教学考试杂志社“优师计划”阶段性成果展示——化学反应原理相关试题选登
2020-11-13
【例1】三元催化，是指将汽车尾气排出的CO、HC(碳氢化合物)和NOx等有害气体通过氧化和还原作用转变为无害的二氧化碳、水和氮气的催化。三元催化器的载体部件是一块多孔陶瓷材料，安装在特制的排气管当中。称它是载体，是因为它本身并不参加催化反应，而是在上面覆盖着一层铂、铑、钯等贵重金属和稀土涂层。它可以把废气中的HC、CO变成水和CO2,同时把NOx分解成氮气和氧气。HC、CO是有毒气体，过多吸入会导致人死亡，而NOx会直接导致光化学烟雾的发生。
(1)图甲是1 mol NO2(g)和1 mol HC(g)反应生成N2和CO2、H2O过程中的能量变化示意图，若在反应体系中加入催化剂，反应速率增大，E1的变化是(填“增大”“减小”或“不变”，下同)，ΔH的变化是，用电子式表示CO2的形成过程：________。
(2)经科学研究发现，NOx和HC是两种导致光化学烟雾的主要气体。通过三元催化后，将其转化成CO2、N2和H2O。现以NO2与CH4为研究对象，进行相关的物质转化研究：
Ⅰ.已知：在进行三元催化过程中发生以下主要反应。
物质NO2CH4N2CO2H2O体积分数0.250.250.1250.1250.25
此温度下该反应的平衡常数K=________。
(3)据研究发现，以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和HC直接转化成乙醇。将乙醇以一定的比例回收冲入汽油中变成乙醇汽油，提高燃料的利用率。
①在不同温度下催化剂的催化效率与乙醇的生成速率如图所示。250～300℃时，温度升高而乙醇的生成速率降低的原因是______________。
②为了提高该反应中HC的转化率，可以采取的措施是______________。
CO2在电极a放电的电极反应式是______________。
【答案】(1)减小 不变
(3)①温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低 ②增大CO2的浓度(或及时将乙醇液化分离)
【解析】(1)催化剂由于改变了反应途径而改变反应所需的活化能，但焓变值只与反应体系的始末物质种类和状态有关，不受催化剂的影响；对于用电子式表示物质的形成过程，只要抓住电子式是在原子层次表示物质形成的过程即可。(2)考查的是盖斯定律和平衡常数的计算。(3)考查的是速率的影响因素和平衡的影响因素(勒夏特列原理的应用)。温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低，所以速率会下降。(4)考查的是电化学电极反应式的书写。从图示中可以知道，CO2得到电子生成CO，再利用O2-平衡电荷和元素即可正确写出该电极反应式。
②T2温度下，0～10 s内，O2的反应速率v(O2)=。T2温度下，要减少NO2的分解率，并缩短达到平衡的时间，可采取的单一措施有______________。
③平衡常数KT1(填“大于”“小于”或“等于”，下同)KT2，理由是______________。
④T1温度下，平衡常数KT1=，若平衡后再向体系中充入2 mol NO2(g)和2 mol NO(g)，反应向(填“正反应”或“逆反应”)方向进行。
【答案】(1)①32 ②0.02 mol·L-1·s-1增大NO2的浓度(其他合理答案均可) ③小于 (1分)T2时反应速率较大，故T1 (2)X点之前，增大压强，平衡逆向移动，N2的体积分数减小；X点以后，由于压强太大，水变为液态，此时正反应气体系数减小，增大压强，平衡正向移动，N2的体积分数增大 【例3】回收利用CO2是环境科学研究的热点课题，请回答以下问题： (1)天然气还原CO2制备合成气的有关反应如下： (2)H2在一定条件下还原CO2制备HCOOH(沸点：100.7℃)，能量变化如图1所示。 在1 L恒容密闭容器中充入一定量CO2、H2，发生如下反应： 实验测得:v正=k正·c(H2)·c(CO2)，v逆=k逆·c(HCOOH)(k正、k逆为速率常数，只与温度有关)。TK 下达到平衡，H2的平衡转化率为80%，c(CO2)=0.5 mol/L。 ①达到平衡后，仅升高温度，k正增大的倍数(填“大于”“小于”或“等于”)k逆增大的倍数。 ②使用高效催化剂，下列活化能变化合理的是(填字母)。 选项ABCDE1/(kJ·mol-1)384404344374E2/(kJ·mol-1)359389329399 ③改变下列条件时，ΔH可能发生变化的是________(填字母)。 