非选择题专项训练三 化学反应原理1.(2022全国Ⅱ)丁烯是一种重要的化工原料,可由丁烷催化脱氢制备。回答下列问题: (1)正丁烷(C4H10)脱氢制1-丁烯(C4H8)的热化学方程式如下:①C4H10(g)C4H8(g)+H2(g) ΔH1已知:②C4H10(g)+O2(g)C4H8(g)+H2O(g)ΔH2=-119kJ·mol-1③H2(g)+O2(g)H2O(g)ΔH3=-242kJ·mol-1反应①的ΔH1为 kJ·mol-1。图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图,x 0.1(填“大于”或“小于”);欲使丁烯的平衡产率提高,应采取的措施是 (填标号)。 A.升高温度B.降低温度C.增大压强D.降低压强图(a)图(b)图(c)7\n(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂),出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势,其降低的原因是 。 (3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线,副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590℃之前随温度升高而增大的原因可能是 、 ; 590℃之后,丁烯产率快速降低的主要原因可能是 。 2.(2022天津理综,节选)CO2是一种廉价的碳资源,其综合利用具有重要意义。回答下列问题:(1)CO2可以被NaOH溶液捕获。若所得溶液pH=13,CO2主要转化为 (写离子符号);若所得溶液c(HCO3-)∶c(CO32-)=2∶1,溶液pH= 。(室温下,H2CO3的K1=4×10-7;K2=5×10-11) (2)CO2与CH4经催化重整,制得合成气:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)①已知上述反应中相关的化学键键能数据如下:化学键C—HCOH—HCO(CO)键能/(kJ·mol-1)4137454361075则该反应的ΔH= 。分别在VL恒温密闭容器A(恒容)和B(恒压、容积可变)中,加入CH4和CO2各1mol的混合气体。两容器中反应达平衡后放出或吸收的热量较多的是 (填“A”或“B”)。 ②按一定体积比加入CH4和CO2,在恒压下发生反应,温度对CO和H2产率的影响如图所示。此反应优选温度为900℃的原因是 。 3.甲醇是一种重要的化工原料,在生产中有着重要的应用。工业上用甲烷氧化法合成甲醇的反应有:(ⅰ)CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)ΔH1=+247.3kJ·mol-1(ⅱ)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH2=-90.1kJ·mol-1(ⅲ)2CO(g)+O2(g)2CO2(g)ΔH3=-566.0kJ·mol-17\n回答下列问题:(1)镍合金是反应(ⅰ)的重要催化剂。工业上镍的制备工艺流程包括:①硫化镍(NiS)制粒后在1100℃的温度下焙烧产生氧化镍;②采用炼钢用的电弧炉,用石油焦(主要成分为碳)作还原剂,在1600~1700℃的温度下还原氧化镍生成金属镍熔体。写出这两步反应的化学方程式: 。 (2)用CH4和O2直接制备甲醇的热化学方程式为 。根据化学反应原理,分析反应(ⅱ)对CH4转化率的影响是 。 (3)某温度下,向4L密闭容器中通入6molCO2和6molCH4,发生反应(ⅰ),平衡体系中各组分的体积分数均为,则此温度下该反应的平衡常数K= ,CH4的转化率为 。 (4)工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯,反应方程式为:CH3OH(g)+CO(g)HCOOCH3(g)ΔH=-29.1kJ·mol-1。科研人员对该反应进行了研究,部分研究结果如下:压强对甲醇转化率的影响压强一定时温度对反应速率的影响①从压强对甲醇转化率的影响“效率”看,工业制取甲酸甲酯应选择的压强是 。 ②实际工业生产中采用的温度是80℃,其理由是 。 (5)直接甲醇燃料电池(简称DMFC)由于结构简单、能量转化率高、对环境无污染,可作为常规能源的替代品而越来越受到关注。