专题五 化学能与热能1．[2022·江苏化学，4]某反应的反应过程中能量变化如图所示(图中E1表示正反应的活化能，E2表示逆反应的活化能)。下列有关叙述正确的是( )A．该反应为放热反应B．催化剂能改变该反应的焓变C．催化剂能降低该反应的活化能D．逆反应的活化能大于正反应的活化能2.[2022·大纲全国理综，9]反应A＋B→C(ΔH<0)分两步进行：①A＋B→X(ΔH>0)，②X→C(ΔH<0)。下列示意图中，能正确表示总反应过程中能量变化的是( )3.[2022·重庆理综，12]肼(H2NNH2)是一种高能燃料，有关化学反应的能量变化如图所示。已知断裂1mol化学键所需的能量(kJ)：N≡N为942、O＝O为500、N－N为154，则断裂1molN－H键所需的能量(kJ)是( )A．194 B.391C.516D.6584.[2022·北京理综，26]用Cl2生产某些含氯有机物时会产生副产物HCl。利用反应A，可实现氯的循环利用。反应A：4HCl＋O22Cl2＋2H2O(1)已知：ⅰ.反应A中，4molHCl被氧化，放出115.6kJ的热量。10\nⅱ.①H2O的电子式是___________________________________。②反应A的热化学方程式是____________________________。③断开1molH－O键与断开1molH－Cl键所需能量相差约为________kJ，H2O中H－O键比HCl中H－Cl键(填“强”或“弱”)________。(2)对于反应A，下图是在4种投料比[n(HCl)∶n(O2)，分别为1∶1、2∶1、4∶1、6∶1]下，反应温度对HCl平衡转化率影响的曲线。①曲线b对应的投料比是________。②当曲线b、c、d对应的投料比达到相同的HCl平衡转化率时，对应的反应温度与投料比的关系是________。③投料比为2∶1、温度为400℃时，平衡混合气中Cl2的物质的量分数是________。5．[2022·课标全国理综，27]光气(COCl2)在塑料、制革、制药等工业中有许多用途，工业上采用高温下CO与Cl2在活性炭催化下合成。(1)实验室中常用来制备氯气的化学方程式为______________________。(2)工业上利用天然气(主要成分为CH4)与CO2进行高温重整制备CO，已知CH4、H2和CO的燃烧热(ΔH)分别为－890.3kJ·mol－1、－285.8kJ·mol－1和－283.0kJ·mol－1，则生成1m3(标准状况)CO所需热量为________；(3)实验室中可用氯仿(CHCl3)与双氧水直接反应制备光气，其反应的化学方程式为______________________；(4)COCl2的分解反应为COCl2(g)===Cl2(g)＋CO(g)ΔH＝＋108kJ·mol－1。反应体系达到平衡后，各物质的浓度在不同条件下的变化状况如下图所示(第10min到14min的COCl2浓度变化曲线未示出)：10\n①计算反应在第8min时的平衡常数K＝________；②比较第2min反应温度T(2)与第8min反应温度T(8)的高低：T(2)________T(8)(填“<”“>”或“＝”)；③若12min时反应于温度T(8)下重新达到平衡，则此时c(COCl2)＝________mol·L－1；④比较产物CO在2～3min、5～6min和12～13min时平均反应速率[平均反应速率分别以v(2～3)、v(5～6)、v(12～13)表示]的大小________；⑤比较反应物COCl2在5～6min和15～16min时平均反应速率的大小：v(5～6)________v(15～16)(填“<”“>”或“＝”)，原因是_________________________________________________________________。6．[2022·江苏化学，20]铝是地壳中含量最高的金属元素，其单质及合金在生产生活中的应用日趋广泛。(1)真空碳热还原－氯化法可实现由铝土矿制备金属铝，其相关反应的热化学方程式如下：Al2O3(s)＋AlCl3(g)＋3C(s)===3AlCl(g)＋3CO(g)ΔH＝akJ·mol－13AlCl(g)===2Al(l)＋AlCl3(g)ΔH＝bkJ·mol－1①反应Al2O3(s)＋3C(s)===2Al(l)＋3CO(g)的ΔH＝________kJ·mol－1(用含a、b的代数式表示)。②Al4C3是反应过程中的中间产物。Al4C3与盐酸反应(产物之一是含氢量最高的烃)的化学方程式为_________________________________________________________________________________________。