第31题 化学基本理论综合题题组一 以生产科研为背景的综合题1．以CH4和H2O为原料制备甲醇的相关反应如下：Ⅰ.CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)ΔH＝＋206.0kJ·mol－1Ⅱ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH＝－129.0kJ·mol－1(1)写出CH4(g)与H2O(g)反应生成CH3OH(g)和H2(g)的热化学方程式：__________________。(2)若在100℃时，将1.0molCH4(g)和2.0molH2O(g)充入100L真空的密闭密器中，在一定条件下发生反应Ⅰ，每隔一段时间对该容器内的物质进行分析，得到如表所示数据：时间(min)02468n(CH4)/mol1.0n10.4n3n4n(H2O)/mol2.01.6n21.21.2①在上述条件下，从反应开始直至2min时，用CH4表示该反应的平均反应速率为________。②n1＝________mol，n2＝________mol，n3________n4(填“>”、“<”或“＝”)。③100℃时，反应Ⅰ的平衡常数为________(保留2位有效数字)。(3)在压强为0.1MPa、温度为200℃的条件下，将2.0molCO与3.0molH2的混合气体在催化剂作用下发生反应Ⅱ生成甲醇，平衡后将容器的容积压缩到原来的，其他条件不变，下列说法中正确的是________。A．平衡常数K增大B．正反应速率增大，逆反应速率减小C．CH3OH的物质的量增加D．重新平衡时c(H2)/c(CH3OH)减小(4)工业上利用甲醇制备氢气的常用方法有两种：①甲醇蒸气重整法。该方法的主要反应为CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g)，此反应能自发进行的原因是__________________。②甲醇部分氧化法。在一定温度下以Ag/CeO2—ZnO为催化剂，原料气比例对反应的选择性(选择性越大，表示生成的该物质越多)影响关系如图所示。则当＝0.25时，CH3OH与O2发生的主要反应的化学方程式为______________。答案 (1)CH4(g)＋H2O(g)CH3OH(g)＋H2(g) ΔH＝＋77.0kJ·mol－18\n(2)①0.002mol·L－1·min－1 ②0.6 1.4 ＝③4.6×10－3(3)CD (4)①该反应是一个熵增加的反应，即ΔS>0②2CH3OH＋O22HCHO＋2H2O解析 (1)Ⅰ式与Ⅱ式相加得CH4(g)＋H2O(g)CH3OH(g)＋H2(g) ΔH＝＋77.0kJ·mol－1。(2)用H2O表示的该反应的平均反应速率v(H2O)＝0.4mol÷100L÷2min＝0.002mol·L－1·min－1，则用CH4表示的该反应的平均反应速率v(CH4)＝v(H2O)＝0.002mol·L－1·min－1。根据反应方程式计算可得n1＝0.6mol，n2＝1.4mol，再根据表中的数据可知6～8min反应已达到平衡，故n3＝n4。(3)反应Ⅱ的正反应是气体体积减小的反应，减小体系体积相当于增大压强，正、逆反应速率均加快，但正反应速率增大得更快，平衡向正反应方向移动，CH3OH的物质的量增加；根据化学平衡移动原理可知，重新达到平衡时，减小；平衡常数仅与温度有关，增大压强，平衡常数K不变；综上分析，C、D项正确。(4)①该反应为分解反应，反应的ΔH>0，反应能自发进行，说明该反应的ΔS>0。②分析坐标图可知，当＝0.25时，CH3OH与O2反应主要生成HCHO。2．由生物质能通过绿色化学途径制取氢气是当前能源发展的一个重要方向。如图表示的是以CaO为吸收体，将生物质经与水蒸气反应制取H2的流程(生物质简写为C)。其中气化炉和燃烧炉中分别发生的主要反应如表所示：气化炉燃烧炉①C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g) ΔH＝＋131.6kJ·mol－1②CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41.2kJ·mol－1③CaO(s)＋CO2(g)CaCO3(s) ΔH＝－178.3kJ·mol－1④C(s)＋O2(g)===CO2(g) ΔH＝－393.8kJ·mol－1⑤CaCO3(s)===CaO(s)＋CO2(g) K请回答下列问题：(1)气化炉中的总反应为C(s)＋2H2O(g)＋CaO(s)===CaCO3(s)＋2H2(g) ΔH＝________8\nkJ·mol－1。(2)燃烧炉中反应⑤所需的能量由反应④提供。如果生成1molCaO，至少需通入纯氧________mol。(3)下表列出的是当只改变温度或压强时，反应⑤中CO2的浓度和CaCO3的残留率的变化。