化学二模试题分类汇编化学反应原理综合考查综合及详细答案.docx
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化学二模试题分类汇编化学反应原理综合考查综合及详细答案
2020-2021化学二模试题分类汇编——化学反应原理综合考查综合及详细答案
一、化学反应原理综合考查
1.水蒸汽催化重整生物油是未来工业化制氢的可行方案。
以乙酸为模型物进行研究,发生的主要反应如下:
Ⅰ.CH3COOH(g)+2H2O(g)⇌2CO2(g)+4H2(g)△H1
Ⅱ.CH3COOH(g)⇌2CO(g)+2H2(g)△H2
Ⅲ.CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g)△H3
回答下列问题:
(1)用△H1、△H2表示,△H3=___。
(2)重整反应的含碳产物产率、H2产率随温度、水与乙酸投料比(S/C)的变化关系如图(a)、(b)所示。
①由图(a)可知,制备H2最佳的温度约为___。
②由图(b)可知,H2产率随S/C增大而___(填“增大”或“减小”)。
(3)向恒容密闭容器中充入等物质的量的CH3COOH和H2O混合气体,若仅发生反应Ⅰ至平衡状态,测得H2的体积分数为50%,则CH3COOH的平衡转化率为___。
(4)反应体系常生成积碳。
当温度一定时,随着S/C增加,积碳量逐渐减小,其原因用化学方程式表示为___。
【答案】
800℃增大40%C(s)+H2O(g)
CO(g)+H2(g)
【解析】
【分析】
【详解】
(1)根据题干信息分析,反应Ⅲ=
(反应Ⅱ-反应Ⅰ),由盖斯定律可得
,故答案为:
;
(2)①由图(a)可知,制备H2在800℃时,达到最高转化率,则制备氢气最佳的温度约为800℃,故答案为:
800℃;
②由图(b)可知,S/C增大时,反应I平衡向正反应方向移动,反应III平衡向逆反应方向移动,使体系中的H2的量增大,故答案为:
增大;
(3)设CH3COOH和H2O的物质的量均为1mol,平衡时,反应了CH3COOHxmol,列三段式有:
测得H2的体积分数为50%,则
,计算得x=0.4mol,醋酸的转化率为:
=40%,即CH3COOH平衡转化率为40%,故答案为:
40%;
(4)当温度一定时,随着S/C增加,积碳量逐渐减小,是由于积碳与水蒸气反应生成了CO和H2,反应的化学方程式为C(s)+H2O(g)
CO(g)+H2(g),故答案为:
C(s)+H2O(g)
CO(g)+H2(g);
2.甲醇与水蒸气重整制氢可直接用于燃料电池。
回答下列问题:
(1)已知甲醇分解反应:
CH3OH(g)
CO(g)+2H2(g)△H1=+90.64kJ·mol-1;
水蒸气变换反应:
CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g)△H2=-41.20kJ·mol-1。
则CH3OH(g)+H2O(g)
CO2(g)+3H2(g)△H3=___________kJ·mol-1。
(2)科学家通过密度泛函理论研究甲醇与水蒸气重整制氢反应机理时,得到甲醇在Pd(III)表面发生解离时四个路径与相对能量的关系如图所示,其中附在Pd(III)表面的物种用*标注。
此历程中活化能最小的反应方程式为_____________________________________________。
(3)在0.1MPa下,将总进料量为1mol且n(CH3OH):
n(H2O)=1:
1.3的混合气体充入一刚性密闭容器中反应。
①实验测得水蒸气变换反应的速率随温度的升高明显下降,原因是____________________。
②平衡时,测得CH3OH的含量在给定温度范围内极小,H2、H2O(g)、CO、CO2四种组分的含量与反应温度的关系如图所示,曲线b、c对应物质的化学式分别为________、________。
(4)573.2K时,向一刚性密闭容器中充入5.00MPaCH3OH使其分解,th后达平衡时H2的物质的量分数为60%,则th内v(CH3OH)=_____MPa·h-1,其分压平衡常数Kp=_____MPa2。
