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專題17 化學反應與能量、速率和平衡綜合題
1.【樂山市2018屆第二次調(diào)查研究考試】甲醇是重要的化工原料,又可作為燃料。利用合成氣(主要成分為CO、CO2和H2)在催化劑的作用下合成甲醇,發(fā)生的主要反應如下:
I.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1
II.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2=+41.2kJ/mol
III.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H3=-49.53kJ/mol
某些物質(zhì)的標準生成熱
物質(zhì)
CO
CO2
H2
CH3OH(g)
標準生成熱(kJ/mol)
-110.52
-393.51
0
-201.25
回答下列問題:
(1)物質(zhì)的標準生成熱是常用的化學熱力學數(shù)據(jù),可以用來計算化學反應熱?;瘜W反應熱:ΔH=生成物標準生成熱總和一反應物標準生成熱總和。計算 △H1=_____kJ/mol。
(2)在一容積可變的密團容器中,1molCO與2molH2發(fā)生反應:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1,CO在不同溫度下的平衡轉化率(a)與壓強的關系如圖所示。
①a、b兩點的反應速率:v(a)___v(b)(填“>”、“<”或“=”)
②T1____T2(填“>”、“<"或“=”),原因是___________________________。
③在c點條件下,下列敘述能說明上述反應達到化學平衡狀態(tài)的是_____(填代號)。
a.H2的消耗速率是CH3OH生成速率的2倍 b.CH3OH的體積分數(shù)不再改變
C.混合氣體的密度不再改變 d.CO和CH3OH的物質(zhì)的量之和保持不變
④計算圖中a點的平衡常數(shù)Kp____(kPa)-2(用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓物質(zhì)的量分數(shù))。
(3)合成甲醇尾氣中CO的濃度常用電化學氣敏傳感器進行測量,其中CO傳感器可用下圖簡單表示,則陽極發(fā)生的電極反應為_________。
【答案】-90.73<<CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)是放熱反應,溫度升高,平衡逆向移動,CO的平衡轉化率減小,故T1
”“<”或“=”,下同)。若T1、P1,T3、P3時平衡常數(shù)分別為K1、K3,則K1________K3,T1、P1時H2的平衡轉化率為______________。
②在恒容密閉容器里按體積比為1∶3充入二氧化碳和氫氣,一定條件下反應達到平衡狀態(tài)。當改變反應的某一個條件后,下列能說明平衡一定向逆反應方向移動的是______(填序號)。
A.反應物的濃度增大 B.混合氣體的密度減小
C.正反應速率小于逆反應速率 D.氫氣的轉化率減小
(2)將一定量的CO2氣體通入氫氧化鈉的溶液中,向所得溶液中邊滴加稀鹽酸邊振蕩至過量、產(chǎn)生的氣體與加入鹽酸物質(zhì)的量的關系如圖(忽略氣體的溶解和HCl的揮發(fā))。請回答:當加入HCl 的物質(zhì)的量為1 mol時,溶液中所含溶質(zhì)的化學式__________,a點溶液中各離子濃度由大到小的關系式為____________________________________。
(3)CO2在自然界循環(huán)時可與CaCO3反應,CaCO3是一種難溶物質(zhì),其Ksp = 2.810-9。CaCl2溶液與Na2CO3溶液混合可形成CaCO3沉淀,現(xiàn)將等體積的CaCl2溶液與Na2CO3溶液混合,若混合前Na2CO3溶液的濃度為210-4 molL-1,則生成沉淀加入CaCl2溶液的最小濃度為___________ molL-1。
【答案】> <57.1%CNa2CO3、NaClc(Na+) > c(Cl-) > c(HCO3-) > c(OH-) > c(H+) > c(CO32-)5.610-5
