2020届高考化学二轮复习化学反应原理综合题 作业

题型十八　化学反应原理综合题
(建议用时：35分钟)
1．氢能源是最具应用前景的能源之一，高纯氢的制备是目前的研究热点。
(1)甲烷水蒸气催化重整是制高纯氢的方法之一。
①反应器中初始反应的生成物为H2和CO2，其物质的量之比为4∶1，甲烷和水蒸气反应的化学方程式是___________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②已知反应器中还存在如下反应：
i．CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)　ΔH1
ii.CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH2
iii.CH4(g)===C(s)＋2H2(g)　ΔH3
……
iii为积炭反应，利用ΔH1和ΔH2计算ΔH3时，还需要利用________________________________反应的ΔH。
③反应物投料比采用n(H2O)∶n(CH4)＝4∶1，大于初始反应的化学计量数之比，目的是________(填字母)。
a．促进CH4转化
b．促进CO转化为CO2
c．减少积炭生成
④用CaO可以去除CO2。H2体积分数和CaO消耗率随时间变化关系如图所示。

从t1时开始，H2体积分数显著降低，单位时间CaO消耗率_______(填“升高”“降低”或“不变”)。此时CaO消耗率约为35%，但已失效，结合化学方程式解释原因：______________________________________________。
(2)可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢，工作示意图如图。通过控制开关连接K1或K2，可交替得到H2和O2。

①制H2时，连接________。产生H2的电极反应式是
________________________________________________________________________。
②改变开关连接方式，可得O2。
③结合①和②中电极3的电极反应式，说明电极3的作用：_________________________
________________________________________________________________________。
2．研究氮氧化物的反应机理，对于消除环境污染有重要意义。
(1)氮氧化物(NOx)可在催化剂作用下与氨反应生成无污染的物质，该反应的化学方程式为______________________________________________________________。
(2)对于一般的化学反应：aA＋bB===cC＋dD存在反应速率方程v＝kcm(A)cn(B)，利用反应速率方程可求出化学反应瞬时速率。m＋n为反应级数，当m＋n分别等于0、1、2…时分别称为零级反应、一级反应、二级反应……；k为反应速率常数，k与温度、活化能有关，与浓度无关，温度升高，k增大。在600 K下反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的初始浓度与初始速率如表所示：
初始浓度/(mol/L)
初始速率/[mol/(L·s)]
c(NO)
c(O2)
0.010
0.010
2.5×10－3
0.010
0.020
5.0×10－3
0.030
0.020
45×10－3
通过分析表中实验数据，得出该反应的速率方程为v＝__________，为______级反应，当c(NO)＝0.015 mol/L、c(O2)＝0.025 mol/L时的初始速率为______(保留两位有效数字)。
(3)升高温度绝大多数的化学反应速率增大，但是2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的反应速率却随着温度的升高而减小。某化学小组为探究该特殊现象的原因，查阅资料知其反应历程分两步：