a.升高温度 b.降低温度 c.增大氢气浓度 d.加入催化剂 (3)用NaHCO3替代CO2作碳源加氢制备HCOOH。在反应容器中加入NaHCO3水溶液、铝粉和铜粉，在300℃下反应。当碳量一定时，铝、铜的量对碳转化量影响结果如图所示。 实验组xyzgn(Al)/n(C)8∶18∶18∶12∶1n(Cu)/n(Al)2∶11∶11∶24∶1 由图2可知，比较四条曲线，曲线g对碳转化量影响很小的主要原因是。 当碳的转化量为25%时所采用的最佳实验条件是。 (4)工业上常用高浓度的K2CO3溶液吸收CO2得溶液X，再利用电解法使K2CO3溶液再生，其装置如图3所示： ①阳极区产生CO2的原因是(用离子方程式表示)； 【答案】(1)+247.0 (2)①大于 ②C ③b ④8 L·mol-1 (3)其他条件相同时，铝的量对碳转化量影响较大，g组实验铝的量较小x(120 min) 【例4】汽车尾气中排放的NOx和CO污染环境，在汽车尾气系统中装置催化转化器，可有效降低NOx和CO的排放。 回答下列问题： (1)CO的燃烧热为。若1 mol N2(g)、1 mol O2(g)分子中化学键断裂时分别需要吸收946 kJ、498 kJ 的能量，则NO2(g) 分子中一个氮氧键(设NO2分子中含2个氮氧键)断裂时需吸收的能量为kJ。 (2)CO将NO2还原为单质的热化学方程式为。 时间/s012345c(NO)/(mol)2.000.900.500.300.200.20c(CO)/(mol)7.206.105.705.505.405.40 ①前2 s内的平均反应速率v(N2)=，该温度下，该反应的平衡常数K=。 ②关于该反应说法正确的是(填字母)。 A.c(CO2)=c(NO) 时反应达到平衡 B.该反应的能量变化如图甲 C.汽车尾气冬天比夏天对环境的危害大 D.反应达平衡后向其中通入一定量的NO，NO的转化率增大 ①t1时反应速率变化的原因为______________， ②t2时改变的反应条件为。 【答案】(1)-283 kJ/mol 469.5 (3)①0.037 5 mol·L-1·s-125 L/mol ②BC (4)①由题设条件可知该反应为放热反应，升高反应温度，逆反应速率大于正反应速率，平衡逆向移动，化学反应速率增大 ②使用催化剂或增大反应体系压强 【例5】锗(Ge)是第四周期ⅣA族元素,是重要的半导体材料，在多个领域都有广泛而重要的应用。 (1)画出锗的原子结构示意图：______________。 (2)利用高品位二氧化锗还原制得金属锗，而二氧化锗可以通过在四氯化锗中加入6.5倍体积的蒸馏水，搅拌后放置一昼夜，生成二氧化锗沉淀，用冷水洗涤至洗液不含Cl-为止。200℃下干燥得到二氧化锗产品。请写出该过程的化学反应方程式：。 ①该反应为(填“放热”或“吸热”)反应，A、B、C三点的平衡常数K(A)、K(B)、K(C)的大小关系为，压强的大小关系为p1(填“大于”“小于”或“等于”)p2。 ②若A点时，保持容器容积和温度不变，向容器中再充入2 mol CO(g)、4 mol H2(g)和2 mol CH3OH(g)，则v正(填“>”或“<”)v逆。 (4)以甲醇为原料设计成燃料电池：若以熔融Na2CO3作为电解质，一极充入甲醇，另一极充入空气和CO2气体。 则充入空气和CO2气体的电极为极，充入甲醇电极的反应式为。 (3)①放热K(A)=K(B)>K(C) 小于 ②> 起始(mol/L) 4 8 0 转化(mol/L) 2 4 2 平衡(mol/L) 2 4 2 【例6】氢气既是一种优质的能源，又是一种重要化工原料，高纯氢的制备是目前的研究热点。 已知反应器中存在如下反应过程： 化学键H—HO—HC—HC←O键能E/(kJ·mol-1)436465a1 076 根据上述信息计算：a=，ΔH2=。 (2)CO2、CO分别与H2反应生成CH4的lgK与T的关系如图所示： p1(填“大于”“小于”或“等于”)p2；为提高CO2平衡转化率除改变温度和压强外，还可采取的措施是______________。(写一条即可) (5)氢气可以还原乙醛(CH3CHO)得到乙醇，电解乙醛的酸性水溶液也可以制备出乙醇和乙酸，则生成乙酸的电极为(填“阴”或“阳”)极，对应的电极反应式为______________________。 【答案】(1)415.1 -41.4 kJ/mol (2)小于 0 (3)大于 及时移出CH3OH或H2O(g) 起始物质的量(mol) 1 3 0 变化物质的量(mol)x2xx 平衡物质的量(mol) 1-x3-2xx
