新教材2024高考化学二轮专题复习专题13化学反应原理综合考查课时作业
展开(1)根据图1数据计算反应eq \f(1,2)N2(g)+eq \f(3,2)H2(g)===NH3(g)的ΔH= kJ·ml-1。
(2)研究表明,合成氨反应在Fe催化剂上可能通过图2机理进行(*表示催化剂表面吸附位,N eq \\al(\s\up1(*),\s\d1(2)) 表示被吸附于催化剂表面的N2)。判断上述反应机理中,速率控制步骤(即速率最慢步骤)为 (填步骤前的标号),理由是
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(3)合成氨催化剂前驱体(主要成分为Fe3O4)使用前经H2还原,生成αFe包裹的Fe3O4。已知αFe属于立方晶系,晶胞参数a=287pm,密度为7.8g·cm-3,则αFe晶胞中含有Fe的原子数为 (列出计算式,阿伏加德罗常数的值为NA)。
(4)在不同压强下,以两种不同组成进料,反应达平衡时氨的摩尔分数与温度的计算结果如下图所示。其中一种进料组成为xH2=0.75、xN2=0.25,另一种为xH2=0.675、xN2=0.225、xAr=0.10。(物质i的摩尔分数:xi=eq \f(ni,n总))
①图中压强由小到大的顺序为 ,判断的依据是
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②进料组成中含有惰性气体Ar的图是
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③图3中,当p2=20MPa、xNH3=0.20时,氮气的转化率α= 。该温度时,反应eq \f(1,2)N2(g)+eq \f(3,2)H2(g)⇌NH3(g)的平衡常数Kp= (MPa)-1(化为最简式)。
2.[2023·北京卷]尿素[CO(NH2)2]合成的发展体现了化学科学与技术的不断进步。
(1)十九世纪初,用氰酸银(AgOCN)与NH4Cl在一定条件下反应制得CO(NH2)2,实现了由无机物到有机物的合成。该反应的化学方程式是 。
(2)二十世纪初,工业上以CO2和NH3为原料在一定温度和压强下合成尿素。反应分两步:
ⅰ.CO2和NH3生成NH2COONH4;
ⅱ.NH2COONH4分解生成尿素。
结合反应过程中能量变化示意图,下列说法正确的是 (填序号)。
a.活化能:反应ⅰ<反应ⅱ
b.ⅰ为放热反应,ⅱ为吸热反应
c.CO2(l)+2NH3(l)===CO(NH2)2(l)+H2O(l) ΔH=E1-E4
(3)近年研究发现,电催化CO2和含氮物质(NO eq \\al(\s\up1(-),\s\d1(3)) 等)在常温常压下合成尿素,有助于实现碳中和及解决含氮废水污染问题。向一定浓度的KNO3溶液通CO2至饱和,在电极上反应生成CO(NH2)2,电解原理如图所示。
①电极b是电解池的 极。
②电解过程中生成尿素的电极反应式是
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(4)尿素样品含氮量的测定方法如下。
已知:溶液中c(NH eq \\al(\s\up1(+),\s\d1(4)) )不能直接用NaOH溶液准确滴定。
eq \x(\a\al(尿素,样品)) eq \(――→,\s\up7(浓H2SO4等),\s\d5(ⅰ.消化分解))eq \x(消化液)eq \(――→,\s\up7(浓NaOH溶液),\s\d5(ⅱ.蒸馏))eq \x(NH3)eq \(――→,\s\up7(过量H2SO4溶液),\s\d5(ⅲ.吸收))eq \(――→,\s\up7(标准NaOH溶液),\s\d5(ⅳ.滴定))eq \x(\a\al(计算样品,含氮量))
①消化液中的含氮粒子是 。
②步骤ⅳ中标准NaOH溶液的浓度和消耗的体积分别为c和V,计算样品含氮量还需要的实验数据有
