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1、第28题化学反应原理综合题题组一化学反应中的能量变化与化学平衡的综合 1.碳热还原法广泛用于合金及材料的制备。回答下列问题:(1)一种制备氮氧化铝的反应原理为23Al2O3+15C+5N2 2Al23O27N5+15CO,产物Al23O27N5中氮元素的化合价为,该反应中每生成1 mol Al23O27N5,转移的电子数为。(2)真空碳热冶铝法包含很多反应,其中的三个反应如下:Al2O3(s)+3C(s) Al2OC(s)+2CO(g)H12Al2OC(s)+3C(s) Al4C3(s)+2CO(g)H22Al2O3(s)+9C(s) Al4C3(s)+6CO(g)H3H3=(用H1、H2表示
2、)。Al4C3可与足量盐酸反应制备一种最简单的烃。该反应的化学方程式为 。(3)下列是碳热还原法制锰合金的三个反应,CO与CO2平衡分压比的自然对数值(lnK=2.303 lgK)与温度的关系如图所示(已知Kp是用平衡分压代替浓度计算所得的平衡常数,分压=总压气体的物质的量分数)。.Mn3C(s)+4CO2(g) 3MnO(s)+5CO(g)Kp().Mn(s)+CO2(g) MnO(s)+CO(g)Kp().Mn3C(s)+CO2(g) 3Mn(s)+2CO(g)Kp()H0的反应是(填“”“”或“”)。1 200 K时,在一体积为2 L的恒容密闭容器中有17.7 g Mn3C(s)和0.4
3、 mol CO2,只发生反应,5 min后达到平衡,此时CO的浓度为0.125 mol/L,则05 min内v(CO2)= 。在一体积可变的密闭容器中加入一定量的Mn(s)并充入一定量的CO2(g),只发生反应,下列能说明反应达到平衡的是(填字母)。A.容器的体积不再改变B.固体的质量不再改变C.气体的总质量不再改变答案(1)-39.031024(或15NA)(2)2H1+H2Al4C3+12HCl 4AlCl3+3CH4(3)0.02 molL-1min-1BC解析(1)反应23Al2O3+15C+5N2 2Al23O27N5+15CO中,产物Al23O27N5中氮元素的化合价为-3,该反应
4、中每生成1 mol Al23O27N5,转移的电子数为53NA=15NA。(2)已知.Al2O3(s)+3C(s) Al2OC(s)+2CO(g)H1.2Al2OC(s)+3C(s) Al4C3(s)+2CO(g)H2.2Al2O3(s)+9C(s) Al4C3(s)+6CO(g)H3根据盖斯定律,由2+得反应,则H3=2H1+H2;Al4C3可与足量盐酸反应制备一种最简单的烃(CH4),根据质量守恒定律可得反应的化学方程式为Al4C3+12HCl 4AlCl3+3CH4。(3)由题图中信息可知,反应升高温度,lnK增大,则K增大,平衡正向移动,说明其正反应为吸热反应,H0;05 min内v(
5、CO2)=45v(CO)=450.125 mol/L5 min=0.02 molL-1min-1;反应.Mn(s)+CO2(g) MnO(s)+CO(g)为气体体积不变的放热反应,根据“变量不变达平衡”进行判断,反应为气体体积不变的反应,反应过程中容器的体积不是变量,不能作为平衡状态的判断依据,选项A不符合题意;反应是一个固体质量增大的反应,固体的质量为变量,当固体的质量不再改变说明反应达到平衡状态,选项B符合题意;反应是一个气体质量减小的反应,气体的总质量为变量,当气体的总质量不再改变说明反应达到平衡状态,选项C符合题意。2.纳米级Cu2O由于具有优良的催化性能而受到关注,下表为制取Cu2O
