(16分)碳和碳的化合物在生产、生活中的应用非常广泛,在提倡健康生活已成潮流的今天,“低碳生活”不再只是理想,更是一种值得期待的新的生活方式,请运用化学反应原理
题型:不详难度:来源:
(16分)碳和碳的化合物在生产、生活中的应用非常广泛,在提倡健康生活已成潮流的今天,“低碳生活”不再只是理想,更是一种值得期待的新的生活方式,请运用化学反应原理的相关知识研究碳及其化合物的性质。 (1)近年来,我国储氢纳米碳管研究取得重大进展,用电弧法合成的碳纳米管中常伴有大量碳纳米颗粒(杂质),这种碳纳米颗粒可用氧化气化法提纯,其反应化学方程式为: ____C+____K2Cr2O7 + ====___CO2↑+ ____K2SO4 + ____Cr2(SO4)3+ ____H2O 请完成并配平上述化学方程式。 其中氧化剂是________________,氧化产物是_________________ (2)甲醇是一种新型燃料,甲醇燃料电池即将从实验室走向工业化生产。工业上一般以CO和H2为原料合成甲醇,该反应的热化学方程式为: CO(g)+ 2H2(g) CH3OH(g)△H1=-116 kJ·mol-1 ①已知: △H2=-283 kJ·mol-1 △H3=-242 kJ·mol-1 则表示1mol气态甲醇完全燃烧生成CO 2和水蒸气时的热化学方程为 ; ②在容积为1L的恒容容器中,分别研究在230℃、250℃、270℃三种温度下合成甲醇的规律。下图是上述三种温度下不同的H2和CO的起始组成比(起始时CO的物质的量均为1mol)与CO平衡转化率的关系。请回答:
ⅰ)在上述三种温度中,曲线Z对应的温度是 ⅱ)利用图中a点对应的数据,计算出曲线Z在对应温度下CO(g)+ 2H2(g) CH3OH(g)的平衡常数K= 。 ③在某温度下,将一定量的CO和H2投入10L的密闭容器中,5min时达到平衡,各物质的物质的浓度(mol•L-1)变化如下表所示:
| 0min
| 5min
| 10min
| CO
| 0.1
|
| 0.05
| H2
| 0.2
|
| 0.2
| CH3OH
| 0
| 0.04
| 0.05
| 若5min~10min只改变了某一条件,所改变的条件是 ;且该条件所改变的量是 。 |
答案
(1)3 2 8 H2SO4 3 2 2 8 (3分,填上H2SO41分,配平2分) K2Cr2O7(1分),CO2(1分) (2)①CH3OH(g)+3/2O2(g)= CO2(g)+ 2H2O(g) △H=-651kJ·mol-1(3分) ②ⅰ)270℃(2分) ⅱ) 4 L2 /mol2(2分,没单位不扣分) ③增大H2的浓度(2分);增大了0.1 mol•L-1(2分) |
解析
试题分析: (1)从____C+____K2Cr2O7 + ==___CO2↑+ ____K2SO4 + ____Cr2(SO4)3+ ____H2O式用原子守恒法分析,所缺的物质当属H2SO4,先标出变价元素的化合价,利用电子得失相等进行配平,最后利用原子守恒将其它物质配平即可;在有元素化合价下降的反应物都为氧化剂,含有化合价升高的元素的生成物都是氧化产物,从化合价角度判断。 (2)①先写出甲醇燃烧的方程式,标明各物质的状态,利用盖斯定律求得焓变。 ⅰ)根据甲醇的合成方程式,其为放热反应,所以温度高不利于一氧化碳的转化,转化率低的温度较高,所以Z线为270℃ ⅱ) 由坐标中读出CO的转化率为50%,n(H2)/n(CO)=1.5,可设n(CO)=amol,则n(H2)=1.5amol 依题意得,体积为1L CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g) 起始: a mol/L 1.5a mol/L 0 变化: 0.5 mol/L a mol/L 0.5 mol/L 平衡: 0.5 mol/L 0.5 mol/L 0.5 mol/L K= c(CH3OH)/c(CO)·c2(H2)=" 0.5" mol/L÷0.5 mol/L÷(0.5mol/L)2=4L2/mol2 ③由题意中提示“只改变了一个条件”,结合起始量和10min时达到平衡的各物质的量,可知,H2的物质的量还是0.2mol ,可知改变的量当为增加了H2的物质的量,而增加了多少则要从10min时的恢复至起始状态 依题意得 CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g) 起始: 0.1 mol/L 0.3 mol/L 0 变化: 平衡: 0.05 mol/L 0.2mol/L 0.05 mol/L 则起始的氢气浓度当为 0.3 mol/L,对比之前的浓度,所以增加的氢气的量为0.1 mol•L-1 |
举一反三
下列实验过程中曲线变化不正确的是
A.①表示Na2CO3溶液中滴入稀盐酸 | B.②表示溴水中滴入Na2SO3溶液 | C.③表示HCl和MgCl2溶液中滴入氨水 | D.④表示一定条件下反应:2SO2+O22SO3 ΔH< 0 ,达平衡后,增大压强 |
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(14分)氢是一种重要的非金属元素。氢的单质及其化合物在科学研究和工业生产中有着广泛而重要的作用。 (1)某硝酸厂处理尾气中NO的方法是:催化剂存在时用H2将NO还原为N2。 已知:
