届高考化学考前冲刺提分训练能量与化学平衡综合型答案 详解课后总结文档格式.docx
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(3)实验测得:
v正=k正c2(CH4),v逆=k逆c(C2H4)c2(H2),其中k正、k逆为速率常数仅与温度有关,T1温度时k正与k逆的比值为____________(填数值)。
若将温度由T1升高到T2,则反应速率增大的倍数v正________v逆(选填“>”、“<”或“=”);
判断的理由是______________________________________________。
(4)科研人员设计了甲烷燃料电池并用于电解。
如图2所示,电解质是掺杂了Y2O3与ZrO2的固体,可在高温下传导O2-。
①C极的Pt为________极(选填“阳”或“阴”)。
②该电池工作时负极反应方程式为________________________________。
③用该电池电解饱和食盐水,一段时间后收集到标况下气体总体积为112mL,则电解后所得溶液在25℃时pH=____________(假设电解前后NaCl溶液的体积均为500mL)。
解析
(2)①10~15min时H2的浓度为1.6mol·
L-1,根据反应方程式,甲烷的浓度变化为1.6mol·
L-1,0~10min内CH4表示的反应速率v=
=
=0.16mol/(L·
min);
②催化剂表面积越大,反应速率越快,表示催化剂表面积较大的曲线是b;
③2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g)正反应吸热、气体物质的量增多,所以升高温度或减小压强,平衡正向移动,n(CH4)减小,故15min时,改变外界反应条件可能是升高温度或减小压强。
(3) 2CH4(g)
C2H4(g)+2H2(g)
开始200
转化1.60.81.6
平衡0.40.81.6
v正=k正c2(CH4)=k正(0.4)2,v逆=k逆c(C2H4)c2(H2)=k逆0.8×
(1.6)2,平衡时正逆反应速率相等,即k正(0.4)2=k逆0.8×
(1.6)2,k正与k逆的比值为12.8;
该反应ΔH>0,温度升高,平衡正向移动,所以k正增大的倍数大于k逆。
(4)①电解池的C极与电源的正极相连,C极的Pt为阳极。
②通入甲烷的一极为负极,负极反应方程式为CH4-8e-+4O2-===CO2+2H2O。
③电解饱和食盐水的方程式是2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,生成气体(H2+Cl2)0.005mol,则生成氢氧化钠0.005mol;
c(OH-)=
=0.01mol/L,pH=12。
答案
(1)+(4b-c-2a)kJ·
mol-1
(2)①0.16 ②b ③升高温度或减小压强
(3)12.8 > ΔH>0,温度升高,k正增大的倍数大于k逆
(4)①阳 ②CH4-8e-+4O2-===CO2+2H2O ③12
2.(2019·
全国卷Ⅲ)近年来,随着聚酯工业的快速发展,氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。
因此,将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。
回答下列问题:
(1)Deacon发明的直接氧化法为:
4HCl(g)+O2(g)===2Cl2(g)+2H2O(g)。
下图为刚性容器中,进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系:
可知反应平衡常数K(300℃)________K(400℃)(填“大于”或“小于”)。
设HCl初始浓度为c0,根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的数据计算K(400℃)=________(列出计算式)。
按化学计量比进料可以保持反应物高转化率,同时降低产物分离的能耗。
进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是___________________________________________________________________。
(2)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行:
CuCl2(s)===CuCl(s)+
Cl2(g) ΔH1=83kJ·
CuCl(s)+
O2(g)===CuO(s)+
Cl2(g)
ΔH2=-20kJ·
CuO(s)+2HCl(g)===CuCl2(s)+H2O(g)
ΔH3=-121kJ·
则4HCl(g)+O2(g)===2Cl2(g)+2H2O(g)的ΔH=________kJ·
mol-1。
(3)在一定温度的条件下,进一步提高HCl的转化率的方法是___________________________________________________________。
(写出2种)
(4)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,如下图所示:
负极区发生的反应有________________________(写反应方程式)。
电路中转移1mol电子,需消耗氧气________L(标准状况)。
解析
(1)由题给HCl平衡转化率随温度变化的关系图可知,随温度升高,HCl平衡转化率降低,则此反应为放热反应,温度越高,平衡常数越小,即K(300℃)大于K(400℃)。