0510152025T101.52.34.04.04.0T201.01.82.83.13.10510152025p110.900.830.750.750.75p210.580.350.310.300.30由表中数据可知，随着温度升高，反应⑤K值________(填“增大”、“减小”或“不变”)，T1________T2(填“>”或“<”，下同)；随着压强增大，CaCO3的分解率减小，则p1________p2。(4)在一定温度、压强时，H2的变化量等于CO的变化量，当气化炉内压强增大时，H2的含量会明显增大。若起始时c(H2)∶c(CO)＝3∶2，请根据φ(H2)的变化，在图中补充完整φ(CO)的变化图示。(5)当生物质的量一定时，随着水蒸气与氧气的投料比γ＝的增大，CaCO3的分解率会________(填“增大”、“减小”或“不变”)，原因为______________________________________________________。答案 (1)－87.9 (2)0.453 (3)增大 > >(4)如图所示8\n(5)减小 当水蒸气与氧气的投料比γ＝增大时，将促进反应①②正向进行，反应④的反应程度减小，不利于反应⑤进行，造成CaCO3的分解率减小解析 (1)根据盖斯定律，由①＋②＋③可得总反应的ΔH＝－87.9kJ·mol－1。(2)再生成1molCaO需要吸收178.3kJ热量，则需要燃烧n(C)＝≈0.453mol，则至少需通入0.453molO2。(3)分析表中数据可得，T1先于T2达到平衡状态，则T1>T2，平衡后T1时CO2的浓度高于T2时CO2的浓度，说明温度升高平衡正向进行，K值增大；因随压强增大，CaCO3的分解率减小，且p1先于p2达到平衡状态，则p1>p2。(4)由压强增大，H2的物质的量增大可知，压强增大有利于反应②、③的进行，体系中CO、H2O的物质的量减少。(5)当水蒸气与氧气的投料比γ＝增大时，将促进反应①②正向进行，反应④的反应程度减小，不利于反应⑤进行，造成CaCO3的分解率减小。3．聚乙烯塑料在生产中有广泛应用。工业上，由乙苯和二氧化碳催化脱氢可制备苯乙烯，化学方程式如下：请回答下列问题：(1)苯乙烯在一定条件下合成聚苯乙烯的化学方程式为__________。立方烷(C8H8)的键线式结构如图所示，它和苯乙烯的关系是__________(填“同位素”、“同素异形体”、“同分异构体”或“同系物”)。(2)乙苯在二氧化碳气氛中分两步反应：ΔH1＝＋117.6kJ·mol－18\n②H2(g)＋CO2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝－41.2kJ·mol－1由乙苯与CO2制苯乙烯反应的ΔH＝__________。该反应自发进行的条件是________(填序号)。A．较高温度下自发B．较低温度下自发C．任何温度下不自发D．任何温度下自发(3)以熔融碳酸盐(MCO3)为电解质，一氧化碳—空气燃料电池的负极反应式为__________。在标准状况下，11.2L氧气参与反应，理论上转移的电子数为________。(4)温度为T1时，该反应的平衡常数K＝0.5。在2L的密闭容器中加入乙苯和二氧化碳，反应到某时刻测得混合物各组分的物质的量均为1.0mol。①该时刻上述化学反应中CO2的v正________v逆(填“>”、“<”或“＝”)。②下列情况不能说明上述反应在该条件下达到平衡状态的是________(填序号)。A．混合气体的平均相对分子质量不变B．混合气体的密度不变C．CO的正、逆反应速率相等答案 (1) 同分异构体(2)＋76.4kJ·mol－1 A(3)CO－2e－＋CO===2CO2 2NA(或1.204×1024)(4)①＝ ②B解析 (1)苯乙烯与立方烷的化学式均为C8H8，结构不同，互为同分异构体。(2)①＋②得总反应式ΔH＝ΔH1＋ΔH2＝＋117.6kJ·mol－1－41.2kJ·mol－1＝＋76.4kJ·mol－1，该反应为正向熵增的吸热反应。(3)负极CO被氧化为CO2，计算转移电子数，可直接计算O2得到的电子数。(4)①通过K与Q的比较确定反应进行的方向，从而判断v正与v逆的大小。②该反应是在恒容条件，反应前后气体分子数可变的可逆反应，且反应物、生成物都是气体，混合气体的密度始终不变，不能作为判断平衡的标志。题组二 以环境保护为背景的综合题1．一定条件下，通过下列反应可实现燃煤烟气中硫的回收：2CO(g)＋SO2(g)2CO2(g)＋S(l) ΔH(1)已知：2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g)ΔH1＝－566kJ·mol－1S(l)＋O2(g)===SO2(g) ΔH2＝－296kJ·mol－18\n则反应热ΔH＝________kJ·mol－1。