教學(xué)考試雜志社“優(yōu)師計(jì)劃”階段性成果展示——化學(xué)反應(yīng)原理相關(guān)試題選登

【例1】三元催化，是指將汽車尾氣排出的CO、HC(碳?xì)浠衔?和NOx等有害氣體通過氧化和還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氮?dú)獾拇呋?。三元催化器的載體部件是一塊多孔陶瓷材料，安裝在特制的排氣管當(dāng)中。稱它是載體，是因?yàn)樗旧聿⒉粎⒓哟呋磻?yīng)，而是在上面覆蓋著一層鉑、銠、鈀等貴重金屬和稀土涂層。它可以把廢氣中的HC、CO變成水和CO2,同時(shí)把NOx分解成氮?dú)夂脱鯕?。HC、CO是有毒氣體，過多吸入會(huì)導(dǎo)致人死亡，而NOx會(huì)直接導(dǎo)致光化學(xué)煙霧的發(fā)生。

(1)圖甲是1 mol NO2(g)和1 mol HC(g)反應(yīng)生成N2和CO2、H2O過程中的能量變化示意圖，若在反應(yīng)體系中加入催化劑，反應(yīng)速率增大，E1的變化是(填“增大”“減小”或“不變”，下同)，ΔH的變化是，用電子式表示CO2的形成過程：________。

(2)經(jīng)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，NOx和HC是兩種導(dǎo)致光化學(xué)煙霧的主要?dú)怏w。通過三元催化后，將其轉(zhuǎn)化成CO2、N2和H2O?，F(xiàn)以NO2與CH4為研究對(duì)象，進(jìn)行相關(guān)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究：

Ⅰ.已知：在進(jìn)行三元催化過程中發(fā)生以下主要反應(yīng)。

物質(zhì)NO2CH4N2CO2H2O體積分?jǐn)?shù)0.250.250.1250.1250.25

此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=________。

(3)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，以二氧化鈦表面覆蓋Cu2Al2O4為催化劑，可以將CO2和HC直接轉(zhuǎn)化成乙醇。將乙醇以一定的比例回收沖入汽油中變成乙醇汽油，提高燃料的利用率。

①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙醇的生成速率如圖所示。250～300℃時(shí)，溫度升高而乙醇的生成速率降低的原因是______________。

②為了提高該反應(yīng)中HC的轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施是______________。

CO2在電極a放電的電極反應(yīng)式是______________。

【答案】(1)減小 不變

(3)①溫度超過250℃時(shí)，催化劑的催化效率降低 ②增大CO2的濃度(或及時(shí)將乙醇液化分離)

【解析】(1)催化劑由于改變了反應(yīng)途徑而改變反應(yīng)所需的活化能，但焓變值只與反應(yīng)體系的始末物質(zhì)種類和狀態(tài)有關(guān)，不受催化劑的影響；對(duì)于用電子式表示物質(zhì)的形成過程，只要抓住電子式是在原子層次表示物質(zhì)形成的過程即可。(2)考查的是蓋斯定律和平衡常數(shù)的計(jì)算。(3)考查的是速率的影響因素和平衡的影響因素(勒夏特列原理的應(yīng)用)。溫度超過250℃時(shí)，催化劑的催化效率降低，所以速率會(huì)下降。(4)考查的是電化學(xué)電極反應(yīng)式的書寫。從圖示中可以知道，CO2得到電子生成CO，再利用O2-平衡電荷和元素即可正確寫出該電極反應(yīng)式。

②T2溫度下，0～10 s內(nèi)，O2的反應(yīng)速率v(O2)=。T2溫度下，要減少NO2的分解率，并縮短達(dá)到平衡的時(shí)間，可采取的單一措施有______________。

③平衡常數(shù)KT1(填“大于”“小于”或“等于”，下同)KT2，理由是______________。

④T1溫度下，平衡常數(shù)KT1=，若平衡后再向體系中充入2 mol NO2(g)和2 mol NO(g)，反應(yīng)向(填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”)方向進(jìn)行。

