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适用于新高考新教材2024版高考化学二轮复习大题突破练3化学反应原理综合题课件
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这是一份适用于新高考新教材2024版高考化学二轮复习大题突破练3化学反应原理综合题课件，共47页。PPT课件主要包含了H2O，sp3，催化剂的中间产物使，CH3CHO，p1p2p3等内容，欢迎下载使用。
1.(2023·辽宁沈阳一模)氢气作为一种清洁能源,一直是能源研究的热点,水煤气变换反应可用于大规模制H2,反应原理如下:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH=-41.2 kJ·ml-1。(1)根据下表中提供的数据,计算x= kJ·ml-1。
(2)实验发现其他条件不变,在体系中投入一定量CaO可以增大H2的体积分数,从化学平衡的角度解释原因: 。
CaO与生成物CO2反应,生成物浓度减小,平衡正向移动,氢气的体积分数增大
(3)某温度下,在一恒容密闭容器中充入CO和H2O[n(CO)∶n(H2O)=1∶1.5],加入催化剂使其发生上述反应(忽略其他副反应),测得该反应中初始压强为p0,分压如图甲所示(t时刻前,H2O的分压未给出),则A点坐标为(t, )、平衡常数Kp= 。
(5)储氢合金能有效解决氢气的贮存和运输问题。某储氢合金的结构属六方晶系,晶体结构及俯视图分别如图(a)、(b)所示。已知a、b两点的分数坐标分别为 ,则c点坐标为 。X射线衍射测定两晶面间距为d pm(见图b),高为c pm,设阿伏加德罗常数的值为NA,该晶体的摩尔质量为M g·ml-1,则密度为 g·cm-3。(列出表达式)
解析 (2)其他条件不变,在体系中投入一定量CaO,CaO与生成物CO2反应生成CaCO3,生成物浓度减小,平衡正向移动,氢气的体积分数增大。
2.(2023·陕西西安中学二模)可燃冰是一种高效清洁能源,中国已勘探的可燃冰储量居世界第一,持续安全开采量创下了世界纪录,有望2030年实现产业化开采。科学家也对CH4进行了重点研究。Ⅰ.CH4与CO2重整的工艺过程中涉及如下反应:反应①:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247.4 kJ·ml-1反应②:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2反应③:CH4(g)+ O2(g)CO(g)+2H2(g) ΔH3=-35.6 kJ·ml-1(1)已知:反应④ O2(g)+H2(g) ══ H2O(g) ΔH4=-241.8 kJ·ml-1,则ΔH2= kJ·ml-1。
(2)一定条件下,向容积为V L的密闭容器中通入CH4、CO2各1.0 ml及少量O2,测得不同温度下反应平衡时各产物产量如图所示。
①图中a和c分别代表产生 和 。由图中信息判断900 K后产生H2O的主要反应并说明理由 。
由图知900 K后随温度升高n(H2O)减小,说明升温平衡移动方向为吸热方向,应该是n(H2O)减小方向,逆反应吸热的反应④(H2+ O2 ══ H2O)为主要反应
②1 100 K平衡时,CH4与CO2的转化率分别为95%和90%,体系内剩余n ml O2,反应③的平衡常数K= (写出计算式)。
③密闭恒容条件下,反应②达到平衡的标志是 (填字母)。 A.每消耗1 ml CO2的同时消耗1 ml H2B.CO的分压不再发生变化C.气体平均相对分子质量不再发生变化D.气体密度不再发生变化
Ⅱ.将CH4与一种产生温室效应的气体利用电解装置进行耦合转化,原理示意如图。
(3)电池工作时,O2-向电极 移动。 (4)若消耗CH4和产生温室效应气体的体积比为3∶2,则生成乙烷和乙烯的体积比为 。
解析 (1)反应 O2(g)+H2(g) ══ H2O(g)为反应④,由盖斯定律反应②=①-③+④,故ΔH2=ΔH1-ΔH3+ΔH4=(247.4+35.6-241.8) kJ·ml-1=+41.2 kJ·ml-1。(2)①由反应①②③可知,反应产物有CO、H2和H2O,生成的H2会在反应②中与CO2反应生成CO,CO的产量高于H2,故a曲线表示产物H2,b曲线表示CO,c曲线表示H2O;反应②是吸热反应,升高温度,有利于反应正向进行,H2O的含量增大,但反应④ O2(g)+H2(g) ══ H2O(g)为放热反应,升高温度,不利于反应正向进行,H2O的含量减小,由图知900 K后H2O的含量减小,说明此时以H2O的含量减小的反应为主,故900 K后,生成H2O的主要反应为反应④。