结合题图可知,c(HCl)∶c(O2)=1∶1、400℃时HCl的平衡转化率为84%,列出三段式:
4HCl(g)+O2(g)===2Cl2(g) + 2H2O(g)
起始c0c000
转化0.84c00.21c00.42c00.42c0
平衡(1-0.84)c0(1-0.21)c00.42c00.42c0
则K(400℃)=
;
进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低会使O2和Cl2分离的能耗较高,过高则会造成HCl转化率较低。
(2)将已知热化学方程式依次编号为①、②、③,根据盖斯定律,由(①+②+③)×
2得4HCl(g)+O2(g)===2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH=-116kJ·
(3)题述反应是气体体积减小的反应,增大反应体系压强可使反应正向移动,提高HCl的转化率,及时分离出产物也能提高HCl的转化率。
(4)负极区发生还原反应Fe3++e-===Fe2+,生成的二价铁又被氧气氧化成三价铁,发生反应4Fe2++O2+4H+===4Fe3++2H2O,由反应可知电路中转移4mol电子消耗1molO2,则转移1mol电子消耗氧气
mol,其在标准状况下的体积为
mol×
22.4L·
mol-1=5.6L。
答案
(1)大于
O2和Cl2分离能耗较高、HCl转化率较低
(2)-116 (3)增加反应体系压强、及时除去产物 (4)Fe3++e-===Fe2+,4Fe2++O2+4H+===4Fe3++2H2O 5.6
3.(2019·
全国卷Ⅰ)水煤气变换[CO(g)+H2O(g)===CO2(g)+H2(g)]是重要的化工过程,主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。
(1)Shibata曾做过下列实验:
①使纯H2缓慢地通过处于721℃下的过量氧化钴CoO(s),氧化钴部分被还原为金属钴Co(s),平衡后气体中H2的物质的量分数为0.0250。
②在同一温度下用CO还原CoO(s),平衡后气体中CO的物质的量分数为0.0192。
根据上述实验结果判断,还原CoO(s)为Co(s)的倾向是CO________H2(填“大于”或“小于”)。
(2)721℃时,在密闭容器中将等物质的量的CO(g)和H2O(g)混合,采用适当的催化剂进行反应,则平衡时体系中H2的物质的量分数为________(填标号)。
A.<
0.25 B.0.25 C.0.25~0.50 D.0.50 E.>
0.50
(3)我国学者结合实验与计算机模拟结果,研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程,如图所示,其中吸附在金催化剂表面上的物种用*标注。
可知水煤气变换的ΔH________0(填“大于”“等于”或“小于”)。
该历程中最大能垒(活化能)E正=________eV,写出该步骤的化学方程式___________________________________________________________________。
(4)Shoichi研究了467℃、489℃时水煤气变换中CO和H2分压随时间变化关系(如下图所示),催化剂为氧化铁,实验初始时体系中的pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等。
计算曲线a的反应在30~90min内的平均速率
(a)=________kPa·
min-1。
467℃时pH2和pCO随时间变化关系的曲线分别是________、________。
489℃时pH2和pCO随时间变化关系的曲线分别是________、________。
解析
(1)由题给信息①可知,H2(g)+CoO(s)
Co(s)+H2O(g)(ⅰ) K1=
=39,由题给信息②可知,CO(g)+CoO(s)
Co(s)+CO2(g)(ⅱ) K2=
≈51.08。
相同温度下,平衡常数越大,反应倾向越大,故Co还原氧化钴的倾向大于H2。
(2)第
(1)问和第
(2)问的温度相同,利用盖斯定律,由(ⅱ)-(ⅰ)得CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g) K=
≈1.31。
设起始时CO(g)、H2O(g)的物质的量都为1mol,容器体积为1L,在721℃下,反应达平衡时H2的物质的量为xmol。
CO(g) + H2O(g)
H2(g) + CO2(g)
起始1mol1mol00
转化xmolxmolxmolxmol
平衡(1-x)mol(1-x)molxmolxmol
K=
=1.31,若K取1,则x=0.5,φ(H2)=0.25;
若K取4,则x≈0.67,φ(H2)≈0.33。
氢气的物质的量分数介于0.25与0.33之间,故选C。
(3)观察起始态物质的相对能量与终态物质的相对能量知,终态物质相对能量低于始态物质相对能量,说明该反应是放热反应,ΔH小于0。
过渡态物质相对能量与起始态物质相对能量相差越大,活化能越大,由题图知,最大活化能E正=1.86eV-(-0.16eV)=2.02eV,该步起始物质为COOH*+H*+H2O*,产物为COOH*+2H*+OH*。
(4)由题图可知,30~90min内
(a)=
=0.0047kPa·
水煤气变换中CO是反应物,H2是产物,又该反应是放热反应,升高温度,平衡向左移动,重新达到平衡时,H2的压强减小,CO的压强增大。
故a曲线代表489℃时pH2随时间变化关系的曲线,d曲线代表489℃时pCO随时间变化关系的曲线,b曲线代表467℃时pH2随时间变化关系的曲线,c曲线代表467℃时pCO随时间变化关系的曲线。