【答案】(1)①32 ②0.02 mol·L-1·s-1增大NO2的濃度(其他合理答案均可) ③小于 (1分)T2時(shí)反應(yīng)速率較大，故T10，為吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡正向移動(dòng)，平衡常數(shù)增大，故KT1

(2)X點(diǎn)之前，增大壓強(qiáng)，平衡逆向移動(dòng)，N2的體積分?jǐn)?shù)減??；X點(diǎn)以后，由于壓強(qiáng)太大，水變?yōu)橐簯B(tài)，此時(shí)正反應(yīng)氣體系數(shù)減小，增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，N2的體積分?jǐn)?shù)增大

【例3】回收利用CO2是環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)課題，請(qǐng)回答以下問題：

(1)天然氣還原CO2制備合成氣的有關(guān)反應(yīng)如下：

(2)H2在一定條件下還原CO2制備HCOOH(沸點(diǎn)：100.7℃)，能量變化如圖1所示。

在1 L恒容密閉容器中充入一定量CO2、H2，發(fā)生如下反應(yīng)：

實(shí)驗(yàn)測(cè)得:v正=k正·c(H2)·c(CO2)，v逆=k逆·c(HCOOH)(k正、k逆為速率常數(shù)，只與溫度有關(guān))。TK 下達(dá)到平衡，H2的平衡轉(zhuǎn)化率為80%，c(CO2)=0.5 mol/L。

①達(dá)到平衡后，僅升高溫度，k正增大的倍數(shù)(填“大于”“小于”或“等于”)k逆增大的倍數(shù)。

②使用高效催化劑，下列活化能變化合理的是(填字母)。

選項(xiàng)ABCDE1/(kJ·mol-1)384404344374E2/(kJ·mol-1)359389329399

③改變下列條件時(shí)，ΔH可能發(fā)生變化的是________(填字母)。

a.升高溫度 b.降低溫度

c.增大氫氣濃度 d.加入催化劑

(3)用NaHCO3替代CO2作碳源加氫制備HCOOH。在反應(yīng)容器中加入NaHCO3水溶液、鋁粉和銅粉，在300℃下反應(yīng)。當(dāng)碳量一定時(shí)，鋁、銅的量對(duì)碳轉(zhuǎn)化量影響結(jié)果如圖所示。

實(shí)驗(yàn)組xyzgn(Al)/n(C)8∶18∶18∶12∶1n(Cu)/n(Al)2∶11∶11∶24∶1

由圖2可知，比較四條曲線，曲線g對(duì)碳轉(zhuǎn)化量影響很小的主要原因是。

當(dāng)碳的轉(zhuǎn)化量為25%時(shí)所采用的最佳實(shí)驗(yàn)條件是。

(4)工業(yè)上常用高濃度的K2CO3溶液吸收CO2得溶液X，再利用電解法使K2CO3溶液再生，其裝置如圖3所示：

①陽極區(qū)產(chǎn)生CO2的原因是(用離子方程式表示)；

【答案】(1)+247.0

(2)①大于 ②C ③b ④8 L·mol-1

(3)其他條件相同時(shí)，鋁的量對(duì)碳轉(zhuǎn)化量影響較大，g組實(shí)驗(yàn)鋁的量較小x(120 min)

【例4】汽車尾氣中排放的NOx和CO污染環(huán)境，在汽車尾氣系統(tǒng)中裝置催化轉(zhuǎn)化器，可有效降低NOx和CO的排放。

回答下列問題：

(1)CO的燃燒熱為。若1 mol N2(g)、1 mol O2(g)分子中化學(xué)鍵斷裂時(shí)分別需要吸收946 kJ、498 kJ 的能量，則NO2(g) 分子中一個(gè)氮氧鍵(設(shè)NO2分子中含2個(gè)氮氧鍵)斷裂時(shí)需吸收的能量為kJ。

(2)CO將NO2還原為單質(zhì)的熱化學(xué)方程式為。

時(shí)間/s012345c(NO)/(mol)2.000.900.500.300.200.20c(CO)/(mol)7.206.105.705.505.405.40