【答案】+49.44CH2O*+2H*=CHO*+3H*(或CH2O*=CHO*+H*)随温度升高,催化活性降低CO2H2O(g)
168.75
【解析】
【分析】
【详解】
(1)甲醇分解反应:
CH3OH(g)
CO(g)+2H2(g)△H1=+90.64kJ·mol-1;①
水蒸气变换反应:
CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g)△H2=-41.20kJ·mol-1。
②
将①+②,即可求出CH3OH(g)+H2O(g)
CO2(g)+3H2(g)△H3==+90.64kJ·mol-1+(-41.20kJ·mol-1)=+49.44kJ·mol-1,故答案为:
+49.44;
(2)活化能为反应物的总能量与过渡态能量之差,从图中可以看出,过渡态3发生的反应活化能最小。
反应物为“CH2O*+2H*”,产物为“CHO*+3H*,故反应方程式为CH2O*+2H*=CHO*+3H*.因为2H*反应前后都吸附在催化剂表面,未参与反应,故反应实质为CH2O*=CHO*+H*,故答案为:
CH2O*+2H*=CHO*+3H*(或CH2O*=CHO*+H*);
(3)因为温度升高,反应速率应加快,而图中速率减小,显然不是温度的影响,只能为催化剂的活性降低,故答案为:
随温度升高,催化活性降低;
②对于反应CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g)△H<0,其他条件不变时,升高温度,平衡向左移动,即CO、H2O的含量均增大,CO2、H2的含量均减小。
依据图中信息,可初步得知,a、b曲线分别对应CO2或H2,c、d曲线则对应CO或H2O(g)。
根据反应方程式可知:
该反应起始时,n(H2)>n(CO2)、n(H2O)>n(CO),平衡时含量必然有H2>CO2、H2O>CO.故a、b、c、d曲线分别对应H2、CO2、H2O(g)、CO,曲线b、c对应物质的化学式分别为CO2、H2O(g),故答案为:
CO2、H2O(g);
(4)假设CH3OH的压强变化量为x,列出三段式:
,x=3.75Mpa,v(CH3OH)=
=
MPa·h-1;Kp=
=168.75(MPa)2,
故答案为:
;168.75(MPa)2。
【点睛】
本题综合考查化学平衡问题,题目涉及化学平衡计算与影响因素、反应热计算等,侧重考查学生分析计算能力,注意盖斯定律在反应热计算中应用,难点(4)列出三段式,理清平衡时各物质的量,是解题关键。
3.消除尾气中的NO是环境科学研究的热点课题。
I.NO氧化机理
已知:
2NO(g)+O2(g)
2NO2(g)ΔH=-110kJ•mol-1
T1℃时,将NO和O2按物质的量之比为2:
1充入刚性反应容器中(忽略NO2与N2O4的转化)。
(1)下列可以作为反应已经到达平衡状态的判断依据的是____。
A.2v正(O2)=v逆(NO2)
B.NO与O2的物质的量之比为2:
1
C.容器内混合气体的密度保持不变
D.K不变
E.容器内混合气体的颜色保持不变
(2)通过现代科学技术动态跟踪反应的进行情况,得到容器内混合气体的压强、平均摩尔质量随反应时间的变化曲线如图1图2所示。
则反应2NO(g)+O2(g)
2NO2(g)在T1℃时的平衡常数Kp=____。
[对于气相反应,用某组分B的平衡压强p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数,记作Kp,如p(B)=p•x(B),p为平衡总压强,x(B)为平衡系统中B的物质的量分数]。
保持其它条件不变,仅改变反应温度为T2℃(T2>T1),在图2中画出容器内混合气体的平均摩尔质量随反应时间的变化趋势图_____。
II.NO的工业处理
(3)H2还原法:
2NO(g)+2H2(g)
N2(g)+2H2O(g)ΔH1
已知在标准状况下,由元素最稳定的单质生成1mol纯化合物时的焓变叫做标准摩尔生成焓。
