提升训练29 无机化学与化学反应原理综合(第30题)1.(2022·金华十校模拟)硫化氢是一种有臭鸡蛋气味的剧毒气体,在生产、生活及科研中均有重要应用。(1)工业上采用高温热分解H2S的方法制取H2,在膜反应器中分离出H2,发生的反应为2H2S(g)2H2(g)+S2(g) ΔH已知:①H2S(g)H2(g)+S(g) ΔH1②2S(g)S2(g) ΔH2则ΔH= (用含ΔH1、ΔH2的式子表示)。 (2)在容积2L的恒容密闭容器中,控制不同温度进行H2S的分解:2H2S(g)2H2(g)+S2(g)。H2S的起始物质的量均为1mol,实验过程中测得H2S的转化率如图1所示。曲线a表示H2S的平衡转化率与温度的关系,曲线b表示不同温度下反应经过相同时间时H2S的转化率。图1①反应2H2S(g)2H2(g)+S2(g)是放热反应还是吸热反应?判断并说理由: 。 ②随着H2S分解温度的升高,曲线b向曲线a逐渐靠近,其原因是 。 ③在985℃时,该反应经过5s达到平衡,则该反应的平衡常数为 。在图2中画出985℃时,0~6s体系中S2(g)浓度随时间的变化曲线。 图2 图3(3)工业上常用NaOH溶液吸收H2S废气,吸收后所得溶液进行电解(装置如图3所示),在阳极区可生成Sx2-,写出生成Sx2-的电极反应式: 。 2.研究NOx、CO2的吸收利用对促进低碳社会的构建和环境保护具有重要意义。(1)已知:①2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH1②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l) ΔH212\n③H2O(g)H2O(l) ΔH3求25℃、101kPa下,2molCH3OH(l)完全燃烧的ΔH= (用含ΔH1、ΔH2、ΔH3的式子表示)。 (2)向1L密闭容器中加入2molCO2、6molH2,在适当的催化剂作用下,发生反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l) ΔH2①已知反应的ΔH2<0,则此反应自发进行的条件是 (填“低温”“高温”或“任意温度”)。 ②在T℃下,CO2气体的浓度随时间t变化如下图所示,则此温度下反应的平衡常数K= (用分数表示)。在t2时将容器容积缩小为原体积的一半,t3时再次达到平衡,请画出t2之后CO2气体的浓度随时间变化的曲线。 (3)用NH3催化还原NOx可以消除氮氧化物的污染。如下图,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的含量,从而确定烟气脱氮率(注:脱氮率即氮氧化物的转化率),反应原理为NO(g)+NO2(g)+2NH3(g)2N2(g)+3H2O(g)。以下说法正确的是 (填字母)。 A.使用第②种催化剂更有利于提高NOx的平衡转化率B.催化剂①②分别适合于250℃和450℃左右脱氮C.相同条件下,改变压强对脱氮率没有影响D.烟气通过催化剂的流速越快,脱氮效果会越好(4)用电解法处理NOx是消除氮氧化物污染的新方法,其原理是将NOx在电解池中分解成无污染的N2和O2,电解质是固体氧化物陶瓷(内含O2-,可定向移动),阴极的电极反应式是 。 3.氮是一种重要的化学元素,与氮有关的重要物质有氨、联氨、尿素、丙烯腈、己二腈等,回答下列问题:(1)已知:2NH3(g)N2(g)+3H2(g)ΔH=akJ·mol-12H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH=bkJ·mol-1NH3(l)NH3(g) ΔH=ckJ·mol-1则反应4NH3(l)+3O2(g)2N2(g)+6H2O(g)的ΔH= kJ·mol-1(用a、b、c表示)。 