5、( 2013·吉林二模) CO和 H 2的混合气体俗称合成气,是一种重要的工业原料气,可以在一定条件下制备甲醇,二甲醚等多种有机物。工业上利用天然气(主要成分为 CH 4)与水进行高温重整制备合成气。
( 1)已知: CH 4、 H 2和 CO的燃烧热分别为 890.3 kJ/ mol、 285.8 kJ/ mol和 283.0 kJ/ mol,且 1 mol液态水汽化时的能量变化为 44.0 kJ。写出甲烷与水蒸气在高温下反应制取合成气的热化学方程式 。
( 2)在一定条件下,向体积为 2 L的密闭容器中充入 0.40 mol CH 4和 0.60 mol H 2 O (g),测得 CH 4 (g)和 H 2 (g)的物质的量浓度随时间变化如下表所示:
① 3— 4 min之间,化学平衡向____________反应方向移动(填“正”或“逆”)。
② 3 min时改变的反应条件是____________________(只填一种条件的改变)
( 3)已知温度、压强、投料比 X〔 n( CH 4)/ n( H 2 O)〕对该反应的影响如图所示。
①图 1中的两条曲线所示投料比的关系 X 1____ X 2(填“=”“>”或“<”下同)
②图 2中两条曲线所示的压强比的关系: P 1_______ P 2
( 4)以天然气(设杂质不参与反应)、 KOH溶液为原料可设计成燃料电池
①放电时,正极的电极反应式_______________________________________
②设装置中盛有 100.0 mL 3.0 mol/ L KOH溶液,放电时参与反应的氧气在标准状况下的体积为 8.96 L,放电过程中没有气体逸出,则放电完毕后,所得溶液中各离子浓度由大到小的关系为____。
【解析】( 1)根据题意可写出三种物质燃烧的热化学方程式:
① CH 4 (g)+ 2 O 2 (g)= CO 2 (g)+ 2 H 2 O (l)△ H= -890.3 kJ/ mol
② CO (g)+ O 2 (g)= CO 2 (g)△ H= -283.0 kJ/ mol
③ H 2 (g)+ O 2 (g)= H 2 O (l)△ H= -285.8 kJ/ mol
及④ H 2 O (l)= H 2 O (g)△ H=+ 44.0 kJ/ mol
欲得到目标方程式: CH 4 (g)+ H 2 O (g)= CO (g)+ 3 H 2 (g),则需要① -② -③× 3 -④,将反应热作相应变化即可。
( 2)① CH 4量减少, H 2量增加,平衡正向移动。
②增大反应物浓度或减小生成物浓度,可使平衡正向移动;该反应是吸热反应,升高温度可是平衡正向移动;该容器体积固定,无法通过压强使平衡移动。
( 3)①投料比越大, CH 4投入的越多,剩余的 CH 4越多,因此投料比 X 1> X 2。
②增大压强平衡逆向移动, CH 4的百分含量增加,因此 P 1> P 2。
( 4)①正极通入的是 O 2,碱性条件下电极反应式为 O 2得电子与 H 2 O生成 OH-。
②电池反应为: CH 4+ 2 O 2= CO 2+ 2 H 2 O,消耗 O 2 8.96 L时,生成 CO 2的物质的量是 0.2 mol, 0.3 molKOH将所有 CO 2吸收的反应方程式为: 3 KOH+ 2 CO 2= KHCO 3+ K 2 CO 3+ H 2 O。因此放电后所得溶液是等物质的量的 KHCO 3和 K 2 CO 3的混合溶液。 CO 3 2 -、 HCO 3-都会水解使溶液显碱性,但 CO 3 2 -的水解程度大于 HCO 3-,因此各离子浓度的大小关系为 c( K+)> c( HCO 3-)> c( CO 3 2 -)> c( OH-)> c( H+ ) 。
【答案】( 1) CH 4 (g)+ H 2 O (g)= CO (g)+ 3 H 2 (g)△ H=+ 206.1 kJ/ mol;