【解析】
解之得,H2的平衡轉化率為57.1%。②在恒容密閉容器里按體積比為1:3充入二氧化碳和氫氣,一定條件下反應達到平衡狀。當改變反應的某一個條件后,A. 反應物的濃度增大,可能是增大了反應物的濃度(再加入少量的反應物)使平衡向正反應方向移動的結果,也可能是增大生成物濃度(或升高溫度)使平衡向逆反應方向移動的結果; B. 混合氣體的密度減小,有可能是減小反應物濃度使平衡逆向移動,也有可能是減小生成物濃度(如降低溫度使部分水液化)使平衡正向移動的結果;C. 正反應速率小于逆反應速率,平衡一定向逆反應方向移動;D. 氫氣的轉化率減小,可能是增大氫氣的濃度(再加入少量氫氣)使平衡正向移動的結果,也可能是升高溫度使平衡逆向移動的結果。綜上所述,能說明平衡一定向逆反應方向移動的是C;(2)由圖可知,反應明顯分為兩個階段,前后兩個階段所消耗的HCl的物持的量之比為3:2,說明原溶液中的溶質(zhì)為碳酸鈉和氫氧化鈉,且兩者物質(zhì)的量之比為2:1,兩者物質(zhì)的量分別是2mol、1mol。通入1mol HCl時,氫氧化鈉恰好反應完全,溶液中所含溶質(zhì)為Na2CO3、NaCl。a點溶液中有3mol NaCl和1molNaHCO3,由于碳酸氫根離子的水解程度大于電離程度,所以,各離子濃度由大到小的關系式為c(Na+)>c(Cl-)>c(HC03-)>c(OH-)>c(H+)>c(CO32-);(3)CO2在自然界循環(huán)時可與CaCO3反應,CaCO3是一種難容物質(zhì),其Ksp = 2.810-9。CaCl2溶液與Na2CO3溶液混合可形成CaCO3沉淀,現(xiàn)將等體積的CaCl2溶液與Na2CO3溶液混合,若Na2CO3溶液的濃度為
210-4molL-1,則生成沉淀所需CaCl2溶液的最小濃度為molL-1。
【點睛】兩種稀溶液等體積混合后,若兩溶液中的溶質(zhì)不發(fā)生反應,則兩溶質(zhì)的濃度均變?yōu)樵瓉淼囊话搿?
4.【云南省紅河州2018屆高三復習統(tǒng)一檢測】碳及其化合物在能源和材料方面具有廣泛的用途,回答下列問題:
(1)已知CH4(g)+O2(g)=CO(g)+2H2O(l) =-607.31kJ/mol
2CO(g)+ O2(g)=2CO2(g) =-566.0kJ/mol
寫出表示甲烷燃燒熱的熱化學方程式________________。
(2)天然氣的一個重要用途是制取H2,其原理為:CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g) 。
在密閉容器中通入物質(zhì)的量濃度均為0.1mol/L的CH4與CO2,在一定條件下發(fā)生反應,測得CH4的平衡轉化率與溫度及壓強的關系如下圖所示。則:
①壓強P2_____P1(填 “>”或“<”);原因
________________________________________________________________________________。
②壓強為P1時,在Y點:v(逆)_______v(正)(填“>”、“<”或“=”)。
③求X點對應溫度下的該反應的平衡常數(shù)K=____________。(計算結果保留兩位小數(shù))
(3)CO可以合成二甲醚,CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H<0,二甲醚可以作為燃料電池的原料。利用此燃料電池以石墨為電極電解1L,0.5mol/L的CuSO4溶液,導線通過0.1mol電子時,假設溶液體積不變,則所得溶液pH=______________,標況下理論上產(chǎn)生O2_______________L(保留小數(shù)點后兩位)。
【答案】CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) =-890.31kJmol-1>同一溫度下轉化率P1大于P2,而該反應是氣體體積增大的反應,減小壓強平衡向正反應方向移動,所以P2>P1<1.6410.56
【解析】
(3)用惰性電極電解CuSO4溶液時陽極的電極反應式為:2H2O-4e-=O2↑+4H+,由方程式的計量數(shù)關系可得,則當轉移的電子為0.1mol時,產(chǎn)生的n(H+)=0.1mol,其濃度為0.1mol/L,pH=1,n(O2)=0.1mol4=0.025mol,體積為0.025mol22.4L/mol=0.56L,故答案為:1、0.56。