a．2NO(g)N2O2(g)　ΔH1<0　快速平衡　v1正＝k1正c2(NO)　v1逆＝k1逆c(N2O2)
b．N2O2(g)＋O2(g)2NO2(g)　ΔH2　慢反应　v2正＝k2正c(N2O2)c(O2)　v2逆＝k2逆c2(NO2)
①反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)　ΔH＝______(用含ΔH1和ΔH2的式子表示)。
②反应______为整个反应的速控反应，用k1正、k1逆、k2正、k2逆表示2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的平衡常数K＝________________。
③反应a的活化能E1与反应b的活化能E2的大小关系为E1______E2(填“>”“<”或“＝”)。若2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的反应速率方程v＝×k2正×c2(NO)×c(O2)，分析升高温度该反应速率减小的原因可能是_________________________________________________
________________________________________________________________________。
④对反应a和b，下列表述正确的是______(填字母)。
A．v(第一步的逆反应)>v(第二步反应)
B．反应的中间产物为N2O2
C．反应b中N2O2与O2的碰撞仅部分有效
3．采用H2或CO催化还原NO能达到消除污染的目的，在氮氧化物尾气处理领域有着广泛应用。回答下列问题：
(1)用CO处理NO时产生两种无毒、无害的气体，该反应的氧化产物为________。
(2)已知：氢气的燃烧热为285.8 kJ/mol
2NO(g)===N2(g)＋O2(g)　ΔH1＝－180.5 kJ/mol
H2O(g)===H2O(l)　ΔH2＝－44 kJ/mol
写出用H2处理NO生成水蒸气和1 mol N2的热化学方程式：_______________________。
(3)针对上述用H2处理NO生成水蒸气和1 mol N2的反应，回答下列问题：
①研究表明，上述反应中，反应速率v＝k·c2(NO)·c2(H2)，其中k为速率常数，只与温度有关。t1时刻， v＝v1，若此刻保持温度不变，将c(NO)增大到原来的2倍时，c(H2)减小为原来的(此时v＝v2)。则有v1______v2(填“>”“<”或“＝”)。
②在温度T时，向容积固定的密闭容器中充入3 mol NO和2 mol H2发生上述反应，起始压强为p0，一段时间后，反应达到平衡，此时压强p＝0.9p0，则NO的平衡转化率α(NO)＝________(结果保留三位有效数字)，该反应的平衡常数Kp＝________(用含p的代数式表示，Kp为以分压表示的平衡常数，且某气体的分压＝总压×该气体的物质的量分数)。
(4)实验室常用NaOH溶液吸收法处理NOx，反应的化学方程式如下：(已知NO不能与NaOH溶液反应)
NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O
2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O
①若NOx(此处为NO和NO2的混合气体)能被NaOH溶液完全吸收，则x的取值范围为________。
②1 mol NO2和溶质物质的量为1 mol的NaOH溶液恰好完全反应后，溶液中各离子浓度由大到小的顺序为______________________________________________。
(5)一氧化氮­空气质子交换膜燃料电池将化学能转化为电能的同时，实现了制硝酸、发电、环保三位一体的结合，其工作原理如图所示，写出放电过程中负极的电极反应式：________________________，若过程中产生2 mol HNO3，则消耗标准状况下O2的体积为________L。