NO(g)和H2O(g)的标准摩尔生成焓分别为+90kJ•mol-1、-280kJ•mol-1。
则ΔH1=____。
(4)O3-CaSO3联合处理法
NO可以先经O3氧化,再用CaSO3水悬浮液吸收生成的NO2,转化为HNO2。
已知难溶物在溶液中并非绝对不溶,同样存在着一定程度的沉淀溶解平衡。
在CaSO3水悬浮液中加入Na2SO4溶液能提高SO32-对NO2的吸收速率,请用平衡移动原理解释其主要原因____。
(5)电化学处理法
工业上以多孔石墨为惰性电极,稀硝酸铵溶液为电解质溶液,将NO分别通入阴阳两极,通过电解可以得到浓的硝酸铵溶液。
则电解时阳极发生的电极反应为____。
【答案】AE0.08
-740kJ•mol-1对于反应CaSO3(s)
Ca2+(aq)+SO32-(aq),加入Na2SO4溶液时,SO42-结合部分Ca2+,使其平衡向正反应方向移动,c(SO32-)增大,吸收NO2的速率增大NO-3e-+2H2O=NO3-+4H+
【解析】
【分析】
【详解】
I.
(1)在一定条件下,当一个可逆反应的正反应速率与逆反应速率相等时,反应物的浓度与生成物的浓度不再改变,达到一种表面静止的状态,即“化学平衡状态”。
其中,正反应速率与逆反应速率相等是化学平衡状态的实质,而反应物的浓度与生成物的浓度不再改变是化学平衡状态的表现。
A.当2v正(O2)=v逆(NO2)时,说明反应已达平衡态,故A正确;
B.NO与O2的物质的量之比为2:
1时,不能说明该反应反应物的浓度与生成物的浓度不再改变,故B错误;
C.根据质量守恒定律,容器内气体的质量恒定不变,则恒容容器内混合气体的密度始终保持不变,不能说明达到化学平衡状态,故C错误;
D.该反应中平衡常数K只与温度有关,则不能用K不变来判断化学平衡状态,故D错误;
E.容器内混合气体的颜色保持不变,则说明反应物的浓度与生成物的浓度不再改变,即达到化学平衡状态,故E正确;
综上所述,答案为AE;
(2)设容器内二氧化氮与氧气分别为2mol、1mol,达平衡态时,氧气转化了xmol,则可列三段式为:
平衡时平均摩尔质量为36.8g/mol,则有
,解得x=0.5,则NO、O2、NO2的物质的量分数分别为0.4、0.2、0.4,同温同体积,根据压强之比等于物质的量之比,有
,代入x,解得a=62.5,根据平衡常数公式有
;因为该反应为放热反应,升高温度时,反应速率会加快,平衡逆向移动,平均摩尔质量会减小,容器内混合气体的平均摩尔质量随反应时间的变化趋势图为
,故答案为:
0.08;
;
(3)
=生成物标准摩尔生成焓之和-反应物标准摩尔生成焓之和=-280kJ•mol-1×2-90kJ•mol-1×2=-740kJ•mol-1,故答案为:
-740kJ•mol-1;
(4)相同条件下,硫酸钙的溶解度小于亚硫酸钙的溶解度,亚硫酸钙可转化为硫酸钙,对于反应CaSO3(s)
Ca2+(aq)+SO32-(aq),加入Na2SO4溶液时,SO42-结合部分Ca2+,使其平衡向正反应方向移动,c(SO32-)增大,吸收NO2的速率增大,故答案为:
对于反应CaSO3(s)
Ca2+(aq)+SO32-(aq),加入Na2SO4溶液时,SO42-结合部分Ca2+,使其平衡向正反应方向移动,c(SO32-)增大,吸收NO2的速率增大;
(5)由电解原理可知,阳极发生氧化反应,则一氧化氮转化为硝酸根,其电极方程式为NO-3e-+2H2O=NO3-+4H+,故答案为:
NO-3e-+2H2O=NO3-+4H+。
4.甲醇是一种可再生能源,由CO2制备甲醇的过程可能涉及的反应如下:
反应Ⅰ:
CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g)△H1=-49.58kJ·mol-1
反应Ⅱ:
CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g)△H2
反应Ⅲ:
CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g)△H3=-90.77kJ·mol-1
回答下列问题:
(1)反应Ⅱ的△H2=______________。
(2)反应Ⅲ能够自发进行的条件是__________(填“较低温度”、“较高温度”或“任何温度”)
(3)恒温,恒容密闭容器中,对于反应Ⅰ,下列说法中能说明该反应达到化学平衡状态的是________。
A.混合气体的密度不再变化
B.混合气体的平均相对分子质量不再变化
C.CO2、H2、CH3OH、H2O的物质的量之比为1:
3:
1:
1
D.甲醇的百分含量不再变化
(4)对于反应Ⅰ,不同温度对CO2的转化率及催化剂的效率影响如图所示,下列有关说法不正确的是__________。
A.其他条件不变,若不使用催化剂,则250℃时CO2的平衡转化率可能位于M1
B.温度低于250 ℃时,随温度升高甲醇的产率增大
C.M点时平衡常数比N点时平衡常数大
D.实际反应应尽可能在较低的温度下进行,以提高CO2的转化率
(5)若在1L密闭容器中充入3molH2和1molCO2发生反应Ⅰ,250℃时反应的平衡常数K=______;若要进一步提高甲醇体积分数。
可采取的措施有_________________。
(6)下图是电解Na2CO3溶液的装置图。
阴极的电极反应式为________________
【答案】+41.19kJ·mol-1较低温度BDABD0.148(或者
)增大压强(降低温度)2H++2e-==H2↑或2H2O+2e-==H2↑+2OH-
【解析】
【分析】
本题考查盖斯定律,热化学反应与过程无关,只与始态与终态有关,△H2=△H1-△H3=+41.19kJ/mol;△G==△H-T△S,T为温度,△G<0,可自发进行,反应Ⅲ:
△H<0,△S<0,较低温度可自发进行;平衡状态的判断,同一物质的正逆反应速率相等,本题中ρ=m/V,质量与体积均不变,密度自始至终不变,不可做为判断依据;M=m/n,质量不变,物质的量减少,可做判断依据;反应物与生成物平衡时的比例不一定为1:
3:
1:
1,不可以;只要平衡则甲醇的百分含量不再变化,可以;化学反应条件的选择,既要考虑反应时的产量,又要考虑反应的速率;
,250℃时转化率为50%;电解池中阳极失电子,溶液中为水提供的氢氧根离子失电子,产生的氢离子和钠离子向阴极区域移动,而阴极附近的水提供的氢离子得电子,生成氢气。
【详解】
(1)本题考查盖斯定律,热化学反应与过程无关,只与始态与终态有关,△H2=△H1-△H3=+41.19kJ/mol;
(2)△G==△H-T△S,T为温度,△G<0,可自发进行,反应Ⅲ:
△H<0,△S<0,较低温度可自发进行;(3)平衡状态的判断,同一物质的正逆反应速率相等,本题中ρ=m/V,质量与体积均不变,密度自始至终不变,不可做为判断依据;M=m/n,质量不变,物质的量减少,可做判断依据;反应物与生成物平衡时的比例不一定为1:
3:
1:
1,不可以;只要平衡则甲醇的百分含量不再变化,可以;答案为:
BD;(4)A.催化剂对反应速率有影响,对平衡的限度无影响,A错误;B.该反应为放热反应,降低温度平衡正向移动,产率提高,B正确;C.升高温度平衡向左移动,化学平衡常数变小,C错误;D.实际反应应尽可能在催化效率最高时,D错误;答案为ABD;
(5)CO2+3H2
CH3OH+H2O250℃时转化率为50%
初始量:
13
反应量:
0.51.50.50.5
平衡:
0.51.50.50.5
,K=0.148;提高甲醇的体积分数为:
增大压强(降低温度);(6)电解池中阳极失电子,溶液中为水提供的氢氧根离子失电子,产生的氢离子和钠离子向阴极区域移动,而阴极附近的水提供的氢离子得电子,生成氢气,2H++2e-==H2↑或2H2O+2e-==H2↑+2OH-
【点睛】
判断化学平衡的依据:
同一物质的正逆反应速率相等,还可以为延伸出的依据,需要具体分析,本题中ρ=m/V,质量与体积均不变,密度自始至终不变,不可做为判断依据;M=m/n,质量不变,物质的量减少,可做判断依据;反应物与生成物平衡时的比例不一定为1:
3:
1:
1;甲醇的百分含量不再变化则可以。
5.CH4超干重整CO2技术可得到富含CO的化工原料。
回答下列问题:
(1)CH4超干重整CO2的催化转化如图所示:
①已知相关反应的能量变化如图所示:
过程Ⅰ的热化学方程式为________。
②关于上述过程Ⅱ的说法不正确的是________(填序号)。
a.实现了含碳物质与含氢物质的分离
b.可表示为CO2+H2=H2O(g)+CO
c.CO未参与反应
d.Fe3O4、CaO为催化剂,降低了反应的ΔH
③其他条件不变,在不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下,反应CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)进行相同时间后,CH4的转化率随反应温度的变化如图所示。
a点所代表的状态________(填“是”或“不是”)平衡状态;b点CH4的转化率高于c点,原因是________。
(2)在一刚性密闭容器中,CH4和CO2的分压分别为20kPa、25kPa,加入Ni/α-Al2O3催化剂并加热至1123K使其发生反应CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)。
①研究表明CO的生成速率υ(CO)=1.3×10-2·p(CH4)·p(CO2)mol·g-1·s-1,某时刻测得p(CO)=20kPa,则p(CO2)=________kPa,υ(CO)=________mol·g-1·s-1。
②达到平衡后测得体系压强是起始时的1.8倍,则该反应的平衡常数的计算式为Kp=________(kPa)2。
(用各物质的分压代替物质的量浓度计算)
(3)CH4超干重整CO2得到的CO经偶联反应可制得草酸(H2C2O4)。
常温下,向某浓度的草酸溶液中加入一定浓度的NaOH溶液,所得溶液中
,则此时溶液的pH=________。
(已知常温下H2C2O4的Ka1=6×10-2,Ka2=6×10-5,lg6=0.8)
【答案】CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)ΔH=247.4kJ·mol-1cd不是b和c都未达平衡,b点温度高,反应速率快,相同时间内转化率高151.95
2.7
【解析】
【分析】
由能量-反应进程曲线得热化学方程式,应用盖斯定律可得过程I的热化学方程式。
过程II中进入循环的物质是最初反应物,出循环的物质是最终生成物,可得总反应方程式。
恒温恒容时组分气体的分压与其物质的量成正比,故用分压代替物质的量进行计算。
草酸溶液与NaOH溶液混合后,其两步电离平衡仍然存在,据电离常数表达式可求特定条件下溶液的pH。
【详解】
(1)①据CH4超干重整CO2的催化转化图,过程I的化学反应为CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)。
由能量-反应进程曲线得热化学方程式:
CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)ΔH=+206.2kJ·mol-1(i)
CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g)ΔH=-165kJ·mol-1(ii)
(i)×2+(ii)得过程I的热化学方程式:
CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)ΔH=247.4kJ·mol-1
②过程Ⅱ物质变化为:
左上(CO、H2、CO2)+右下(惰性气体)→左下(H2O)+右上(CO、惰性气体),总反应为H2+CO2=H2O+CO。
Fe3O4、CaO为总反应的催化剂,能降低反应的活化能,但不能改变反应的ΔH。
故ab正确,cd错误。
③通常,催化剂能加快反应速率,缩短反应到达平衡的时间。
但催化剂不能使平衡发生移动,即不能改变平衡转化率。