【點睛】
在研究兩個條件下可逆反應的移動方向時,往往先控制一個外界條件相同,然后分析另一個條件對可逆反應的影響。如本題圖中反映了甲烷的轉化率隨壓強、溫度兩個條件下的變化情況,在比較P1 、P2的大小時應選擇在相同溫度下進行對比。
5.【山東省七校聯(lián)合體2018屆高三第二次聯(lián)考】(1)2017年中科院某研究團隊通過設計一種新型Na-Fe3O4/HZSM-5多功能符合催化劑,成功實現(xiàn)了CO2直接加氫制取辛烷值汽油,該研究成果被評價為“CO2催化轉化領域的突破性進展”。
已知:H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH1 =—aKJ/mol
C8H18(1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) ΔH2=—bKJ/mol
試寫出25℃、101kPa條件下,CO2與H2反應生成汽油(以C8H18表示)的熱化學方程式________。
(2)利用CO2及H2為原料,在合適的催化劑(如Cu/ZnO催化劑)作用下,也可合成CH3OH,涉及的反應有:
甲:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H= — 53.7kJmol-1 平衡常數(shù)K1
乙:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H= + 41.2kJmol-1 平衡常數(shù)K2
①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常數(shù)K=______(用含K1、K2的表達式表示),該反應H_____0(填“大于”或“小于”)。
②提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率的措施有___________(填寫兩項)。
③催化劑和反應體系的關系就像鎖和鑰匙的關系一樣,具有高度的選擇性。下列四組實驗,控制CO2和H2初始投料比均為1:2.2,經(jīng)過相同反應時間(t1min)。
溫度(K)
催化劑
CO2轉化率(%)
甲醇選擇性(%)
綜合選項
543
Cu/ZnO納米棒材料
12.3
42.3
A
543
Cu/ZnO納米片材料
11.9
72.7
B
553
Cu/ZnO納米棒材料
15.3
39.1
C
553
Cu/ZnO納米片材料
12.0
70.6
D
由表格中的數(shù)據(jù)可知,相同溫度下不同的催化劑對CO2的轉化為CH3OH的選擇性有顯著影響,根據(jù)上表所給數(shù)據(jù)結合反應原理,所得最優(yōu)選項為___________(填字母符號)。
(3)以CO、H2為原料合成甲醇的反應為:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。在體積均為2L的三個恒容密閉容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中,分別都充入1molCO和2molH2,三個容器的反應溫度分別為T1、T2、T3且恒定不變。下圖為三個容器中的反應均進行到5min時H2的體積分數(shù)示意圖,其中有一個容器反應一定達到平衡狀態(tài)。
①0~5min時間內(nèi)容器Ⅱ中用CH3OH表示的化學反應速率為_________________。
②三個容器中一定達到平衡狀態(tài)的是容器________(填寫容器代號)。
【答案】 8CO2(g)+25H2(g)=C8H18(1)+16H2O(1) ΔH=—(25a-b)KJ/mol K= 小于 降低溫度、減小產(chǎn)物濃度 B 0.0875mol/(Lmin) Ⅲ
【解析】
③由表中數(shù)據(jù)分析在相同溫度下不同催化劑對甲醇的選擇性有顯著影響,使用Cu/ZnO納米片催化劑時甲醇選擇性高;使用相同的催化劑在不同溫度下,雖然二氧化碳的轉化率增加,甲醇的選擇性卻減小,說明溫度升高,副產(chǎn)物增加,因此綜合考慮選B選項;
(3) ①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
