2020届二轮复习 第28题　化学反应原理综合题 作业

第28题　化学反应原理综合题

题组一　化学反应中的能量变化与化学平衡的综合

1.碳热还原法广泛用于合金及材料的制备。回答下列问题:

(1)一种制备氮氧化铝的反应原理为23Al2O3+15C+5N2 2Al23O27N5+15CO,产物Al23O27N5中氮元素的化合价为　　　　,该反应中每生成1 mol Al23O27N5,转移的电子数为　　　　。

(2)真空碳热冶铝法包含很多反应,其中的三个反应如下:

Al2O3(s)+3C(s) Al2OC(s)+2CO(g)　ΔH1

2Al2OC(s)+3C(s) Al4C3(s)+2CO(g)　ΔH2

2Al2O3(s)+9C(s) Al4C3(s)+6CO(g)　ΔH3

①ΔH3=　　　　(用ΔH1、ΔH2表示)。 

②Al4C3可与足量盐酸反应制备一种最简单的烃。该反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　              　。

(3)下列是碳热还原法制锰合金的三个反应,CO与CO2平衡分压比的自然对数值

(lnK=2.303 lgK)与温度的关系如图所示(已知Kp是用平衡分压代替浓度计算所得的平衡常数,分压=总压×气体的物质的量分数)。

Ⅰ.Mn3C(s)+4CO2(g) 3MnO(s)+5CO(g)　Kp(Ⅰ)

Ⅱ.Mn(s)+CO2(g) MnO(s)+CO(g)　Kp(Ⅱ)

Ⅲ.Mn3C(s)+CO2(g) 3Mn(s)+2CO(g)　Kp(Ⅲ)

①ΔH>0的反应是　　　　(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)。

②1 200 K时,在一体积为2 L的恒容密闭容器中有17.7 g Mn3C(s)和0.4 mol CO2,只发生反应Ⅰ,5 min后达到平衡,此时CO的浓度为0.125 mol/L,则0～5 min内v(CO2)=　　　　　

　　   。

③在一体积可变的密闭容器中加入一定量的Mn(s)并充入一定量的CO2(g),只发生反应Ⅱ,下列能说明反应Ⅱ达到平衡的是　　　　(填字母)。

A.容器的体积不再改变

B.固体的质量不再改变

C.气体的总质量不再改变

答案　(1)-3　9.03×1024(或15NA)

(2)①2ΔH1+ΔH2　②Al4C3+12HCl 4AlCl3+3CH4↑

(3)①Ⅲ　②0.02 mol·L-1·min-1　③BC

解析　(1)反应23Al2O3+15C+5N2 2Al23O27N5+15CO中,产物Al23O27N5中氮元素的化合价为-3,该反应中每生成1 mol Al23O27N5,转移的电子数为5×3NA=15NA。

(2)已知Ⅰ.Al2O3(s)+3C(s) Al2OC(s)+2CO(g)　ΔH1

Ⅱ.2Al2OC(s)+3C(s) Al4C3(s)+2CO(g)　ΔH2

Ⅲ.2Al2O3(s)+9C(s) Al4C3(s)+6CO(g)　ΔH3

①根据盖斯定律,由Ⅰ×2+Ⅱ得反应Ⅲ,则ΔH3=2ΔH1+ΔH2;②Al4C3可与足量盐酸反应制备一种最简单的烃(CH4),根据质量守恒定律可得反应的化学方程式为Al4C3+12HCl 4AlCl3+

3CH4↑。(3)①由题图中信息可知,反应Ⅲ升高温度,lnK增大,则K增大,平衡正向移动,说明其正反应为吸热反应,ΔH>0;②0～5 min内v(CO2)=v(CO)=×=0.02 mol·L-1·

min-1;③反应Ⅱ.Mn(s)+CO2(g) MnO(s)+CO(g)为气体体积不变的放热反应,根据“变量不变达平衡”进行判断,反应为气体体积不变的反应,反应过程中容器的体积不是变量,不能作为平衡状态的判断依据,选项A不符合题意;反应是一个固体质量增大的反应,固体的质量为变量,当固体的质量不再改变说明反应达到平衡状态,选项B符合题意;反应是一个气体质量减小的反应,气体的总质量为变量,当气体的总质量不再改变说明反应达到平衡状态,选项C符合题意。

