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简答题

甲醇是一种可再生能源,具有开发和应用的广阔前景。工业上一般以CO和H2为原料合成甲醇,该反应的热化学方程式为:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)  △H1=-116 kJ·mol-1

(1)下列有关上述反应的说法正确的是________。

a.恒温、恒容条件下,容器内的压强不发生变化则可逆反应达到平衡

b.一定条件下,H2的消耗速率是CO的消耗速率的2倍时可逆反应达到平衡

c.保持容器体积不变,升高温度可提高CO的转化率

d.使用合适的催化剂能缩短达到平衡的时间并提高CH3OH的产量

(2)在容积为1L的恒容容器中,分别研究在230℃、250℃、270℃三种温度下合成甲醇的规律。右图是上述三种温度下不同的H2和CO的起始组成比(起始时CO的物质的量均为1mol)与CO平衡转化率的关系。

①在上述三种温度中,曲线Z对应的温度是          

②利用图中a点对应的数据,计算该反应在对应温度下的平衡常数K (写出计算过程)。

③在答题卡相应位置上画出:上述反应达到平衡后,减小体系压强至达到新的平衡过程中,正逆反应速率与时间的变化关系图并标注。

(3)已知:CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H2=-283 kJ·mol-1

H2(g)+O2(g)=H2O(g) △H3=-242 kJ·mol-1

则表示1mol气态甲醇完全燃烧生成CO 2和水蒸气时的热化学方程式为            

正确答案

(16分)

(1)①a(2分)   

②(5分)解:根据图像可知CO的转化率为50%,H2的物质的量为1.5mol,则:

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

各组分的起始浓度/ mol·L-1   1      1.5       0

各组分的变化浓度/ mol·L-1  0.5      1       0.5

各组分的平衡浓度/ mol·L-1  0.5     0.5       0.5(2分)

K===4L2•mol—2

(3分,K的表达式、代入数据、结果各1分,不带单位不扣分)

共4分,分两个给分点:①逆反应速率变化曲线正确,而且标注正确,给2分(曲线起点或曲线平台或标注3要素,3个正确给2分,2个正确给1分,1个正确给0分。);②正反应速率变化曲线正确,而且标注正确,给2分(曲线起点或曲线平台或标注3要素,3个正确给2分,2个正确给1分,1个正确给0分。)

(3)CH3OH(g)+3/2O2(g) CO2(g)+2H2O(g)  △H=—651kJ•mol—1

(3分,方程式含状态正确1分、反应热2分,单位错漏扣1分)

试题分析:(1)由于CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的正反应是气体物质的量减小的方向,随着反应的正向进行,容器内气体总的物质的量逐渐减小,因此恒温、恒容条件下,容器内的压强逐渐减小,当压强不再变化,说明容器内气体总的物质的量保持不变,反应达到平衡,故a正确;氢气的消耗速率和CO得消耗速率都是正反应速率,它们之比始终等于系数之比,缺少逆反应速率,故b错;CO(g)+2H2(g)CH3OH(g);△H1=-116 kJ·mol-1,说明正反应是放热反应,升高温度平衡向吸热或逆反应方向移动,则CO的转化率减小,故c错;催化剂不能使平衡移动,可以加快反应速率,因此使用催化剂能缩短达到平衡的时间,但是不能提高CH3OH的产量,故d错;(2)①合成甲醇方向是放热反应,升高温度平衡向吸热或逆反应方向移动,CO的平衡转化率减小,则CO的转化率越小,反应温度越高,图中n(H2)/n(CO)保持不变时,CO的平衡转化率:X>Y>Z,则曲线Z对应的温度是270℃;②读图可得,a点的横坐标n(H2)/n(CO)=1.5,纵坐标CO的平衡转化率为50%,设起始时n(CO)=1mol,则n(H2)=1.5mol,则:

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

各组分的起始浓度/ mol·L-1   1      1.5       0

各组分的变化浓度/ mol·L-1  0.5      1       0.5

各组分的平衡浓度/ mol·L-1  0.5     0.5       0.5

K===4L2•mol—2

③画图要点:a.由于CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的正反应是气体体积减小的方向,增大容器体积减小体系压强时,平衡向气体体积增大或逆反应方向移动,则逆反应速率大于正反应速率;b.由于反应物和生成物均随容器体积增大而减小,则正反应速率和逆反应速率均明显减小;c.达到新平衡之前,逆反应速率逐渐减小,正反应速率逐渐增大,因为平衡向逆反应方向移动,生成物浓度逐渐减小,反应物浓度逐渐增大,但都比原平衡的小;d.达到新平衡时,正反应速率和逆反应速率相等,但都比原平衡的小;(3)先将已知两个热化学方程式编号为①②③,再根据盖斯定律,由②+③×2—①可得:CH3OH(g)+3/2O2(g) CO2(g)+2H2O(g)  △H=—651kJ•mol—1

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填空题

已知体积为2L的恒容密闭容器中发生反应:,请根据化学反应的有关原理同答下列问题

(1)一定条件下,充入2 mol SO2(g)和2 mol O2(g),20 s后,测得SO2的体积百分含量为12.5%,则用SO2表示该反应在这20s内的反应速率为____,此时,该密闭容器内混合气体的压强是反应前的____倍。

(2)下面的叙述可作为判断(1)中可逆反应达到平衡状态依据的是(填序号)____。

②混合气体的密度不变

③混合气体的平均相对分子质量不变

④各气体的浓度都不再发生变化

(3)下图表示该反应的速率(v)随时间(t)的变化的关系。则下列不同时间段中,SO3的百分含量最高的是( )

 

 

据图分析:你认为t3时改变的外界条件可能是    ; 

t6时保持体积不变向体系中充人少量SO3,再次平衡后

SO2的体积百分含量比t6    (填“大”\“小”或“等于”)。   

(4)下图中P是可自由平行滑动的活塞。在相同温度时,向A容器中充入4 mol SO3(g),关闭K,向B容器中充入2 mol SO3(g),两容器分别发生反应。

已知起始时容器A和B的体积均为aL。试回答:

①反应达到平衡时容器B的体积为1.2a L,容器B中SO3

化率为____

②若打开K,一段时间后重新达到平衡,容器B的体积为   __L(连通管中气体体积忽略不计,且不考虑温度的影响)。

(5)已知单质硫的燃烧热为△H=-296kJ/mol,经测定由S(s)生成120gSO3(g)可放热592.5kJ,请写出SO2(g)氧化生成SO3(g)的热化学方程式____。

正确答案

(1)0.04mol/(L·s)(2分)    0.8倍(2分)

(2)③④(2分)

(3)A(1分) 加入催化剂(1分)  小(1分)

(4)40℅(2分)   2.6a(2分)

(5)2SO2 (g) + O2 (g)  2SO3 (g);ΔH= -198 kJ·mol-1(2分)

或者: SO2 (g) + O2 (g)  SO3 (g);ΔH= -99 kJ·mol-1

(1)试题分析:2SO2 +      O2    2SO3

始量     2mol      2mol         0 mol

变量     2xmol      xmol         2xmol

平衡    (2-2x) mol   (2-x) mol      2xmol

依题意有: 解之得:x=0.8mol

所以用SO2表示该反应在这20s内的反应速率为:

依据阿伏加德罗定律的推论:同温同体积条件下,物质的量之比等于压强之比,有:

 因此反应后的压强为反应前的0.8倍。

(2)①中这种关系在这个反应中是不管是否达到平衡状态一直存在,不正确;②中混合气体的密度也是时刻不变的,因为反应前后都是气体,质量守恒,而且体积是固定的。不正确。③该反应前后质量一定,但是正向是气体物质的量减小的方向,因此这是达到平衡的一个重要标志。正确。④各气体的浓度不再变化时,意味着各组分浓度t1是一定值,正确。

(3)t1~t2平衡逆向移动,t3~t4平衡不移动t4 ~t5平衡逆向移动,因此选A

t3~t4正逆反应速率同等程度改变,而该反应前后分子数改变,只能是加入催化剂。

体积不变时充入充人少量SO3,相当于增大压强。平衡向右移动。

(4)①试题分析:2SO3     2SO2  +      O2  ,

始量      2mol        0 mol         0 mol

变量      2x mol      2x mol         x mol

平衡     (2-2x) mol    (0+2x) mol L    (0+x) mol

依据阿伏加德罗定律的推论:同温同压条件下,物质的量之比等于体积之比,有:

      解之得:x=0.4  所以转化率为40℅

②若打开K,A和B就成了一个容器,因此再次达到平衡时的总体积应该为3×1.2aL=3.6aL,除去A中原来的1L,B的体积就应该是2.6aL。

(5) 依题意有:1 mol的S最终生成1 mol的SO3会放出592.5/1.5=395 kJ的热量。再根椐盖斯定律可知1 mol的SO2(g)氧化生成1 mol的SO3(g)能放出444-395="99" kJ的热量。因此:

2SO2 (g) + O2 (g)  2SO3 (g);ΔH= -198 kJ·mol-1

或者:SO2 (g) + O2 (g)  SO3 (g);ΔH= -99 kJ·mol-1

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填空题

工业废气、汽车尾气排放出的SO2、NOx等,是形成雾霾的重要因素。霾是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子形成的烟雾。

(1)SO2在烟尘的催化下形成硫酸的反应方程式是__________。

(2)NOx和SO2在空气中存在下列平衡:

2NO(g)+ O2(g) 2NO2(g) △H= -113.0 kJ·mol-1 

2SO2(g)+ O2(g) 2SO3(g) △H=-196.6 kJ·mol-1 

SO2通常在二氧化氮的存在下,进一步被氧化,生成SO3

①写出NO2和SO2反应的热化学方程式为________。

②随温度升高,该反应化学平衡常数变化趋势是________。

(3)提高2SO2 + O2 2SO3反应中SO2的转化率,是减少SO2排放的有效措施。

①T温度时,在1L的密闭容器中加入2.0 mol SO2和1.0 mol O2,5 min后反应达到平衡,二氧化硫的转化率为50%,该反应的平衡常数是_______。

②在①中条件下,反应达到平衡后,改变下列条件,能使SO2的转化率提高的是_______(填字母)。

a.温度和容器体积不变,充入1.0 mol He

b.温度和容器体积不变,充入1.0 mol O2

c.在其他条件不变时,减少容器的体积

d.在其他条件不变时,改用高效催化剂

e.在其他条件不变时,升高体系温度

(4)工业上利用氯碱工业产品治理含二氧化硫的废气。如图是氯碱工业中电解饱和食盐水的原理示意图。

①电解饱和食盐水的化学方程式是     

②用溶液A吸收含二氧化硫的废气,其反应的离子方程式是     

③用含气体B的阳极区溶液吸收含二氧化硫的废气,其反应的离子方程式是       

正确答案

(1)SO2+H2OH2SO3  2H2SO3+O2==2H2SO4 (2分)

(2)①NO2(g)+SO2(g)= SO3(g)+NO(g) △H= -41.8 kJ·mol-1 (2分)

② 减小(2分)

(3)①2 (2分)② b c (2分)

①2NaCl +2H2O2NaOH +H2 ↑ +Cl2 ↑(2分)

②SO2 + OH- =HSO3-(或SO2 + 2OH- =SO32- + H2O)(1分)

③SO2 +Cl2+H2O==4H++SO42-+2Cl- (1分)

试题分析:(1)SO2在烟尘的催化下形成硫酸的反应方程式是SO2+H2OH2SO3  2H2SO3+O22H2SO4

(2)①将已知的后个方程式减去前一个方程式,再除以2得:NO2和SO2反应的热化学方程式为NO2(g)+SO2(g)= SO3(g)+NO(g) △H= -41.8 kJ·mol-1

②该反应是放热反应,随温度升高,该反应化学平衡常数变化趋势是减小。

(3)①2SO2 + O2 2SO3

起始:2.0   1.0       0

变化:2x    x        2x

平衡:1.0   0.5       1.0

平衡常数K==2.

②在①中条件下,反应达到平衡后,改变下列条件,能使SO2的转化率提高的是使平衡正向移动。

a.温度和容器体积不变,充入1.0 mol He ,不改变反应物浓度,平衡不移动;

b.温度和容器体积不变,充入1.0 mol O2,平衡正向移动;

c.在其他条件不变时,减少容器的体积,加压,平衡正向移动;

d.在其他条件不变时,改用高效催化剂,不改变平衡状态;

e.在其他条件不变时,升高体系温度,平衡逆向移动。

(4)①电解饱和食盐水的化学方程式是2NaCl +2H2O2NaOH +H2 ↑ +Cl2 ↑。

②用NaOH溶液吸收含二氧化硫的废气,可生产SO32-或HSO3-

③阳极区气体Cl2溶液吸收含二氧化硫的废气,是氧化SO2:SO2 +Cl2+H2O==4H++SO42-+2Cl-

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填空题

研究NO2、SO2 、CO等大气污染气体的测量及处理具有重要意义。

(1)I2O5可使H2S、CO、HC1等氧化,常用于定量测定CO的含量。已知:

2I2(s)+5O2(g)=2I2O5(s)         △H=-75.56  kJ·mol-1

2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)       △H=-566.0  kJ·mol-1

写出CO(g)与I2O5(s)反应生成I2(s)和CO2(g)的热化学方程式:                                     

(2)一定条件下,NO2与SO2反应生成SO3和NO两种气体:NO2(g)+SO2(g)SO3(g)+NO(g)将体积比为1∶2的NO2、SO2气体置于密闭容器中发生上述反应,下列能说明反应达到平衡状态的是                     

a.体系压强保持不变

b.混合气体颜色保持不变

c.SO3和NO的体积比保持不变

d.每消耗1molSO2的同时生成1molNO

测得上述反应平衡时NO2与SO2体积比为1∶6,则平衡常数K=                 

(3)从脱硝、脱硫后的烟气中获取二氧化碳,用二氧化碳合成甲醇是碳减排的新方向。将CO2转化为甲醇的热化学方程式为:CO2  (g)+3H2(g)  CH3OH(g)+H2O(g)   △H3

①取五份等体体积CO2和H2的的混合气体 (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的关系曲线如图所示,则上述CO2转化为甲醇反应的△H3                     0(填“>”、“<”或“=”)。

②在容积为1L的恒温密闭容器中充入1molCO2和3molH2,进行上述反应。测得CO2和CH3OH(g)的浓度随时间变化如下左图所示。若在上述平衡体系中再充0.5molCO2和1.5mol水蒸气(保持温度不变),则此平衡将                       移动(填“向正反应方向”、“不”或“逆反应方向”)。

         

③直接甲醇燃料电池结构如上右图所示。其工作时负极电极反应式可表示为                      

正确答案

(1)5CO(g)+I2O5(s)=5CO2(g)+I2(s)     △H=-1377.22kJ/mol

(2)b      2.67或8/3 (3)①<             ②不         ③CH3OH-6e+H2O=6H+CO2

试题分析:(1)根据反应①2I2(s)+5O2(g)=2I2O5(s)     △H=-75.56  kJ·mol-1、②2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)       △H=-566.0  kJ·mol-1并依据盖斯定律可知,(②×5-①)÷2即得到反应5CO(g)+I2O5(s)=5CO2(g)+I2(s),所以该反应的反应热△H=(-566.0  kJ/mol×5+75.56  kJ/mol)÷2=-1377.22kJ/mol。

(2)在一定条件下,当可逆反应的正反应速率和逆反应速率相等时(但不为0),反应体系中各种物质的浓度或含量不再发生变化的状态,称为化学平衡状态。该反应是反应前后气体分子数不变的反应,故体系的压强保持不变,故a不能说明反应已达到平衡状态;颜色深浅和浓度有关系,随着反应的进行,NO2的浓度减小,颜色变浅,故b可以说明反应已达平衡;SO3和NO都是生成物,比例保持1:1,故c不能作为平衡状态的判断依据;根据方程式可知,每消耗1molSO2的同时一定生成1molNO ,即d中所述的两个速率方向相同,不能作为平衡状态的判断依据,所以正确的答案选b。反应前后体积不变,因此可以用物质的量表示浓度计算平衡常数,则

NO2(g)+SO2(g)SO3(g)+NO(g)

起始量(mol)    n       2n       0      0

转化量(mol)    x       x         x      x

平衡量(mol)    n-x    2n-x    x      x

则根据平衡时NO2与SO2体积比为1∶6可知6×(n-x)=2n-x

解得x=0.8n

所以该反应的平衡常数K=

(3)①由图可知最高点反应到达平衡,达平衡后,温度越高,φ(CH3OH)越小,平衡向逆反应进行,升高温度平衡向吸热方向进行,逆反应为吸热反应,则正反应为放热反应,即△H3<0。