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3.反应Ⅰ可用于在国际空间站中处理二氧化碳,同时伴有副反应Ⅱ发生。
主反应Ⅰ:CO2(g)+4H2(g)⇌CH4(g)+2H2O(g) ΔH1=-270kJ·ml-1
副反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g) ΔH2
回答下列问题:
(1)几种化学键的键能如表所示:
则a= 。
(2)为了进一步研究上述两个反应,某小组在三个容积相同的刚性容器中,分别充入1mlCO2和4mlH2,在三种不同实验条件(见表)下进行两个反应,反应体系的总压强(p)随时间变化情况如图所示:
①T1 T2(填“>”“<”或“=”),曲线Ⅲ对应的实验编号是 。
②若在曲线Ⅱ的条件下,10min达到平衡时生成1.2mlH2O,则10min内反应的平均速率v(H2O)= kPa·min-1,反应Ⅱ的平衡常数Kp= 。(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)
(3)对于反应Ⅰ,在一定条件下存在:v正(H2)=k1·c4(H2)·c(CO2)或v逆(H2O)=k2·c2(H2O)·c(CH4),相应的速率与温度关系如图所示。
反应Ⅰ的平衡常数K= (用含k1,k2的代数式表示);图中A、B、C、D四个点中,能表示反应已达到平衡状态的是 。
4.SO2及氮氧化物属于污染性气体,排放到空气中可形成光化学烟雾、酸雨等,科学家一直致力于研究这些气体的处理,能变废为宝。回答下列问题:
(1)已知反应:①N2(g)+O2(g)===2NO(g) ΔH1=+180kJ·ml-1,
②2CO(g)+O2(g)===2CO2(g) ΔH2=-566kJ·ml-1,
则反应2CO(g)+2NO(g)===N2(g)+2CO2(g)
的ΔH= 。
(2)常温下,NO、NO2溶于水可制得HNO2溶液,向30mL0.10ml·L-1HNO2溶液中滴入0.10ml·L-1的NaOH溶液,使得溶液的pH=4,该溶液中eq \f(c(HNO2),c(NO eq \\al(\s\up1(-),\s\d1(2)) ))= 。[Ka(HNO2)=4.6×10-4,保留一位小数]。
(3)研究表明,CO与N2O在Fe+作用下发生反应:N2O(g)+CO(g)⇌CO2(g)+N2(g)的能量变化及反应历程如图所示:
a.该反应分两步进行,两步反应分别为:反应①Fe++N2O⇌FeO++N2;反应② ;由 (填“反应①”或“反应②”)决定反应达到平衡所用时间。
b.在固定体积的密闭容器中,发生该反应,改变原料气配比进行多组实验(各次实验的温度可能相同,也可能不同),测定N2O的平衡转化率α。部分实验结果如图所示。B、C、D三点对应的实验温度分别为TB、TC和TD,通过计算判断TB TC TD(填“>”“<”或“=”)。
(4)燃煤烟气中可通过反应SO2(g)+2CO(g)⇌2CO2(g)+S(l)实现硫的回收。将1mlSO2和2mlCO通入1L恒容密闭容器中,在恒温T℃,起始压强为2.5×106Pa条件下反应,5min时,反应达到平衡,气体密度减少16g·L-1。0~5min内,CO的反应速率是 ;若升高温度,气体的密度增加(S仍为液体),则该反应的ΔH 0(填“>”或“<”)。
(5)深埋在潮湿土壤中的铁管道,在硫酸盐还原菌(该还原菌最佳生存环境pH为7~8之间)作用下,能被SO eq \\al(\s\up1(2-),\s\d1(4)) 腐蚀,其电化学腐蚀原理如图所示,写出正极的电极反应式:________________________________________________________________________。