若图中a点为化学平衡,则保持温度不变(800℃),将催化剂II换成I或III,CH4转化率应不变,故a点不是化学平衡。
同理,图中b、c两点都未达到化学平衡。
据题意,b、c两点只有温度不同,b点温度较高,反应速率快,相同时间内CH4转化率高。
(2)①据气态方程PV=nRT,恒温恒容时某组分气体的分压与其物质的量成正比。
则反应中分压为
1123K恒容时,CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)
起始分压/kPa:
202500
改变分压/kPa:
10102020
某时分压/kPa:
10152020
即某时刻p(CO2)=15kPa,p(CH4)=10kPa。
代入υ(CO)=1.3×10-2·p(CH4)·p(CO2)mol·g-1·s-1=1.95mol·g-1·s-1。
②设达到平衡时CH4的改变分压为xkPa,
1123K恒容时,CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)
起始分压/kPa:
202500
改变分压/kPa:
xx2x2x
平衡分压/kPa:
20-x25-x2x2x
据题意,有
=1.8,解得x=18。
CH4(g)、CO2(g)、CO(g)、H2(g)的平衡分压依次是2kPa、7kPa、36kPa、36kPa,代入Kp=
=
(kPa)2。
(3)常温下,草酸溶液与NaOH溶液混合,所得混合溶液中仍存在分步电离:
H2C2O4
H++HC2O4-Ka1=
HC2O4-
H++C2O42-Ka2=
当
时,Ka1·Ka2=
。
=
=6×10-3.5mol/L,pH=2.7。
【点睛】
一定温度下,可逆反应建立平衡时,用平衡浓度求得浓度平衡常数Kc,用平衡分压求得压力平衡常数Kp,它们可通过气态方程进行换算。
6.合成氨对人类生存具有重大意义,反应为:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)△H
(1)科学家研究在催化剂表面合成氨的反应机理,反应步骤与能量的关系如图所示(吸附在催化剂表面的微粒用*标注,省略了反应过程中部分微粒)。
①NH3的电子式是___。
②决定反应速率的一步是___(填字母a、b、c、…)。
③由图象可知合成氨反应的△H____0(填“>”、“<”或“=”)。
(2)传统合成氨工艺是将N2和H2在高温、高压条件下发生反应。
若向容积为1.0L的反应容器中投入5molN2、15molH2,在不同温度下分别达平衡时,混合气中NH3的质量分数随压强变化的曲线如图所示:
①温度T1、T2、T3大小关系是___。
②M点的平衡常数K=____(可用分数表示)。
(3)目前科学家利用生物燃料电池原理(电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子),研究室温下合成氨并取得初步成果,示意图如图:
①导线中电子移动方向是____。
②固氮酶区域发生反应的离子方程式是___。
③相比传统工业合成氨,该方法的优点有___。
【答案】
b<T3>T2>T17.32×10-3a→bN2+6H++6MV+=2NH3+6MV2+条件温和、生成氨的同时释放电能
【解析】
【分析】
(1)①从分子中每个原子都形成了稳定结构的角度分析;
②反应需要的能量最高的反应决定总反应速率;
③根据能量图,反应物的总能量高于产物的总能量,则反应为放热反应;
(2)①正反应为放热反应,相同压强下,温度越高,对应NH3的含量越小;
②根据反应三段式进行计算;
(3)①根据装置电极b上MV2+转化为MV+判断正负极,原电池工作时,电子从负极经过导线流向正极;
②固氮酶区域中N2转化为NH3,MV+转化为MV2+;
③该电化学装置工作时,可将化学能转化为电能,同时利用生物酶在室温下合成氨,不需要高温条件、反应条件温和。
【详解】
(1
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