12\n(2)丙烯腈()是一种重要的化工原料,工业上以氨、丙烯、氧气为原料,在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)的热化学方程式如下:C3H6(g)+NH3(g)+O2(g)C3H3N(g)+3H2O(g) ΔH=-515kJ·mol-1①对于气相反应,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= 。该反应能自发,其原因是 。 ②若其他条件不变,在恒容、温度T1时丙烯腈的物质的量与时间关系的图像如图(a)所示。请补充完成温度为T2[化学平衡常数K(T1)>K(T2)]时丙烯腈的物质的量随时间变化的示意图。(3)图(b)为在相同压强下,经过相同反应时间测得的丙烯腈产率与反应温度的关系曲线,最高产率对应温度为460℃,则高于460℃时,丙烯腈的产率降低,可能的原因是:①有副反应发生,② ,③ 。 (4)恒容时,若按丙烯、氨、空气的体积比1∶1∶7.5投料,有利于提高C3H6转化为C3H3N平衡转化率的措施有 。(填字母) A.使用催化剂B.投料比不变,增加反应物的浓度C.降低反应温度D.将产物液化,及时移走产物(5)己二腈是一种重要的化工原料,是制造尼龙的中间体。工业上通过电解丙烯腈()制己二腈,H3PO4-K3PO4等作为电解质溶液,控制pH在8.5~9.0范围内。写出该电解反应的总化学方程式: 。 4.研究含氮和含硫化合物的性质在工业生产和环境保护中有重要意义。(1)制备SO3可以有如下两种途径:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=-198kJ·mol-1SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g)ΔH=-41.8kJ·mol-1若表示CO标准燃烧热的ΔH为-283kJ·mol-1,则1molNO2和1molCO反应生成CO2和NO的能量变化示意图中E2= kJ·mol-1。 12\n(2)锅炉烟道气含CO、SO2,可通过如下反应回收硫:2CO(g)+SO2(g)S(l)+2CO2(g)。某温度下在2L恒容密闭容器中通入2molSO2和一定量的CO发生反应,5min后达到平衡,生成1molCO2。其他条件不变时SO2的平衡转化率随反应温度的变化如图A所示,请解释其原因: 。 ②第8分钟时,保持其他条件不变,将容器体积迅速压缩至1L,在10分钟时达到平衡,CO的物质的量变化了1mol。请在图B中画出SO2浓度从6~11分钟的变化曲线。(3)已知某温度下,H2SO3的电离常数为K1≈1.5×10-2,K2≈1.0×10-7,用NaOH溶液吸收SO2,当溶液中HSO3-、SO32-离子浓度相等时,溶液的pH约为 。 (4)连二亚硫酸钠(Na2S2O4)具有强还原性,废水处理时可在弱酸性条件下加入亚硫酸氢钠电解产生连二亚硫酸根,进而将废水中的HNO2还原成无害气体排放,连二亚硫酸根氧化为原料循环电解。产生连二亚硫酸根的电极反应式为 ,连二亚硫酸根与HNO2反应的离子方程式为 。 5.氯化铵、甲醇、氧化铝都是重要化合物。(1)已知:Ⅰ.NH4Cl(s)NH3(g)+HCl(g)ΔH=+163.9kJ·mol-1Ⅱ.HCl(g)+CH3OH(g)CH3Cl(g)+H2O(g)ΔH=-31.9kJ·mol-1Ⅲ.NH4Cl(s)+CH3OH(g)NH3(g)+CH3Cl(g)+H2O(g)①反应Ⅲ在 条件下能自发反应(填“较高温度”“较低温度”或“任何温度”),理由是 。 ②图1是反应Ⅲ使用三种不同催化剂时得到的CH3Cl的产率与温度关系的变化图。已知:催化剂用量、催化剂粒数、n(甲醇)n(氯化铵)的值、甲醇进料速度、反应时间等测试条件都相同。12\n图1中a曲线CH3Cl产率先增大后减小的原因是 。请在图2中画出其他条件都相同时,在370℃下使用三种不同催化剂至反应平衡时,CH3Cl的产率与时间关系的变化曲线,并用a、b、c标出对应的曲线。 (2)25℃时,在某浓度的NH4Cl溶液中滴加一定量的氨水至中性,此时测得溶液中c(Cl-)=0.36mol·L-1,则混合溶液中c(NH3·H2O)= mol·L-1。(25℃时,NH3·H2O的Kb=1.8×10-5) (3)多孔Al2O3薄膜可作为催化剂载体、模板合成纳米材料等用途。现以高纯铝片作为阳极,不锈钢作为阴极,一定溶度的磷酸溶液作为电解质溶液进行电解,即可初步制取多孔Al2O3膜。请写出该制取过程的阳极电极反应式: 。 6.液氨气化后分解产生的氢气可作为燃料供给氢氧燃料电池。已知:2NH3(g)N2(g)+3H2(g) ΔH=92.4kJ·mol-12H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH=-483.6kJ·mol-1NH3(l)NH3(g) ΔH=23.4kJ·mol-1(1)4NH3(l)+3O2(g)2N2(g)+6H2O(g)的ΔH= ,该反应的平衡常数表达式为 。 (2)2NH3(g)N2(g)+3H2(g)能自发进行的条件是 (填“高温”或“低温”);恒温(T1)恒容时,催化分解初始浓度为c0的氨气,得氨气的转化率α(NH3)随时间t变化的关系如图曲线1。如果保持其他条件不变,将反应温度提高到T2,请在图中再添加一条催化分解初始浓度也为c0的氨气过程中α(NH3)~t的总趋势曲线(标注2)。 (3)有研究表明,在温度大于70℃、催化剂及碱性溶液中,可通过电解法还原氮气得到氨气,写出阴极的电极反应式: 。 (4)25℃时,将amol·L-1的氨水与bmol·L-1盐酸等体积混合(体积变化忽略不计),反应后溶液恰好显中性,用a、b表示NH3·H2O的电离平衡常数为 。 7.高温下用H2还原CuCl制备活性铜,反应原理如下:2Cu(s)+Cl2(g)2CuCl(s) ΔH1=-36kJ·mol-1 ①H2(g)+2CuCl(s)2Cu(s)+2HCl(g) ΔH2 ②有关物质的键能数据如下表:12\n物质H2Cl2HCl键能/(kJ·mol-1)436243432(1)求ΔH2= kJ·mol-1。 (2)经测定反应②制备活性铜的反应趋势大,原因是 。 (3)在某温度下,反应①达到平衡状态,在t1时,增加压强到原来的2倍(Cu的量足够),在图中画出Cl2浓度的变化趋势线。(4)白色不溶于水的CuCl可以由电解法制得,如下图所示:①装置中用的交换膜为 。 A.阳离子交换膜 B.阴离子交换膜C.质子交换膜 D.氢氧根离子交换膜②阳极的电极反应式为 。 (5)已知CuCl可溶解于稀硝酸,写出该反应的化学方程式: 。 (6)根据已学知识写出制取CuCl的一种方法,用化学方程式表示: 。 参考答案提升训练29 无机化学与化学反应原理综合(第30题)1.答案:(1)2ΔH1+ΔH2 (2)①吸热反应,H2S的平衡转化率随温度的升高而逐渐增大 ②温度升高,反应速率加快,达到平衡所需时间缩短 ③0.04412\n (3)xS2--2(x-1)e-Sx2-或[S2--2e-S↓,(x-1)S+S2-Sx2-]解析:(1)由盖斯定律知,①×2+②得2H2S(g)2H2(g)+S2(g),则ΔH=2ΔH1+ΔH2。