DMFC的工作原理如图所示:7\n①通入a气体的电极是原电池的 (填“正”或“负”)极,其电极反应式为 。 ②常温下,用此电池电解(惰性电极)0.5L饱和食盐水(足量),若两极共生成标准状况下的气体1.12L,则溶液的pH为 。 4.(2022天津理综)氢能是发展中的新能源,它的利用包括氢的制备、储存和应用三个环节。回答下列问题:(1)与汽油相比,氢气作为燃料的优点是 (至少答出两点)。但是氢气直接燃烧的能量转换率远低于燃料电池,写出碱性氢氧燃料电池的负极反应式: 。 (2)氢气可用于制备H2O2。已知:H2(g)+A(l)B(l) ΔH1O2(g)+B(l)A(l)+H2O2(l) ΔH2其中A、B为有机物,两反应均为自发反应,则H2(g)+O2(g)H2O2(l)的ΔH 0(填“>”“<”或“=”)。 (3)在恒温恒容的密闭容器中,某储氢反应:MHx(s)+yH2(g)MHx+2y(s) ΔH<0达到化学平衡。下列有关叙述正确的是 。 a.容器内气体压强保持不变b.吸收ymolH2只需1molMHxc.若降温,该反应的平衡常数增大d.若向容器内通入少量氢气,则v(放氢)>v(吸氢)(4)利用太阳能直接分解水制氢,是最具吸引力的制氢途径,其能量转化形式为 。 (5)化工生产的副产氢也是氢气的来源。电解法制取有广泛用途的Na2FeO4,同时获得氢气:Fe+2H2O+2OH-FeO42-+3H2↑。工作原理如图1所示。装置通电后,铁电极附近生成紫红色FeO42-,镍电极有气泡产生。若氢氧化钠溶液浓度过高,铁电极区会产生红褐色物质。已知:Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,易被H2还原。图17\n图2①电解一段时间后,c(OH-)降低的区域在 (填“阴极室”或“阳极室”)。 ②电解过程中,须将阴极产生的气体及时排出,其原因为 。 ③c(Na2FeO4)随初始c(NaOH)的变化如图2。任选M、N两点中的一点,分析c(Na2FeO4)低于最高值的原因: 。 参考答案非选择题专项训练三 化学反应原理1.答案(1)+123 小于 AD(2)原料中过量H2会使反应①平衡逆向移动,所以丁烯产率下降(3)590℃前升高温度,反应①平衡正向移动 升高温度时,反应速率加快,单位时间产生更多丁烯 更高温度导致C4H10裂解生成更多的短碳链烃,故丁烯产率快速降低解析(1)根据盖斯定律,②式-③式可得①式,因此ΔH1=ΔH2-ΔH3=-119kJ·mol-1+242kJ·mol-1=+123kJ·mol-1。由图(a)可以看出,温度相同时,由0.1MPa变化到xMPa,丁烷的转化率增大,即平衡正向移动,由于反应①是气体物质的量增大的反应,压强越小平衡转化率越大,所以x的压强更小,x<0.1。由于反应①为吸热反应,所以温度升高时,平衡正向移动,丁烯的平衡产率增大,因此A正确,B错误。由于反应①是气体物质的量增大的反应,加压时平衡逆向移动,丁烯的平衡产率减小,因此C错误,D正确。(2)H2是反应①的产物,增大n(氢气)n(丁烷)会促使平衡逆向移动,从而降低丁烯的产率。(3)590℃之前,随温度升高,反应速率增大,反应①是吸热反应,升高温度平衡正向移动,生成的丁烯会更多。温度超过590℃,更多的丁烷裂解生成短链烃类,导致丁烯产率快速降低。2.答案(1)CO32- 10(2)①+120kJ·mol-1 B②900℃时,合成气产率已经较高,再升高温度产率增幅不大,但能耗升高,经济效益降低7\n解析(1)CO2可以被NaOH溶液捕获。若所得溶液pH=13,碱性较强,可知CO2主要转化为CO32-;若所得溶液c(HCO3-)∶c(CO32-)=2∶1,此时K2=c(CO32-)·c(H+)c(HCO3-)=c(H+)2,则c(H+)=1.0×10-10mol·L-1,溶液的pH=10。(2)①ΔH=4×413kJ·mol-1+2×745kJ·mol-1-2×1075kJ·mol-1-2×436kJ·mol-1=+120kJ·mol-1;该反应的正反应是气态分子数增大的吸热反应,A与B相比,B中压强较小,反应向右进行的程度较大,达平衡后吸收热量较多。②根据题图可知,900℃时,合成气产率已经较高,再升高温度产率增幅不大,但能耗升高,经济效益降低。3.