2023届高考化学二轮复习微主题热练12化学反应速率与化学平衡综合(二)作业含答案

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1. (1)(2022·苏锡常镇二模)工业废水中的重金属离子会导致环境污染，危害人体健康，可用多种方法去除。络合态的金属离子难以直接去除。O3与水反应产生的·OH(羟基自由基)可以氧化分解金属配合物[mRa＋·nX]中的有机配体，使金属离子游离到水中，反应原理：·OH＋[mRa＋·nX]→mRa＋＋CO2＋H2O(Ra＋表示金属离子，X表示配体)；·OH同时也能与溶液中的COeq \\al(2－,3)、HCOeq \\al(－,3)反应。在某废水中加入Ca(OH)2，再通入O3可处理其中的络合态镍(Ⅱ)。加入的Ca(OH)2的作用是___________________________________________________。
(2)H2O2在催化剂α－FeOOH的表面上，分解产生·OH、·OH较H2O2和O2更易与烟气中的NO、SO2发生反应。当H2O2浓度一定时，NO的脱除效率与温度的关系如图所示。升温至80 ℃以上，大量汽化的H2O2能使NO的脱除效率显著提高的原因是________________________________，温度高于180 ℃，NO的脱除效率降低的原因是____________________________________________。
(3)四氟化碳的一种蚀刻机理是：CF4在等离子体的条件下产生活性自由基(·F)，该自由基易与硅及其化合物中的硅原子结合生成SiF4气体从而达到蚀刻目的。用CF4(g)进行蚀刻时常与氧气混合，当混合气体的流速分别为80 mL/min和100 mL/min时，蚀刻速率随混合气体中O2和CF4体积之比eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\c1(\f(VO2,VCF4)))的变化如图所示。
a点蚀刻速率比b点快的原因是_____________________________；
蚀刻速率随eq \f(VO2,VCF4)先升高后降低的原因是______________________。
2. (2022·苏锡常镇一模)NO的治理是当前生态环境保护中的重要课题之一。
Ⅰ.电化学技术
(1) 利用固体氧化物电解池可将NO直接转化为N2，实际应用中常将若干个电化学还原器结构单元组装在一起，形成电堆，以提高NO的去除效率。
图1
图2
①纽扣式电化学还原器结构单元(其装置如图1所示)可叠加组装成电堆使用。电解时，阴极发生的电极反应式为_______________________________________。
②长管式电化学还原器结构单元(其剖面结构如图2所示)采用阴极微孔管作支撑，在管内外壁各设置一个对称的阳极微孔管，阴阳极管壁之间填充有固体氧化物电解质，使用时常将该结构单元组装成蜂窝状电堆。
当电堆体积一定时，相比于纽扣式反应器，长管式反应器的优点是_____________________________________________。
Ⅱ. NH3 －SCR技术
(2) Cu基催化剂是NH3 －SCR技术脱除NO中性能较为优异的新型催化剂，但烟气中的SO2会造成Cu基催化剂的催化性能下降。加入CeO2(基态Ce原子核外电子排布式为 [Xe]4f15d16s2)可抑制SO2对Cu基催化剂的影响，其作用机理如图3所示(含Ce化合物的比例系数均未标定)。
图3
图4
①从整个反应机理来看，总反应中起还原作用的物质是________(填化学式)。
②在上述反应机理图中，CemOn的化学式为______________________。
(3)将3% NO、6% NH3、21% O2和70% N2的混合气体(N2为平衡气)以一定流速通过装有Cu基催化剂的反应器，NO去除率随反应温度的变化曲线如图4所示。
①在150～225 ℃范围内，NO去除率随温度的升高而迅速上升的原因是____________________________________。
②燃煤烟气中伴有一定浓度的HCl气体，它会造成NO去除率下降，其原因可能是________________________________________。
3. (2022·苏北四市期末)甲烷是一种重要的化工原料，常用于制H2和CO。
(1) 甲烷裂解制氢的反应：CH4(g)===C(s)＋2H2(g) ΔH＝＋75 kJ/ml，Ni和活性炭均可作该反应催化剂。CH4 在催化剂孔道表面反应，若孔道堵塞会导致催化剂失活。
