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大題精做十 以電化學為主線串聯(lián)反應原理
精選大題
1.(2018寧德模擬)高鐵酸鈉(Na2FeO4)是一種新型、高效的水處理劑,與水反應的化學方程式為4Na2FeO4+10H2O===4Fe(OH)3+3O2↑+8NaOH。電解制備Na2FeO4裝置示意圖如圖所示。
(1)a是電源的_____(填“正”或“負”)極。電解時,石墨電極附近溶液的堿性______(填“增強”“減弱”或“不變”)。
(2)鐵電極的反應式為_________________________________________________。
(3)維持一定的電流強度和電解溫度,NaOH起始濃度對Na2FeO4濃度影響如圖(電解液體積相同的情況下進行實驗)。
①電解3.0h內(nèi),隨NaOH起始濃度增大,Na2FeO4濃度變化趨勢是________(填“增大”“不變”或“減小”)。
②當NaOH起始濃度為16molL?1,1.0~2.0h內(nèi)生成Na2FeO4的速率是________molL?1h?1。
③A點與B點相比,n[Fe(OH)3]∶A________B(填“>”“=”或“<”)。
(4)提純電解所得Na2FeO4,采用重結晶、過濾、洗滌、低溫烘干的方法,則洗滌劑最好選用________(填標號)溶液和異丙醇。
A.Fe(NO3)3 B.NH4Cl C.CH3COONa
(5)次氯酸鈉氧化法也可以制得Na2FeO4。
已知:2H2(g)+O2(g)===2H2O(l) ΔH=a kJmol?1
NaCl(aq)+H2O(l)===NaClO(aq)+H2(g) ΔH=b kJmol?1
4Na2FeO4(aq)+10H2O(l)===4Fe(OH)3(s)+3O2(g)+8NaOH(aq) ΔH=c kJmol?1
反應2Fe(OH)3(s)+3NaClO(aq)+4NaOH(aq)===2Na2FeO4(aq)+3NaCl(aq)+5H2O(l)的ΔH=_____kJmol?1。
【解析】(1)應該用鐵作陽極電解氫氧化鈉制備高鐵酸鈉,電解時鐵失去電子發(fā)生氧化反應結合OH?生成FeO和H2O,電極反應式為Fe+8OH?-6e?===FeO+4H2O;因此a是電源的負極,b為電源的正極;電解時,石墨電極為陰極,陰極發(fā)生還原反應,電極反應式為2H2O+2e-===H2↑+2OH?,石墨電極附近溶液的堿性增強。(2)根據(jù)上述分析,鐵電極的反應式為Fe+8OH?-6e?===FeO+4H2O。(3) ①根據(jù)圖像,電解3.0h內(nèi),隨NaOH起始濃度增大,Na2FeO4濃度逐漸增大。②根據(jù)圖像,當NaOH起始濃度為16molL?1時,1.0~2.0h內(nèi)生成Na2FeO4的速率為=8molL?1h?1。③根據(jù)圖像,A點與B點相比,Na2FeO4濃度:A>B,根據(jù)鐵原子守恒,n[Fe(OH)3]∶A
”、“=”或“<”,下同)v(逆);壓強:p1____p2;該反應的ΔH____0。
(3)在恒溫、p2下,在一容積可變的容器中,達到平衡狀態(tài)x時四種氣體的物質(zhì)的量均為1mol,若此時再充入四種氣體各1mol,則平衡____(填“向左”、“向右”或“不”)移動。
(4)一定條件下,CH4還可與NO2反應,改善霧霾天氣,其化學方程式為CH4(g)+2NO2(g)CO2(g)+2H2O(g)+N2(g),在恒溫恒容下,下列可以判斷該反應達到平衡狀態(tài)的是____(填序號)。
a.v逆(N2)=2v正(H2O)
b.混合氣體的密度不再變化
c.混合氣體的物質(zhì)的量不再變化
d.單位時間內(nèi)有1mol NO2消耗同時消耗1mol CO2
e.混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變
f.CH4與CO2的物質(zhì)的量之比不再發(fā)生變化
(5)在恒溫恒容下,使1mol CH4(g)與2mol NO2反應,達平衡后,再往反應器中分別充入下列氣體,可以使CH4(g)+2NO2(g)CO2(g)+2H2O(g)+N2(g)中NO2轉(zhuǎn)化率增大的是____(填序號)。
A.CH4B.CO2C.物質(zhì)的量之比為1∶2的CH4與NO2D.N2