5.2023年5月30日,神舟十六号载人飞船把3名航天员送入中国空间站。空间站一种处理CO2的重要方法是对CO2进行收集和再生处理,重新生成可供人体呼吸的氧气。其技术路线可分为以下三步:
(1)固态胺吸收与浓缩CO2
在水蒸气存在下固态胺吸收CO2反应生成酸式碳酸盐(该反应是放热反应),再解吸出CO2的简单方法是 。
(2)CO2的加氢甲烷化
H2还原CO2制CH4的部分反应如下:
Ⅰ.CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41kJ·ml-1
Ⅱ.CO(g)+3H2(g)⇌CH4(g)+H2O(g) ΔH2=-246kJ·ml-1
回答下列问题:
①反应CO2(g)+4H2(g)⇌CH4(g)+2H2O(g)的ΔH= 。
②有利于提高甲烷平衡产率的反应条件是 (写一种)。
③科学家研究在催化剂表面上CO2与H2的反应,前三步历程如图所示,吸附在催化剂表面上的物种用“·”标注,Ts表示过渡态。下列说法中一定正确的是 。
A.第一步历程中只发生了非极性共价键的断裂
B.该转化反应的速率取决于Ts1的能垒
C.·HOCO转化为·CO和·OH的反应ΔH<0
D.催化剂参与化学反应,能降低反应的活化能,提高反应物的转化率
(3)控制起始时eq \f(n(H2),n(CO2))=4,p=1atm,恒容条件下,若只发生反应Ⅰ、Ⅱ,平衡时各物质的物质的量分数随温度的变化如图所示:
①图中代表CH4的曲线是 (填序号),温度低于500℃时,CO的物质的量分数约为0,说明此条件下,反应 (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)化学平衡常数大,反应完全。
②M点时,平衡分压p(CO2)= atm,反应CO2(g)+4H2(g)⇌CH4(g)+2H2O(g)的平衡常数Kp= atm-2(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
专题精练(13)
1.解析:(1)在化学反应中,断开化学键要消耗能量,形成化学键要释放能量,反应的焓变等于反应物的键能总和与生成物的键能总和的差,因此,由图1数据可知,反应eq \f(1,2)N2(g)+eq \f(3,2)H2(g)===NH3(g)的ΔH=(473+654-436-397-339)kJ·ml-1=-45kJ·ml-1。(2)由图1中信息可知,eq \f(1,2)N2(g)===N(g)的ΔH=+473kJ·ml-1,则N≡N的键能为946kJ·ml-1;eq \f(3,2)H2(g)===3H(g)的ΔH=+654kJ·ml-1,则H—H键的键能为436kJ·ml-1。在化学反应中,最大的能垒为速率控制步骤,而断开化学键的步骤都属于能垒,由于N≡N的键能比H—H键的大很多,因此,在上述反应机理中,速率控制步骤为(ⅱ)。(3)已知αFe属于立方晶系,晶胞参数a=287pm,密度为7.8g·cm-3,设其晶胞中含有Fe的原子数为x,则αFe晶体密度ρ=eq \f(56x×1030,NA·2873)g·cm-3=7.8g·cm-3,解得x=eq \f(7.8×2873NA,56×1030),即αFe晶胞中含有Fe的原子数为eq \f(7.8×2873NA,56×1030)。(4)①合成氨的反应中,压强越大越有利于氨的合成,因此,压强越大平衡时氨的摩尔分数越大。由图中信息可知,在相同温度下,反应达平衡时氨的摩尔分数p1<p2<p3,因此,图中压强由小到大的顺序为p1<p2<p3,②对比图3和图4中的信息可知,在相同温度和相同压强下,图4中平衡时氨的摩尔分数较小。在恒压下充入惰性气体Ar,反应混合物中各组分的浓度减小,各组分的分压也减小,化学平衡要朝气体分子数增大的方向移动,因此,充入惰性气体Ar不利于合成氨,进料组成中含有惰性气体Ar的图是图4。③图3中,进料组成为xH2=0.75、xN2=0.25两者物质的量之比为3∶1。假设进料中氢气和氮气的物质的量分别为3ml和1ml,达到平衡时氮气的变化量为xml,则有:
N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)
始(ml)130
变(ml)x3x2x
平(ml)1-x3-3x2x
当p2=20MPa、xNH3=0.20时,xNH3=eq \f(2x,4-2x)=0.20,解得x=eq \f(1,3),则氮气的转化率α=eq \f(1,3)≈33.33%,平衡时N2、H2、NH3的物质的量分别为eq \f(2,3)ml、2ml、eq \f(2,3)ml,其物质的量分数分别为eq \f(1,5)、eq \f(3,5)、eq \f(1,5),则该温度下K′p=eq \f((\f(1,5)p2)2,\f(1,5)p2×(\f(3,5)p2)3)=eq \f(25,27×400)(MPa)-2。因此,该温度时,反应eq \f(1,2)N2(g)+eq \f(3,2)H2(g)⇌NH3(g)的平衡常数Kp=eq \r(K′p)=eq \r(\f(25,27×400)(MPa)-2)=eq \r(\f(1,432))(MPa)-1。
答案:(1)-45
(2)(ⅱ) 在化学反应中,最大的能垒为速率控制步骤,而断开化学键的步骤都属于能垒,由于N≡N的键能比H—H键的大很多,因此,在上述反应机理中,速率控制步骤为(ⅱ)
(3)eq \f(7.8×2873NA,56×1030)
(4)①p1<p2<p3 合成氨的反应为气体分子数减少的反应,压强越大平衡时氨的摩尔分数越大 ②图4 ③33.33% eq \r(\f(1,432))
2.解析:(1)根据原子守恒分析,二者反应生成尿素和氯化银,化学方程式是AgOCN+NH4Cl===CO(NH2)2+AgCl。
(2)反应ⅰ的活化能是E1,反应ⅱ活化能是E3,E1
(4)①尿素消化分解生成NH3和CO2,由于反应中存在浓H2SO4,则消化液中含氮粒子为NH eq \\al(\s\up1(+),\s\d1(4)) 。②除了已知数据外,还需要的是样品的质量,步骤ⅲ所加入H2SO4溶液的体积和浓度。
答案:(1)AgOCN+NH4Cl===CO(NH2)2+AgCl
(2)ab
(3)①阳 ②2NO eq \\al(\s\up1(-),\s\d1(3)) +16e-+CO2+18H+===CO(NH2)2+7H2O
(4)①NH eq \\al(\s\up1(+),\s\d1(4)) ②样品的质量,步骤Ⅲ所加入H2SO4溶液的体积和浓度
3.解析:(1)根据反应热=反应物的总键能-生成物的总键能,ΔH1=-270kJ·ml-1=2a+436kJ·ml-1×4-413kJ·ml-1×4-463kJ·ml-1×4,则a=745。
(2)①由图可知,曲线Ⅱ、Ⅲ为同一温度,不同的催化剂比表面积,温度为T1,曲线Ⅰ为T2,曲线Ⅰ先达到平衡,速率大,对应温度高,T1<T2,曲线Ⅲ对应的实验编号是b,催化剂比表面积大,反应速率大。②反应Ⅰ、Ⅱ同时进行,曲线Ⅱ压强由200kPa降到160kPa,eq \f(p0,p平)=eq \f(n0,n平),n平=4ml,设反应Ⅰ生成2xml水,
eq \a\vs4\ac\hs10\c6(,CO2(g),+4H2(g),⇌,CH4(g),+2H2O(g),开始,1,4,,,,变化,x,4x,,x,2x,平衡,,,,,)
eq \a\vs4\ac\hs10\c6(,CO2(g),+H2(g),⇌,CO(g),+H2O(g),开始,,,,,,变化,1.2-2x,1.2-2x,,1.2-2x,1.2-2x,平衡,,,,,)