4．某硫酸工厂的废水中含有较多的H＋、Cu2＋、Fe2＋、SO、AsO、HAsO、H2AsO等需要处理的杂质离子，其中一种处理流程如图1所示。

已知：Ⅰ.常温下lg c(M)(M表示Cu2＋或Fe2＋等)随pH的沉淀溶解平衡曲线如图2所示(已知10－5.7≈2×10－6)。

Ⅱ.常温下H3AsO4水溶液中含砷元素的各物种的分布分数(平衡时某物种的浓度占各物种浓度之和的分数)与pH的关系如图3所示。

回答下列问题：
(1)沉淀A的主要成分的化学式是______________。
(2)常温下pH＝7的溶液中Cu2＋的物质的量浓度为________，请判断此时Fe2＋是否沉淀完全：________(填“是”或“否”)。
(3)若氧化过程中生成了某种胶体，用离子方程式解释氧化过程中溶液pH降低的原因：
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)①研究H3AsO4水溶液，分析废水中的砷的去除率：以酚酞为指示剂(pH变色范围为8.2～10.0)，将NaOH溶液逐滴加入H3AsO4溶液中，当溶液由无色变为浅红色时停止滴加。该过程中主要反应的离子方程式为________________________________________。
②H3AsO4第一步电离方程式H3AsO4H2AsO＋H＋的电离常数为Ka1，则pKa1＝________(pKa1＝－lg Ka1)。
③最后一次调节pH时，pH过低或过高砷的去除率都会明显降低，pH过低时可能的原因是_________________；pH过高时可能的原因是______________(从沉淀转化的角度分析)。
参考答案与解析
1．解析：(1)①根据CH4与H2O反应生成H2、CO2的物质的量之比为4∶1，结合原子守恒可得反应的化学方程式为CH4＋2H2O4H2＋CO2。②根据盖斯定律，由i＋ii－iii或i－ii－iii可得目标热化学方程式。③反应物的投料比n(H2O)∶n(CH4)＝4∶1，大于初始反应的化学计量数之比，H2O的物质的量增加，有利于促进CH4转化，促进CO转化为CO2，防止CH4分解生成C(s)，从而减少积炭生成。④根据题图可知，从t1时开始，CaO消耗率曲线的斜率逐渐减小，单位时间内CaO消耗率逐渐降低。CaO与CO2反应生成CaCO3，CaCO3覆盖在CaO表面，减少了CO2与CaO的接触面积，从而失效。(2)①电解碱性电解液时，H2O电离出的H＋在阴极得到电子产生H2，根据题图可知电极1与电池负极连接，为阴极，所以制H2时，连接K1，产生H2的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。③制备O2时碱性电解液中的OH－失去电子生成O2，连接K2，O2在电极2上产生。连接K1时，电极3为电解池的阳极，Ni(OH)2失去电子生成NiOOH，电极反应式为Ni(OH)2－e－＋OH－===NiOOH＋H2O，连接K2时，电极3为电解池的阴极，电极反应式为NiOOH＋e－＋H2O===Ni(OH)2＋OH－，使电极3得以循环使用。
答案：(1)①CH4＋2H2O4H2＋CO2
②C(s)＋2H2O(g)===CO2(g)＋2H2(g)或C(s)＋CO2(g)===2CO(g)
③abc　④降低　CaO＋CO2===CaCO3，CaCO3覆盖在CaO表面，减少了CO2与CaO的接触面积
(2)①K1　2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
③制H2时，电极3发生反应：Ni(OH)2＋OH－－e－===NiOOH＋H2O。制O2时，上述电极反应逆向进行，使电极3得以循环使用
2．解析：(2)根据v＝kcm(NO)cn(O2)，当O2浓度不变，NO浓度变为原来的3倍时，初始速率变为原来的9倍，所以初始速率与NO浓度的平方成正比，m＝2；同理n＝1；任选一组数据代入方程，得k＝2.5×103，故v＝2.5×103c2(NO)c(O2)。(3)②反应b为慢反应，是整个反应的速控反应。达到平衡时，正、逆反应速率相等，所以v1正＝v1逆，K1＝＝，v2正＝v2逆，K2＝＝，所以反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的K＝＝×＝×。③反应速率越快，说明反应越容易发生，反应的活化能越小。反应a的ΔH1<0，升高温度时平衡逆向移动，K1＝减小，k2正随温度升高而增大，但增大的程度比减小的程度小，故反应速率减小。
答案：(1)6NOx＋4xNH3(3＋2x)N2＋6xH2O
(2)2.5×103c2(NO)c(O2)　三　1.4×10－2mol/(L·s)