(6)CH4還可以運用到電化學中,某課外小組用CH4為燃料,空氣為氧化劑,稀土金屬材料作電極,電浮選凝聚法處理污水,設計如圖所示裝置。則甲烷燃料電池的總反應式為______。為了使該燃料電池長時間穩(wěn)定運行,電池的電解質(zhì)組成應保持穩(wěn)定,電池工作時必須有部分A物質(zhì)參加循環(huán)(如圖),A物質(zhì)的化學式是______。
【解析】(1)320g可燃冰可釋放2mol甲烷,2mol甲烷完全燃燒放出1780.6kJ能量,則1mol甲烷完全燃燒放出890.3kJ能量,故甲烷燃燒熱的熱化學方程式為:CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890.3 kJmol?1;(2)y點甲烷轉(zhuǎn)化率低于平衡時甲烷轉(zhuǎn)化率,故反應還需正向進行,故v(正)>v(逆);該反應正向為氣體體積增大的反應,減小壓強,平衡正向移動,由p1到p2,甲烷轉(zhuǎn)化率降低,即增大了壓強,故p10;(3)恒溫恒壓條件下,同等增大各物質(zhì)濃度,平衡不移動;(4)a.平衡時,2v逆(N2)=v正(H2O),故a錯誤;b.反應過程中,氣體總質(zhì)量不變,恒容條件下氣體總體積不變,故氣體密度始終不變,錯誤;c.該反應反應過程中,混合氣體的總物質(zhì)的量不斷發(fā)生改變,若混合氣體的物質(zhì)的量不再變化,則反應達到平衡,正確;d.平衡時,單位時間內(nèi)有2mol NO2消耗同時消耗1mol CO2,錯誤;e.反應進行過程中,混合氣體總物質(zhì)的量發(fā)生改變,氣體總質(zhì)量不變,若混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變,則反應達到平衡狀態(tài),正確;f.甲烷和二氧化碳屬于可逆反應中不同反應方向的反應物,比值會隨著反應的進行而改變,故當CH4與CO2的物質(zhì)的量之比不再發(fā)生變化,反應達到平衡狀態(tài);(5)A.增大甲烷物質(zhì)的量,NO2的轉(zhuǎn)化率增大,正確;B.CO2為生成物,增大CO2的量,平衡逆向移動,NO2的轉(zhuǎn)化率減小,錯誤;C.通入物質(zhì)的量之比為1∶2的CH4與NO2的混合氣體,相當于壓強增大,平衡逆向移動,NO2轉(zhuǎn)化率降低,錯誤;D.N2為生成物,增大N2的濃度,平衡逆向移動,NO2轉(zhuǎn)化率減小,錯誤。(6)根據(jù)甲烷與氧氣反應生成CO2和H2O寫出該總反應式為:CH4+2O2===CO2+2H2O;該電池正極反應式為:O2+2CO2+4e-=2CO32-,負極反應式為:CH4-8e-+4CO32-=5CO2+2H2O,由此可知,物質(zhì)A為CO2。
【答案】(1)CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l) ΔH=-890.3kJmol-1
(2) ><>
(3)不
(4)cef
(5)A
(6)CH4+2O2===CO2+2H2O CO2
4.(一)合成氨工藝(流程如圖所示)是人工固氮最重要的途徑。
2018年是合成氨工業(yè)先驅(qū)哈伯(PHaber)獲得諾貝爾獎100周年。N2和H2生成NH3的反應為:1/2N2(g)+3/2H2(g)NH3(g)ΔH(298K)=-46.2KJmol?1,在Fe催化劑作用下的反應歷程為(*表示吸附態(tài))
化學吸附:N2(g)→2N*;H2(g)→2H*;
表面反應:N*+ H*NH*;NH*+ H*NH2*;NH2*+H*NH3*
脫附:NH3*NH3(g)
其中,N2的吸附分解反應活化能高、速率慢,決定了合成氨的整體反應速率。請回答:
(1)利于提高合成氨平衡產(chǎn)率的條件有__________。
A.低溫 B.高溫 C.低壓 D.高壓 E.催化劑
(2)標準平衡常數(shù)KΘ=ρNH3/ρθρN2/ρθ0.5ρH2/ρθ1.5,其中pΘ為標準壓強(1105Pa),PNH3、PN2和PH2為各組分的平衡分壓,如PNH3=xNH3p,p為平衡總壓,xNH3p為平衡系統(tǒng)中NH3的物質(zhì)的量分數(shù);
①N2和H2起始物質(zhì)的量之比為1∶3,反應在恒定溫度和標準壓強下進行,NH3的平衡產(chǎn)率為w,則KΘ=_____________(用含w的最簡式表示);
②下圖中可以示意標準平衡常數(shù)KΘ隨溫度T變化趨勢的是_______。
(3)實際生產(chǎn)中,常用工藝條件,F(xiàn)e作催化劑,控制溫度773K,壓強3.0X105Pa,原料中N2和H2物質(zhì)的量之比為1∶2.8。