( 2)①正;②升高温度或增大 H 2 O的浓度或减小 CO的浓度;
( 3)①>;②>;
( 4)① O 2+ 4 e—+ 2 H 2 O= 4 OH—;② c( K+)> c( HCO 3-)> c( CO 3 2 -)> c( OH-)> c( H+ ) 。
6、( 2013·江苏苏锡常镇四市一调) SNCR- SCR是一种新型的烟气脱硝技术(除去烟气中的 NO x),其流程如下:
( 1)反应 2 NO+ 2 CO 2 CO 2+ N 2能够自发进行,则该反应的Δ H_________ 0
(填“>”或“<”)。
( 2) SNCR- SCR流程中发生的主要反应有:
4 NO (g)+ 4 NH 3 (g)+ O 2 (g) 4 N 2 (g)+ 6 H 2 O (g)Δ H=- 1627.2 kJ• mol- 1;
6 NO (g)+ 4 NH 3 (g) 5 N 2 (g)+ 6 H 2 O (g)Δ H=- 1807.0 kJ• mol- 1;
6 NO 2 (g)+ 8 NH 3 (g) 7 N 2 (g)+ 12 H 2 O (g)Δ H=- 2659.9 kJ• mol- 1;
反应 N 2 (g)+ O 2 (g) 2 NO (g)的Δ H=_________ kJ• mol- 1。
( 3) NO和 NH 3在 Ag 2 O催化剂表面的反应活性随温度的变化曲线见图 10。
①由图 10可以看出,脱硝工艺流程应在_____________(填“有氧”或“无氧”)条件下进行。
②随着反应温度的进一步升高,在有氧的条件下 NO的转化率明显下降的可能原因是_____________。
( 4) NO 2也可用尿素[ CO( NH 2) 2]还原,写出尿素与 NO 2反应的化学方程式:_________ 。
( 5) NO 2、 O 2和熔融 NaNO 3可制作燃料电池,其原理见下图。
该电池在使用过程中石墨 I电极上生成氧化物 Y,其电极反应为_____________。若生成 1 molY,则理论上需要消耗标准状况下氧气的体积为____________ L。
【解析】( 1)该反应是一个熵减的反应,若要自发,必为放热反应,即Δ H< 0。
( 2)根据目标方程式,用第一个反应方程式减去第二个反应方程式即得,因此反应热即为 -1627.2 -( -1807.0)= 179.8 kJ· mol -1。
( 3)①控制一定的温度,有氧条件下 NO的转化率及 NO 2的产率均很高,应在有氧条件下进行反应。
②有氧条件下,温度升高到一定程度, NH 3可与 O 2反应,使 NO的转化率降低。
( 4)用尿素还原 NO 2,不能产生有害气体,因此产物应为 N 2、 CO 2、 H 2 O,根据得失电子守恒,可写出反应方程式。
( 5)从电池原料分析,该电池的总反应应为: 4 NO 2+ O 2= 2 N 2 O 5,因此在通入 NO 2的石墨 I电极上,生成的氧化物即为 N 2 O 5,电极反应为 NO 2+ NO 3-- e-= N 2 O 5。根据电池总反应,生成 1 molN 2 O 5消耗 0.5 molO 2,即标况下 11.2 L。
【答案】( 1)<;( 2) 179.8;( 3)①有氧;②温度升高,发生了副反应: 4 NH 3+ 7 O 2= 4 NO 2+ 6 H 2 O。(若答温度升高, NO x和 NH 3反应的化学平衡向逆反应方向移动也可。)
( 4) 4 CO( NH 2) 2+ 6 NO 2= 7 N 2+ 4 CO 2+ 8 H 2 O
( 5) NO 2+ NO 3-- e-= N 2 O 5; 11.2。
7、( 2013·江西九校联考)请按要求完成下列各小题:
( 1)用 CO 2来生产燃料甲醇的反应原理为: CO 2 (g)+ 3 H 2 (g) CH 3 OH (g)+ H 2 O (g),某些化学键的键能数据如下表:
计算上述反应的焓变△ H=_______________________(用相应字母表示)。写出上述反应的平衡常数表达式 K=__________________;若只加压,则平衡常数 K________(选填“增大”或“减小”或“不变”)。
( 2)在溶液中 NaHSO 3和 NaHCO 3等物质的量混合恰好完全反应,该反应的离子方程式为:
__________________ 。
( 3)某温度( t℃)时,测得 0.01 mol· L- 1的 NaOH溶液的 pH= 10。在此温度下,将 0.01 mol· L- 1的 H 2 SO 4溶液 V a L与 pH= 12的 NaOH溶液 V b L混合,若所得混合液 pH= 11,则 V a︰ V b=___________ 。
( 4)在 25℃时,将 c mol· L- 1的醋酸溶液与 b mol· L- 1 NaOH溶液等体积混合后溶液刚好呈中性,用含 b、 c的代数式表示 CH 3 COOH的电离常数 Ka=____________________。
( 5)三种弱酸 HA、 H 2 B、 HC,电离平衡常数的数值为:① 1.8× 10- 5、② 5.6× 10- 11、③ 4.9× 10- 10、④ 4.3× 10- 7(数据顺序已打乱),已知三种酸和它们的盐之间能发生以下反应: HA+ HB-(少量)= A-+ H 2 B, H 2 B(少量)+ C-= HB-+ HC。则三种酸对应的电离平衡常数分别为_________(请用序号填空)
【解析】( 1)反应热等于反应物所有键能之和减去生成物所有键能之和。需要注意,每个 CO 2中 2个 C= O键,每个甲醇分子中有 3个 C— H键、一个 C— O键、一个 H— O键,每个 H 2 O中 2个 H— O键;平衡常数即平衡时产物浓度的化学计量数次幂之积,比上反应为浓度的化学计量数次幂之积。化学平衡常数时温度的函数,温度不变,平衡常数不变。
( 2) NaHSO 3的溶液显酸性, HSO 3-易电离, NaHCO 3溶液显碱性, HCO 3-易水解, HSO 3-的电离促进 HCO 3-的水解,最终生成 SO 3 2 -和 H 2 CO 3。
( 3) 0.01 mol· L- 1的 NaOH溶液, c( OH-)= 0.01 mol· mol -1, pH= 10,则 c( H+)= 1× 10 -10,此温度下的 K w= c( OH-)× c( H+)= 1× 10 -12。 pH= 12的 NaOH溶液,,与硫酸混合后 pH= 11,显碱性,则有
,解得。
( 4)设醋酸、 NaOH溶液的体积均为 V,则 bmol· L -1 NaOH溶液中含 NaOH的物质的量是 bVmol, cmol· L -1的醋酸溶液中含 CH 3 COOH的物质的量是 cV,二者混合后显中性,则醋酸过量,所得溶液是 CH 3 COOH和 CH 3 COONa的混合溶液,溶液中的 CH 3 COO-的物质的量是 bVmol, CH 3 COOH的物质的量是( c-b) Vmol,中性溶液 c( H+)= 10 -7 mol· L -1,则=。
( 5)由复分解反应中较强酸可置较弱酸,由第一个反应: HA+ HB-(少量)= A-+ H 2 B可知酸性 HA强于 H 2 B,由第二个反应: H 2 B(少量)+ C-= HB-+ HC可知酸性 H 2 B强于 HC。有因为在第二个反应中只生成了 HB -,则说明 HC的酸性强于 HB -,故 K a 1> K a 2> K a 4> K a 3。
【答案】( 1)( 3 b+ 2 d﹣ 3 a﹣ c﹣ 3 e)或﹣( 3 a+c+ 3 e﹣ 3 b﹣ 2 d) kJ· mol -1;
c( H 2 O)× c( CH 3 OH)/ c( CO 2)× c 3( H 2);不变;
( 2) HSO 3―+ HCO 3―= SO 3 2―+ H 2 O+ CO 2↑;
( 3) 15∶ 2;
( 4) b× 10- 7/( c﹣ b);
( 5)①;④;②;③;