(2)镁铝合金(Mg17Al12)是一种潜在的贮氢材料，可在氩气保护下，将一定化学计量比的Mg、Al单质在一定温度下熔炼获得。该合金在一定条件下完全吸氢的反应方程式为Mg17Al12＋17H2===17MgH2＋12Al。得到的混合物Y(17MgH2＋12Al)在一定条件下可释放出氢气。10\n①熔炼制备镁铝合金(Mg17Al12)时通入氩气的目的是____________________________________________________________________。②在6.0mol·L－1HCl溶液中，混合物Y能完全释放出H2。1molMg17Al12完全吸氢后得到的混合物Y与上述盐酸完全反应，释放出H2的物质的量为________。③在0.5mol·L－1NaOH和1.0mol·L－1MgCl2溶液中，混合物Y均只能部分放出氢气，反应后残留固体物质的X－射线衍射谱图如图所示(X－射线衍射可用于判断某晶态物质是否存在，不同晶态物质出现衍射峰的衍射角不同)。在上述NaOH溶液中，混合物Y中产生氢气的主要物质是________(填化学式)。(3)铝电池性能优越，Al－Ag2O电池可用作水下动力电源，其原理如图所示。该电池反应的化学方程式为________。7.[2022·浙江理综，27]甲烷自热重整是先进的制氢方法，包含甲烷氧化和蒸汽重整。向反应系统同时通入甲烷、氧气和水蒸气，发生的主要化学反应有：化学方程式焓变ΔH/kJ·mol－1活化能Ea/kJ·mol－1甲烷氧化CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)－802.6125.6CH4(g)＋O2(g)===CO2(g)＋2H2(g)－322.0172.5蒸汽重整CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)206.2240.1CH4(g)＋2H2O(g)===CO2(g)＋4H2(g)165.0243.9回答下列问题：(1)反应CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。(2)在初始阶段，甲烷蒸汽重整的反应速率________甲烷氧化的反应速率(填“大于”“小于”或“等于”)。(3)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)也可表示平衡常数(记作Kp)，则反应CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)的Kp＝________；随着温度的升高，该平衡常数________(填“增大”“减小”或“不变”)。(4)从能量角度分析，甲烷自热重整方法的先进之处在于________。(5)在某一给定进料比的情况下，温度、压强对H2和CO物质的量分数的影响如下图：10\n①若要达到H2物质的量分数>65%、CO物质的量分数<10%，以下条件中最合适的是________。A.600℃，0.9MPaB．700℃，0.9MPaC.800℃，1.5MPaD．1000℃，1.5MPa②画出600℃，0.1MPa条件下，系统中H2物质的量分数随反应时间(从常温进料开始计时)的变化趋势示意图：(6)如果进料中氧气量过大，最终导致H2物质的量分数降低，原因是_________________________________________________________________________________________________________________。8.[2022·天津理综，10]金属钨用途广泛，主要用于制造硬质或耐高温的合金，以及灯泡的灯丝。高温下，在密闭容器中用H2还原WO3可得到金属钨，其总反应为WO3(s)＋3H2(g)W(s)＋3H2O(g)。请回答下列问题：(1)上述反应的化学平衡常数表达式为________。10\n(2)某温度下反应达平衡时，H2与水蒸气的体积比为2∶3，则H2的平衡转化率为________；随温度的升高，H2与水蒸气的体积比减小，则该反应为________反应(填“吸热”或“放热”)。(3)上述总反应过程大致分为三个阶段，各阶段主要成分与温度的关系如下表所示：温度25℃～550℃～600℃～700℃主要成分WO3 W2O5 WO2 W第一阶段反应的化学方程式为____________________________；580℃时，固体物质的主要成分为________；假设WO3完全转化为W，则三个阶段消耗H2物质的量之比为________。