(3)产生温室效应的气体为CO2,且其在电极A上发生的反应为CO2+2e- ══ CO+O2-,故电极A为电解池阴极,电极B为电解池阳极。电池工作时,O2-产生于电极A消耗于电极B,故O2-向电解池阳极即电极B移动。(4)若消耗CH4和产生CO2的体积比为3∶2,根据阿伏加德罗定律,同温同压下,气体体积比等于物质的量之比,可令CH4和CO2物质的量分别为3 ml和2 ml,乙烷和乙烯物质的量分别为x、y,再根据得失电子守恒,电极A:2 ml CO2~4 ml e-,电极B:3 ml CH4+4 ml e- ―→ yC2H4+xC2H6,可得方程组
3.(2023·湖南雅礼中学三模)甲醇是重要的化工原料,合成甲醇和利用甲醇的研究和探索,在国际上一直受到重视。工业上常利用CO2和H2为原料合成甲醇,再利用甲醇生产丙烯。回答下列问题:(1)①常温下,H2和甲醇的燃烧热分别为285.8 kJ·ml-1和726.4 kJ·ml-1,1 ml甲醇汽化需要吸收82.0 kJ的热量,则CO2和H2在Cu/ZnO催化作用下合成气态甲醇的热化学方程式为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(l) ΔH= kJ·ml-1; ②上述反应分两步进行:第一步 (写化学方程式)ΔH>0 第二步Cu/Zn*+2H2+CO2 ══ Cu/ZnO*+CH3OH ΔH<0
Cu/ZnO*+H2 ══ Cu/Zn*+H2O
③第二步反应几乎不影响总反应达到平衡所用的时间,由此推知以下能正确表示Cu/ZnO催化CO2和H2合成甲醇反应过程的示意图为 (填字母)。
(2)工业上用CO2和H2催化合成甲醇存在如下反应:主反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0副反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH>0一定条件下,在装有催化剂的密闭容器中投入a ml CO2和3a ml H2,发生上述合成反应。
①在相同时间内,测得甲醇产率与温度的关系如图所示。图中490 K之后,甲醇的产率随温度的升高而减小的原因可能是 。
升高温度,主反应平衡逆向移动,甲醇产率降低;催化剂活性降低或副反应更易进行
②某温度下,达平衡时容器中CH3OH的物质的量为c ml,CO的物质的量为d ml。则此条件下CO2的转化率为 (列式表示,下同);此条件下副反应的平衡常数为 。
③关于主反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0,已知该反应的v(正)=k正·c(CO2)·c3(H2),v(逆)=k逆·c(CH3OH)·c(H2O)(k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数)。该反应的 随温度变化的曲线如图所示,则 表示 随温度变化的曲线。
③第一步反应吸热,第二步反应放热,可排除b、d选项,又由于第二步反应几乎不影响总反应达到平衡所用的时间,第二步速率快,反应活化能低于第一步,则c正确。
(2)①由图像可知,490 K之前,温度升高,反应速率加快,甲醇产率增大,在490 K时,反应达到平衡,此时甲醇产率达最高值,继续升高温度,主反应平衡逆向移动,另外随温度升高催化剂活性降低或副反应更易进行,使得甲醇产率降低;②根据题意可列三段式,注意主反应各物质的末态量作为副反应对应物质的起始量,已知量为CO2、H2的起始物质的量、CH3OH、CO的末态物质的量:
CO2+3H2CH3OH+H2On0a3a 00Δn-c-3c +c+cnta-c3(a-c) cc CO2 + H2 CO + H2On0a-c3(a-c) 0 cΔn-d-d +d+dnta-c-d3(a-c)-d dc+d
4.(2023·湖北十堰二模)氮及其化合物一直为环境科学领域研究的重点。(1)废水中的NH3可通过硝化作用消除,已知:
则NH3通过硝化作用转化为 的热化学方程式为 。
NH3(g)+2O2(g) ══ (aq)+H+(aq)+H2O(l) ΔH=-346.69 kJ·ml-1
(2)某科研小组设计双阴极微生物燃料电池进行同步硝化和反硝化脱氮研究,如图所示,“厌氧阳极”的电极反应方程式为 ,若“好氧阴极”1 ml 完全硝化生成 ,此时向该电极输送电子的物质的量为4 ml,则“好氧阴极”区消耗的O2在标准状况下的体积约为 L。