答案(1)2NiS+3O22NiO+2SO2,2NiO+C2Ni+CO2↑或NiO+CNi+CO↑(2)2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(g) ΔH=-251.6kJ·mol-1 消耗CO和H2,使反应(ⅰ)平衡右移,CH4转化率增大(3)1 33.3%(4)①3.5×106~4.0×106Pa(或4.0×106Pa左右)②高于80℃时,温度对反应速率的影响较小,且该反应是放热反应,升高温度平衡向逆反应方向移动,转化率降低(5)①负 CH3OH+H2O-6e-CO2↑+6H+ ②13解析(1)根据信息可写出化学方程式。(2)由(ⅰ)×2+(ⅱ)×2+(ⅲ)可得:2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(g) ΔH=-251.6kJ·mol-1;反应(ⅱ)中消耗CO和H2,使反应(ⅰ)中生成物浓度减小,导致平衡右移,故CH4转化率增大。(3)设反应的CH4的物质的量为x,则平衡时CH4、CO2、CO、H2的物质的量分别为6mol-x、6mol-x、2x、2x,故有6mol-x=2x,x=2mol,因此平衡时各物质的物质的量浓度均为1mol·L-1,K=1,CH4的转化率为26=13。(4)①改变压强无论是从对化学反应速率还是对化学平衡的影响来说对生产都是有利的,但考虑到加压的“效率”,应选择图表中斜率较大的区域对应的压强,即3.5×106~4.0×106Pa,在该区域内,增大单位压强,甲醇的转化率改变最大,即加压“效率”最高。如果学生从经济“效率”考虑,认为选取4.0×106Pa左右的压强范围耗能较少且转化率较高,也是可行的。②根据压强一定时,温度对反应速率的影响可知,温度高于80℃时,升温对反应速率的影响较小;另外该反应是放热反应,升高温度平衡向逆反应方向移动,转化率降低,所以实际工业生产中采用的温度是80℃。(5)①根据图中电子的流向可知a为负极,负极CH3OH失电子生成H+和CO2,根据电子得失守恒和原子守恒可写出电极反应式:CH3OH+H2O-6e-CO2↑+6H+。②根据电解方程式:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑可知,n(NaOH)=n(气)=1.12L22.4L·mol-1=0.05mol,故c(OH-)=0.05mol0.5L=0.1mol·L-1,c(H+)=1×10-140.1mol·L-1=10-13mol·L-1,pH=13。7\n4.答案(1)污染小、可再生、来源广、资源丰富、燃烧热值高(任写其中2个) H2+2OH--2e-2H2O(2)<(3)ac(4)光能转化为化学能(5)①阳极室②防止Na2FeO4与H2反应使产率降低③M点:c(OH-)低,Na2FeO4稳定性差,且反应慢;N点:c(OH-)过高,铁电极上有Fe(OH)3(或Fe2O3)生成,使Na2FeO4产率降低解析(1)碱性条件下,H2转化为H2O,不能生成H+,电极反应式为H2+2OH--2e-2H2O。(2)①H2(g)+A(l)B(l) ΔH1②O2(g)+B(l)A(l)+H2O2(l) ΔH2将①+②得:H2(g)+O2(g)H2O2(l) ΔH=ΔH1+ΔH2①②两反应均能自发进行,说明ΔH-TΔS<0,①②反应中ΔS<0,可判断ΔH1<0,ΔH2<0,则ΔH<0。(3)该反应正向移动属于气体的物质的量减小的放热反应。a项,气体压强不变,表明气体物质的量不变,达到平衡,正确;b项,该反应为可逆反应,吸收ymolH2,则需MHx大于1mol,错误;c项,该反应是放热反应,降温,平衡向正反应方向移动,平衡常数增大,正确;d项,通入H2相当于加压,平衡正向移动,v(放氢)<v(吸氢),错误。(5)①根据题意镍电极有气泡产生是氢离子放电生成氢气,电极反应式为2H++2e-H2↑,铁电极发生氧化反应,电极反应式为Fe+8OH--6e-FeO42-+4H2O。溶液中的氢氧根离子减少,因此电解一段时间后,c(OH-)降低的区域在阳极室;②根据题意Na2FeO4易被H2还原,电解过程中,须将阴极产生的气体及时排出,防止Na2FeO4与H2反应使产率降低;③根据题意Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,在M点,c(OH-)低,Na2FeO4稳定性差,且反应慢;在N点,c(OH-)过高,铁电极上有红褐色氢氧化铁生成,使Na2FeO4产率降低。7