6、的两种方法:方法a用炭粉在高温条件下还原CuO方法b电解法,反应为2Cu+H2O Cu2O+H2(1)已知:2Cu(s)+ 12O2(g)Cu2O(s)H1=-169 kJmol-1C(s)+12O2(g)CO(g)H2=-110.5 kJmol-1Cu(s)+12O2(g)CuO(s)H3=-157 kJmol-1则方法a中反应的热化学方程式是 。(2)方法b是用肼燃料电池为电源,通过离子交换膜电解法控制电解液中OH-的浓度来制备纳米Cu2O,装置如图所示:上述装置中B电极应连电极(填“C”或“D”)。该离子交换膜为离子交换膜(填“阴”或“阳”),该电解池的阳极反应式为 。原电池中负极反应式
7、为 。(3)在相同体积的恒容密闭容器中,用以上方法制得的两种Cu2O分别进行催化分解水的实验:2H2O(g) 2H2(g)+O2(g)H0。水蒸气的浓度随时间t的变化如下表所示:催化剂的催化效率:实验实验(填“”或“”)。实验的化学平衡常数K1、K2、K3的大小关系为。答案(1)2CuO(s)+C(s) Cu2O(s)+CO(g)H=+34.5 kJmol-1(2)D阴2Cu-2e-+2OH- Cu2O+H2ON2H4-4e-+4OH- N2+4H2O(3)K1=K2K3解析(1)据盖斯定律可知反应2CuO(s)+C(s) Cu2O(s)+CO(g)的H=H1+H2-2H3=+34.5 kJm
8、ol-1。(2)在燃料电池中,通入燃料的一极为负极,所以C为负极,D为正极;用电解法制备纳米Cu2O时,Cu电极应为阳极,与电池正极相连,故B电极应连D电极。电解池中,A极反应式为2H2O+2e- H2+2OH-,B极反应式为Cu+2OH-2e- Cu2O+H2O,A极产生OH-,B极消耗OH-,故离子交换膜为阴离子交换膜。原电池负极上N2H4失电子被氧化为N2,电极反应式为N2H4+4OH-4e- N2+4H2O。(3)根据题表数据知反应速率:实验实验,故催化剂的催化效率:实验实验。水的分解为吸热反应,升高温度,平衡正向移动,H2O的平衡转化率增大,故T1T2。对于吸热反应,升高温度,平衡常
9、数增大,故K1=K2H2NCH2COO-H3N+CH2COOHH2NCH2COO-+2H+ H3N+CH2COOH85.0解析(2)37 、p(O2)=2.00 kPa时,结合度(MbO2)为80.0%,由结合度的定义可知,反应达平衡时c(MbO2)c(Mb)=80.0%1-80.0%=4,反应的平衡常数K=c(MbO2)c(Mb)p(O2)=42.00 kPa=2.00 kPa-1。由平衡常数K=c(MbO2)c(Mb)p(O2)=k正k逆可求出c(MbO2)=k正c(Mb)p(O2)k逆,代入结合度的定义:=c(MbO2)c(MbO2)+c(Mb)可得,=k正p(O2)k正p(O2)+k逆
10、。(3)甘氨酸是两性物质,含有NH2和COOH,在强酸性溶液中,NH2与H+结合成NH3+,在强碱性溶液中,COOH与OH-反应生成COO-,结合三种离子的转化关系可判断,图中、和分别代表H2NCH2COO-、H3N+CH2COO-和H3N+CH2COOH。溶液呈中性时,lgc(H+)c(OH-)=0,溶液中离子浓度大小顺序为H3N+CH2COO-H2NCH2COO-H3N+CH2COOH。lgc(H+)c(OH-)=-8时,溶液中存在的主要是H2NCH2COO-,它与过量的HCl反应生成H3N+CH2COOH。根据滴定曲线的突跃范围知,消耗HClO4溶液17.25 mL,减去空白实验的0.2
11、5 mL,实际消耗滴定液17.00 mL,HClO4与甘氨酸11发生反应,则有n(甘氨酸)=n(HClO4)=0.100 0 molL-117.0010-3 L,m(甘氨酸)=1.710-3 mol75 gmol-1=0.127 5 g=127.5 mg,故样品纯度=127.5 mg150 mg100%=85.0%。2.以氧化铝为原料,通过碳热还原法可合成氮化铝(AlN);通过电解法可制取铝。电解铝时阳极产生的CO2可通过二氧化碳甲烷化等再利用。请回答:(1)已知:2Al2O3(s) 4Al(g)+3O2(g)H1=+3 351 kJ/mol2C(s)+O2(g) 2CO(g)H2=-221