C6H12O6+6H2O-24e-══6CO2↑+24H+
(3)汽车尾气中的CO、NO等气体可在催化剂表面发生氧化还原反应进行消除,主要原理如下:2CO(g)+2NO(g) 2CO2(g)+N2(g) ΔH<0,某小组模拟该反应,在1 L恒容密闭容器内将气体总物质的量为6 ml的CO和NO以不同的物质的量比 进行反应。
①平衡时某反应物的转化率与物质的量比及温度的关系如图,纵坐标表示 的转化率,T1和T2关系为T1 (填“>”“<”或“=”)T2,图中A、B、C三点对应反应速率v(NO)正最大的是 点。
②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 。
③已知:压强平衡常数Kp含义为在平衡体系中用气体物质的分压(pⅰ=p总×物质的量分数)代替浓度,计算得到的平衡常数。若容器内起始压强为p0,则C点的压强平衡常数 。
2CO(g)+2NO(g) 2CO2(g) + N2(g)起始量/ml4200转化量/ml1.61.61.60.8平衡量/ml2.40.41.60.8
5.(2023·湖北教研联盟联考)将CO2转化为有机碳酸酯CH3OCOOCH3(g)(DMC),可有效减少碳排放。CO2转化为DMC的总反应为3CO2(g)+6H2(g) CH3OCOOCH3(g)+3H2O(g) K总,可通过Ⅰ、Ⅱ两步反应完成:Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) K1Ⅱ.CO2(g)+2CH3OH(g) CH3OCOOCH3(g)+H2O(g) K2请回答下列问题:(1)有机碳酸酯CH3OCOOCH3中碳原子的杂化方式为 ,1 ml CH3OH中含有的σ键数目为 NA。
(2)反应Ⅱ的反应机理如图1所示,其中催化剂参与催化循环和脱水循环。
图1①该反应的催化剂是 ,该物质还有另一个作用——提高DMC的平衡产率,结合反应机理图分析其中的原因:___________________ 。
产物水离开反应体系,促使平衡正向移动,提高反应Ⅱ中DMC的平衡产率
②将物质的量之比为1∶2的CO2和CH3OH的混合气体以相同流速通过两种不同的催化剂a、b,仅发生反应Ⅱ。相同时间内CO2的转化率如图2所示。
M点 (填“是”或“不是”)对应温度下的CO2的平衡转化率,原因是 。
催化剂不改变反应物的平衡转化率,相同温度下,催化剂b对应的CO2的转化率比M点高,说明M点未达到平衡
(3)一定温度范围内lgK-T的线性关系如图3。①对于反应Ⅱ,活化能E正 (填“>”或“<”)E逆。 ②K总=K2时,该温度下K1= 。某温度下,在5 L恒容密闭容器中充入5 ml CO2和10 ml H2,发生反应Ⅰ、Ⅱ,反应经10 min达到平衡,此时n(CH3OCOOCH3)=1 ml,n(CH3OH)=1 ml,则K2= 。
解析 (1)有机碳酸酯CH3OCOOCH3中含有甲基和碳氧双键,碳原子的杂化方式为sp2、sp3,CH3OH中只含有单键,则1 ml CH3OH中含有5 ml σ键,其数目为5NA。(2)①由图可知, 在反应过程中先消耗再生成参与第一步反应,是催化剂;该物质还有另一个作用——提高DMC的平衡产率,原因是:催化剂的中间产物使产物水离开反应体系,促使平衡正向移动,提高反应Ⅱ中DMC的平衡产率;②催化剂不改变反应物的平衡转化率,相同温度下,催化剂b对应CO2的转化率比M点高,说明M点未达到平衡,M点不是对应温度下CO2的平衡转化率。
(3)①由图3可知,升高温度,K2减小,说明平衡逆向移动,则反应Ⅱ是放热反应,则活化能E正
6.(2023·山西大同二模)随着时代的进步,人类对能源的需求量与日俱增,我国全球首套焦炉气化学合成法生产无水乙醇的工业示范项目打通全流程,项目投产成功。(1)3CO(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)+H2O(g) ΔH= (用含ΔH1、ΔH2、ΔH3的代数式表示)。 已知:ⅰ.2CO(g)+4H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH1ⅱ.CH3OCH3(g)+CO(g)CH3COOCH3(g) ΔH2ⅲ.CH3COOCH3(g)+2H2(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g) ΔH3
ΔH1+ΔH2+ΔH3