则H2还原NO生成氮气和水蒸气的热化学方程式是: 。 (2)在一定条件下,用H2将二氧化碳转化为甲烷的反应如下: CO2(g)+4H2 (g) CH4 (g)+2H2O(g) 向一容积为2 L的恒容密闭容器中充人一定量的CO2和H2,在300℃时发生上述反应,达到平衡时各物质的浓度分别为CO2 0.2mol·L一1,H2 0.8mol·L一1,CH40.8mol·L一1,H2O1.6mol·L一1。则CO2的平衡转化率为 。上述反应的平衡常数表达式K= 。200℃时该反应的平衡常数K=64.8,则该反应的△H 0(填“>’’或“<”)。 (3)某研究小组以H2与CaCl2制备某种钙的化合物。已知反应只生成甲、乙两种化合物。对产物分析发现:化合物甲的组成中钙、氯元素的质量分数分别为52.29%、46.41%,化合物乙的水溶液显酸性。请回答下列问题: ①乙的化学式为 。 ②甲与水反应可得H2,其化学方程式是: 。 (4)H2的获得途径很多,由哈工大研究小组设计的微生物电解有机废水法,既可以清除废水中的有机杂质,同时可以获得氢气。下图为一种处理含甲醇工业废水的微生物电解池,写出电解过程中,阳极发生的电极反应式: 。
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某恒温密闭容器中,可逆反应A(s) B+C(g) ΔH=" +Q" kJ·mol-1(Q>0)达到平衡。缩小容器体积,重新达到平衡时,C(g)的浓度与缩小体积前的平衡浓度相等。以下分析正确的是 A.产物B的状态只能为固态或液态 B.平衡时,单位时间内n(A)消耗﹕n(C)消耗=1﹕1 C. 若开始时向容器中加入1molB和1molC,达到平衡时放出热量Q kJ D. 保持体积不变,向平衡体系中加入B,平衡可能向逆反应方向移动 |
(14分)甲醇是重要的化工原料,在工业生产上的应用十分广泛。 (1)利用太阳能或生物质能分解水制H2,然后可将H2与CO2转化为甲醇。已知: 光催化制氢:2H2O(l)===2H2(g)+O2(g) ΔH=+571.5 kJ/mol ① H2与CO2耦合反应:3H2(g)+CO2(g)===CH3OH(l)+H2O(l) ΔH=-137.8 kJ/mol ② 则反应:2H2O(l)+CO2(g) = CH3OH(l)+3/2O2(g)的ΔH= kJ/mol。 你认为该方法需要解决的技术问题有 (填字母)。 a. 开发高效光催化剂 b. 将光催化制取的H2从反应体系中有效分离,并与CO2耦合催化转化 c. 二氧化碳及水资源的来源供应 (2)工业上由甲醇制取甲醛的两种方法如下(有关数据均为在298 K时测定): 反应I:CH3OH(g)=HCHO(g)+H2(g) ΔH1=+92.09kJ/mol,K1=3.92×10-11。 反应II:CH3OH(g)+1/2O2(g)=HCHO(g)+H2O(g) ΔH2=-149.73 kJ/mol,K2=4.35×1029。 ①从原子利用率看,反应 (填“I”或“II”。下同)制甲醛的原子利用率更高。从反应的焓变和平衡常数K值看,反应 制甲醛更有利。 ②下图是甲醇制甲醛有关反应的lgK(平衡常数的对数值)随温度T的变化。图中曲线(1)表示的是反应 。
(3)污水中的含氮化合物,通常先用生物膜脱氮工艺进行处理,在硝化细菌的作用下将NH4+氧化为NO3-(2NH4++3O2=2HNO2+2H2O +2H+;2HNO2 +O2=2HNO3)。然后加入甲醇,甲醇和NO3-反应转化为两种无毒气体。 ①上述方法中,1 g铵态氮元素转化为硝态氮元素时需氧的质量为 g。 ②写出加入甲醇后反应的离子方程式: 。 (4)甲醇燃料电池的工作原理如图所示,则该电池负极的电极反应式为 。
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(18分)能源的开发和利用是当前科学研究的重要课题。 (1)利用二氧化铈(CeO2)在太阳能作用下前实现如下变废为宝的过程: mCeO2 (m-x)CeO2xCe+xO2 (m-x)CeO2xCe+xH2O+xCO2mCeO2+xH2+xCO 上述过程的总反应是 ,该反应将太阳能转化为 。 (2)CO、O2和KOH溶液构成的燃料电池的负极电极反应式为 。该电池反应可获得K2CO3溶液,某温度下0.5molL-1 K2CO3溶液的pH=12,若忽略CO32-的第二级水解,则CO32- +H2OHCO3-+OH-的平衡常熟Kh= 。 (3)氯碱工业是高耗能产业,下列将电解池与燃料电池相组合的工艺可以节能30%以上。
①电解过程中发生反应的离子方程式是 ,阴极附近溶液PH (填“不变”、“升高”或“下降”)。 ②如果粗盐中SO42-含量较高,精制过程需添加钡试剂除去SO42-,该钡试剂可选用下列试剂中的 。 a.Ba(OH)2 b.Ba(NO3)2 c.BaCl2 现代工艺中更多使用BaCO3除SO42-,请写出发生反应的离子方程式 。 ③图中氢氧化钠溶液的质量分数a% b%(填“>”、‘‘=”或“<”),,燃料电池中负极上发生的电极反应为 。 |
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