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填空题

下图是煤化工产业链的一部分,试运用所学知识,解决下列问题:

I.已知该产业链中某反应的平衡表常数达式为:K=,它所对应反应的化学方程式为                                            

II.二甲醚(CH3OCH3)在未来可能替代柴油和液化气作为洁净液体燃料使用,工业上以CO和H2为原料生产CH3OCH3。工业制备二甲醚在催化反应室中(压力2.0~10.0Mpa,温度230~280℃)进行下列反应:

①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=-90.7kJ·mol-1

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H2=-23.5kJ·mol-1

③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H3=-41.2kJ·mol-1

(1)催化反应室中总反应的热化学方程式为                                         

830℃时反应③的K=1.0,则在催化反应室中反应③的K    1.0(填“>”、“<”或“=”)。

(2)在某温度下,若反应①的起始浓度分别为:c(CO)=1 mol/L,c(H2)=2.4 mol/L,5 min后达到平衡,CO的转化率为50%,则5 min内CO的平均反应速率为            ;若反应物的起始浓度分别为:c(CO)=4 mol/L,c(H2)=a mol/L;达到平衡后,c(CH3OH)=2 mol/L,a=        mol/L。

(3)反应②在t℃时的平衡常数为400,此温度下,在0.5L的密闭容器中加入一定的甲醇,反应到某时刻测得各组分的物质的量浓度如下:

 

①此时刻v   v(填“大于”“小于”或“等于”

②平衡时二甲醚的物质的量浓度是                    

以二甲醚、空气、KOH 溶液为原料,以石墨为电极可直接构成燃料电池,则该电池的负极反应式为                                              ;若以1.12L/min(标准状况)的速率向电池中通入二甲醚,用该电池电解500mL2mol/L CuSO4溶液,通电0.50 min后,计算理论上可析出金属铜的质量为                         

正确答案

I.C(s) + H2O(g)  CO(g)+H2(g) (1分)

II.(1)3CO(g)+3H2(g)  CH3OCH3(g) +CO2(g) △H1=-246.1kJ·mol-1    > (1分)

(2)0.1mol/(L·min)  (1分)  5.4 (1分)

(3)大于(1分)   1.6mol/L (1分)

(4)CH3OCH3 -12e-+16OH - = 2CO32-+11H2O (1分)  9.6g (2分)

试题分析:I.根据题给平衡常数表达式,结合质量守恒定律写出,化学方程式为

C(s) + H2O(g)  CO(g)+H2(g);II.(1)根据盖斯定律,①×2+②+③得催化反应室中总反应的热化学方程式为3CO(g)+3H2(g)  CH3OCH3(g) +CO2(g) △H1=-246.1kJ·mol-1;该反应放热,降温平衡向正向移动,K增大,故在催化反应室中反应③的K>1.0;(2)根据v=△c/△t,将题给数据代入计算,v(CO)= 0.1mol/(L·min);根据平衡计算——三行式计算。

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

起始浓度(mol/L)  1      2.4          0           4      a           0

转化浓度(mol/L)  0.5     1           0.5          2      4           2

平衡浓度(mol/L)  0.5    1.4          0.5          2      a-4         2

将有关数据代入平衡常数表达式,计算得a=5.4;

(3)①根据信息知,Q= c(CH3OCH3) c(H2O)/ c2(CH3OH),代入数据计算得Q=2.4,Q<K,反应正向进行,v大于v;②根据平衡计算——三行式进行计算。平衡时二甲醚的物质的量浓度是1.6mol/L;

(4)以二甲醚、空气、KOH 溶液为原料,以石墨为电极可直接构成燃料电池,二甲醚发生氧化反应,在负极发生反应,根据原子守恒和电荷守恒,该电池的负极反应式为CH3OCH3 -12e-+16OH - = 2CO32-+11H2O;根据电子守恒计算析出铜的质量,2m(Cu)/64=1.12/22.4×0.5×12,m(Cu)=9.6g。

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(1)臭氧可用于净化空气、饮用水消毒、处理工业废物和作为漂白剂。

①臭氧几乎可与除铂、金、铱、氟以外的所有单质反应。如:

6Ag(s)+O3(g)=3Ag2O(s);△H=-235.8 kJ/mol。

己知:2 Ag2O(s)=4Ag(s)+O2(g);△H=+62.2kJ/mol,则O3转化为O2的热化学方程式为          ;②科学家P.Tatapudi等人首先使用在酸性条件下电解水的方法制得臭氧。臭氧在阳极周围的水中产生,阴极附近的氧气则生成过氧化氢,阴极电极反应式为                                         

 

(2)用活性炭还原法处理氮氧化物,有关反应为: C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g)。某研究小组向某密闭的真空容器(假设容器体积不变,固体试样体积忽略不计)中加入NO和足量的活性炭,恒温(T1℃)条件下反应,反应进行到不同时间测得各物质的浓度如下:

①10 min~20 min以内v(CO2)表示的反应速率为                      

②根据表中数据,计算T1℃时该反应的平衡常数K=        (保留两位小数);

③下列各项能作为判断该反应达到平衡状态的是   (填序号字母);

A.容器内压强保持不变

B.2v(NO)=v(N2)

C.容器内CO2的体积分数不变

D.混合气体的密度保持不变

④30 min时改变某一条件,反应重新达到平衡,则改变的条件可能是    

⑤一定温度下,随着NO的起始浓度增大,则NO的平衡转化率   (填“增大”、“不变”或“减小”)。

正确答案

(1)①2O3(g)=3O2(g) △H=-285kJ/mol (2分)  ②2H++O2+2e-=H2O2(2分)

(2)①0.009mol/(L•min)(没写单位不给分,2分)

②0.56(2分)③C、D(2分)④减小CO2的浓度(2分)⑤不变(2分)

试题分析:(1)①a、6Ag(s)+O3(g)=3Ag2O(s) △H=-235.8 kJ/mol,b、2Ag2O(s)=4Ag(s)+O2(g)△H=+62.2kJ/mol,所以依据盖斯定律可知,a×2+b×3即得到:2O3(g)=3O2(g),所以该反应的反应热△H=-235.8 kJ/mol×+62.2kJ/mol×3=-285kJ/mol;即2O3(g)=3O2(g) △H=-285kJ/mol。

②电解池中阳极失去电子,发生氧化反应。阴极得到电子,发生还原反应。根据阳极制得臭氧,阴极制得过氧化氢可知,电解的总反应方程式为3H2O+3O23H2O2+O3,其中阳极反应为3H2O-6e-=O3+6H+,阴极反应为6H++3O2+6e-=3H2O2

(2)①根据表中数据可知10 min~20 min以内v(CO2)表示的反应速率==0.009mol/(L•min)。

②根据表中数据可知T1℃时该反应平衡浓度为,c(N2)=0.3mol/L、c(CO2)=0.3mol/L、c(NO)=0.4mol/L,所以该温度下该反应的平衡常数K===0.56。

③根据反应式C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g)可知,反应是气体体积不变的反应。在一定条件下,当可逆反应中正反应速率和逆反应速率相等时(但不为0),各种物质的浓度或含量均不再发生变化的状态,是化学平衡状态,则A、反应是气体体积不变的反应,反应过程中和反应平衡状态压强相同,所以容器内压强保持不变不能说明反应达到平衡,故A错误;B、反应速率之比等于化学方程式系数之比,当v(NO)=2v(N2),反应达到平衡,v(NO)=2v(N2)只能说明反应正向进行,故B错误;C、容器内CO2的体积分数不变,说明反应达到平衡,故C正确;D、混合气体密度等于气体的总质量除以容器的体积,反应中碳是固体,平衡移动气体质量变化,体积不变,所以混合气体的密度保持不变,说明反应达到平衡,故D正确,答案选CD。④30min时改变某一条件,反应重新达到平衡,根据表中数据可知c(N2)=0.34mol/L、c(CO2)=0.17mol/L、c(NO)=0.32mol/L,所以依据平衡常数K=可知,K==0.56,即平衡常数不变。由于化学平衡常数随温度变化,平衡常数不变说明改变的条件一定不是温度;依据数据分析,氮气浓度增大,二氧化碳和一氧化氮浓度减小,反应前后气体体积不变,所以可能是减小容器体积后加入氮气。

⑤一定温度下,随着NO的起始浓度增大,反应C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g)是气体体积不变的反应;增大一氧化氮浓度相当于增大体系压强,平衡不动,一氧化氮转化率不变。