在恒温恒容密闭容器中充入3 ml CO(g)和7 ml H2(g)仅发生反应3CO(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)+H2O(g),下列叙述正确的是 (填字母)。 A.混合气体总压强不随时间变化时,反应达到平衡状态B.反应达到平衡时,CH3CH2OH体积分数可能为25%C.反应达到平衡后,再充入少量CO,CO的平衡转化率增大D.反应达到平衡后,再加入高效催化剂,乙醇产率保持不变
(2)醋酸酯加氢制乙醇是一个乙酰基产物制备乙醇的路线。①醋酸酯加氢的催化效能如表所示:
上述实验中,催化效能最好的为实验 (填序号),与之对比,实验3中,醋酸酯平衡转化率较低的主要原因可能是 (从表中所给条件的角度分析)。
压强太小,不利于平衡向正反应方向移动
②醋酸甲酯加氢历程一般认为可分为如下步骤(*代表催化剂位点,已知:CH3CO*+H· ―→ CH3CHO):a.CH3COOCH3 ―→ CH3CO·+CH3O·b.CH3CO·+* ―→ CH3CO*(慢)c.CH3O·+* ―→ CH3O*(快)d.CH3CO*+3H· ―→ CH3CH2OHe.CH3O*+H· ―→ CH3OH……其中,在b和c的步骤中,活化能较小的是 (填标号,下同),控制总反应速率的步骤是 ,分析上述步骤,副产物除CH3OH外,还可能有 (写一种即可)。
(3)甲醇也是新能源的重要组成部分。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的反应如下:ⅳ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH4<0ⅴ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH5>0ⅵ.CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH6<0
在不同压强下、按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3进行投料,在容器中发生上述3个反应,平衡时,CO和CH3OH在含碳产物(即CH3OH和CO)中物质的量分数及CO2的转化率随温度的变化如图,
压强p1、p2、p3由大到小的顺序为 ,曲线 (填“m”或“n”)代表CH3OH在含碳产物中物质的量分数,在T1 ℃下,压强为p3时,反应ⅴ的浓度平衡常数Kc= (填含α的表达式)。
解析 (1)由盖斯定律可知,反应ⅰ+ⅱ+ⅲ可得反应3CO(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)+H2O(g),则反应的ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3;该反应是气体体积减小的反应,反应中气体压强减小,则混合气体总压强不随时间变化时,说明正逆反应速率相等,反应达到平衡状态,A正确;若CO完全反应,由方程式可知,反应后氢气、甲醇、乙醇、水蒸气的物质的量都为1 ml,甲醇的体积分数可能为25%,该反应为可逆反应,可逆反应不可能完全反应,所以反应达到平衡时,甲醇体积分数不可能为25%,B错误;反应达到平衡后,再充入少量一氧化碳,平衡向正反应方向移动,但一氧化碳的平衡转化率减小,C错误;反应达到平衡后,再加入高效催化剂,化学反应速率加快,但化学平衡不移动,乙醇产率保持不变,D正确。
(2)①实验1催化剂的选择性高于实验2、4,原料的转化率高于实验3,所以题述实验中,催化效能最好的为实验1;与实验1相比,实验3的反应温度与1相近,压强小于实验1,说明实验3的压强太小,不利于平衡向正反应方向移动,导致醋酸酯平衡转化率较低;②活化能越小,反应速率越快,慢反应控制总反应速率,所以在b和c的步骤中,活化能较小的是快反应c、控制总反应速率的步骤是慢反应b;由反应CH3CO*+H· ―→ CH3CHO可知,醋酸酯加氢制乙醇时,副产物除了甲醇外,还有乙醛;
(3)设起始二氧化碳和氢气的物质的量为1 ml和3 ml,容器的容积为V L,反应ⅳ、ⅵ生成甲醇的物质的量分别为a ml、b ml,反应ⅴ生成一氧化碳的物质的量为c ml,由图可知,在T1 ℃下,压强为p3时,甲醇和一氧化碳在含碳产物中物质的量分数相等、二氧化碳的转化率为α,由题意可建立如下三段式: CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)起/ml1 300变/mla 3aaa平/ml1-a 3-3aaa