②根据图像可知,平衡时甲醇的浓度是0.75mol/L,则根据反应方程式CO2  (g)+3H2(g)  CH3OH(g)+H2O(g)可知,消耗CO2和氢气的浓度分别是0.75mol/L和2.25mol/L,生成水蒸气的浓度是0.75mol/L。则平衡时CO2和氢气的浓度分别是1mol/L-0.75mol/L=0.25mol/L、3mol/L-2.25mol/L=0.75mol,所以该反应的平衡常数K=。若在上述平衡体系中再充0.5molCO2和1.5mol水蒸气(保持温度不变),则此时浓度商为,所以此平衡将不移动。

③原电池中正极得到电子,发生还原反应,因此氧气在正极通入,氧气得电子和氢离子反应生成水,电极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O。负极失去电子,发生氧化反应,因此甲醇在负极通入,电极反应式为CH3OH-6e+H2O=6HCO2

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填空题

(1)能源的开发利用与人类社会的可持续性发展息息相关。

已知:① Fe2O3(s)+3C(s)=2Fe(s)+3CO(g)  △H1="a" kJ/mol

②CO(g)+1/2 O2(g)=CO2(g)        △H2="b" kJ/mol

③4Fe(s)+3O2(g)=2Fe2O3(s)        △H3="c" kJ/mol

则C的燃烧热____________________________kJ.mol-1

(2)某实验小组模拟工业合成氨反应N2+3H 2NH3 △H ="-92.4" kJ/mol,开始他们将N2和H2混合气体20mol (体积比1:1)充入5L合成塔中.反应前压强为P0,反应过程中压强用P表示,反应过程中P/P0与时间t的关系如图所示。请回答下列问题:

①反应达平衡的标志是(填字母代号)_____________

A.压强保持不变

B.气体密度保持不变

C.NH3的生成速率是N2的生成速率的2倍

②2min时,以C(N2)变化表示的平均反应速率为___________

③若提高N2的转化率可采取的措施有_______________

A.向体系中按体积比1:1再充入N2和H2

B.分离出NH3

C.升高温度

D.充入He气使压强增大

E.加入一定量的N2

(3)25°C时,BaCO3和BaSO4的溶度积常数分别是8×10-9和1×1010,某含有BaCO3沉淀的悬浊液中c(CO32-)=0.2mol/L,如果加入等体积的Na2SO4溶液,若要产生 BaSO4沉淀,加入Na2SO4溶液的物质的量浓度最小是________mol /L。

正确答案

(1)  (2)①AC     ② 0.1mol·L-1·min-1     ③AB      (3)2.5×10-3

试题分析:(1)(①×2+②×6+③)÷6可得 △H=(2△H1+6△H2+△H3)÷6=。(2)①A.反应是在体积固定的密闭容器中进行的。由于反应N2+3H2 2NH3是一个反应前后气体的物质的量改变的化学反应。若压强不变,则气体的物质的量不变,反应达到平衡。正确。B. 由于容器的容积固定,无论反应是否达到平衡,气体的质量不变,气体密度也保持不变。错误。C.若NH3的生成速率是N2的生成速率的2倍,则每产生2个NH3,就会消耗1个N2。即N2生成速率与N2的生分解速率相等。正确。故选项为AC。③若提高N2的转化率,就要使化学平衡正向移动。A.向体系中按体积比1:1再充入N2和H2。即增大了体系的压强。增大压强化学平衡向正反应方向移动。反应物的转化率提高。正确。B.分离出NH3。减小生成物的浓度,化学平衡向向正反应方向移动,反应物的转化率提高。正确。C.由于该反应的正反应是一个气体体积减小的放热反应。升高温度化学平衡向吸热反应方向移动。所以升高温度化学平衡向逆反应方向移动,反应物的转化率降低。错误。D.充入He气使压强增大尽管压强增大,但未引起反应混合物的浓度发生改变,所以平衡不移动,N2的转化率不变。错误。E.加入一定量的N2。在其它条件不变的情况下,增大某反应物的浓度,可以使其它反应物的转化率提高,但它本身的转化率反而降低。错误。(3)c(CO32-)=0.2mol/L根据K(BaCO3)(sp)CO32- +Ba2+.C(CO32-)·C((Ba2+)=8×10-9. C((Ba2+)=8×10-9÷0.2=4×10-8.根据K(BaSO4)(sp)SO42-+ Ba2+. C(SO42-)·C((Ba2+)=1×10-10. C(SO42-)=1×10-10÷C((Ba2+)=1×10-10÷4×10-8=2.5×10-3.

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