8、( 2013·辽宁五校协作体一模)硝酸是一种重要的化工原料,工业上生产硝酸的主要过程如下:
( 1)以 N 2和 H 2为原料合成氨气,反应 N 2( g)+ 3 H 2( g) 2 NH 3( g)△ H< 0。
①下列措施可以提高 H 2的转化率是_________(填选项序号) 。
a.选择适当的催化剂 b.增大压强 c.及时分离生成的 NH 3 d.升高温度
②一定温度下,在密闭容器中充入 1 molN 2和 3 molH 2发生反应。若容器容积恒定,达到平衡状态时,容器内的压强是原来的,则 N 2的转化率 a 1=__________;若容器压强恒定,达到平衡状态时, N 2的转化率为 a 2,则 a 2___________ a 1(填“>”、“<”或“=”)。
( 2)以氨气、空气为主要原料制硝酸。
① NH 3被氧气催化氧化生成 NO的反应的化学方程式是___________。
②在容积恒定的密闭容器中进行反应 2 NO( g)+ O 2( g) 2 NO 2( g)△ H> 0。该反应的反应速率( v)随时间( t)变化的关系如右图所示。若 t 2、 t 4时刻只改变一个条件,下列说法正确的是___________(填选项序号) 。
a.在 t 1~ t 2时,可依据容器内气体的压强保持不变判断反应已达到平衡状态
b.在 t 2时,采取的措施一定是升高温度
c.在 t 3~ t 4时,可依据容器内气体的密度保持不变判断反应已达到平衡状态
d.在 t0~ t 5时,容器内 NO 2的体积分数在 t 3时值的最大
③向容积相同、温度分别为 T 1和 T 2的两个密闭容器中分别充入等量 NO 2发生反应: 2 NO 2( g) N 2 O 4( g)Δ H﹤ 0。恒温恒容下反应相同时间后,分别测定体系中 NO 2的百分含量分别为 a 1、 a 2 。已知 T 1﹤ T 2,则 a 1 a 2( )
A.大于 B.小于 C.等于 D.以上都有可能
( 3)硝酸厂常用如下 2种方法处理尾气。
①催化还原法:催化剂存在时用 H 2将 NO 2还原为 N 2。
已知: 2 H 2( g)+ O 2( g)= 2 H 2 O( g)△ H= -483.5 kJ/ mol
N 2( g)+ 2 O 2( g)= 2 NO 2( g)△ H=+ 133 kJ/ mol
则 H 2还原 NO 2生成水蒸气反应的热化学方程式是__________。
②碱液吸收法:用 Na 2 CO 3溶液吸收 NO 2生成 CO 2。
若每 9.2 gNO 2和 Na 2 CO 3溶液反应时转移电子数为 0.1 mol,则反应的离子方程式是____________。
【解析】( 1)①增加才催化剂只改变反应速率,对化学平衡无影响, A错;增大压强平衡正向移动, H 2转化率提高, B正确;及时分离出氨气,产物浓度减小,平正向移动, H 2转化率提高, C正确;反应放热,升高温度平衡逆向移动, D错。
②设反应消耗 N 2的物质的量为 amol,有
,解得 a=,。
若压强恒定,相当于在前一平衡的基础上增加压强,平衡右移, N 2的转化率增加,因此 a 2> a 1。
( 2)②该反应是一个气体分子总数变化的反应,因此压强不变可以说明反应达到平衡状态, a正确; t 2时,正逆反应速率突然增大,且平衡正向移动,改变的条件可能是升高温度,也可能是增大压强, b错;容器容积不变,气体总质量不变,气体密度一直不变, c错; t 4时刻之前,平衡正向移动, NO 2浓度增大直至 t 3平衡, t 4时刻,逆反应速率突然减小,平衡正向移动,则改变的条件是减小生成物浓度,因此 NO 2浓度最大的是 t 3时刻, d正确。
③反应相同时间后,反应可能平衡,也可能未达到平衡,因此无法判断两容器中 NO 2含量的相对大小,应选 D。
( 3)①根据盖斯定律,将第一个反应方程式乘以 2,减去第二个反应方程式,可得目标方程式,反应热做相应变化。
② 9.2 gNO 2的物质的量是 0.2 mol,转移 0.1 mol电子,说明有一个 N升高一价,有一个 N降低一价,根据题中已知条件,结合得失电子守恒、原子守恒可写出方程式。
【答案】( 1)① bc;② 12.5%;> ;
( 2)① 4 NH 3+ 5 O 2 4 NO+ 6 H 2 O;② ad;③ D;
( 3)① 4 H 2 (g)+ 2 NO 2 (g)= N 2 (g)+ 4 H 2 O (g)△ H= -1100 kJ/ mol;