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)起/ml1-a3-3a0a变/mlccca+c平/ml1-a-c3-3a-cca+c CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)起/mlc3-3a-ca变/mlb2bb平/mlc-b3-3a-c-2ba+b
1.(2023·辽宁沈阳一模)氢气作为一种清洁能源,一直是能源研究的热点,水煤气变换反应可用于大规模制H2,反应原理如下:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH=-41.2 kJ·ml-1。(1)根据下表中提供的数据,计算x= kJ·ml-1。
(2)实验发现其他条件不变,在体系中投入一定量CaO可以增大H2的体积分数,从化学平衡的角度解释原因: 。
CaO与生成物CO2反应,生成物浓度减小,平衡正向移动,氢气的体积分数增大
(3)某温度下,在一恒容密闭容器中充入CO和H2O[n(CO)∶n(H2O)=1∶1.5],加入催化剂使其发生上述反应(忽略其他副反应),测得该反应中初始压强为p0,分压如图甲所示(t时刻前,H2O的分压未给出),则A点坐标为(t, )、平衡常数Kp= 。
(5)储氢合金能有效解决氢气的贮存和运输问题。某储氢合金的结构属六方晶系,晶体结构及俯视图分别如图(a)、(b)所示。已知a、b两点的分数坐标分别为 ,则c点坐标为 。X射线衍射测定两晶面间距为d pm(见图b),高为c pm,设阿伏加德罗常数的值为NA,该晶体的摩尔质量为M g·ml-1,则密度为 g·cm-3。(列出表达式)
解析 (2)其他条件不变,在体系中投入一定量CaO,CaO与生成物CO2反应生成CaCO3,生成物浓度减小,平衡正向移动,氢气的体积分数增大。
2.(2023·陕西西安中学二模)可燃冰是一种高效清洁能源,中国已勘探的可燃冰储量居世界第一,持续安全开采量创下了世界纪录,有望2030年实现产业化开采。科学家也对CH4进行了重点研究。Ⅰ.CH4与CO2重整的工艺过程中涉及如下反应:反应①:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247.4 kJ·ml-1反应②:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2反应③:CH4(g)+ O2(g)CO(g)+2H2(g) ΔH3=-35.6 kJ·ml-1(1)已知:反应④ O2(g)+H2(g) ══ H2O(g) ΔH4=-241.8 kJ·ml-1,则ΔH2= kJ·ml-1。
(2)一定条件下,向容积为V L的密闭容器中通入CH4、CO2各1.0 ml及少量O2,测得不同温度下反应平衡时各产物产量如图所示。
①图中a和c分别代表产生 和 。由图中信息判断900 K后产生H2O的主要反应并说明理由 。
由图知900 K后随温度升高n(H2O)减小,说明升温平衡移动方向为吸热方向,应该是n(H2O)减小方向,逆反应吸热的反应④(H2+ O2 ══ H2O)为主要反应
②1 100 K平衡时,CH4与CO2的转化率分别为95%和90%,体系内剩余n ml O2,反应③的平衡常数K= (写出计算式)。
③密闭恒容条件下,反应②达到平衡的标志是 (填字母)。 A.每消耗1 ml CO2的同时消耗1 ml H2B.CO的分压不再发生变化C.气体平均相对分子质量不再发生变化D.气体密度不再发生变化
Ⅱ.将CH4与一种产生温室效应的气体利用电解装置进行耦合转化,原理示意如图。
(3)电池工作时,O2-向电极 移动。 (4)若消耗CH4和产生温室效应气体的体积比为3∶2,则生成乙烷和乙烯的体积比为 。
解析 (1)反应 O2(g)+H2(g) ══ H2O(g)为反应④,由盖斯定律反应②=①-③+④,故ΔH2=ΔH1-ΔH3+ΔH4=(247.4+35.6-241.8) kJ·ml-1=+41.2 kJ·ml-1。(2)①由反应①②③可知,反应产物有CO、H2和H2O,生成的H2会在反应②中与CO2反应生成CO,CO的产量高于H2,故a曲线表示产物H2,b曲线表示CO,c曲线表示H2O;反应②是吸热反应,升高温度,有利于反应正向进行,H2O的含量增大,但反应④ O2(g)+H2(g) ══ H2O(g)为放热反应,升高温度,不利于反应正向进行,H2O的含量减小,由图知900 K后H2O的含量减小,说明此时以H2O的含量减小的反应为主,故900 K后,生成H2O的主要反应为反应④。