2.纳米级Cu2O由于具有优良的催化性能而受到关注,下表为制取Cu2O的两种方法:

(1)已知:

①2Cu(s)+ O2(g)Cu2O(s)

ΔH1=-169 kJ·mol-1

②C(s)+O2(g)CO(g)

ΔH2=-110.5 kJ·mol-1

③Cu(s)+O2(g)CuO(s)

ΔH3=-157 kJ·mol-1

则方法a中反应的热化学方程式是                                                。

(2)方法b是用肼燃料电池为电源,通过离子交换膜电解法控制电解液中OH-的浓度来制备纳米Cu2O,装置如图所示:

①上述装置中B电极应连　　电极(填“C”或“D”)。

②该离子交换膜为　　　　离子交换膜(填“阴”或“阳”),该电解池的阳极反应式为　

　　　　                             　　。

③原电池中负极反应式为　                               。

(3)在相同体积的恒容密闭容器中,用以上方法制得的两种Cu2O分别进行催化分解水的实验:2H2O(g)     2H2(g)+O2(g)　ΔH>0。水蒸气的浓度随时间t的变化如下表所示:

①催化剂的催化效率:实验①　　　　实验②(填“>”或“<”)。

②实验①②③的化学平衡常数K1、K2、K3的大小关系为　　　　。

答案　(1)2CuO(s)+C(s) Cu2O(s)+CO(g)　ΔH=+34.5 kJ·mol-1

(2)①D　②阴　2Cu-2e-+2OH- Cu2O+H2O

③N2H4-4e-+4OH- N2↑+4H2O

(3)①<　②K1=K2<K3

解析　(1)据盖斯定律可知反应2CuO(s)+C(s) Cu2O(s)+CO(g)的ΔH=ΔH1+ΔH2-2ΔH3=+34.5 kJ·mol-1。

(2)①在燃料电池中,通入燃料的一极为负极,所以C为负极,D为正极;用电解法制备纳米Cu2O时,Cu电极应为阳极,与电池正极相连,故B电极应连D电极。

②电解池中,A极反应式为2H2O+2e- H2↑+2OH-,B极反应式为Cu+2OH--2e- Cu2O+H2O,A极产生OH-,B极消耗OH-,故离子交换膜为阴离子交换膜。

③原电池负极上N2H4失电子被氧化为N2,电极反应式为N2H4+4OH--4e- N2↑+4H2O。

(3)①根据题表数据知反应速率:实验①<实验②,故催化剂的催化效率:实验①<实验②。

②水的分解为吸热反应,升高温度,平衡正向移动,H2O的平衡转化率增大,故T1<T2。对于吸热反应,升高温度,平衡常数增大,故K1=K2<K3。

题组二　化学平衡与电解质溶液的综合题

1.含氮化合物在生产、生命活动中有重要的作用。回答下列问题:

(1)已知:4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g)

ΔH1=-a kJ/mol

4NH3(g)+6NO(g) 5N2(g)+6H2O(g)

ΔH2=-b kJ/mol

H2O(l) H2O(g)　ΔH3=+c kJ/mol

写出在298 K时,氨气燃烧生成N2的热化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　。

(2)肌肉中的肌红蛋白(Mb)可与O2结合生成MbO2:

Mb(aq)+O2(g)    MbO2(aq)

其中k正和k逆分别表示正反应和逆反应的速率常数,即v正=k正·c(Mb)·p(O2),v逆=k逆·

c(MbO2)。37 ℃时测得肌红蛋白的结合度(α)与p(O2)的关系如下表[结合度(α)指已与O2结合的肌红蛋白占总肌红蛋白的百分比]:

　①计算37 ℃、p(O2)为2.00 kPa时,上述反应的平衡常数K=　　　　。

②导出平衡时肌红蛋白与O2的结合度(α)与O2的压强[p(O2)]之间的关系式α=　　　　(用含有k正、k逆的式子表示)。

(3)构成肌红蛋白的甘氨酸(H2NCH2COOH)是一种两性物质,在溶液中以三种离子形式存在,其转化关系如下:

H3N+CH2COOH        H3N+CH2COO-        H2NCH2COO-

在甘氨酸溶液中加入酸或碱,三种离子的百分含量与lg的关系如图1所示:

图1

①纯甘氨酸溶液呈　　　　性;当溶液呈中性时三种离子的浓度由大到小的顺序为　　　　

　　　　　　　　。

②向lg=-8的溶液中加入过量HCl时,反应的离子方程式为　　　　　　　　　　　

　　　　。

③用电位滴定法(图2)可测定某甘氨酸样品的纯度:称取样品150 mg,在一定条件下,用0.100 0 mol/L的高氯酸溶液滴定(与甘氨酸1∶1发生反应),测得电压变化与滴入HClO4溶液的体积关系如图3所示。做空白对照实验,消耗HClO4溶液的体积为0.25 mL,该样品的纯度为　　　　%(计算结果保留一位小数)。

图2　电位滴定装置图

图3　滴定曲线

答案　(1)4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(l)　=- kJ/mol

(2)①2.00 kPa-1(无kPa-1不扣分,答2不扣分)　②

(3)①酸　H3N+CH2COO->H2NCH2COO->H3N+CH2COOH　②H2NCH2COO-+2H+ H3N+CH2COOH　③85.0

解析　(2)①37 ℃、(O2)=2.00 kPa时,结合度(MbO2)为80.0%,由结合度的定义可知,反应达平衡时==4,反应的平衡常数===2.00 kPa-1。②由平衡常数K==可求出c(MbO2)=,代入结合度的定义:α=可得,α=。(3)①甘氨酸是两性物质,含有—NH2和—COOH,在强酸性溶液中,—NH2与H+结合成—N,在强碱性溶液中,—COOH与OH-反应生成—COO-,结合三种离子的转化关系可判断,图中Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ分别代表H2NCH2COO-、H3N+CH2COO-和H3N+CH2COOH。溶液呈中性时,lg=0,溶液中离子浓度大小顺序为H3N+CH2COO->H2NCH2COO->H3N+CH2COOH。②lg=-8时,溶液中存在的主要是H2NCH2COO-,它与过量的HCl反应生成H3N+CH2COOH。③根据滴定曲线的突跃范围知,消耗HClO4溶液17.25 mL,减去空白实验的0.25 mL,实际消耗滴定液17.00 mL,HClO4与甘氨酸1∶1发生反应,则有n(甘氨酸)=n(HClO4)=0.100 0 mol·L-1×17.00×10-3 L,m(甘氨酸)=1.7×10-3 mol×75 g·mol-1=0.127 5 g=127.5 mg,故样品纯度=×100%=85.0%。

2.以氧化铝为原料,通过碳热还原法可合成氮化铝(AlN);通过电解法可制取铝。电解铝时阳极产生的CO2可通过二氧化碳甲烷化等再利用。请回答:

(1)已知:①2Al2O3(s) 4Al(g)+3O2(g)

ΔH1=+3 351 kJ/mol

②2C(s)+O2(g) 2CO(g)　ΔH2=-221 kJ/mol

③2Al(g)+N2(g) 2AlN(s)　ΔH3=a kJ/mol

④Al2O3(s)+3C(s)+N2(g) 2AlN(s)+3CO(g)

