板块三化学反应原理综合

板块三化学反应原理综合NO.4“测”限时检测——测速度,测准度,查漏补缺!1.(2021·四川成都二模)乙烯是世界上产量最大的化学产品之一,乙烯工业是石油化工产业的核心。氨气是化肥工业和基础有机合成工业的重要原料。(1)甲醇制备乙烯的主要反应:Ⅰ.2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g)ΔH1=20.9kJ·mol1Ⅱ.3CH3OH(g)C3H6(g)+3H2O(g)ΔH2=98.1kJ·mol1Ⅲ.4CH3OH(g)C4H8(g)+4H2O(g)ΔH3=118.1kJ·mol1①C3H6转化为C2H4的热化学方程式Ⅳ:2C3H63C2H4(g)ΔH4=。②加入N2作为稀释剂,反应Ⅰ中C2H4的产率将(填“增大”“减小”或“不变”)。

(2)乙炔在Pd表面选择加氢生成乙烯的反应机理如图。其中吸附在Pd表面上的物质用*标注。上述吸附反应为(填“放热”或“吸热”)反应,该历程中最大能垒(活化能)Ea(正)=kJ·mol1,该步骤的化学方程式为。

(3)在合成氨的实际生产中,未反应的气体(含不参与反应的惰性气体)可多次循环使用。当氢氮比[c(H2):c(N2)]为3时,平衡时氨气的含量关系式为ω(NH3)=0.325·Kp·p·(1i)2(Kp表示平衡常数;p表示平衡体系压强;ⅰ表示惰性气体体积分数)。当温度为500℃,平衡体系压强为2.3MPa,不含惰性气体时,平衡时氨气的含量为ω。若温度不变,体系中有13%的惰性气体,此时增大压强,Kp将(填“变大”“变小”或“不变”)。欲使平衡时氨气的含量仍为ω,应将压强调整至MPa(保留2位有效数字)。

(4)在t℃、压强为3.6MPa条件下,向一恒压密闭容器中通入氢氮比为3的混合气体,体系中气体的含量与时间变化关系如图所示,反应20min达到平衡,试求0～20min内氨气的平均反应速率v(NH3)=MPa·min1。若起始条件一样,在恒容容器中发生反应,则达到平衡时H2的含量符合图中(填“d”“e”“f”或“g”)点。

(1)①由盖斯定律可知,ΔH4=3ΔH12ΔH2=[20.9×3(98.1)×2]kJ·mol1=+133.5kJ·mol1。②加入N2作为稀释剂,体积增大,对反应Ⅰ相当于减压,平衡向分子数增多的方向移动,即向正反应方向移动,C2H4的产率增大。(2)由图可知,吸附时能量降低,解吸时能量升高,其中C2H3*+H*C2H4*的活化能最大,为+85kJ·0.325·Kp·p·(1i)2,欲使平衡时氨气的含量仍为ω,ω(NH3)=0.325·Kp·2.3Mpa·(10)2=0.325·Kp·p·(113%)2,解得p≈3.0MPa。(4)根据图像可知a为氨气,0～20min,氨气的体积分数增加了19,则氨气增加的压强为19×3.6MPa=0.4MPa,因此v(NH3)=0.02MPa·min1,若起始条件相同,在恒容容器中发生反应,相对于恒压状态,物质浓度减小,速率减慢,相比之前晚达到平衡,达到平衡时H2的百分含量增大,符合题图中的g点。(1)①+133.5kJ·mol1②增大(2)放热+85C2H3*+H*C2(3)不变3.0(4)0.02g2.(2021·贵州毕节二模)CO2的捕集、利用与封存成为科学家研究的重要课题。(1)已知:CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)ΔH1=802kJ·mol12CO(g)+O2(g)2CO2(g)ΔH2=566kJ·mol1则反应3CO2(g)+CH4(g)4CO(g)+2H2O(g)的ΔH3=kJ·mol1。(2)探究反应CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)的反应速率和平衡,向1L恒容密闭容器中通入CO2和CH4各1mol,测得CH4的平衡转化率与温度及压强的关系如图所示。①CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)的ΔH0(填“大于”或“小于”)。