(3)产生温室效应的气体为CO2,且其在电极A上发生的反应为CO2+2e- ══ CO+O2-,故电极A为电解池阴极,电极B为电解池阳极。电池工作时,O2-产生于电极A消耗于电极B,故O2-向电解池阳极即电极B移动。(4)若消耗CH4和产生CO2的体积比为3∶2,根据阿伏加德罗定律,同温同压下,气体体积比等于物质的量之比,可令CH4和CO2物质的量分别为3 ml和2 ml,乙烷和乙烯物质的量分别为x、y,再根据得失电子守恒,电极A:2 ml CO2~4 ml e-,电极B:3 ml CH4+4 ml e- ―→ yC2H4+xC2H6,可得方程组
3.(2023·湖南雅礼中学三模)甲醇是重要的化工原料,合成甲醇和利用甲醇的研究和探索,在国际上一直受到重视。工业上常利用CO2和H2为原料合成甲醇,再利用甲醇生产丙烯。回答下列问题:(1)①常温下,H2和甲醇的燃烧热分别为285.8 kJ·ml-1和726.4 kJ·ml-1,1 ml甲醇汽化需要吸收82.0 kJ的热量,则CO2和H2在Cu/ZnO催化作用下合成气态甲醇的热化学方程式为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(l) ΔH= kJ·ml-1; ②上述反应分两步进行:第一步 (写化学方程式)ΔH>0 第二步Cu/Zn*+2H2+CO2 ══ Cu/ZnO*+CH3OH ΔH<0
Cu/ZnO*+H2 ══ Cu/Zn*+H2O
③第二步反应几乎不影响总反应达到平衡所用的时间,由此推知以下能正确表示Cu/ZnO催化CO2和H2合成甲醇反应过程的示意图为 (填字母)。
(2)工业上用CO2和H2催化合成甲醇存在如下反应:主反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0副反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH>0一定条件下,在装有催化剂的密闭容器中投入a ml CO2和3a ml H2,发生上述合成反应。
①在相同时间内,测得甲醇产率与温度的关系如图所示。图中490 K之后,甲醇的产率随温度的升高而减小的原因可能是 。
升高温度,主反应平衡逆向移动,甲醇产率降低;催化剂活性降低或副反应更易进行
②某温度下,达平衡时容器中CH3OH的物质的量为c ml,CO的物质的量为d ml。则此条件下CO2的转化率为 (列式表示,下同);此条件下副反应的平衡常数为 。
③关于主反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0,已知该反应的v(正)=k正·c(CO2)·c3(H2),v(逆)=k逆·c(CH3OH)·c(H2O)(k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数)。该反应的 随温度变化的曲线如图所示,则 表示 随温度变化的曲线。
③第一步反应吸热,第二步反应放热,可排除b、d选项,又由于第二步反应几乎不影响总反应达到平衡所用的时间,第二步速率快,反应活化能低于第一步,则c正确。
(2)①由图像可知,490 K之前,温度升高,反应速率加快,甲醇产率增大,在490 K时,反应达到平衡,此时甲醇产率达最高值,继续升高温度,主反应平衡逆向移动,另外随温度升高催化剂活性降低或副反应更易进行,使得甲醇产率降低;②根据题意可列三段式,注意主反应各物质的末态量作为副反应对应物质的起始量,已知量为CO2、H2的起始物质的量、CH3OH、CO的末态物质的量:
CO2+3H2CH3OH+H2On0a3a 00Δn-c-3c +c+cnta-c3(a-c) cc CO2 + H2 CO + H2On0a-c3(a-c) 0 cΔn-d-d +d+dnta-c-d3(a-c)-d dc+d
4.(2023·湖北十堰二模)氮及其化合物一直为环境科学领域研究的重点。(1)废水中的NH3可通过硝化作用消除,已知:
则NH3通过硝化作用转化为 的热化学方程式为 。
NH3(g)+2O2(g) ══ (aq)+H+(aq)+H2O(l) ΔH=-346.69 kJ·ml-1
(2)某科研小组设计双阴极微生物燃料电池进行同步硝化和反硝化脱氮研究,如图所示,“厌氧阳极”的电极反应方程式为 ,若“好氧阴极”1 ml 完全硝化生成 ,此时向该电极输送电子的物质的量为4 ml,则“好氧阴极”区消耗的O2在标准状况下的体积约为 L。
C6H12O6+6H2O-24e-══6CO2↑+24H+
(3)汽车尾气中的CO、NO等气体可在催化剂表面发生氧化还原反应进行消除,主要原理如下:2CO(g)+2NO(g) 2CO2(g)+N2(g) ΔH<0,某小组模拟该反应,在1 L恒容密闭容器内将气体总物质的量为6 ml的CO和NO以不同的物质的量比 进行反应。