開始時的物質(zhì)的量:1 2 0
轉化的物質(zhì)的量:a 2a a
平衡時的物質(zhì)的量:1-a 2-2a a
容器Ⅱ中0~5 min內(nèi)H2含量是20%,a=,v(CH3OH)= 0.0875mol/(Lmin);②Ⅲ中溫度高氫氣含量高,說明達到平衡升高溫度平衡逆向移動,氫氣含量增加。
【點睛】
本題綜合考查化學反應中的熱量變化和化學反應平衡。蓋斯定律,又名反應熱加成性定律:若一反應為二個反應式的代數(shù)和時,其反應熱為此二反應熱的代數(shù)和。也可表達為在條件不變的情況下,化學反應的熱效應只與起始和終了狀態(tài)有關,與變化途徑無關;化學平衡常數(shù)指在一定溫度下,可逆反應都達到平衡時各生成物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積所得的比值,固體、純液體不需要表示出;影響化學平衡的因素有濃度、溫度和壓強等。
6.【漳州市2018屆高三考前模擬】科學家積極探索新技術對CO2進行綜合利用。
Ⅰ.CO2可用FeO吸收獲得H2。
i. 6FeO(s)+CO2(g)=2Fe3O4(s)+C(s) △Hl=-76.0 kJmol-1
ⅱ. C(s)+2H2O(g)=CO2(g)+2H2(g) △H2= +113.4 kJmol-1
(1)3FeO(s)+H2O(g)=Fe3O4(s)+H2(g) △H3=_________。
(2)在反應i中,每放出38.0 kJ熱量,有______gFeO被氧化。
Ⅱ.CO2可用來生產(chǎn)燃料甲醇。
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49.0 kJmol-1。在體積為1L的恒容密閉容器中,充入1 mol CO2和3 mol H2,一定條件下發(fā)生反應:測得CO2和CH3OH(g)的濃度隨時間變化如圖所示。
(3)從反應開始到平衡,氫氣的平均反應速率v(H2)=___________________ mol(Lmin) -1。
(4)氫氣的轉化率=________________________。
(5)該反應的平衡常數(shù)為__________________________ (保留小數(shù)點后2位)。
(6)下列措施中能使平衡體系中n(CH3OH)/n(CO2)增大的是_____________________。
A.升高溫度 B.充入He(g),使體系壓強增大
C.再充入1 mol H2 D.將H2O(g)從體系中分離出去
(7)當反應達到平衡時,H2的物質(zhì)的量濃度為c1,然后向容器中再加入一定量H2,待反應再一次達到平衡后,H2的物質(zhì)的量濃度為c2,則c1________c2的關系(填“>”、“<”或“=”)。
III.CO2可用堿溶液吸收獲得相應的原料。
利用100 mL 3 molL—1NaOH溶液吸收4.48 LCO2(標準狀況),得到吸收液。
(8)該吸收液中離子濃度的大小排序為___________________。將該吸收液蒸干,灼燒至恒重,所得固體的成分是_________(填化學式)。
【答案】 +18.7 kJmol—1 144 0.225 75% 5.33 CD < c(Na+)>c(HCO3—)>c(CO32—)>c(OH—)>c(H+) Na2CO3
【解析】
(4)反應前氫氣的濃度是3mol/L,所以平衡時氫氣的濃度是3mol/L-2.25mol/L=0.75mol/L,氫氣的轉化率=;(5)此時,則該反應的平衡常數(shù)K=;(6)要使n(CH3OH)/n(CO2)增大,應使平衡向正反應方向移動,A.因正反應放熱,升高溫度平衡向逆反應方向移動,則n(CH3OH)/n(CO2)減小,選項A錯誤;B.充入He(g),使體系壓強增大,但對反應物質(zhì)來說,濃度沒有變化,平衡不移動,n(CH3OH)/n(CO2)不變,選項B錯誤;C.再充入1molH2,反應物的濃度增大,平衡向正反應方向移動,n(CH3OH)增大,n(CO2)減小,則n(CH3OH)/n(CO2)增大,選項C正確; D.