②下列叙述能判断反应CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)达化学平衡状态的是(填字母)。

A.混合气体的密度保持不变B.CO的体积分数保持不变C.c(CO)和c(H2)的比值保持不变D.断裂4molC—H键的同时断裂2molH—H键③在压强为p1,温度为1000℃时,反应经5min达平衡,用CO2表示的化学反应速率v(CO2)=;

比较x点和y点的速率:xy(填“大于”“小于”或“等于”,下同);压强p1p2,原因是

。

(3)CO2可被NaOH溶液捕获,其所得溶液中c(HCO3-)∶c(CO32-)=2∶1,溶液pH=。(室温下,H2CO3的K1=4×107;K2(1)根据盖斯定律可得,ΔH3=ΔH12ΔH2=802kJ·mol1(566kJ·mol1)×2=330kJ·mol1。(2)①同一压强下,温度升高,CH4的平衡转化率升高,说明该反应是吸热反应,则该反应的ΔH大于0。②A.该反应体系中,总质量和体积均不变,故任意时刻,混合气体的密度都相同,则该说法不能表示反应达到化学平衡状态;B.发生反应时,CO的体积分数是在不断变化的,当CO的体积分数保持不变时,可以表明反应达到化学平衡状态;C.分析可知,反应体系中,c(CO)和c(H2)的比值始终为1∶1,则该说法不能表示反应达到化学平衡状态;D.断裂4molC—H键的同时断裂2molH—H键,则正反应速率等于逆反应速率,可以表明反应达到化学平衡状态,故选BD。③压强为p1,温度为1000℃时,CH4的转化率为50%,则Δn(CO2)=Δn(CH4)=50%×1mol=0.5mol,v(CO2)=Δn(C0.1mol·L1·min1;x点和y点相比,x点的温度较低,则x点的速率小于y点的速率;同一温度下,p2对应的CH4的转化率较小,该反应是气体分子数增大的反应,增大压强,平衡逆向移动,CH4的转化率降低,故p1小于p2。(3)根据碳酸的第二步电离平衡常数可得,K2=c(CO31011,则c(H+)=1.0×1010mol·L1,pH=lgc(H+)=10。(1)330(2)①大于②BD③0.1mol·L1·min1小于小于同一温度下,p2对应的CH4的转化率较小,该反应是气体分子数增大的反应,增大压强,平衡逆向移动,CH4的转化率降低(3)103.(2021·河南洛阳三模)天然气通过重整反应可生产合成气,进而生产H2,该工艺减少甲烷和CO2的排放,对于节约能源和保护环境具有双重意义。以甲烷为原料制氢主要有水蒸气重整、CO2重整等方法。甲烷水蒸气重整制氢工艺流程如图:(1)涉及的甲烷水蒸气重整反应方程式为CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)ΔH1CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)ΔH2=+165kJ·mol1已知CH4、CO、H2的燃烧热分别为891kJ·mol1、283kJ·mol1、286kJ·mol1,水的汽化热为+44kJ·mol1,则ΔH1=。

(2)天然气脱硫工艺中常用热分解法处理H2S,硫化氢分解反应的方程式为2H2S(g)2H2(g)+S2(g),在101kPa时各气体的平衡体积分数与温度的关系如图所示:该反应的ΔH0(填“>”或“<”)。图中A点时反应的平衡常数Kp=(用平衡分压代替平衡浓度,平衡分压=总压×物质的量分数)。

(3)利用甲烷水蒸气重整制得的氢气,工业上可用于合成氨生产。①“哈伯法”是制氨气的常用方法,反应方程式为N2(g)+3H2(g)2NH3(g),向密闭容器中按体积比1∶3通入N2和H2,反应达平衡时NH3的体积分数为25.0%,则N2的平衡转化率α(N2)=。