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2013年全国各地都遭遇“十面霾伏”。其中,机动车尾气和燃煤产生的烟气对空气质量恶化贡献较大。

(1)汽车尾气净化的主要原理为:2NO(g) + 2CO(g)2CO2(g)+ N2(g)。△H<0

若该反应在绝热、恒容的密闭体系中进行,下列示意图正确且能说明反应在进行到t1时刻达到平衡状态的是        (填代号)。

(下图中υ、K、n、w分别表示正反应速率、平衡常数、物质的量、质量分数)

(2)机动车尾气和煤燃烧产生的烟气含氮的氧化物,用CH4催化还原NOX可以消除氮氧化物的污染。已知:CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H=-867 kJ/mol

2NO2(g)N2O4(g)  △H=-56.9 kJ/mol

H2O(g) = H2O(l)  ΔH = -44.0 kJ/mol

写出CH4催化还原N2O4(g)生成N2和H2O(l)的热化学方程式:                                    

(3)用NH3催化还原NOX也可以消除氮氧化物的污染。如图,采用NH3作还原剂,烟气以一定的流速通过两种不同催化剂,测量逸出气体中氮氧化物含量,从而确定烟气脱氮率(注:脱氮率即氮氧化物转化率),

反应原理为:NO(g) +NO2(g)+2NH3(g)2N2(g) + 3H2O(g)。

①该反应的△S    0,△H     0(填“>”、“=”或 “<”)。

②对于气体反应,用某组分(B)的平衡压强(pB)代替物质的量浓度(cB)也可以表示平衡常数(记作KP),

则上述反应的KP                

③以下说法正确的是                 

A.第②种催化剂比第①种催化剂脱氮率高

B.相同条件下,改变压强对脱氮率没有影响

C.催化剂①、②分别适合于250℃和450℃左右脱氮

(4)NO2、O2和熔融NaNO3可制作燃料电池,其原理见图。该电池在使用过程中石墨I电极上生成氧化物Y,其电极反应为                        

(5)硝酸工业尾气中氮氧化物(NO和NO2)可用尿素〔CO(NH2)2〕溶液除去。反应生成对大气无污染的气体。1 mol尿素能吸收工业尾气中氮氧化物(假设NO、NO2体积比为1:1)的质量为___________g。

正确答案

(1)   bd      (各1分,共2分,选错不得分)

(2)CH4(g)+N2O4(g) =N2(g) +2H2O(g) + CO2(l) △H=" —898.1kJ/mol" (2分)

(3)① >(1分) <(1分)②KP (2分) ; ③ C(2分)

(4)NO2+NO3— —e-=N2O5 (2分)  

(5)76g(2分)

试题分析:(1)a、正反应速率等于逆反应速率时,达到平衡状态,此时反应速率不再变化,所以图像不符合,错误;b、因为容器为绝热,所以t1时平衡常数不变,说明反应已达到平衡,正确;c、t1时CO、CO2的物质的量还在变化,没有达到平衡状态,错误;d、t1时NO的质量分数不再变化,说明反应已达到平衡,正确。

(2)首先写出化学方程式并注明状态,然后根据盖斯定律求出焓变,△H=∆H1-∆H2+2×∆H3= —898.1kJ•mol‾1,可写出热化学方程式。

(3)①、根据化学方程式可知气体的系数增大,说明∆S>0;脱氨率达到最高点之后继续升高温度,脱氨率降低,说明平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应,∆H<0。

②、根据化学方程式中物质的状态和系数可得:KP

③A、两种催化剂在本题温度时脱氮率不同,错误;B、改变压强,化学平衡移动,脱氮率发生变化,错误;

C、催化剂①在250℃时脱氮率最高,催化剂②在450℃左右脱氮率最高,正确。

(4)燃料电池中O2在正极上发生得电子反应,则NO2在负极上失电子生成更高价态的N2O5,电极方程式为:NO2+NO3— —e-= N2O5

(5)尿素吸收NO、NO2生成对大气无污染的气体,则化学方程式为:CO(NH2)2 + NO +NO2 =2N2 +CO2+2H2O,1mol尿素反应吸收1mol NO和1mol NO2,质量为:30g+46g=76g。

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以下是一些物质的熔沸点数据(常压):

 