將H2O(g)從體系中分離,平衡向正反應方法移動,n(CH3OH)/n(CO2)增大,選項D正確; 答案選CD;(7)若是恒容密閉容器、反應后整個體系的壓強比之前來說減小了,加入氫氣雖然正向移動,平衡移動的結果是減弱這種改變,而不能消除這種改變,即雖然平衡正向移動,氫氣的物質(zhì)的量在增加后的基礎上減小,但是CO2(g)濃度較小、CH3OH(g) 濃度增大、H2O(g)濃度增大,且平衡常數(shù)不變達到平衡時H2的物質(zhì)的量濃度與加氫氣之前相比一定增大,故c1<c2;(8)實驗室中常用NaOH溶液來進行洗氣和提純,當100mL 3mol/L的NaOH溶液吸收標準狀況下4.48L CO2時,所得溶液為等濃度的碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合液,水解顯堿性,且碳酸根的水解程度大于碳酸氫根,各離子濃度由大到小的順序為c(Na+)>c(HCO3—)>c(CO32—)>c(OH—)>c(H+);將該吸收液蒸干,灼燒至恒重,由于碳酸氫鈉分解生成碳酸鈉,故所得固體的成分是Na2CO3。
7.【江西師大附中2018屆高三年級測試(最后一卷)】甲烷是天然氣的主要成分,是一種重要的清潔能源和化工原料。
(1)用煤制天然氣時會發(fā)生多個反應,通過多種途徑生成CH4。
已知:C(s)+2H2(g)CH4 △H=-73kJ/mol
2CO(g)C(s)+CO2(g) △H=-171kJ/mol
CO(g)+3H(g)CH4(g)+H2O(g) △H=-203kJ/mol。
寫出CO與H2O(g)反應生成H2和CO2的熱化學方程式_________________。
(2)天然氣中含有H2S雜質(zhì),某科研小組用氨水吸收得到NH4HS溶液,已知
T℃k(NH3H2O)=1.7410-5;k1(H2S)=1.0710-7,k2(H2S)=1.7410-13,NH4HS溶液中所含粒子濃度大小關系正確的是_______。
A.c(NH4+)>c(HS-)>c(OH-)>c(H+) B.c(HS-)>c(NH4+)>(S2-)>c(H+)
C.c(NH4+)>c(HS-)>c(H2S)>c(H+) D.c(HS-)>c(S2-)>c(H+)>c(OH-)
(3)工業(yè)上常用CH4與水蒸氣在一定條件下來制取H2,其原理為:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)
①一定溫度時,在一個體積為2L的恒容密閉容器中,加入lnmolCH4和1.4mol水蒸氣發(fā)生上述反應,5min后達平衡,生成0.2molCO,用H2表示該反應的速率為_________。此反應的平衡常數(shù)為_____(結果保留到小數(shù)點后三位)。
②下列說法中能說明此反應達到平衡狀態(tài)的是_________。
A.體系的壓強不再發(fā)生變化
B.生成1molCH4的同時消耗3molH2
C.各組分的物質(zhì)的量濃度不再改變
D.體系的密度不再發(fā)生變化
E.反應速率V(CH4):V(H2O)v(CO):v(H2)=1:1:1:3
(4)甲醇水蒸氣重整制氫反應:CH3OH(g)+H2O(g)==CO2(g)+3H2(g) △H=+49kJ/mol。某溫度下,將[n(H2O):n(CH3OH)]=1:1的原料氣充入恒容密閉容器中,初始壓強為p1,反應達到平衡時總壓強為p2,則平衡時甲醇的轉化率為______。
(5)如圖所示,直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種變種,它直接使用甲醇而勿需預先重整。請寫出電池工作時的負極反應式:__________________。
【答案】 CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g) △H=-41kJ/mol AC 0.06mol/(Lmin)
0.011(mol2/L2) AC CH4O-6e-+H2O→6H++CO2
(3)①5min后達平衡,生成0.2molCO,則同時生成氫氣是0.6mol,濃度是0.3mol/L,因此用H2表示該反應的速率為0.3mol/L5min=0.06 molL-1min-1。平衡時剩余甲烷是0.8mol,水蒸氣是1.2mol,因此甲烷、水蒸氣、CO和氫氣的濃度分別是(mol/L)0.4、0.6、0.1、0.3,此反應的平衡常數(shù)為0.10.33/0.40.6≈0.011。