②“球磨法”是一种在温和的条件下(45℃和1bar,1bar≈100kPa)合成氨气的新方法,氨的最终体积分数可高达82.5%。该法分为两个步骤(如图):第一步,铁粉在球磨过程中被反复剧烈碰撞而活化,产生高密度的缺陷,氮分子被吸附在这些缺陷[Fe(N*)]上,有助于氮分子的解离。第二步,N*发生加氢反应得到NHx*(x=1～3),剧烈碰撞中,NHxA.催化剂(Fe)缺陷密度越高,N2的吸附率越高B.“哈伯法”采用高温主要用于解离氮氮三键,而“球磨法”不用解离氮氮三键C.“球磨法”转速不能过快,否则体系升温太快,温度升高不利于N2吸附D.“球磨法”不采用高压,是因为低压产率已经较高,加压会增大成本(4)用催化剂Fe3(CO)12/ZSM5催化CO2加氢合成乙烯的反应,所得产物含CH4、C3H6、C4H8等副产物,反应过程如图。催化剂中添加Na、K、Cu助剂(助剂也起催化作用)后可改变反应的选择性,在其他条件相同时,添加不同助剂,经过相同时间后测得CO2转化率和各产物的物质的量分数如表。助剂CO2转化率(%)各产物在有机产物中的占比(%)C2H4C3H6其他有机物Na42.535.939.624.5K27.275.622.81.6Cu9.880.712.56.8欲提高单位时间内乙烯的产量,在Fe3(CO)12/ZSM5中添加助剂效果最好,加入助剂能提高单位时间内乙烯产量的根本原因是

。

(1)a.CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)ΔH=891kJ·mol1,b.CO(g)+12O2(ΔH3=283kJ·mol1,c.H2(g)+12O2(ΔH4=286kJ·mol1,d.H2O(l)H2O(g)ΔH5=+44kJ·mol1,由盖斯定律得ΔH1=ΔHΔH33ΔH4ΔH5=+206kJ·mol-(2)由图可知,升高温度,硫化氢的体积分数减小,平衡正向移动,则正反应是吸热反应,即ΔH>0;A点硫化氢和氢气的体积分数相等,即硫化氢和氢气的物质的量相等,设硫化氢的起始物质的量为2mol,转化的物质的量为2xmol,列三段式2H2S(g)2H2(g)+S2(g)起始量(mol) 2 0 0转化量(mol) 2x 2x x平衡量(mol) 22x 2x x则22x=2x,解得x=0.5,则A点气体的总物质的量是2.5mol,平衡常数Kp=p2(H2)×(3)①设开始通入的N2为1mol,则H2为3mol,N2转化了amol,列三段式N2(g)+3H2(g)2NH3(g)起始量(mol) 1 3 0转化量(mol) a 3a 2a平衡量(mol) 1a 33a 2a则有2a4-2a×100%=25%,解得a=0.4,则N2的平衡转化率α(N2②由题意可知,催化剂(Fe)缺陷密度越高,N2的吸附率越高,故A正确;“哈伯法”采用高温主要用于解离氮氮三键,而“球磨法”是氮分子被吸附在这些缺陷[Fe(N*)]上,有助于氮分子解离氮氮三键,故B不正确;“球磨法”转速不能过快,否则体系升温太快,温度升高,平衡逆向移动,不利于N2吸附,故C正确;“球磨法”不采用高压,是因为低压产率已经较高,加压对设备要求比较高,会增大成本,故D正确。(4)由表中数据可知,添加Na助剂时其他副反应占比大,添加Cu助剂时,CO2转化效率低,兼顾乙烯的产率、CO2转化率和对副反应的影响,选择添加K助剂效果最好,不仅能提高单位时间内乙烯的产量,并且其他副反应占比小;加入助剂能提高单位时间内乙烯产量的根本原因是降低反应的活化能,加快乙烯生成速率,而对其他副反应几乎无影响。(1)+206kJ·mol-1(4)K降低反应的活化能,加快乙烯生成速率,而对其他副反应几乎无影响4.(2021·陕西咸阳一模)为了防止氮氧化物对空气的污染,人们采取了很多措施。(1)已知,在25℃时:Ⅰ.2NO(g)N2(g)+O2(g)ΔH1=180.5kJ·mol1K1=1×1030Ⅱ.CO(g)+12O2(g)CO2(g)ΔH2=283.0kJ·mol1K2=5×1045①写出NO与CO反应生成两种无毒气体的热化学方程式:。②请根据以上相关数据,分析仅使用催化剂能否有效消除NO、CO尾气污染:

(要求写出分析过程)。

(2)如用CH4催化还原NO2可以消除氮氧化物的污染,发生的反应为CH4(g)+2NO2(g)N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)ΔH=867kJ·mol1。①下列有关说法正确的是(填字母)。

A.在容器中充入1molCH4和2molNO2,当体系中n(B.恒温恒容时,当混合气体的密度不随时间变化时,该反应达到平衡状态C.体系达到平衡后,升高温度,混合气体的平均相对分子质量增大D.恒温恒压时,充入CH4有利于提高氮氧化物的转化率②在t2时刻,将容器的容积迅速扩大到原来的2倍,在其他条件不变的情况下,t3时刻达到新的平衡状态。请在图中画出从t2到t4时刻v正(N2)随时间的变化曲线。(3)用NH3催化还原NOx也可以消除氮氧化物的污染,其反应原理为NO(g)+NO2(g)+2NH3(g)2N2(g)+3H2O(g)。试写出该反应平衡常数的表达式Kp=[用各组分的平衡分压表示,如p(NO2)为NO2的平衡分压]。

(4)用间接电化学法对大气污染物NO进行无害化处理,其原理如图所示(质子膜允许H+和H2O通过),电极Ⅰ上的反应式为。

(1)①Ⅰ.2NO(g)N2(g)+O2(g)ΔH1=180.5kJ·mol1;Ⅱ.CO(g)+12O2(g)CO2(g)ΔH2=283.0kJ·mol1,根据盖斯定律,由反应Ⅰ+Ⅱ×2得2CO(g)+2NO(g)2CO2(g)+N2(g)ΔH=180.5kJ·mol1+(283.0kJ·mol1)×2=746.5kJ·mol1。②反应Ⅰ+Ⅱ×2得到反应2CO(g)+2NO(g)2CO2(g)+N2(g),则该反应的平衡常数K=K1·K22=1×1030×(5×1045)2=2.5×10121(2)①在容器中充入1molCH4和2molNO2,加入的甲烷和二氧化氮的物质的量之比等于其化学计量数之比,则无论反应是否达到平衡状态,体系中n(CH②该反应正向是气体分子数增大的反应,在t2时刻将容器的容积迅速扩大到原来的2倍,体系压强减小,正、逆反应速率均减小,平衡向正反应方向移动,随着反应的进行,氮气的反应速率逐渐减小直到达到新的平衡,所以图像为。(3)用各物质的平衡分压代替各物质的浓度表示的平衡常数为分压平衡常数,则NO(g)+NO2(g)+2NH3(g)2N2(g)+3H2O(g)的平衡常数的表达式Kp=p2((4)HSO3-在电极Ⅰ上转化为S2O42-,其中S的化合价降低,则电极Ⅰ为阴极,HSO3-在阴极上发生得电子的还原反应生成S2O42-,电极反应为2HSO(1)①2CO(g)+2NO(g)2CO2(g)+N2(g)ΔH=746.5kJ·mol1②能;2CO(g)+2NO(g)2CO2(g)+N2(g)的平衡常数K=K1·K22=2.510121,该反应正向进行的趋势很大,使用合适的催化剂能大大加快反应速率,基本上可以除去污染气体(2)①CD②(3)p2(4)2HSO3-+2e+2H+=S25.(2021·黑龙江大庆二模)天然气的主要成分甲烷是一种重要的化工原料,广泛应用于民用和化工业生产中。回答下列问题:(1)利用CH4超干重整CO2技术可得到富含CO的化工原料。已知:①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)ΔH1=+196kJ·mol1②2H2(g)+O2(g)2H2O(g)ΔH2=484kJ·mol1③2CO(g)+O2(g)2CO2(g)ΔH3=566kJ·mol1则CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)ΔH=。

(2)在两个相同刚性密闭容器中充入CH4和CO2发生反应:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),CH4和CO2的分压均为20kPa,加入催化剂Ni/αAl2O3,分别在T1和T2温度下进行反应,测得CH4转化率随时间变化如图1所示。①A点处v正(填“<”“>”或“=”)B点处v逆。

②用单位时间内气体分压的变化来表示反应速率,即v=ΔpΔt,T2下,上述反应0～2min内平均反应速率v(CH4)=kPa·min1③上述反应达到平衡后,下列变化一定能使平衡正向移动的是(填字母)。