(3)①ΔH1＋ΔH2　②b　×　③<　反应a的ΔH1<0，升高温度时平衡逆向移动，K1＝减小，k2正随温度升高而增大，但增大的程度比减小的程度小，故反应速率减小　④ABC
3．解析：(1)用CO处理NO时产生两种无毒、无害的气体，分别为N2和CO2，氧化产物为CO2。(2)由氢气的燃烧热为285.8 kJ/mol可得：2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l)　ΔH3＝－571.6 kJ/mol，根据盖斯定律，用H2处理NO生成1 mol氮气和水蒸气的热化学方程式为2H2(g)＋2NO(g)===N2(g)＋2H2O(g)　ΔH＝ΔH3＋ΔH1－2ΔH2＝－664.1 kJ/mol。(3)①k只与温度有关，故当c(NO)增大到原来的2倍，c(H2)减少为原来的时，v1与v2相等；②设反应达到平衡时，生成x mol N2。根据题意可列出三段式：
　 　　2H2(g)＋2NO(g)===N2(g)＋2H2O(g)
起始/mol　2　3　　0　0
转化/mol 2x 2x x 2x
平衡/mol 2－2x 3－2x x 2x
反应达到平衡，此时压强p＝0.9p0，则有＝＝＝0.9，解得x＝0.5，故NO的转化率α(NO)＝×100 %≈33.3%，由分压公式可知，p(H2)＝p，p(NO)＝p，p(N2)＝p，p(H2O)＝p，则Kp＝＝＝。(4)①NO不能被NaOH溶液单独吸收，NO2可以被NaOH溶液单独吸收，因此NO和NO2的混合气体被NaOH溶液完全吸收的条件应满足：n(NO)∶n(NO2)≤1，当n(NO)∶n(NO2)＝1时，x取最小值1.5，因为混有NO，所以x的最大值<2，故x的取值范围为1.5≤x<2；②等物质的量的NO2和NaOH溶液完全反应后，其溶质为等物质的量的NaNO2和NaNO3，由于NO发生水解，则溶液中各离子浓度由大到小的顺序为c(Na＋)>c(NO)>c(NO)>c(OH－)>c(H＋)。(5)由原电池的工作原理图示可知，左端的铂电极为原电池的负极，其电极反应为NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋，当过程中产生2 mol HNO3时转移6e－电子，而1 mol O2参加反应转移4 mol e－，故需要1.5 mol O2参加反应，标准状况下的体积为1.5 mol×22.4 L/mol＝33.6 L。
答案：(1)CO2　(2)2H2(g)＋2NO(g)===N2(g)＋2H2O(g)
ΔH＝－664.1 kJ/mol　(3)①＝　②33.3%　
(4)①1.5≤x<2　②c(Na＋)>c(NO)>c(NO)>c(OH－)>c(H＋)　(5)NO－3e－＋2H2O===NO＋4H＋　33.6
4．解析：(1)因为废水含有较多的H＋、Cu2＋、Fe2＋、SO、AsO、HAsO、H2AsO等需要处理的杂质离子，加入石灰乳调节溶液pH＝3时，结合后续流程可知只有Ca2＋与SO产生沉淀，故沉淀A的主要成分为CaSO4。(2)Ksp[M(OH)2]＝c(M2＋)·c2(OH－)＝，取图中lg c(M)＝0即c(M2＋)＝1 mol·L－1的点进行计算，Ksp[Cu(OH)2]＝＝1×10－19.7，同理Ksp[Fe(OH)2]＝1×10－15.1。常温下pH＝7的溶液中c(Cu2＋)＝＝1×10－5.7≈2×10－6(mol·L－1)，c(Fe2＋)＝1×10－1.1mol·L－1>1×10－5mol·L－1，Fe2＋未沉淀完全。(3)氧化过程是将Fe2＋氧化为Fe3＋，Fe3＋继续反应生成胶体，故溶液pH降低的原因是4Fe2＋＋O2＋10H2O===4Fe(OH)3(胶体)＋8H＋。(4)①以酚酞为指示剂，pH的变色范围为8.2～10.0，此时溶液中砷元素主要以HAsO的形式存在，故该过程中主要反应的离子方程式为2OH－＋H3AsO4===HAsO＋2H2O；②Ka1＝，当c(H2AsO)＝c(H3AsO4)时，pH＝2.2，Ka1＝1×10－2.2，则pKa1＝2.2；③pH过低时，H＋会抑制H3AsO4的电离，溶液中AsO浓度较小，不易与Fe3＋形成沉淀；pH过高时，FeAsO4会转化为Fe(OH)3沉淀，AsO又进入水中。
答案：(1)CaSO4　(2)2×10－6mol·L－1　否
(3)4Fe2＋＋O2＋10H2O===4Fe(OH)3(胶体)＋8H＋
(4)①2OH－＋H3AsO4===HAsO＋2H2O　②2.2
③H＋会抑制H3AsO4的电离，溶液中AsO浓度较小，不易与Fe3＋形成沉淀　FeAsO4会转化为Fe(OH)3沉淀，AsO又进入水中