可得等式:5-(x+4x+1.2-2x+1.2-2x)+x+1.2+1.2-2x=4,x=0.5,平衡时反应Ⅱ生成的水为0.2ml,甲烷为0.5ml,一氧化碳为0.2ml,氢气为1.8ml,二氧化碳为0.3ml,若在曲线Ⅱ的条件下,10min达到平衡时生成1.2mlH2O,则10min内反应的平均速率v(H2O)=eq \f(\f(n(H2O),n总)p水,Δt)=eq \f(\f(1.2ml,4ml)×160kPa,10min)=4.8kPa·min-1,反应Ⅱ的平衡常数Kp=eq \f(p(CO)p(H2O),p(CO2)p(H2))=eq \f(\f(1.2ml,4ml)×160kPa×\f(0.2ml,4ml)×160kPa,\f(1.8ml,4ml)×160kPa×\f(0.3ml,4ml)×160kPa)=eq \f(4,9)。
(3)反应Ⅰ的平衡常数K=eq \f(c(CH4)c2(H2O),c(CO2)c4(H2)),且平衡时v正(H2)=v逆(H2)=2v逆(H2O),可得k1·c4(H2)·c(CO2)=2k2·c2(H2O)·c(CH4)整理得:eq \f(c(CH4)c2(H2O),c(CO2)c4(H2))=eq \f(k1,2k2)=K,反应Ⅰ的平衡常数K=eq \f(k1,2k2)。图中A、B、C、D四个点中,上升速度较快的为v(H2),在平衡时,应有v正(H2)=v逆(H2),由v逆(H2)=2v逆(H2O),即v正(H2)=2v正(H2O),在C点v(H2)=2v(H2O),能表示反应已达到平衡状态的是C。
答案:(1)745 (2)①< b ②4.8 eq \f(4,9) (3)eq \f(k1,2k2) C
4.解析:(1)由盖斯定律,反应②-①可得反应2CO(g)+2NO(g)===N2(g)+2CO2(g)的ΔH=ΔH2-ΔH1=-566-(+180)=-746kJ·ml-1;(2)HNO2的电离平衡常数Ka(HNO2)=eq \f(c(NO eq \\al(\s\up1(-),\s\d1(2)) )·c(H+),c(HNO2)),常温下pH=4则c(H+)=10-4ml·L-1,则eq \f(c(HNO2),c(NO eq \\al(\s\up1(-),\s\d1(2)) ))=eq \f(c(H+),Ka(HNO2))=eq \f(10-4,4.6×10-4)≈0.2;(3)a.总反应为N2O(g)+CO(g)⇌CO2(g)+N2(g),实际过程是分两步进行,因此反应①和反应②相加得到总反应,则反应②等于总反应减去反应①,可得反应②为FeO++CO⇌CO2+Fe+;根据反应①的历程图可知,由Fe+和N2O经过渡态得到产物FeO+和N2,过渡态和反应物Fe+和N2O的能量差为反应①的活化能,同理,可知反应②的活化能,可知,反应①的活化能大于反应②的活化能,活化能越大,化学反应速率越慢,而化学反应速率慢的步骤为决速步,决定反应达到平衡所用时间,即反应①决定反应达到平衡所用时间;b.根据图像,C点和B点,反应物的投料比相同,但是B点表示的平衡状态,N2O的转化率高于C点,平衡正向移动,N2O的转化率增加;B和C点的反应物投料比相同,因此不是改变反应物的浓度;反应前后的气体体积不变,因此压强不影响平衡移动,只能是温度,该反应为放热反应,平衡正向移动,温度越低N2O转化率越大,则TB
eq \a\vs4\ac\hs10\c8(,2CO(g),+,SO2(g),⇌,2CO2(g),+,S(l),起始量/ml,2,,1,,0,,0,转化量/ml,1,,0.5,,1,,0.5,平衡量/ml,1,,0.5,,1,,0.5)
v(CO)=eq \f(Δn,VΔt)=eq \f(1ml,1L×5min)=0.2ml·L-1·min-1;若升高温度,气体的密度增加,说明平衡逆向移动,则正方向为放热反应,即反应的ΔH<0;(5)pH为7~8时,正极SO eq \\al(\s\up1(2-),\s\d1(4)) 在还原菌作用下得电子,发生还原反应,电极反应式为SO eq \\al(\s\up1(2-),\s\d1(4)) +5H2O+8e-===HS-+9OH-。