②A.正反應體積增大,體系的壓強不再發(fā)生變化說明反應達到平衡狀態(tài),A正確;B.生成1molCH4的同時消耗3molH2均表示逆反應速率,不能說明反應達到平衡狀態(tài),B錯誤;C.各組分的物質(zhì)的量濃度不再改變說明反應達到平衡狀態(tài),C正確;D.密度是混合氣的質(zhì)量和容器容積的比值,在反應過程中質(zhì)量和容積始終是不變的,體系的密度不再發(fā)生變化不能說明反應達到平衡狀態(tài),D錯誤;E.反應速率V(CH4):V(H2O):v(CO):v(H2)=1:1:1:3不能說明反應達到平衡狀態(tài),E錯誤;答案選AC;
(4) CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)
起始量(mol) 11 00
轉化量(mol)nnn3n
平衡量(mol) 1-n1-nn 3n
則,解得,所以平衡時甲醇的轉化率為。
(5)甲醇在負極發(fā)生失去電子的氧化反應,又因為存在質(zhì)子交換膜,則負極反應式為CH4O-6e-+H2O=6H++CO2。
點睛:本題考查蓋斯定律、鹽類水解、化學平衡計算、新型電池電極反應式書寫等,為高頻考點,側重考查學生分析判斷及計算能力,明確電離平衡常數(shù)與離子水解程度關系、三段式在化學平衡計算中的靈活運用是解本題關鍵,注意平衡狀態(tài)判斷時要抓住變量不再發(fā)生變化這一關鍵特征。
8.【四川省雙流中學2018屆高三考前第二次模擬】氮的固定意義重大,氮肥的大面積使用提高了糧食產(chǎn)量。
(1)目前人工固氮有效且有意義的方法是_______________(用一個化學方程式表示)。
(2)自然界發(fā)生的一個固氮反應是N2(B)+O2(g) 2NO(g),已知N2、O2、NO三種分子中化學鍵斷裂所吸收的能量依次為946kJmol-1、498kJmol-1、632kJmol-1,則該反應的△H=____kJmol-1。
(3)恒壓100kPa時,反應2NO(g)+O2(g)2NO2(g)中NO的平衡轉化率與溫度的關系曲線如圖1,反應2NO2(g)N2O4(g)中NO2的平衡轉化率與溫度的關系曲線如圖2。
①圖1中A、B、C三點表示不同溫度、壓強下2NO(g)+O2(g)2NO2(g)達到平衡時NO的轉化率,則____________點對應的壓強最大。
②恒壓100kPa、25℃時,2NO2(g) N2O4(g)平衡體系中N2O4的物質(zhì)的量分數(shù)為
______________,列式計算平衡常數(shù)Kp=____________。(Kp用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓物質(zhì)的量分數(shù))
(4)室溫下,用往射器吸入一定量NO2氣體,將針頭插入膠塞密封,然后迅速將氣體體積壓縮為原來的一半并使活塞固定,此時手握針筒有熱感,繼續(xù)放置一段時間。從活塞固定時開始觀察,氣體顏色逐漸__________(填“變深”或“變淺”),原因是________________。[已知2NO2(g)N2O4(g)在幾微秒內(nèi)即可達到化學平衡]
【答案】 N2+3H2 2NH3 +180 B 66.7% (100KPa/66.7%)/[100KPa/(1-66.7%]2 變淺 活塞固定時2NO2(g) N2O4(g)已達平衡狀態(tài),因反應是放熱反應,放置時氣體溫度下降,平衡向正反應方向移動,NO2濃度降低
2NO2(g) N2O4(g)
起始量(mol) x 0
變化量(mol) 0.8x 0.4x
平衡量(mol) 0.2x 0.4x
平衡體系中N2O4的物質(zhì)的量分數(shù)=100%=66.7%,
Kp用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓物質(zhì)的量分數(shù)列式計算;
(4)壓縮活塞平衡正移,反應放熱,針管微熱,活塞固定時2NO2(g) N2O4(g)已達平衡狀態(tài),放置時氣體溫度下降,平衡向正反應方向移動, NO2濃度降低,顏色變淺。
詳解:(1)游離態(tài)的氮元素反應生成化合態(tài)氮元素為氮的固定,如工業(yè)合成氨,反應的化學方程式為: N2+3H2 2NH3,因此,本題正確答案是: N2+3H2 2NH3;
(2) N2(B)+O2(g) 2NO(g),已知N2、O2、NO三種分子中化學鍵斷裂所吸收的能量依次為