(2)①根据图像,随着温度的升高,H2S的转化率增大,根据勒夏特列原理,正反应为吸热反应;②温度升高,化学反应速率加快,达到平衡所用时间缩短;③列三段式如下: 2H2S(g)2H2(g)+S2(g)起始/mol100转化/mol0.40.40.2平衡/mol0.60.40.2根据化学平衡常数的表达式K=c(S2)·c2(H2)c2(H2S)=0.22×(0.42)2(0.62)2≈0.044;S2的物质的量随着时间增加而增大,在5s时达到平衡,此时S2的浓度为0.2mol2L=0.1mol·L-1,即图像为。(3)根据图3,电极b附近产生氢气,电极反应式为2H++2e-H2↑,电极b为阴极,电极a为阳极,阳极上产生Sx2-,电极a的电极反应式为xS2--2(x-1)e-Sx2-。2.答案:(1)3ΔH1-2ΔH2+6ΔH3(2)①低温 ②127 (3)B(4)2NOx+4xe-N2+2xO2-解析:(1)将已知方程式3×①-2×②+6×③即得25℃、101kPa下,2molCH3OH(l)完全燃烧的热化学方程式:2CH3OH(l)+3O2(g)2CO2(g)+4H2O(l),则ΔH=3ΔH1-2ΔH2+6ΔH3。(2)①反应②的ΔH2<0,反应②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l) ΔS<0,要ΔH-TΔS<0,只有在低温时,此反应自发进行。②向1L密闭容器中加入2molCO2、6molH2,发生反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l),在T℃下,CO2气体的浓度随时间t变化如题图,平衡时CO2的浓度为1mol·L-1,H2的浓度为3mol·L-1,则此温度下反应的平衡常数K=1c(CO2)·c3(H2)=127。在t2时将容器容积缩小为原体积的一半,t3时再次达到平衡,K=1c(CO2)·c3(H2)=1c(CO2)·c3(CO2)=127,得c(CO2)=1mol·L-1,即可画出t2之后CO2气体的浓度随时间变化的曲线。12\n(3)使用第②种催化剂时的反应温度与使用第①种催化剂不同,不能说明使用第②种催化剂更有利于提高NOx的平衡转化率,故A错误;由图像可知两种催化剂脱氮率最高时的温度分别是250℃和450℃左右,催化剂①②分别适合于250℃和450℃左右脱氮,故B正确;脱氮反应是气体体积增大的反应,相同条件下,改变压强对脱氮率有影响,加压平衡逆向移动,故C错误;烟气通过催化剂的流速越快,与催化剂接触时间短,脱氮效果会越差,故D错误。(4)阴极得电子,阴极的电极反应式是2NOx+4xe-N2+2xO2-。3.答案:(1)2a+3b+4c(2)①p(C3H3N)-p3(H2O)p(C3H6)·p(NH3)·p32(O2) 该反应放出大量的热且体系的混乱度增大②(3)②反应未达到平衡,但催化剂活性降低 ③460℃后反应达到平衡,升高温度,上述平衡向逆反应方向移动(4)CD(5)+2H2OO2↑+2NC(CH2)4CN4.答案:(1)359.8(2)①正反应放热,温度升高平衡逆向移动,SO2的平衡转化率减小;温度高于445℃后硫变成气态,正反应吸热,温度升高平衡正向移动,SO2的平衡转化率增大②(3)7(4)2HSO3-+2H++2e-S2O42-+2H2O3S2O42-+2HNO2+2H2O6HSO3-+N2↑解析:(1)由已知信息可得:①2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH1=-198kJ·mol-1,②SO2(g)+NO2(g)SO3(g)+NO(g) ΔH2=-41.8kJ·mol-1,③CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH3=-283kJ·mol-1,根据盖斯定律可知,由②+③-①×12可得NO2(g)+CO(g)CO2(g)+NO(g) ΔH=(-41.812\nkJ·mol-1)+(-283kJ·mol-1)-(-198kJ·mol-1)×12=-225.8kJ·mol-1,则E2=E1-ΔH=(134kJ·mol-1)-(-225.8kJ·mol-1)=359.8kJ·mol-1。