①前2 s內(nèi)的平均反應(yīng)速率v(N2)=，該溫度下，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=。

②關(guān)于該反應(yīng)說法正確的是(填字母)。

A.c(CO2)=c(NO) 時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡

B.該反應(yīng)的能量變化如圖甲

C.汽車尾氣冬天比夏天對(duì)環(huán)境的危害大

D.反應(yīng)達(dá)平衡后向其中通入一定量的NO，NO的轉(zhuǎn)化率增大

①t1時(shí)反應(yīng)速率變化的原因?yàn)開_____________，

②t2時(shí)改變的反應(yīng)條件為。

【答案】(1)-283 kJ/mol 469.5

(3)①0.037 5 mol·L-1·s-125 L/mol ②BC

(4)①由題設(shè)條件可知該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高反應(yīng)溫度，逆反應(yīng)速率大于正反應(yīng)速率，平衡逆向移動(dòng)，化學(xué)反應(yīng)速率增大 ②使用催化劑或增大反應(yīng)體系壓強(qiáng)

【例5】鍺(Ge)是第四周期ⅣA族元素,是重要的半導(dǎo)體材料，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛而重要的應(yīng)用。

(1)畫出鍺的原子結(jié)構(gòu)示意圖：______________。

(2)利用高品位二氧化鍺還原制得金屬鍺，而二氧化鍺可以通過在四氯化鍺中加入6.5倍體積的蒸餾水，攪拌后放置一晝夜，生成二氧化鍺沉淀，用冷水洗滌至洗液不含Cl-為止。200℃下干燥得到二氧化鍺產(chǎn)品。請(qǐng)寫出該過程的化學(xué)反應(yīng)方程式：。

①該反應(yīng)為(填“放熱”或“吸熱”)反應(yīng)，A、B、C三點(diǎn)的平衡常數(shù)K(A)、K(B)、K(C)的大小關(guān)系為，壓強(qiáng)的大小關(guān)系為p1(填“大于”“小于”或“等于”)p2。

②若A點(diǎn)時(shí)，保持容器容積和溫度不變，向容器中再充入2 mol CO(g)、4 mol H2(g)和2 mol CH3OH(g)，則v正(填“>”或“<”)v逆。

(4)以甲醇為原料設(shè)計(jì)成燃料電池：若以熔融Na2CO3作為電解質(zhì)，一極充入甲醇，另一極充入空氣和CO2氣體。

則充入空氣和CO2氣體的電極為極，充入甲醇電極的反應(yīng)式為。

(3)①放熱K(A)=K(B)>K(C) 小于 ②>

起始(mol/L) 4 8 0

轉(zhuǎn)化(mol/L) 2 4 2

平衡(mol/L) 2 4 2

【例6】氫氣既是一種優(yōu)質(zhì)的能源，又是一種重要化工原料，高純氫的制備是目前的研究熱點(diǎn)。

已知反應(yīng)器中存在如下反應(yīng)過程：

化學(xué)鍵H—HO—HC—HC←O鍵能E/(kJ·mol-1)436465a1 076

根據(jù)上述信息計(jì)算：a=，ΔH2=。

(2)CO2、CO分別與H2反應(yīng)生成CH4的lgK與T的關(guān)系如圖所示：

p1(填“大于”“小于”或“等于”)p2；為提高CO2平衡轉(zhuǎn)化率除改變溫度和壓強(qiáng)外，還可采取的措施是______________。(寫一條即可)

(5)氫氣可以還原乙醛(CH3CHO)得到乙醇，電解乙醛的酸性水溶液也可以制備出乙醇和乙酸，則生成乙酸的電極為(填“陰”或“陽”)極，對(duì)應(yīng)的電極反應(yīng)式為______________________。

【答案】(1)415.1 -41.4 kJ/mol

(2)小于 0

(3)大于 及時(shí)移出CH3OH或H2O(g)

起始物質(zhì)的量(mol) 1 3 0

變化物質(zhì)的量(mol)x2xx

平衡物質(zhì)的量(mol) 1-x3-2xx