(4)已知：温度过高时，WO2(s)转变为WO2(g)：WO2(s)＋2H2(g)W(s)＋2H2O(g)ΔH＝＋66.0kJ·mol－1WO2(g)＋2H2(g)W(s)＋2H2O(g)ΔH＝－137.9kJ·mol－1则WO2(s)WO2(g)的ΔH＝________。(5)钨丝灯管中的W在使用过程中缓慢挥发，使灯丝变细，加入I2可延长灯管的使用寿命，其工作原理为W(s)＋2I2(g)WI4(g)。下列说法正确的有________。a．灯管内的I2可循环使用b．WI4在灯丝上分解，产生的W又沉积在灯丝上c．WI4在灯管壁上分解，使灯管的寿命延长d．温度升高时，WI4的分解速率加快，W和I2的化合速率减慢专题五 化学能与热能解析1．C图中生成物总能量高于反应物总能量，反应为吸热反应，A错；使用催化剂可降低活化能而影响反应速率，但不会影响焓变，B错，C正确；图中E1为正反应活化能，E2为逆反应活化能，E1>E2，D错误。2.D①A＋B→XΔH>0，X具有的能量大于A、B能量总和，A、C错误，②X→CΔH<0，A＋B→CΔH<0，C具有的能量小于X具有的能量，也小于A、B能量总和，D正确，B错误。3.B由题中的图像可以看出断裂1molN2H4(g)和1molO2(g)中的化学键所要吸收的能量为：2752kJ－534kJ＝2218kJ设断裂1molN－H键所需要的能量为x则：154kJ＋4x＋500kJ＝(2752－534)kJ解得x＝391kJ。4．答案：(1)①HH②4HCl(g)＋O2(g)2Cl2(g)＋2H2O(g)10\nΔH＝－115.6kJ/mol③32强(2)①4∶1②投料比越高，对应的反应温度越低③30.8%解析：(1)由题给条件可知，4molHCl被氧化，放出热量为115.6kJ，可知ΔH＝－115.6kJ/mol；由ΔH＝－(生成物键能之和－反应物键能之和)可得，E(H－O)－E(H－Cl)＝[115.6＋(498－2×243)/4kJ/mol＝31.9kJ/mol，键能越大，化学键越稳定、越强，所以水中的H－O键比氯化氢中H－Cl键强。(2)在其他条件不变时，O2的量越大，HCl的转化率越大，由此可确定a为6∶1，b为4∶1，c为2∶1，d为1∶1；由图可知，当HCl的转化率相同时，温度由低到高对应的投料比为4∶1、2∶1、1∶1，由此可确定温度与投料比的关系是：投料比越高达到相同转化率所需的温度越低；由图可读出投料比为2∶1、温度为400℃时，HCl的转化率为80%，设投入的HCl为2mol，O2为1mol，由此可建立三段式： 4HCl＋O22Cl2＋2H2On(起)/mol2100Δn/mol1.60.40.80.8n(平)/mol0.40.60.80.8所以平衡混合气中Cl2的物质的量分数＝×100%＝30.8%。5．答案：(1)MnO2＋4HCl(浓)MnCl2＋Cl2↑＋2H2O(2)5.52×103kJ(3)CHCl3＋H2O2===HCl＋H2O＋COCl2(4)①0.234mol·L－1②<③0.031④v(5～6)>v(2～3)＝v(12～13)⑤>在相同温度时，该反应的反应物浓度越高，反应速率越大解析：(1)实验室用浓盐酸与MnO2混合加热制Cl2。(2)首先依据燃烧热概念写出：①CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l)ΔH1＝－890.3kJ·mol－1，②H2(g)＋O2(g)===H2O(l)ΔH2＝－285.8kJ·mol－1，③CO(g)＋O2(g)===CO2(g)ΔH3＝－283.0kJ·mol－1；再写出CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)，10\n①式－②式×2－③式×2即得CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)，所以ΔH＝ΔH1－2ΔH2－2ΔH3＝(－890.3＋285.8×2＋283.0×2)kJ·mol－1＝＋247.3kJ·mol－1，生成1m3CO所需热量为×247.3kJ·mol－1×≈5520kJ。(3)由CHCl3生成COCl2，碳的化合价由＋2升高到＋4，升高2价，由H2O2生成H2O化合价降低2，所以上述物质的计量数均为1，即CHCl3＋H2O2→COCl2＋H2O，依据Cl守恒还应有HCl生成。(4)①c(Cl2)＝0.11mol·L－1、c(CO)＝0.085mol·L－1、c(COCl2)＝0.04mol·L－1，代入K＝≈0.234mol·L－1；②第4min时，Cl2与CO的浓度均逐渐增大；再结合此反应正向为吸热反应，所以第4min时改变的条件一定是升高温度，故T(2)<T(8)；③用平衡常数进行求解，此温度下K＝＝0.234mol·L－1 ＝可知c(COCl2)≈0.031mol·L－1；④依据v(CO)＝可知v(2～3)＝v(12～13)＝0；⑤由图像可知上面的两个曲线是生成物浓度变化曲线、下面的曲线为COCl2浓度变化曲线，v(COCl2)＝，5～6min时的Δc(COCl2)大于15～16min时的，所以v(5～6)>v(15～16)；应从影响化学反应速率的因素入手分析，由图像可知4～18分钟温度相同，只能从浓度角度分析。