①平衡时某反应物的转化率与物质的量比及温度的关系如图,纵坐标表示 的转化率,T1和T2关系为T1 (填“>”“<”或“=”)T2,图中A、B、C三点对应反应速率v(NO)正最大的是 点。
②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 。
③已知:压强平衡常数Kp含义为在平衡体系中用气体物质的分压(pⅰ=p总×物质的量分数)代替浓度,计算得到的平衡常数。若容器内起始压强为p0,则C点的压强平衡常数 。
2CO(g)+2NO(g) 2CO2(g) + N2(g)起始量/ml4200转化量/ml1.61.61.60.8平衡量/ml2.40.41.60.8
5.(2023·湖北教研联盟联考)将CO2转化为有机碳酸酯CH3OCOOCH3(g)(DMC),可有效减少碳排放。CO2转化为DMC的总反应为3CO2(g)+6H2(g) CH3OCOOCH3(g)+3H2O(g) K总,可通过Ⅰ、Ⅱ两步反应完成:Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) K1Ⅱ.CO2(g)+2CH3OH(g) CH3OCOOCH3(g)+H2O(g) K2请回答下列问题:(1)有机碳酸酯CH3OCOOCH3中碳原子的杂化方式为 ,1 ml CH3OH中含有的σ键数目为 NA。
(2)反应Ⅱ的反应机理如图1所示,其中催化剂参与催化循环和脱水循环。
图1①该反应的催化剂是 ,该物质还有另一个作用——提高DMC的平衡产率,结合反应机理图分析其中的原因:___________________ 。
产物水离开反应体系,促使平衡正向移动,提高反应Ⅱ中DMC的平衡产率
②将物质的量之比为1∶2的CO2和CH3OH的混合气体以相同流速通过两种不同的催化剂a、b,仅发生反应Ⅱ。相同时间内CO2的转化率如图2所示。
M点 (填“是”或“不是”)对应温度下的CO2的平衡转化率,原因是 。
催化剂不改变反应物的平衡转化率,相同温度下,催化剂b对应的CO2的转化率比M点高,说明M点未达到平衡
(3)一定温度范围内lgK-T的线性关系如图3。①对于反应Ⅱ,活化能E正 (填“>”或“<”)E逆。 ②K总=K2时,该温度下K1= 。某温度下,在5 L恒容密闭容器中充入5 ml CO2和10 ml H2,发生反应Ⅰ、Ⅱ,反应经10 min达到平衡,此时n(CH3OCOOCH3)=1 ml,n(CH3OH)=1 ml,则K2= 。
解析 (1)有机碳酸酯CH3OCOOCH3中含有甲基和碳氧双键,碳原子的杂化方式为sp2、sp3,CH3OH中只含有单键,则1 ml CH3OH中含有5 ml σ键,其数目为5NA。(2)①由图可知, 在反应过程中先消耗再生成参与第一步反应,是催化剂;该物质还有另一个作用——提高DMC的平衡产率,原因是:催化剂的中间产物使产物水离开反应体系,促使平衡正向移动,提高反应Ⅱ中DMC的平衡产率;②催化剂不改变反应物的平衡转化率,相同温度下,催化剂b对应CO2的转化率比M点高,说明M点未达到平衡,M点不是对应温度下CO2的平衡转化率。
(3)①由图3可知,升高温度,K2减小,说明平衡逆向移动,则反应Ⅱ是放热反应,则活化能E正
6.(2023·山西大同二模)随着时代的进步,人类对能源的需求量与日俱增,我国全球首套焦炉气化学合成法生产无水乙醇的工业示范项目打通全流程,项目投产成功。(1)3CO(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)+H2O(g) ΔH= (用含ΔH1、ΔH2、ΔH3的代数式表示)。 已知:ⅰ.2CO(g)+4H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH1ⅱ.CH3OCH3(g)+CO(g)CH3COOCH3(g) ΔH2ⅲ.CH3COOCH3(g)+2H2(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g) ΔH3
ΔH1+ΔH2+ΔH3
在恒温恒容密闭容器中充入3 ml CO(g)和7 ml H2(g)仅发生反应3CO(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)+H2O(g),下列叙述正确的是 (填字母)。 A.混合气体总压强不随时间变化时,反应达到平衡状态B.反应达到平衡时,CH3CH2OH体积分数可能为25%C.反应达到平衡后,再充入少量CO,CO的平衡转化率增大D.反应达到平衡后,再加入高效催化剂,乙醇产率保持不变