(2)其他条件相同、催化剂不同时，SO2的转化率随反应温度的变化如图a所示。260℃时________(填“Fe2O3”、“NiO”或“Cr2O3”)作催化剂反应速率最快。Fe2O3和NiO作催化剂均能使SO2的转化率达到最高，不考虑价格因素，选择Fe2O3的主要优点是________。(3)科研小组在380℃、Fe2O3作催化剂时，研究了不同投料比[n(CO)∶n(SO2)]对SO2转化率的影响，结果如图b所示。请在图b中画出n(CO)∶n(SO2)＝2∶1时，SO2的转化率的预期变化曲线。(4)工业上还可用Na2SO3溶液吸收烟气中的SO2：Na2SO3＋SO2＋H2O===2NaHSO3。某温度下用1.0mol·L－1Na2SO3溶液吸收纯净的SO2，当溶液中c(SO)降至0.2mol·L－1时，吸收能力显著下降，应更换吸收剂。①此时溶液中c(HSO)约为________mol·L－1。②此时溶液pH＝________。(已知该温度下SO＋H＋HSO的平衡常数K＝8.0×106，计算时SO2、H2SO3的浓度忽略不计)答案 (1)－270 (2)Cr2O3 Fe2O3作催化剂时，在相对较低温度时可获得较高SO2的转化率，从而节约大量能源 (3)如图所示(4)①1.6 ②6解析 (1)根据盖斯定律，由已知中第一个反应减去第二个反应可得2CO(g)＋SO2(g)2CO2(g)＋S(l)，则ΔH＝ΔH1－ΔH2＝－270kJ·mol－1。(2)根据图a,260℃时Cr2O3曲线对应的SO2的转化率最高。Fe2O3作催化剂的优点是在相对较低的温度时获得的SO2的转化率较高，可以节约能源。(3)n(CO)∶n(SO2)＝2∶1时，SO2的平衡转化率接近100%，但比n(CO)∶n(SO2)＝3∶1时达平衡要慢。(4)①溶液中c(SO)降至0.2mol·L－1时，参加反应的c(SO)为0.8mol·L－1，则反应生成的c(HSO)约为1.6mol·L－1。②K＝＝＝8.0×106，则c(H＋)＝10－6mol·L－1，pH＝6。8\n2．党的十八大报告中首次提出“美丽中国”的宏伟目标。节能减排是中国转型发展的必经之路，工业生产中联合生产是实现节能减排的重要措施，下图是几种工业生产的联合生产工艺：请回答下列问题：(1)装置甲为电解池，根据图示转化关系可知：A为________(填化学式)，阴极反应式为________________。(2)装置丙的反应物为Ti，而装置戊的生成物为Ti，这两个装置在该联合生产中并不矛盾，原因是________________。装置戊进行反应时需要的环境为________(填字母序号)。A．HCl气体氛围中B．空气氛围中C．氩气氛围中D．水中(3)装置乙中发生的是工业合成甲醇的反应：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH<0。①该反应在不同温度下的化学平衡常数(K)如下表：温度/℃250350K2.041x符合表中的平衡常数x的数值是______(填字母序号)。A．0B．0.012C．32.081D．100②若装置乙为容积固定的密闭容器，不同时间段各物质的浓度如下表：c(CO)/mol·L－1c(H2)/mol·L－1c(CH3OH)/mol·L－10min0.81.602min0.6y0.24min0.30.60.56min0.30.60.5反应从2min到4min之间，H2的平均反应速率为________________。反应达到平衡时CO的转化率为________。反应在第2min时改变了反应条件，改变的条件可能是________(填字母序号)。A．使用催化剂 B．降低温度C．增加H2的浓度8\n(4)装置己可以看作燃料电池，该燃料电池的负极反应式为__________________。答案 (1)Cl2 2H＋＋2e－===H2↑(2)进入装置丙的Ti含有的杂质较多，从装置戊中出来的Ti较为纯净 C(3)①B ②0.3mol·L－1·min－1 62.5% A(4)CH3OH＋8OH－－6e－===CO＋6H2O解析 (1)装置甲为电解饱和NaCl溶液的装置，阳极为Cl－失电子，被氧化为Cl2，阴极为水电离的H＋得电子，生成氢气和NaOH。(2)装置丙和装置戊的作用是提纯Ti。(3)①ΔH<0，所以正反应为放热反应，故平衡常数随着温度的升高而降低，x<2.041，而且因为是可逆反应，平衡常数不可能为0。②根据表格中CO或CH3OH的浓度可知y＝1.2mol·L－1，所以反应从2min到4min之间，H2的平均反应速率为＝0.3mol·L－1·min－1；4min时，反应处于平衡状态，故CO的转化率为×100%＝62.5%；0～2min的反应速率比2～4min的反应速率小，故2min时可能使用了催化剂。(4)装置己是由甲醇、氧气、NaOH溶液构成的燃料电池，负极反应为甲醇在碱性条件下失电子的反应。8