6.答案：(1)①a＋b②Al4C3＋12HCl===4AlCl3＋3CH4↑(2)①防止Mg、Al被空气氧化②52mol③Al(3)2Al＋3Ag2O＋2NaOH===2NaAlO2＋6Ag＋H2O解析：(1)①上述两式相加即得Al2O3(s)＋3C(s)===2Al(l)＋3CO(g)，所以ΔH＝(a＋b)kJ·mol－1；②反应物为Al4C3和HCl，生成物为AlCl3＋CH4，配平即可。(2)①Mg、Al化学性质比较活泼，均能与O2反应；充入Ar，防止Mg、Al被氧化。②1molMg17Al12完全吸氢后生成MgH2和Al，其中n(MgH2)＝17mol，n(Al)＝12mol，故有：MgH2＋2HCl===2H2↑＋MgCl21217mol34mol2Al＋6HCl===3H2↑＋2AlCl32312mol18mol共生成n(H2)＝(34＋18)mol＝52mol③在NaOH溶液中的衍射谱图是图中位于上方的曲线，由(a)NaOH曲线可知残留固体中有MgH2、Al(OH)3，无Al、Mg(OH)2、Mg2(OH)3Cl·4H2O，所以Al参加反应，MgH2不参加反应。10\n(3)负极电极反应式为2Al－6e－＋8OH－===2AlO＋4H2O正极电极反应式为3Ag2O＋6e－＋3H2O===6Ag＋6OH－两式相加即得电池反应：2Al＋3Ag2O＋2OH－===2AlO＋6Ag＋H2O，改写为化学方程式2Al＋3Ag2O＋2NaOH===2NaAlO2＋6Ag＋H2O；此题也可直接分析参加反应的物质为Al、Ag2O、NaOH，生成物为NaAlO2、Ag、H2O配平即可。7.答案：(1)－41.2(2)小于(3)增大(4)系统内强放热的甲烷氧化反应为强吸热的蒸汽重整反应提供了所需的能量(其他合理答案均可)(5)①B②(6)甲烷氧化程度过高，氢气和氧气反应(其他合理答案均可)解析：(1)根据盖斯定律：①CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)ΔH＝206.2kJ·mol－1②CH4(g)＋2H2O(g)===CO2(g)＋4H2(g)ΔH＝165.0kJ·mol－1②－①，得：CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)ΔH＝165.0kJ·mol－1－206.2kJ·mol－1＝－41.2kJ·mol－1(2)初始阶段由于甲烷蒸汽重整的活化能大于甲烷氧化的活化能，故其反应速率小于甲烷氧化的反应速率。(3)由平衡常数的表达式迁移类推可以得出Ksp＝由于CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)是吸热反应，升高温度，平衡正向移动，平衡常数增大。(4)系统内放热的甲烷氧化反应为吸热的蒸汽重整反应提供了所需的能量。(5)①本题结合两个图像和题目要求，采用排除法即可得出正确答案为B。②解决本题要明确起点、终点和变化趋势，开始时，H2的物质的量为0，然后随着时间的推移，H2的物质的量分数逐渐增大，查阅温度压强图像可知H2的最终物质的量分数为70%。③氧气量过大，H2会与O2发生反应。10\n8．答案：(1)K＝(2)60%吸热(3)2WO3＋H2W2O5＋H2OW2O5、WO21∶1∶4(4)＋203.9kJ·mol－1(5)ab解析：(1)根据可逆反应方程式可知该反应平衡常数表达式K＝。(2)当H2与H2O(g)体积比为2∶3时，由元素守恒可计算H2的转化率为×100%＝60%，随温度升高，V(H2)∶V(H2O)变小，即H2减少，H2O增多，平衡右移，该反应为吸热反应。(3)第一阶段反应方程式为2WO3＋H2W2O5＋H2O；580℃时，属于第二阶段反应，处于W2O5向WO2转化阶段，W2O5＋H22WO2＋H2O，固体为W2O5和WO2；第三阶段发生反应WO2＋2H2W＋2H2O，对比三阶段反应可知，若WO3完全转化为W，三个阶段消耗H2之比为1∶1∶4。(4)应用盖斯定律，两式相减可得WO2(s)WO2(g)ΔH＝＋203.9kJ·mol－1。(5)随温度变化灯管内碘可在单质与化合物间转换，可循环使用。因为灯丝温度高于灯管壁温度，所以在灯丝上WI4(g)分解生成的W可附着在灯丝上，而在灯管壁上发生W(s)＋2I2(g)===WI4(g)反应。10