A.通入惰性气体使容器内压强增大B.正反应速率加快C.平衡常数K变大D.增大催化剂表面积(3)其他条件相同,在甲、乙、丙三种不同催化剂作用下,相同时间内测得甲烷转化率随温度变化如图2所示。三种催化剂作用下,反应活化能最大的是(填“甲”“乙”或“丙”);CH4的转化率b点高于c点的原因是

。

(4)我国科学家设计的新型甲烷燃料电池能量密度高、成本低,其工作原理如图3所示。B极电极反应式为。

(1)根据盖斯定律,①+12×(②③)可得CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),则ΔH=+196kJ·mol1+12×[484kJ·mol1(566kJ·mol1)]=+237kJ·mol1。(2)①根据图像可知,T1时达到平衡所用的时间小于T2,则T1>T2,温度越高,反应速率越快,且A、B两点甲烷的转化率相等,则A点处v正>B点处v逆。②2min时,甲烷转化率为20%,CH4和CO2的初始分压均为20kPa,CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)起始/kPa 20 20 0 0转化/kPa 4 4 8 8平衡/kPa 16 16 8 8v(CH4)=4kPa2min=2kPa·③向刚性容器中通入惰性气体使容器内压强增大,反应体系中的各物质的分压不变,则平衡不移动,A与题意不符;使用催化剂,正、逆反应速率均加快,平衡不移动,B与题意不符;平衡常数K变大,则生成物的浓度增大,反应物的浓度减小,则平衡正向移动,C符合题意;增大催化剂表面积,正、逆反应速率同等程度增大,平衡不移动,D与题意不符。(3)相同温度下,甲、乙、丙三种不同催化剂导致CH4的转化率最小的,反应活化能最大,则反应活化能最大的是丙;CH4(g)与CO2(g)的反应为吸热反应,b、c两点均未达到平衡状态,升高温度,反应速率加快,导致相同时间内CH4的转化率b点高于c点。(4)根据图3可知,B极甲烷失电子,与O2反应生成二氧化碳,作负极,电极反应式为CH48e+4O2CO2+2H2O。(1)+237kJ·mol1(2)①>②2③C(3)丙b、c两点均未达到平衡状态,b点温度高,反应速率快,相同时间内甲烷的转化率高(4)CH48e+4O2CO2+2H2O6.(2021·四川遂宁模拟)CO和NO是汽车尾气中的主要污染物,易引起酸雨、温室效应和光化学烟雾等环境污染问题。随着我国机动车保有量的飞速发展,汽车尾气的有效处理变得迫在眉睫。其中的一种方法为2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g),请回答下列问题:(1)已知该反应为自发反应,则该反应的反应热ΔH0(填“>”“<”或“=”)。

(2)已知:N2(g)+O2(g)2NO(g)ΔH=akJ·mol1C(s)+O2(g)CO2(g)ΔH=bkJ·mol12C(s)+O2(g)2CO(g)ΔH=ckJ·mol1则2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g)ΔH=kJ·mol1(用含a、b、c的表达式表示)。

(3)一定温度下,将2molCO、4molNO充入一恒压密闭容器。已知起始压强为1MPa,到达平衡时,测得N2的物质的量为0.5mol,则:①该温度下,此反应用平衡分压代替平衡浓度的平衡常数Kp=。②该条件下,可判断此反应到达平衡的标志是(填字母)。

A.单位时间内,断裂2molCO同时形成1molN≡NB.混合气体的平均相对分子质量不再改变C.混合气体的密度不再改变D.CO与NO的转化率比值不再改变(4)已知常温下,Kb(NH3·H2O)=1.8×105,Ka1(H2CO3)=4.4×107,Ka2(H2CO3)=4.4×1011,此温度下某氨水的浓度为2mol·L1,则溶液中c(OH)=mol·L1,将脱氮反应后生成CO2通入氨水中使溶液恰好呈中性,则此时c(NH(5)电解NO制备NH4NO3,其工作原理如图所示,为使电解产物全部转化为NH4NO3,需要补充物质A,A是,理由是

。

(1)反应2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g)能够自发进行,反应ΔS<0,若满足ΔHTΔS<0,则