12、kJ/mol2Al(g)+N2(g) 2AlN(s)H3=a kJ/molAl2O3(s)+3C(s)+N2(g) 2AlN(s)+3CO(g)H4=+1 026 kJ/mol反应的a=,反应自发进行的条件是(填“高温”“低温”或“任意温度”)。(2)在常压、Ru/TiO2催化下,CO2和H2的混合气体(体积比14,总物质的量为x mol)进行反应,测得CO2转化率、CH4和CO选择性随温度变化的情况分别如图1和图2所示(选择性:转化的CO2中生成CH4或CO的百分比)。反应:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)H5反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)H
13、6图1图2下列说法正确的是。A.H5小于零B.温度可影响产物的选择性C.CO2平衡转化率随温度升高先增大后减小D.其他条件不变,将CO2和H2的初始体积比改变为13,可提高CO2平衡转化率350 时,反应在t1时刻达到平衡,平衡时容器体积为y L,该温度下反应的平衡常数为(用x、y表示)。(3)CO2溶于水形成H2CO3。已知常温下H2CO3的电离平衡常数K1=4.410-7,K2=4.710-11,NH3H2O的电离平衡常数Kb=1.7510-5。请计算反应NH4+HCO3-+H2O NH3H2O+H2CO3在常温下的平衡常数K=。(结果保留一位小数)(4)据文献报道,二氧化碳可以在酸性水溶
14、液中用惰性电极电解得到乙烯,其原理如图所示。b电极上的电极反应式为 ,该装置中使用的是(“阴”或“阳”)离子交换膜。答案(1)-318高温(2)AB625y2x2(3)1.310-3(4)2CO2+12H+12e- C2H4+4H2O阳解析(1)已知2Al2O3(s) 4Al(g)+3O2(g)H1=+3 351 kJ/mol,2C(s)+O2(g) 2CO(g)H2=-221 kJ/mol,2Al(g)+N2(g) 2AlN(s)H3=a kJ/mol,Al2O3(s)+3C(s)+N2(g) 2AlN(s)+3CO(g)H4=+1 026 kJ/mol,根据盖斯定律,+3+2=2,解得H3
15、=-318 kJ/mol;若G=H-TS0,S0,因此该反应能自发进行的条件为高温。(2)根据题中图1可知,CO2的转化率先增大是因为反应正向进行,到一定温度时达到平衡,再升高温度CO2的转化率减小,说明正反应为放热反应,H5小于零,故A正确;由题中图2可知,随温度升高甲烷的选择性降低,CO的选择性增加,因此温度可影响产物的选择性,故B正确;CO2转化率先增大是因为反应正向进行未达到平衡状态,达到平衡状态后,随温度升高CO2的转化率减小,温度低于350 时反应未达到平衡,不是平衡转化率,故C错误;CO2和H2的混合气体(体积比14,总物质的量x mol)进行反应,其他条件不变,将CO2和H2的
16、初始体积比改变为13,相当于减小氢气的量,CO2平衡转化率减小,故D错误。350 时,反应在t1时刻达到平衡,平衡时容器体积为y L,二氧化碳的转化率为80%,根据三段式法有: CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)起始量(mol) 0.2x 0.8x 0 0转化量(mol) 0.16x 0.64x 0.16x 0.32x平衡量(mol) 0.04x 0.16x 0.16x 0.32x平衡常数K=0.16xy(0.32xy)20.04xy(0.16xy)4=625y2x2。(3)反应NH4+HCO3-+H2O NH3H2O+H2CO3的平衡常数K=c(NH3H2O)c(H2CO3)c(NH4+)c(HCO3-)=c(H+)c(OH-)Kb(NH3H2O)K1(H2CO3)1.310-3。(4)由题图可知,电解时二氧化碳在b极上得电子发生还原反应生成乙烯,电极反应式为2CO2+12H+12e- C2H4+4H2O,因离子交换膜只允许氢离子通过,所以是阳离子交换膜。