946kJmol-1、498kJmol-1、632kJmol-1,則該反應的△H=(946kJmol-1+498kJmol-1)-2632kJmol-1=+180kJmol-1,因此,本題正確答案是:+180;
(3)①圖中曲線上各點為等壓不等溫,通過控制變量做等溫線確定ABC三點與曲線交點等溫不等壓,從而確定曲線以下的點壓強小于100kPa,曲線以上的點壓強大于100kPa,所以B點壓強最大,因此,本題正確答案是:B;
②25時NO2的轉化率為80%,設起始量二氧化氮物質(zhì)的量為x,
2NO2(g) N2O4(g)
起始量(mol) x 0
變化量(mol) 0.8x 0.4x
平衡量(mol) 0.2x 0.4x
平衡體系中N2O4的物質(zhì)的量分數(shù)=100%=66.7%,
Kp用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓物質(zhì)的量分數(shù),
則Kp=(100KPa/66.7%)/[100KPa/(1-66.7%]2
因此,本題正確答案是: 66.7% ;(100KPa/66.7%)/[100KPa/(1-66.7%]2 。
9.【慶市綦江中學2018屆高三高考適應性考試】氮的固定一直是科學家研究的重要課題,合成氨則是人工固氮比較成熟的技術,其原理為:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) △H
(1)已知破壞1mol共價鍵需要的能量如表所示
H-H
N-H
N-N
N≡N
435.5kJ
390.8kJ
163kJ
945.8kJ
則△H=__________。
(2)在恒溫、恒壓容器中,按體積比1:3加入N2和H2進行合成氨反應,達到平衡后,再向容器中充入適量氨氣,達到新平衡時,c(H2)將__________(填“增大”、“減小”、或“不變”,后同);若在恒溫、恒容條件下c(N2)/c(NH3)將________。
(3)在不同溫度、壓強和使用相同催化劑條件下,初始時N2、H2分別為0.1mol、0.3mol 時,平衡混合物中氨的體積分數(shù)(φ)如圖所示。
①其中,p1、p2和p3由大到小的順序是_______,原因是___________________。
②若在250℃、p1條件下,反應達到平衡時的容器體積為1L,則該條件下合成氨的平衡常數(shù)K=____(結果保留兩位小數(shù))。
(4)H2NCOONH4是工業(yè)由氨氣合成尿素的中間產(chǎn)物。在一定溫度下、體積不變的密閉容器中發(fā)生反應H2NCOONH4(s)2NH3(g)+CO2(g),能說明該反應達到平衡狀態(tài)的是_____(填序號)
①每生成34g NH3的同時消耗44g CO2 ②混合氣體的密度保持不變
③NH3的體積分數(shù)保持不變 ④混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變 ⑤c(NH3):c(CO2)=2:1
(5)科學家發(fā)現(xiàn),N2和H2組成的原電池合成氨與工業(yè)合成氨相比具有效率高,條件易達到等優(yōu)點。其裝置如圖所示、寫出該原電池的電極反應:________________、_____________,若N2來自于空氣,當電極B到A間通過2molH+時理論上需要標況下空氣的體積為_________(結果保留兩位小數(shù))。
【答案】 -92.5kJ/mol(1分) 不變 減小 p1>p2>p3 該反應的正反應為氣體體積減小的反應,相同溫度下,增大壓強平衡正移,NH3 的體積分數(shù)增大,由圖可知p1>p2>p3 5.93103 (mol/L)-2 或 5925.93(mol/L)-2 ①② N2+6e-+6H+=2NH3 3H2-6e-=6H+ 9.33L
【解析】⑴△H=E斷-E成=945.8+3435.5-6390.8=-92.5 kJ/mol ⑵在恒溫恒壓條件下通NH3相當于平衡不移動,所以不變;恒溫恒容條件下相當于加壓,平衡正移,比值減小;⑶該反應的正反應為氣體體積減小的反應,增大壓強平衡正移。NH3 的體積分數(shù)增大,由圖可知p1>p2>p3。 由圖可知氨氣的體積分數(shù)為0.667,根據(jù)三段式可計算出c(NH3)=0.16mol/L c(N2)=0.02mol/L c(H2)=0.06mol/L,則K=5925.93; ⑷①相當于正逆速率相等,能說明該反應達到平衡狀態(tài);②氣體密度會隨平衡的移動而變化,不變時說明達平衡,能說明該反應達到平衡狀態(tài);③④⑤中的量永遠為定值,不能說明該反應達到平衡狀態(tài);答案選①②; ⑸正極:N2+6e-+6H+=2NH3 負極:3H2-6e-=6H+ 整個計算用電子守恒,通過2molH+時則有1/3molN2參與反應,相當于(1/3)(5/4)22.4=9.33L空氣。