①Ni催化剂可用NiC2O4·2H2O晶体在氩气环境中受热分解制备，该反应化学方程式为_____________________________。
②向反应系统中通入水蒸气可有效减少催化剂失活，其原因是_________________________________。
③在相同气体流量条件下，不同催化剂和进料比eq \f(VN2,VCH4)对甲烷转化率的影响如图1所示。使用活性炭催化剂，且其他条件相同时，随着进料比的增大，甲烷的转化率逐渐增大的原因是________________________________________。
④使用Ni催化剂，且其他条件相同时，随时间增加，温度对Ni催化剂催化效果的影响如图2所示。使用催化剂的最佳温度为________，650 ℃条件下，1 000 s后，氢气的体积分数快速下降的原因为_____________________________。
图1图2
(2) 甲烷、二氧化碳重整制CO经历过程Ⅰ、Ⅱ。过程Ⅰ如图3所示，可描述为__________________________________________________；
过程Ⅱ保持温度不变，再通入惰性气体，CaCO3分解产生CO2，Fe 将CO2还原得到CO和Fe3O4。
图3
4. (2021·扬州期中)甲醇是重要的资源，通过甲醇的催化重整不仅可以获得氢能，还可以获得重要的化工原料。
(1)在催化剂CeO2作用下，CH3OH和CO2重整生成COOH3CO－CH3可能的部分反应机理如图1所示，其中表示·OH。
图1
①反应开始时CH3OH在催化剂表面解离为CH3O·和H·，该过程首先是CH3OH中的氢原子与催化剂载体上的O2－形成较为强烈的相互作用。请具体描述CH3OH中的哪一种氢原子与O2－形成较为强烈的相互作用，并说明判断的理由：__________________________________________________
②X的结构简式为__________________________。
(2)CH3OH与H2O催化重整制氢气的主反应如下：
反应Ⅰ. CH3OH(g)＋H2O(g)CO2(g)＋3H2(g)ΔH1＝49.5 kJ/ml
同时还发生副反应：
反应Ⅱ. H2(g)＋CO2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝41.2 kJ/ml
温度在300 ℃以上，CH3OH也可以直接分解：
反应Ⅲ. CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g)ΔH3
①ΔH3＝________kJ/ml
②向该体系中加入适量多孔CaO，会提高H2的产率，其原因是__________________________________________。
(3)CH3OH与H2O催化重整制氢气的体系中，平衡时甲醇的转化率、CO物质的量分数与反应温度(T)以及初始加入的水醇比(S/M)的关系如图2所示。例如：曲线M表示甲醇的平衡转化率均为80%时，所对应的反应温度以及初始加入的水醇比(S/M)。
图2
①其他条件相同，当温度低于300℃时，随着温度升高，平衡体系中CO的物质的量分数增大，其可能原因是_____________________________________。
②氢能源汽车对氢气中的CO有严格的要求，CO物质的量分数必须小于0.5%。根据图2所示，催化重整制氢气用于汽车时，适宜控制的水醇比和温度为_________________________________________。
微主题热练12 化学反应速率与化学平衡综合(二)
1. (1)减少溶液中COeq \\al(2－,3)和HCOeq \\al(－,3)，提高·OH氧化分解络合物中有机配体的效率；使Ni2＋转化为Ni(OH)2沉淀除去 (2)汽化的H2O2与催化剂的接触更好，产生更多的·OH，·OH浓度增大，与NO混合更充分 ·OH分解成O2和H2O，NO的脱除效率下降 (3)a点产生活性自由基(·F)的浓度大 O2与CF4中的C元素反应生成CO(或CO2)，O2的体积分数增大，有利于产生更高浓度的活性自由基(·F)；随着O2体积分数的继续增加，CF4的含量减小，产生活性自由基(·F)的浓度减小
【解析】 (1)加入Ca(OH)2后能将溶液中的COeq \\al(2－,3)和HCOeq \\al(－,3)反应生成CaCO3沉淀，从而提高·OH氧化分解络合物中有机配体的效率；同时也能使Ni2＋转化为Ni(OH)2沉淀除去。(3)蚀刻速率受活性自由基(·F)的影响，活性自由基(·F)的浓度越大，蚀刻速率越快，a点混合气体的流速越快，产生活性自由基(·F)的浓度越大，使蚀刻速率比b点快；蚀刻过程中O2与CF4中的C元素反应生成CO(或CO2)和活性自由基(·F)，随着O2和CF4体积之比继续增大，即随着O2的体积增大，活性自由基(·F)的浓度随之增大，但随着O2和CF4体积之比的增大，O2的体积持续增加，CF4的含量反而减小，产生活性自由基(·F)的浓度也反而减小，活性自由基(·F)浓度的减小，会使蚀刻速率下降。