② 2 NO 2+ CO 3 2 -= NO 3-+ NO 2-+ CO 2;
9、( 2013·宁夏银川一中一模)随着大气污染的日趋严重,“节能减排”,减少全球温室气体排放,研究 NO x、 SO 2、 CO等大气污染气体的处理具有重要意义。
( 1)右图是 1 mol NO 2和 1 mol CO反应生成 CO 2和 NO过程中能量变化示意图。
已知: N 2 (g)+ O 2 (g)= 2 NO (g)△ H=+ 1 80 kJ/ mol
2 NO (g)+ O 2 (g)= 2 NO 2 (g)△ H=- 112.3 kJ/ mol
则反应: 2 NO (g)+ CO (g) N 2 (g)+ 2 CO 2 (g)的△ H是___________。
( 2)用活性炭还原法处理氮氧化物。有关反应为: C (s)+ 2 NO (g) N 2 (g)+ CO 2 (g)。某研究小组向某密闭容器加入一定量的活性炭和 NO,恒温( T 1℃)条件下反应,反应进行到不同时间测得各物质的浓度如下:
① T 1℃时,该反应的平衡常数 K=____________(保留两位小数)。
② 30 min后,改变某一条件,反应重新达到平衡,则改变的条件可能是___________。
( 3) CO可用于合成甲醇,反应方程式为: CO( g)+ 2 H 2( g) CH 3 OH( g)。 CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如下图所示。
该反应Δ H_____ 0(填“>”或“ <”)。
( 4)利用 Fe 2+、 Fe 3+的催化作用,常温下将 SO 2转化为 SO 4 2- 而实现 SO 2的处理(总反应为 2 SO 2+ O 2+ 2 H 2 O= 2 H 2 SO 4)。已知,含 SO 2的废气通入含 Fe 2+、 Fe 3+的溶液时,其中一个反应的离子方程式为 4 Fe 2++ O 2+ 4 H+ = 4 Fe 3++ 2 H 2 O,则另一反应的离子方程式为__________。
( 5)有学者想以下图所示装置用原电池原理将 SO 2转化为重要的化工原料。
若 A为 SO 2, B为 O 2, C为 H 2 SO 4,则负极反应式为 __________,电池总反应式为___________ 。
( 6) CO 2在自然界循环时可与 CaCO 3反应, CaCO 3是一种难溶物质,其 Ksp= 3.8× 10 -9。 CaCl 2溶液与 Na 2 CO 3溶液混合可形成 CaCO 3沉淀,现将等体积的 CaCl 2溶液与 Na 2 CO 3溶液混合,若 Na 2 CO 3溶液的浓度为 4× 10 -4 mo 1/ L,则生成沉淀所需 CaCl 2溶液的最小浓度为 。
【解析】( 1)根据能量变化示意图,可知 NO 2 (g)+ CO (g)= NO (g)+ CO 2 (g)△ H=( 134-368) kJ/ mol= -234 kJ/ mol,将该反应化学计量数乘以 2,减去第一反应,加上第二个反应,可得目标方程式,反应热作相应变化即可得。
( 2)① 20 min后,反应达到平衡状态,则平衡常数为=≈ 0.56。
②该反应是一个气体分子总数不变的反应,因此改变压强对平衡无影响;因为反应的热效应不确定,因此不能通过改变温度是平衡移动;为使平衡向正方向移动,可增大反应物浓度或减小生成物浓度。注意 C为固体,其用量对平衡无影响。
( 3)通过图像可知,当压强确定时,升高温度, CO的转化率减小,即升高温度平衡逆行移动,逆反应吸热,正反应放热。
( 4) Fe 2+、 Fe 3+是催化剂,反应前后的量不变。用总反应减去已知的第一个反应,即可得第二个反应。
( 5)反应最终生成 H 2 SO 4,因此负极 SO 2生成 SO 4 2 -,总反应为 SO 2与 O 2反应生成 H 2 SO 4。
( 6)设所需 CaCl 2的最小浓度为 c,两溶液等体积混合后,浓度减小一半,则有,解得 c= 3.8× 10 -5 mol/ L。
【答案】( 1) -760.3 kJ/ mol;( 2)① 0.56;②减小 CO 2的浓度(合理答案均可);
( 3)<;( 4) 2 Fe 3++ SO 2+ 2 H 2 O= 2 Fe 2++ SO 4 2-+ 4 H+;