10.【遵義航天高級中學2018屆高三第十一次模擬】硝酸是一種重要的化工原料,工業(yè)上采用氨的催化氧化法制備硝酸。
(1) 已知反應N2(g)+3H2(g) ? 2NH3(g)為放熱反應,在恒容容器中能說明該反應達到平衡狀態(tài)的是(_______)
A.容器內(nèi)N2、H2、NH3的濃度之比為1:2:3
B. v正(N2)=v逆(H2)
C.容器內(nèi)壓強保持不變
D.混合氣體的密度保持不變
(2)理論上,為了增大平衡時的轉化率,可采取的措施是_____________(要求答出兩點)
⑶合成氨技術的創(chuàng)立開辟了人工固氮的重要途徑,合成氨反應的平衡常數(shù)K值和溫度的關系如下表,則400℃時,測得某時刻氮氣、氫氣、氨氣的物質(zhì)的量濃度分別為1 molL-1、2 molL-1、3 molL-1時,此時刻該反應正反應速率_____ 逆反應速率(填“大于”、“小于”或“等于”)
溫度/℃
200
300
400
K
1.0
0.86
0.5
(4)消除硝酸工廠尾氣的一種方法是用甲烷催化還原氮氧化物,已知:
① CH4 (g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △ H=-890.3 kJmol-1
② N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △ H=-67.0 kJmol-1
則CH4(g)將NO2(g)還原為N2(g)等的熱化學方程式為
___________________________________________
(5)在25 ℃下,向濃度均為0.1 molL-1的MgCl2和CuCl2混合溶液中逐滴加入氨水,先生成____沉淀(填化學式),當兩種沉淀共存時,溶液中C(Mg2+)/C(Cu2+)=_________(已知25 ℃時Ksp[Mg(OH)2]=1.810-11,Ksp[Cu(OH)2]=2.210-20)
【答案】 C 降溫、加壓、分離氨氣 小于 CH4(g)+2NO2(g) ? 2N2 (g) +CO2(g)+ 2H2O(g)
△H=-823.3kJ/mol Cu(OH)2 8.2108 或9109 / 11
【解析】分析:(1)可逆反應達到平衡時, v正=v逆 (同種物質(zhì)表示)或正逆速率之比等于化學計量數(shù)之比(不同物質(zhì)表示),反應混合物各組分的物質(zhì)的量、濃度、含量不再變化,以及由此衍生的一些量也不發(fā)生變化,由此進行判斷;(2)根據(jù)反應特點分析增大平衡轉化率的措施;(3)根據(jù)濃度商和平衡常數(shù)相對大小判斷平衡移動方向,從而推斷正逆反應速率大?。唬?)根據(jù)蓋斯定律計算反應熱,書寫熱化學方程式;(5)根據(jù)溶度積計算。
(3)QC==2.25>K=0.5,說明反應向逆反應方向進行,因此v正(N2)=v逆(N2),因此,本題正確答案是:
小于;
(4)① CH4 (g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △ H=-890.3 kJmol-1
② N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △ H=-67.0 kJmol-1
根據(jù)蓋斯定律:①-②得:CH4(g)+2NO2(g) ? 2N2 (g) +CO2(g)+ 2H2O(g) △H=-823.3kJ/mol,
因此,本題正確答案是: CH4(g)+2NO2(g) ? 2N2 (g)+CO2(g)+ 2H2O(g) △H=-823.3kJ/mol;
(5)由于Ksp[Cu(OH)2]
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專題17
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