答案:(1)-746kJ·ml-1
(2)0.2
(3)a.FeO++CO⇌CO2+Fe+ 反应① b.< =
(4)0.2ml·L-1·min-1 <
(5)SO eq \\al(\s\up1(2-),\s\d1(4)) +5H2O+8e-===HS-+9OH-
5.解析:(1)在水蒸气存在下固态胺吸收CO2反应生成酸式碳酸盐的反应是放热反应,则升高温度平衡逆向移动,解吸出CO2,操作方法是加热。
(2)①根据盖斯定律反应Ⅰ+Ⅱ可得目标反应,ΔH=ΔH1+ΔH2=41-246=-205kJ·ml-1;②生成甲烷的反应是放热反应,降低温度平衡正移,可提高甲烷平衡产率,另生成甲烷的反应是气体分子数减小的反应,增大压强平衡正移,甲烷平衡产率增大,则反应条件是适当降低温度(或适当增大压强);③第一步历程H原子被吸附在催化剂表面,说明HH非极性共价键断裂,还有·CO2转化为·HOCO,说明CO极性共价键也断裂,A错误;Ts1的能垒即正反应的活化能最大,说明反应速率最慢,整个反应速率由最慢的一个历程决定,则该转化反应的速率取决于Ts1的能垒,B正确;由图知·HOCO转化为·CO和·OH的反应物总能量比生成物的总能量高,为放热反应,则ΔH<0,C正确;催化剂参与化学反应,能降低反应的活化能,但平衡不移动,不能提高反应物的转化率,D错误。
(3)①对于反应CO2(g)+4H2(g)⇌CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-205kJ·ml-1,升高温度,反应逆向移动,H2的物质的量分数增大,CH4和H2O的物质的量分数减小,且CH4和H2O的物质的量分数之比为1∶2,故图中a、b、c代表的物质分别为H2O、CH4、H2;温度低于500℃时,CO的物质的量分数约为0,说明CO几乎完全反应,化学平衡常数越大,反应越完全,则反应Ⅱ的化学平衡常数大。
②起始时eq \f(n(H2),n(CO2))=4,设CO2的起始量为aml,变化量为xml,则H2的起始量为4aml,列三段式计算如下:
eq \a\vs4\ac\hs10\c8(,CO2(g),+,4H2(g),⇌,CH4(g),+,2H2O(g),起始量/ml,a,,4a,,0,,0,转化量/ml,x,,4x,,x,,2x,平衡量/ml,a-x,,4a-4x,,x,,2x)
M点时,n(CH4)=n(H2),即4a-4x=x,整理得x=0.8a,则平衡时CO2、H2、CH4、H2O的物质的量分别为0.2aml、0.8aml、0.8aml、1.6aml,各气体的总物质的量为(0.2a+0.8a+0.8a+1.6a)ml=3.4aml,在恒温恒容下,压强之比等于物质的量之比,则eq \f(5a,3.4a)=eq \f(1atm,p),平衡时总压p=eq \f(3.4,5)atm,平衡分压p(CO2)=eq \f(0.2aml,3.4aml)×eq \f(3.4,5)atm=0.04atm,Kp=eq \f(\a\vs4\al\c1(p(CH4)·p2(H2O)),\a\vs4\al\c1(p(CO2)·p4(H2)))=
eq \f((\f(0.8a,3.4a)×\f(3.4,5))×(\f(1.6a,3.4a)×\f(3.4,5))2,(\f(0.2a,3.4a)×\f(3.4,5))×(\f(0.8a,3.4a)×\f(3.4,5))4)=625atm-2。
答案:(1)加热
(2)①-205kJ·ml-1 ②适当降低温度(或适当增大压强) ③BC
(3)①b Ⅱ ②0.04 625
化学键
C—H
H—H
H—O
C===O
键能/kJ·ml-1
413
436
463
a
实验编号
a
b
c
温度/K
T1
T1
T2
催化剂的比表面积/(m2·g-1)
80
120
120
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