答案
(1)大于
(2)C (3)小于 2.02 COOH*+H*+H2O*===COOH*+2H*+OH*(或H2O*===H*+OH*) (4)0.0047 b c a d
4.二氧化碳是潜在的碳资源,无论是天然的二氧化碳气藏,还是各种炉气、尾气、副产气,进行分离回收和提浓,合理利用,意义重大。
(1)在空间站中常利用CO2(g)+2H2(g)
C(s)+2H2O(g),再电解水实现O2的循环利用,350℃时,向体积为2L的恒容密闭容器中通入8molH2和4molCO2发生以上反应。
①若反应起始和平衡时温度相同(均为350℃),测得反应过程中压强(p)随时间(t)的变化如图中a所示,则上述反应的ΔH________0(填“>”或“<”);
其他条件相同时,若仅改变某一条件,测得其压强(p)随时间(t)的变化如图中曲线b所示,则改变的条件是_________________________________________________。
②图是反应平衡常数的对数与温度的变化关系图,m的值为________________。
(2)CO2在Cu-ZnO催化下,同时发生如下反应Ⅰ,Ⅱ,是解决温室效应和能源短缺的重要手段。
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g)
ΔH1<0
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH2>0
保持温度T时,在容积不变的密闭容器中,充入一定量的CO2及H2,起始及达平衡时,容器内各气体物质的量及总压强如下表:
CO2
H2
CH3OH(g)
CO
H2O(g)
总压强/kPa
起始/mol
0.5
0.9
p0
平衡/mol
n
0.3
p
若反应Ⅰ、Ⅱ均达平衡时,p0=1.4p,则表中n=___________________________________________________________________;
反应1的平衡常数Kp=____________(kPa)-2。
(用含p的式子表示)
(3)Al-CO2电池是一种以低温熔融盐[Al2(CO3)3]为电解质,以完全非碳的钯Pd包覆纳米多孔金属为催化剂正极的可充电电池。
正极反应为:
3CO2+4e-===2CO
+C,则生成Al的反应发生在________极(填“阳”或“阴”),该电池充电时反应的化学方程式为___________________________________________。
解析
(1)①根据PV=nRT,此反应V一定,正反应n在减小,图像显示压强在增大,确定温度在升高,所以正反应为放热反应,ΔH<0;
根据图像分析发现b线相对于a线不同点只是速率加快,达到平衡时间缩短,确定改变的条件是催化剂;
② CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g)
c(初)240
Δcx2x2x
c(平)2-x4-2x2x
(2-x+4-2x+2x)/(2+4)=5/6,解得x=1。
=1,lgK=lg1=0
(2)根据表格列出各物质物质的量变化:
Ⅰ CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1<0
Δn n 3n n n
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)
Δn0.3-n0.3-n0.3-n0.3-n
平衡时各物质的量为:
CO2(g):
0.5-n-0.3+n=0.2mol
H2(g):
0.9-3n-0.3+n=0.6-2n
CH3OH(g):
n H2O(g)∶0.3 CO(g):
0.3-n
根据T、V一定时,压强比等于物质的量之比,
=1.4,
计算得出n=0.2。
平衡后物质的总量:
0.2+0.6-2×
0.2+0.2+0.3+0.3-0.2=1.0mol
平衡后各物质分压:
(0.2/1)p=0.2p
H2O(g):
(0.3/1)p=0.3p
Kp=
。
(3)因为放电时Al-3e-===Al3+,则充电时应该是Al3++3e-===Al,得电子为阴极反应;
充电时总反应方程式为放电时的逆反应。
答案
(1)①< 加入催化剂 ② 0
(2)0.2
(3)阴 2Al2(CO3)3+3C
4Al+9CO2
【课后总结】
1.题型特点
这类试题往往以化学反应速率,化学平衡知识为主题,借助图像、图表的手段,综合考查关联知识,关联知识主要有:
(1)ΔH符号的判断、热化学方程式的书写、应用盖斯定律计算ΔH。
(2)化学反应速率的计算与比较,外因对化学反应速率的影响(浓度、压强、温度、催化剂)。
(3)平衡常数、转化率的计算,温度对平衡常数的影响;
化学平衡状态的判断,用化学平衡的影响因素进行分析和解释。
(4)在多层次曲线图中反映化学反应速率、化学平衡与温度、压强、浓度的关系。
2.解答化学平衡移动问题的步骤
(1)正确分析反应特点:
包括反应物、生成物的状态,气体体积变化、反应的热效应。
(2)明确外界反应条件:
恒温恒容、恒温恒压、反应温度是否变化、反应物配料比是否变化。
(3)结合图像或K与Q的关系,平衡移动原理等,判断平衡移动的方向或结果。
(4)结合题意,运用“三段式”,分析计算、确定各物理量的变化。
3.分析图表与作图时应注意的问题
(1)仔细分析并准确画出曲线的最高点、最低点、拐点和平衡点。
(2)找准纵坐标与横坐标的对应数据。
(3)描绘曲线时注意点与点之间的连接关系。
(4)分析表格数据时,找出数据大小的变化规律。
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