×106，计算时SO2、H2SO3的浓度忽略不计）

答案　

（1）－270　

（2）Cr2O3　Fe2O3作催化剂时，在相对较低温度时可获得较高SO2的转化率，从而节约大量能源　（3）如图所示

（4）①1.6　②6

解析　

（1）根据盖斯定律，由已知中第一个反应减去第二个反应可得2CO（g）＋SO2（g）

2CO2（g）＋S（l），则ΔH＝ΔH1－ΔH2＝－270kJ·mol－1。

（2）根据图a,260℃时Cr2O3曲线对应的SO2的转化率最高。

Fe2O3作催化剂的优点是在相对较低的温度时获得的SO2的转化率较高，可以节约能源。

（3）由图a知n（CO）∶n（SO2）＝2∶1时，SO2的平衡转化率接近100%，但比n（CO）∶n（SO2）＝3∶1时达平衡要慢。

（4）①溶液中c（SO

）降至0.2mol·L－1时，参加反应的c（SO

）为0.8mol·L－1，则反应生成的c（HSO

）约为1.6mol·L－1。

②K＝

＝

＝8.0×106，则c（H＋）＝10－6mol·L－1，pH＝6。

2．氮及氮的化合物在生产生活中有着重要的用途，如NH3、HNO3等都是重要的化工产品。

（1）合成氨的原料气N2和H2通常是以焦炭、水和空气为原料来制取的。

其主要反应是①2C＋O2===2CO　②C＋H2O（g）===CO＋H2　③CO＋H2O（g）===CO2＋H2。

某次生产中将焦炭、H2O（g）和空气（设空气中N2和O2的体积之比为4∶1，下同）混合反应，所得气体产物经分析，其组成如下表：

气体

CO

N2

CO2

H2

O2

体积（m3）（标准状况）

x

20

12

60

1.0

根据上表可得出表中x＝________，实际消耗了______kg焦炭。

（2）汽车尾气会排放氮的氧化物而污染环境。

已知气缸中生成NO的反应为N2（g）＋O2（g）2NO（g）　ΔH＞0，若1mol空气中含有0.8molN2和0.2molO2，1300℃时在某密闭容器内发生上述反应且达到平衡。

测得NO的物质的量为8×10－4mol，则该温度下的平衡常数K＝________；汽车启动后，气缸温度越高，单位时间内NO的排放量越大，原因是________________________________________________________________________。

（3）SO2和氮的氧化物都是空气中的有害气体，已知：

2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g）

ΔH＝－196.6kJ·mol－1

2NO（g）＋O2（g）2NO2（g）

ΔH＝－113.0kJ·mol－1

则反应NO2（g）＋SO2（g）SO3（g）＋NO（g）的ΔH＝________kJ·mol－1。

（4）25℃时，一些物质的电离平衡常数如下表所示：

化学式

H2CO3

HClO

H2C4H4O6（酒石酸）

电离平衡常数

K1＝4.3×10－7

K2＝5.6×10－11

3.0×10－8

K1＝9.1×10－4

K2＝4.3×10－5

回答下列问题：

①常温下，将0.1mol·L－1的HClO溶液与0.1mol·L－1的Na2CO3溶液等体积混合，所得溶液中各种离子浓度关系正确的是________（填字母）。

A．c（Na＋）＞c（ClO－）＞c（HCO

）＞c（OH－）

B．c（Na＋）＞c（HCO

）＞c（ClO－）＞c（H＋）

C．c（Na＋）＝c（HClO）＋c（ClO－）＋c（HCO

）＋c（H2CO3）＋c（CO

）

D．c（Na＋）＋c（H＋）＝c（ClO－）＋c（HCO

）＋2c（CO

）

E．c（HClO）＋c（H＋）＋c（H2CO3）＝c（OH－）＋c（CO

）

②0.1mol·L－1的酒石酸溶液与pH＝13的NaOH溶液等体积混合，所得溶液的pH为6，则c（HC4H4O

）＋2c（C4H4O

）＝________mol·L－1（列出计算式即可）。

答案　

（1）44　30

（2）4×10－6　温度越高，反应速率加快，平衡向右移动

（3）－41.8

（4）①BCE　②0.05＋10－6－10－8

3．雾霾天气严重影响人们的生活，其中氮氧化物和硫氧化物是造成雾霾天气的主要原因之一，消除氮氧化物和硫氧化物有多种方法。

（1）用活性炭还原法可以处理氮氧化物。

某研究小组向某密闭容器中加入一定量的活性炭和NO，发生反应：

C（s）＋2NO（g）N2（g）＋CO2（g）　ΔH＝QkJ·mol－1。

在T1℃时，反应进行到不同时间测得各物质的浓度如下：

时间（min）

浓度（mol·L－1）

0

10

20

30

40

50

NO

1.00

0.58

0.40

0.40

0.48

0.48

N2

0

0.21

0.30

0.30

0.36

0.36

CO2

0

0.21

0.30

0.30

0.36

0.36

①0～10min内，NO的平均反应速率v（NO）＝___________________________________，

T1℃时，该反应的平衡常数K＝________。

②30min后，只改变某一条件，反应重新达到平衡，根据上表中的数据判断改变的条件可能是________（填字母）。

a．加入一定量的活性炭

b．通入一定量的NO

c．适当缩小容器的体积

d．加入合适的催化剂

③若30min后升高温度至T2℃，达到平衡时，容器中NO、N2、CO2的浓度之比为5∶3∶3，则Q________（填“＞”、“＝”或“＜”）0。

（2）NH3催化还原氮氧化物（SCR）技术是目前应用最广泛的烟气氮氧化物脱除技术。

反应原理如图1所示：

①由图1可知，SCR技术中的氧化剂为____________________________________________。

已知c（NO2）∶c（NO）＝1