( 5) SO 2+ 2 H 2 O- 2 e-= SO 4 2-+ 4 H+; 2 SO 2+ O 2+ 2 H 2 O= 2 H 2 SO 4或 2 SO 2+ O 2+ 2 H 2 O= 4 H++ 2 SO 4 2-;
( 6) 3.8× 10 -5 mol/ L。
10、( 2013·天津十二区县联考)氮是地球上含量丰富的一种元素,氨和肼( N 2 H 4)是氮的两种常见化合物,在科学技术和生产中有重要的应用。
I.( 1) N 2 H 4中的 N原子最外层达到 8电子稳定结构,写出 N 2 H 4的结构式_____________。
( 2) NH 3与 NaClO反应可得到肼( N 2 H 4),该反应的化学方程式为___________________。
( 3)肼是一种高能燃料,有关化学反应的能量变化如右图所示,写出肼燃烧的热化学方程式______________。
II.氨的合成是最重要的化工生产之一。
已知: N 2( g)+ 3 H 2( g) 2 NH 3( g)Δ H=- 92.4 kJ· mol- 1
在 3个体积均为 2 L的密闭容器中,在相同的温度下,使用相同的催化剂合成氨,实验测得反应在起始、达到平衡时的有关数据如下表所示:
试回答:
( 1)下列各项能说明该反应已达到平衡状态的是______________(填写序号字母)。
a.容器内 N 2、 H 2、 NH 3的浓度之比为 1︰ 3︰ 2 b. v( N 2)正= 3 v( H 2)逆
c.容器内压强保持不变 d.混合气体的密度保持不变
( 2)分析上表数据,下列关系正确的是_________(填写序号字母)。
A. 2 c 1> 1.5 mol· L -1 B. w 3= w 1 C. 2ρ 1=ρ 2 D. K甲= K乙= K丙
( 3)容器乙中反应从开始到达平衡平均速率为 v( H 2)= _____________。
III.直接供氨式碱性燃料电池的电池反应式是 4 NH 3+ 3 O 2= 2 N 2+ 6 H 2 O,电解质溶液一般使用 KOH溶液,则负极电极反应式是__________。
【解析】 I.( 1) N 2 H 4中的 N原子最外层达到 8电子稳定结构,电子式为,据此可写出其结构式。
( 2)根据氧化还原反应得失电子守恒及原子守恒,可判断反应产物为 N 2 H 4、 NaCl和 H 2 O,方程式即可写出。
( 3) N 2 H 4燃烧生成 N 2和 H 2 O,反应热为断裂化学吸收的能量减去形成化学键释放的能量,即Δ H=( 2218-2752) kJ· mol- 1= -534 kJ· mol- 1。
II.( 1)容器内 N 2、 H 2、 NH 3的浓度之比为 1︰ 3︰ 2,反应不一定平衡, A错; v( H 2)逆= 3 v( N 2)逆, v( N 2)正= 3 v( H 2)逆= 9 v( N 2)逆,正逆反应速率不等,未达平衡状态, B错;该反应前后气体分子总数发生变化,因此压强不变可说明反应达到平衡状态, C正确;容器体积不变,气体总质量不变,因此密度不变不能说反应达到平衡状态, D错。
( 2)三个容器中,丙相当于初始时加入 1 molN 2、 3 molH 2,甲相当于在丙的基础上增加了 1 molN 2,平衡正向移动,因此 w 1不等于 w 3, C错;乙容器中各物质的初始量是甲的 2倍,若乙的容积是甲的二倍,则二者平衡状态相同,乙中各物质的量是甲中的二倍,现在甲、乙容器容积相等,乙相当于在甲二倍的基础上压缩体积,压强增大,平衡正向移动,因此 2 c 1> 1.5 mol· L -1, A正确;乙中物质的质量是甲中的二倍,但二者体积相同,因此 2ρ 1=ρ 2, C正确;三个容器温度相同,因此平衡常数相同, D正确。
( 3), v( H 2)= 3 v( N 2)= 0.3 mol· L -1· min -1。
III.燃料电池的负极通入的是燃料,因此 NH 3在负极失电子产生 N 2。
【答案】 I.( 1);( 2) 2 NH 3+ NaClO= N 2 H 4+ NaCl+ H 2 O;
( 3) N 2 H 4 (g) + O 2 (g)= N 2 (g)+ 2 H 2 O( g)Δ H=- 534 kJ· mol- 1;
II.( 1) C;( 2) A C D;( 3) 0.3 mol· L -1· min -1;
III. 2 NH 3+ 6 OH-+ 6 e-= N 2+ 6 H 2 O;