(2)①由图示可知SO2的平衡转化率随反应温度的变化是先降低,当温度达到445℃,再升温,转化率反而升高,出现此现象的可能原因是:正反应放热,温度升高平衡逆向移动,SO2的平衡转化率减小;温度高于445℃后硫变成气态,正反应吸热,温度升高平衡正向移动,SO2的平衡转化率增大。②某温度下在2L恒容密闭容器中发生2CO(g)+SO2(g)S(l)+2CO2(g),通入2molSO2和一定量的CO发生反应,5min后达到平衡,生成1molCO2,此时SO2的物质的量为1.5mol,浓度为0.75mol·L-1;第8分钟时,保持其他条件不变,将容器体积迅速压缩至1L,此时SO2的浓度为1.5mol·L-1,此时平衡会正向进行,10分钟时达到平衡,CO的物质的量变化了1mol,SO2变化0.5mol,重新平衡时SO2的浓度为1.5mol-0.5mol1L=1mol·L-1,可得SO2浓度从6~11分钟的变化曲线为。(3)根据反应HSO3-SO32-+H+,平衡常数K=c(H+)·c(SO32-)c(HSO3-)=1.0×10-7,当HSO3-、SO32-离子浓度相等,则c(H+)=1.0×10-7mol·L-1,溶液的pH≈7。(4)亚硫酸氢钠电解产生连二亚硫酸根发生还原反应,应在电解池的阴极进行,电极反应式为2HSO3-+2H++2e-S2O42-+2H2O;连二亚硫酸根与HNO2反应生成无毒气体为氮气,则HNO2发生还原反应,连二亚硫酸根发生氧化反应生成HSO3-,则发生反应的离子方程式为3S2O42-+2HNO2+2H2O6HSO3-+N2↑。5.答案:(1)①较高温度 因为反应Ⅲ的ΔS>0,ΔH>0 ②温度越高反应速率越快,因此随着温度升高,CH3Cl的产率逐渐增大,410℃之后,随着温度升高,催化剂活性降低,反应速率减小,因此CH3Cl的产率逐渐减小(2)2×10-3 (3)2Al+3H2O-6e-Al2O3+6H+解析:(1)①反应Ⅲ的焓变ΔH=+163.9kJ·mol-1+(-31.9kJ·mol-1)=+132kJ·mol-1,ΔH>0;反应Ⅲ属于熵增大的反应,ΔS>0,故反应Ⅲ在较高温度条件下能自发反应;②催化剂只是增大化学反应速率,对化学平衡不影响,故在370℃下使用三种不同催化剂至反应平衡时,CH312\nCl的产率相同,由图1可知,370℃下,三种催化剂反应速率由大到小的顺序为c>b>a,故图像为。(2)氯化铵溶液中加入氨水至溶液呈中性,则c(OH-)=c(H+)=1×10-7mol·L-1,根据电荷守恒得:c(Cl-)=c(NH4+)=0.36mol·L-1,结合氨水的电离方程式可知:K=c(NH4+)·c(OH-)c(NH3·H2O)=0.36×1×10-7c(NH3·H2O)=1.8×10-5,c(NH3·H2O)=2.0×10-3mol·L-1。(3)电解池中,阳极为活泼金属作电极时,活泼金属放电,即Al放电生成氧化铝,结合电解质溶液为酸性配平。故阳极的电极反应式为2Al+3H2O-6e-Al2O3+6H+。6.