(2)醋酸酯加氢制乙醇是一个乙酰基产物制备乙醇的路线。①醋酸酯加氢的催化效能如表所示:
上述实验中,催化效能最好的为实验 (填序号),与之对比,实验3中,醋酸酯平衡转化率较低的主要原因可能是 (从表中所给条件的角度分析)。
压强太小,不利于平衡向正反应方向移动
②醋酸甲酯加氢历程一般认为可分为如下步骤(*代表催化剂位点,已知:CH3CO*+H· ―→ CH3CHO):a.CH3COOCH3 ―→ CH3CO·+CH3O·b.CH3CO·+* ―→ CH3CO*(慢)c.CH3O·+* ―→ CH3O*(快)d.CH3CO*+3H· ―→ CH3CH2OHe.CH3O*+H· ―→ CH3OH……其中,在b和c的步骤中,活化能较小的是 (填标号,下同),控制总反应速率的步骤是 ,分析上述步骤,副产物除CH3OH外,还可能有 (写一种即可)。
(3)甲醇也是新能源的重要组成部分。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的反应如下:ⅳ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH4<0ⅴ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH5>0ⅵ.CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH6<0
在不同压强下、按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3进行投料,在容器中发生上述3个反应,平衡时,CO和CH3OH在含碳产物(即CH3OH和CO)中物质的量分数及CO2的转化率随温度的变化如图,
压强p1、p2、p3由大到小的顺序为 ,曲线 (填“m”或“n”)代表CH3OH在含碳产物中物质的量分数,在T1 ℃下,压强为p3时,反应ⅴ的浓度平衡常数Kc= (填含α的表达式)。
解析 (1)由盖斯定律可知,反应ⅰ+ⅱ+ⅲ可得反应3CO(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)+H2O(g),则反应的ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3;该反应是气体体积减小的反应,反应中气体压强减小,则混合气体总压强不随时间变化时,说明正逆反应速率相等,反应达到平衡状态,A正确;若CO完全反应,由方程式可知,反应后氢气、甲醇、乙醇、水蒸气的物质的量都为1 ml,甲醇的体积分数可能为25%,该反应为可逆反应,可逆反应不可能完全反应,所以反应达到平衡时,甲醇体积分数不可能为25%,B错误;反应达到平衡后,再充入少量一氧化碳,平衡向正反应方向移动,但一氧化碳的平衡转化率减小,C错误;反应达到平衡后,再加入高效催化剂,化学反应速率加快,但化学平衡不移动,乙醇产率保持不变,D正确。
(2)①实验1催化剂的选择性高于实验2、4,原料的转化率高于实验3,所以题述实验中,催化效能最好的为实验1;与实验1相比,实验3的反应温度与1相近,压强小于实验1,说明实验3的压强太小,不利于平衡向正反应方向移动,导致醋酸酯平衡转化率较低;②活化能越小,反应速率越快,慢反应控制总反应速率,所以在b和c的步骤中,活化能较小的是快反应c、控制总反应速率的步骤是慢反应b;由反应CH3CO*+H· ―→ CH3CHO可知,醋酸酯加氢制乙醇时,副产物除了甲醇外,还有乙醛;
(3)设起始二氧化碳和氢气的物质的量为1 ml和3 ml,容器的容积为V L,反应ⅳ、ⅵ生成甲醇的物质的量分别为a ml、b ml,反应ⅴ生成一氧化碳的物质的量为c ml,由图可知,在T1 ℃下,压强为p3时,甲醇和一氧化碳在含碳产物中物质的量分数相等、二氧化碳的转化率为α,由题意可建立如下三段式: CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)起/ml1 300变/mla 3aaa平/ml1-a 3-3aaa
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)起/ml1-a3-3a0a变/mlccca+c平/ml1-a-c3-3a-cca+c CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)起/mlc3-3a-ca变/mlb2bb平/mlc-b3-3a-c-2ba+b
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