ΔH4=+1 026 kJ/mol

反应③的a=　　　　　　　,反应④自发进行的条件是　　　　　(填“高温”“低温”或“任意温度”)。

(2)在常压、Ru/TiO2催化下,CO2和H2的混合气体(体积比1∶4,总物质的量为x mol)进行反应,测得CO2转化率、CH4和CO选择性随温度变化的情况分别如图1和图2所示(选择性:转化的CO2中生成CH4或CO的百分比)。

反应Ⅰ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)　ΔH5

反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH6

图1

图2

①下列说法正确的是　　　　。

A.ΔH5小于零

B.温度可影响产物的选择性

C.CO2平衡转化率随温度升高先增大后减小

D.其他条件不变,将CO2和H2的初始体积比改变为1∶3,可提高CO2平衡转化率

②350 ℃时,反应Ⅰ在t1时刻达到平衡,平衡时容器体积为y L,该温度下反应Ⅰ的平衡常数为　　　(用x、y表示)。

(3)CO2溶于水形成H2CO3。已知常温下H2CO3的电离平衡常数K1=4.4×10-7,K2=4.7×10-11,

NH3·H2O的电离平衡常数Kb=1.75×10-5。请计算反应N+HC+H2O NH3·H2O+H2CO3在常温下的平衡常数K=　　　　。(结果保留一位小数)

(4)据文献报道,二氧化碳可以在酸性水溶液中用惰性电极电解得到乙烯,其原理如图所示。

b电极上的电极反应式为　                                        ,该装置中使用的是　　　　(“阴”或“阳”)离子交换膜。

答案　(1)-318　高温

(2)①AB　②

(3)1.3×10-3

(4)2CO2+12H++12e- C2H4+4H2O　阳

解析　(1)已知①2Al2O3(s) 4Al(g)+3O2(g)　ΔH1=+3 351 kJ/mol,②2C(s)+O2(g) 2CO(g)　ΔH2=-221 kJ/mol,③2Al(g)+N2(g) 2AlN(s)　ΔH3=a kJ/mol,④Al2O3(s)+

3C(s)+N2(g) 2AlN(s)+3CO(g)　ΔH4=+1 026 kJ/mol,根据盖斯定律,①+②×3+③×2=

2×④,解得ΔH3=-318 kJ/mol;若ΔG=ΔH-TΔS<0,则反应能自发进行,反应④的ΔH>0,

ΔS>0,因此该反应能自发进行的条件为高温。(2)①根据题中图1可知,CO2的转化率先增大是因为反应正向进行,到一定温度时达到平衡,再升高温度CO2的转化率减小,说明正反应为放热反应,ΔH5小于零,故A正确;由题中图2可知,随温度升高甲烷的选择性降低,CO的选择性增加,因此温度可影响产物的选择性,故B正确;CO2转化率先增大是因为反应正向进行未达到平衡状态,达到平衡状态后,随温度升高CO2的转化率减小,温度低于350 ℃时反应未达到平衡,不是平衡转化率,故C错误;CO2和H2的混合气体(体积比1∶4,总物质的量x mol)进行反应,其他条件不变,将CO2和H2的初始体积比改变为1∶3,相当于减小氢气的量,CO2平衡转化率减小,故D错误。②350 ℃时,反应Ⅰ在t1时刻达到平衡,平衡时容器体积为y L,二氧化碳的转化率为80%,根据三段式法有:

　　　　 　     CO2(g)+4H2(g) CH4(g)　+　2H2O(g)

起始量(mol)　   0.2x　 0.8x 　　0　　　　　 0

转化量(mol)　   0.16x  0.64x  0.16x      0.32x

平衡量(mol)　   0.04x  0.16x  0.16x      0.32x

平衡常数K==。(3)反应N+HC+H2O NH3·H2O+H2CO3的平衡常数K==≈1.3×10-3。(4)由题图可知,电解时二氧化碳在b极上得电子发生还原反应生成乙烯,电极反应式为2CO2+12H++12e- C2H4+4H2O,因离子交换膜只允许氢离子通过,所以是阳离子交换膜。