答案:(1)-1172.4kJ·mol-1 K=c2(N2)·c6(H2O)c3(O2)(2)高温(3)N2+3H2O+6e-2NH3+6OH-(4)b×10-7a-b解析:(1)①2NH3(g)N2(g)+3H2(g) ΔH=92.4kJ·mol-1,②2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH=-483.6kJ·mol-1,③NH3(l)NH3(g) ΔH=23.4kJ·mol-1,由盖斯定律:2×①+3×②+4×③得到反应4NH3(l)+3O2(g)2N2(g)+6H2O(g)的ΔH=92.4kJ·mol-1×2+(-483.6kJ·mol-1)×3+23.4kJ·mol-1×4=-1172.4kJ·mol-1;根据化学平衡常数的含义,该反应的平衡常数表达式为K=c2(N2)·c6(H2O)c3(O2)。(2)已知2NH3(g)N2(g)+3H2(g) ΔH=92.4kJ·mol-1,反应后气体的物质的量增大,则ΔS>0,而且ΔH>0,若要使ΔH-T·ΔS<0,则需在较高温度下,所以2NH3(g)N2(g)+3H2(g)能自发进行的条件是高温;将反应温度提高到T2,反应速率加快,到达平衡所用时间缩短,氨气的分解反应为吸热反应,升高温度,平衡正向移动,氨气的转化率增大,则T2温度时分解初始浓度为c0的氨气过程中α(NH3)~t的总趋势曲线为12\n。(3)根据题意,电解法还原氮气得到氨气,阴极是氮气,得电子发生还原反应生成氨气,1mol氮气得6mol电子,利用OH-平衡电荷,然后用原子守恒配平,则电极反应式为N2+3H2O+6e-2NH3+6OH-。(4)将amol·L-1的氨水与bmol·L-1的盐酸等体积混合,反应后溶液显中性,则溶液中c(H-)=c(OH-)=1×10-7mol·L-1,根据电荷守恒,c(Cl-)+c(OH-)=c(NH4+)+c(H+),溶液中c(NH4+)=c(Cl-)=b2mol·L-1,反应前c(NH3·H2O)=a2mol·L-1,则反应后c(NH3·H2O)=a2-b2mol·L-1,Kb=c(NH4+)·c(OH-)c(NH3·H2O)=b×10-7a-b。7.答案:(1)-149(2)反应②ΔH<0,ΔS>0,是自发反应(3)(平衡线与原平衡线相平)(4)①A ②Cu+Cl--e-CuCl (5)6CuCl+8HNO33Cu(NO3)2+3CuCl2+2NO↑+4H2O(6)CuCl2+Cu2CuCl(其他合理答案也可)解析:(1)由表格中数据可以求解H2(g)+Cl2(g)2HCl(g) ΔH=436kJ·mol-1+243kJ·mol-1-2×432kJ·mol-1-185kJ·mol-1。根据盖斯定律,ΔH2=ΔH-ΔH1=-185kJ·mol-1-(-36kJ·mol-1)=-149kJ·mol-1。(2)由于该反应ΔH2<0,反应过程中气体物质的量增加,ΔS>0,所以反应能够自发进行。(3)对于反应①,压强增加到原来两倍的瞬间,Cl2的浓度增大到原来的两倍,随后平衡正向移动并最终建立新的平衡。平衡常数K=1c(Cl2),温度不变时,K为定值,因此最终Cl2的浓度与原平衡相等。(4)由电解装置图可知,阳极Cu失去电子生成CuCl,反应原理为Cu+Cl--e-CuCl,电解过程中Cl-不断消耗。阴极Cu没有参加反应,溶液中H+得到电子生成H2,反应原理为2H++e-H2↑,H+来源于水的电离,电解过程中OH-浓度不断增大。如果采用阳离子交换膜,Na+向阴极迁移,维持两个装置电荷平衡,A正确;如果采用阴离子交换膜,OH-向阳极迁移,这样会导致CuCl中混入杂质,B错误;由于溶液中H+很少,质子交换膜基本不起作用,C错误;采用氢氧根离子交换膜时,阴极生成的OH-12\n进入阳极会导致CuCl中混入杂质,D错误,所以①选A。(5)CuCl与稀硝酸反应时,+1价Cu被氧化得到Cu(NO3)2,HNO3被还原生成NO。(6)CuCl2被Cu还原可以得到CuCl。12