①分析說明原料氣中N2過量的理由________________________。
②關于合成氨工藝的下列理解,正確的是_______。
A.合成氨反應在不同溫度下的ΔH和ΔH都小于零
B.控制溫度(773K)遠高于室溫,是為了保證盡可能的平衡轉(zhuǎn)化率和快的反應速率
C.當溫度、壓強一定時,在原料氣(N2和H2的比例不變)中添加少量惰性氣體,有利于提高平衡轉(zhuǎn)化率
D.基于NH3有較強的分子間作用力可將其液化,不斷將液氨移去,利于反應正向進行
E.分離空氣可得N2,通過天然氣和水蒸氣轉(zhuǎn)化可得H2,原料氣須經(jīng)過凈化處理,以防止催化劑中毒和安全事故發(fā)生。
(二)高鐵酸鉀(K2FeO4)可用作水處理劑。某同學通過“化學-電解法”探究的合成,其原理如圖所示。接通電源,調(diào)節(jié)電壓,將一定量Cl2通入KOH溶液,然后滴入含F(xiàn)e3+的溶液,控制溫度,可制得K2FeO4。
(1)請寫出“化學法”得到FeO的離子方程式___________________________。
(2)請寫出陽極的電極反應式(含F(xiàn)eO)___________________________________。
【解析】(一)(1)由勒夏特列原理可知,根據(jù)反應12N2(g)+32H2(g)NH3(g)ΔH(298K)=-46.2kJ/mol,為了提高合成氨平衡產(chǎn)率,即平衡正向移動,低溫和高壓符合條件,答案選AD;
(2)①12N2(g)+32H2(g)NH3(g)
起始量: 1 3 0
轉(zhuǎn)化量:ω 3ω2ω
平衡量: 1-ω3-3ω2ω
x(NH3)%=2ω4-2ω;x(N2)%=1-ω4-2ω;x(H2)%=3-3ω4-2ω
Kθ=2ω4-2ωpθpθ[(1-ω4-2ω)pθpθ]12[(3-3ω4-2ω)pθpθ]32,化簡得4ω(2-ω)33(1-ω)2;
②反應12N2(g)+32H2(g)NH3(g)ΔH(298K)=-46.2kJ/mol為放熱反應,溫度T升高,平衡向逆反應方向移動,K0減小,InK0也減小,InK0與溫度不成正比,故答案選A;(3)①由反應12N2(g)+32H2(g)NH3(g)可知,加過量氮氣,有利于平衡正向移動,提高H2的轉(zhuǎn)化率以及氨氣的產(chǎn)率,同時根據(jù)題干“N2的吸附分解反應活化能高、速率慢,決定了合成氨的整體反應速率?!笨芍?,N2在Fe催化劑上的吸附是決速步驟,適度過量有利于提高整體反應速率。②易知A選項正確;控制溫度遠高于室溫是為了保證催化劑的活性,提高反應速率,并非為了保證盡可能高的平衡轉(zhuǎn)化率和快的反應速率,B錯誤;恒壓條件充入少量惰性氣體,相當于減壓,平衡逆向移動,不利于提高平衡轉(zhuǎn)化率,C錯誤;不斷將氨氣液化,生成物濃度降低,有利于平衡正向移動,D正確,當選;通過天然氣和水蒸氣轉(zhuǎn)化制得的H2,由于含有CH4,CO等易燃易爆氣體,容易出現(xiàn)安全隱患,此外CH4,CO可能會與催化劑反應,造成催化劑活性降低,所以必須經(jīng)過凈化處理,E正確。答案選ADE;(二)(1)將一定量C12通入KOH溶液,生成KCl和KClO,KClO具有強氧化性,將Fe3+氧化為FeO42-,然后根據(jù)堿性環(huán)境,配平即可,得到2Fe3++3C1O?+10OH?===2FeO+3Cl?+5H2O或2Fe(OH)3+3C1O?+4OH?===2FeO+3Cl?+5H2O;(2)陽極失電子,反應物為Fe3+產(chǎn)物為FeO,然后根據(jù)堿性環(huán)境及守恒規(guī)則,易寫出Fe3++8OH?-3e?===FeO+4H2O或Fe(OH)3+5OH?-3e?===FeO+4H2O。
【答案】(一)(1)AD
(2)4ω(2-ω)33(1-ω)2A
(3)原料氣中N2相對易得,適度過量有利于提高H2的轉(zhuǎn)化率;N2在Fe催化劑上的吸附是決速步驟,適度過量有利于提高整體反應速率ADE
(二)(1)2Fe3++3C1O?+10OH?===2FeO+3Cl?+5H2O或2Fe(OH)3+3C1O?+4OH?===2FeO+3Cl?+5H2O
(2)Fe3++8OH?-3e?===FeO+4H2O或Fe(OH)3+5OH?-3e?===FeO+4H2O
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