2. (1)①2NO＋4e－===N2＋2O2－ ②反应物与电极的接触面积更大，反应速率更快；气体在反应器中停留时间更长，反应更充分，NO的去除率更高 (2)①NH3 ②Ce2O3 (3)①随着温度的升高，催化剂的活性增大，与温度升高共同作用，使NO的去除反应速率迅速上升 ②烟气中的HCl与NH3反应生成NH4Cl，使得还原剂NH3的量减少，NH4C1固体覆盖在Cu基催化剂表面，使催化剂失去活性。
【解析】 (1)①NO通入极为阴极，电极反应式为2NO＋4e－===N2＋2O2－；②当电堆体积一定时，相比于纽扣式反应器，长管式反应器的优点是反应物与电极的接触面积更大，反应速率更快；气体在反应器中停留时间更长，反应更充分，NO的去除率更高。(2)①由反应机理可知，氮元素价态升高失电子，故NH3是反应的还原剂；②由反应①可知，xCeO2＋3SO2＋O2===Cex(SO4)y，由硫原子守恒可得y＝3，由氧原子守恒可得2x＋6＋2＝4y，解得x＝2，硫酸盐中Ce元素为化合价为＋3，由于反应②中化合价没有变化，故CemOn的Ce元素的化合价为＋3，则氧化物的化学式为Ce2O3。(3)①在150～225 ℃范围内，NO去除率随温度的升高而迅速上升的原因是随着温度的升高，催化剂的活性增大，与温度升高共同作用，使NO的去除速率迅速上升；②燃煤烟气中伴有一定浓度的HCl气体，它会造成NO去除率下降，其原因可能是烟气中的HCl与NH3反应生成NH4Cl，使得还原剂NH3的量减少，NH4C1固体覆盖在Cu基催化剂表面，使催化剂失去活性。
3. (1)①NiC2O4·2H2Oeq \(=====,\s\up7(Ar),\s\d5(△))Ni＋2CO2↑＋2H2O ②水蒸气与炭反应生成CO(或CO2)与氢气，减少固体炭对孔道的堵塞 ③进料比越大，进入反应的甲烷含量越低，甲烷分子与催化剂接触的概率越大，转化率越高 ④600 ℃ 因为温度升高反应速率加快，催化剂内积碳量增加，催化剂快速失活 (2)CH4和CO2在催化剂Ni表面反应，产生CO和H2，H2和CO还原Fe3O4生成Fe、CO2和H2O，未反应完和生成的CO2与CaO反应生成CaCO3
【解析】 (1)①根据题意可知，在氩气环境中受热分解可得到Ni；②向反应系统中通入水蒸气可有效减少催化剂失活，是因为水蒸气与碳反应生成CO(或CO2)与氢气，减少固体碳对孔道的堵塞；③进料比的增大，进入反应的甲烷含量越低，甲烷分子与催化剂接触的概率越大，转化率越高；④由图可知，催化效率最高的是600 ℃，650 ℃条件下，氢气的体积分数快速下降，是因为温度升高反应速率加快，催化剂内积碳量增加，催化剂快速失活。(2)由图可知，CH4和CO2在催化剂Ni表面反应，生成CO和H2，H2和CO还原Fe3O4生成Fe、CO2和H2O，未反应完和生成的CO2与CaO反应生成CaCO3。
4. (1)①—OH中的H(或与O直接相连的H)，O原子的电负性比C原子的电负性大，对共用电子对的吸引作用更强，与O原子相连的H带更多正电荷，易与催化剂载体上O2－形成较强的作用力 ②COCH3OO－ (2)①＋90.7
②CaO消耗CO2，降低CO2的浓度，有利于反应Ⅰ正向进行，有利于反应Ⅱ逆向进行 (3)①反应Ⅰ和反应Ⅱ正反应均吸热，随着温度升高，反应Ⅰ和反应Ⅱ的平衡均正向移动，且温度升高对反应Ⅱ的影响大于对反应Ⅰ的影响 ②水醇比大于1.8且温度在250～260 ℃
【解析】 (1)①由题干中图示转换关系可知，—OH中的H(或与O直接相连的H)与O2－形成较为强烈的相互作用；因为O原子的电负性比C原子的电负性大，对共用电子对的吸引作用更强，与O原子相连的H带更多正电荷，易与催化剂载体上O2－形成较强的作用力；②由图中转换关系可知，X的结构简式为COCH3OO－。(2)①根据题干信息以及盖斯定律可知，反应Ⅲ＝反应Ⅰ＋反应Ⅱ，故ΔH3＝ΔH2＋ΔH1＝(＋49.5＋41.2)kJ/ml＝＋90.7 kJ/ml；②氧化钙与二氧化碳反应生成碳酸钙，降低CO2的浓度，有利于反应Ⅰ正向进行，有利于反应Ⅱ逆向进行。(3)①根据题干中信息可知，反应Ⅰ和反应Ⅱ正反应均吸热，随着温度升高，反应Ⅰ和反应Ⅱ的平衡均正向移动，且温度升高对反应Ⅱ的影响大于对反应Ⅰ的影响；②由图示可知，条件应为水醇比大于1.8且温度在250～260 ℃。