金属钠和CO2在常压、890℃发生如下反应:4 Na(g)+ 3CO2(g) 2 Na2CO3(l)+  C(s,金刚石) △H=-1080.9kJ/mol

(1)若反应在10L密闭容器、常压下进行,温度由890℃升高到1860℃,若反应时间为10min, 金属钠的物质的量减少了0.2mol,则10min内CO2的平均反应速率为                 

(2)高压下有利于金刚石的制备,理由是                                            

(3)由CO2(g)+ 4Na(g)=2Na2O(s)+ C(s,金刚石) △H=-357.5kJ/mol;则Na2O固体与C(金刚石)反应得到Na(g)和液态Na2CO3(l)的热化学方程式                     

(4)下图开关K接M时,石墨电极反应式为                           

(5)请运用原电池原理设计实验,验证Cu2、Ag+氧化性的强弱。

在方框内画出实验装置图,要求用烧杯和盐桥(在同一烧杯中,

电极与溶液含相同的金属元素),并标出外电路电子流向。

正确答案

(1)0.0015 mol/(L ·min)(2分)

(2)增大压强加快反应速率,反应向正反应方向移动(2分);

(3)3Na2O(s)+C(s,金刚石) = 4Na(g)+Na2CO3(l)△H= —4.2kJ/mol(2分);

(4)O2+2H2O+4e =4OH(2分);

(5)      (2分)

试题分析:(1)先根据定义式求v(Na),再根据速率之比等于化学方程式中的系数之比求v(CO2),即v(Na) =0.0020mol/(L•min), v(CO2)="3" v(Na)/4=0.0015mol/(L•min);(2)增大压强加快反应速率,反应向正反应方向移动;(3)将已知两个热化学方程式编号为①②,①—②×3可以约去3 CO2(g),根据盖斯定律,则6Na2O(s)+2C(s,金刚石)=8Na(g)+2Na2CO3(l) △H=—8.4kJ/mol,若系数减半,则焓变也减半,则3Na2O(s)+ C(s,金刚石)=4Na(g)+Na2CO3(l) △H=—4.2kJ/mol;(4)若K接M,则该装置为原电池,模拟铝的吸氧腐蚀,由于铝比石墨活泼,则铝是负极,石墨是正极,负极反应式为Al—3e=Al3+,正极反应式为O2+4e+2H2O=4OH;(5)验证Cu2、Ag+氧化性的强弱,可根据置换反应:

Cu+2Ag+=Cu2+2Ag来设计原电池,铜发生氧化反应,银离子发生还原反应。所以铜作负极,银作正极,硫酸铜和硝酸银作电解质溶液。

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能源是制约国家发展进程的因素之一。甲醇、二甲醚等被称为2 1世纪的绿色能源,工业上利用天然气为主要原料与二氧化碳、水蒸气在一定条件下制备合成气(CO、H2),再制成甲醇、二甲醚。

(1)工业上,可以分离合成气中的氢气,用于合成氨,常用醋酸二氨合亚铜

[Cu(NH32Ac]溶液(Ac=CH3COO)(来吸收合成气中的一氧化碳,其反虚原理为:

[Cu(NH32Ac](aq)+CO+NH3[Cu(NH33]Ac•CO(aq)(△H<0)

常压下,将吸收一氧化碳的溶液处理重新获得[Cu(NH32]AC溶液的措施是         

(2)工业上一般采用下列两种反应合成甲醇:

反应a:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H=-49.0kJ/mol

反应b:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H<0

①对于反应a,某温度下,将4.0 mol CO2(g)和12.0 mol H2(g)充入容积为2L的密闭容器中,反应到达平衡时,测得甲醇蒸气的体积分数为30%,则该温度下反应的平衡常数为    

②对于反应b,某温度下,将1.0mol CO(g)和2.0 mol H2(曲充入固定容积的密闭容器中,反应到达平衡时,改变温度和压强,平衡体系中CH3OH的物质的量分数变化情况如图所示,温度和压强的关系判断正确的是         ;(填字母代号)

A.p3>p2,T3>T2

B.p2>p4,T4>T2

C.p1>p3,T1>T3

D.p1>p4,T2>T3

(3)CO可以合成二甲醚,二甲醚可以作为燃料电池的原料,化学反应原理为:

CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)  △H<0

①在恒容密闭容器里按体积比为1:4充入一氧化碳和氢气,一定条件下反应达到平衡状态。当改变反应的某一个条件后,下列变化能说明平衡一定向正反应方向移动的是       

A.逆反应速率先增大后减小

B.正反应速率先增大后减小

C.反应物的体积百分含量减小

D.化学平衡常数K值增大

②写出二甲醚碱性燃料电池的负极电极反应式         

③己知参与电极反应的电极材料单位质量放出电能的大小称为该电池的比能量。关于二甲醚碱性燃料电池与乙醇碱性燃料电池,下列说法正确的是         (填字母)

A.两种燃料互为同分异构体,分子式和摩尔质量相同,比能量相同

B.两种燃料所含共价键数目相同,断键时所需能量相同,比能量相同

C.两种燃料所含共价键类型不同,断键时所需能量不同,比能量不同

(4)已知l g二甲醚气体完全燃烧生成稳定的氧化物放出的热量为31.63 kJ,请写出表示二甲醚燃烧热的热化学方程式                    

正确答案

(1)加热(2分)

(2)①1.33或 (2分,若书写单位且正确得2分,单位错误不得分) ②C、D(2分)

②C、D(2分)

(3)①B、D (2分) 

②CH3OCH3-12e+16OH= 2CO32+11H2O (2分)      ③C(2分)

(4)CH3OCH3(g)+3O2(g) = 2CO2(g)+3H2O(l)  ΔH=-1454.98 kJ/mol(2分)

试题分析:(1)将吸收一氧化碳的溶液处理重新获得[Cu(NH32]AC溶液只要使平衡向逆反应方向移动即可,逆反应方向为气体体积增大的吸热反应,所以在高温低压下使平衡逆移。

(2)①根据反应方程式计算,

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

起始:4.0 mol   12.0 mol            0              0  

转化:xmol      3xmol            xmol        xmol 

平衡:4-xmol  12-xmol        xmol         xmol 

=30%   x=3mol  

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

平衡浓度:0.5mol/L  1.5mol/L      1.5mol/L     1.5mol/L

t1时达到达到平衡状态,平衡常数==1.33或 

②根据化学平衡移动的影响因素:温度、压强来分析:升高温度,化学平衡向着吸热方向进行,升高压强,化学平衡向着气体体积减小的方向进行。 CH3OH的物质的量分数时随着p1、p2、p3、p4逐渐降低,说明向着逆向移动,逆向是气体体积增大的方向,所以p1、p2、p3、p4压强逐渐升高, B错,CH3OH的物质的量分数时随着T1、T2、T3、T4逐渐升高,说明正向移动,正向是放热反应,说明T1、T2、T3、T4温度逐渐降低。A错。所以选C、D。

(3)①A.逆反应速率先增大后减小,说明一定逆向移动。

B.正反应速率先增大后减小,说明一定正向移动

C.反应物的体积百分含量减小,不一定正向移动

D.化学平衡常数K值增大,因为这个反应征方向是放热反应,说明一定正向移动

所以选B、D  

②反应本质是二甲醚的燃烧,原电池负极发生氧化反应,二甲醚在负极放电,碱性环境中生成碳酸钾与氢水.正极反应还原反应,氧气在正极放电生成氢氧根离子;正极反应为氧气得到电子发生还原反应,在碱性环境中生成氢氧根离子,正极反应为3O2+12e+6H2O=12OH;负极上是燃料甲醚发生失电子的氧化反应,在碱性环境下,即为:CH3OCH3-12e+16OH= 2CO32+11H2O ;     

③由乙醇和二甲醚的分子结构可知,化学式都是C2H6O,组成元素及其原子个数完全相同,互为同分异构体,分子式和摩尔质量相同,乙醇和二甲醚的分子结构不同,无论是物理性质还是化学性质,还是共价键类型,断键时所需能量不可能完全相同,所以比能量肯定不同。所以选C(2分)

(4)l g二甲醚气体完全燃烧生成稳定的氧化物放出的热量为31.63 kJ,l mol(46g)二甲醚气体完全燃烧生成稳定的氧化物放出的热量为31.63×46= 1454.98 kJ,所以二甲醚燃烧热的热化学方程式CH3OCH3(g)+3O2(g) = 2CO2(g)+3H2O(l)  ΔH=-1454.98 kJ/mol。

下一知识点 : 热化学方程式的书写及正误判断
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