(14分)甲醇是一种重要的化工原料,在生产中有着重要的应用。工业上用天然气为原料,分为两阶段制备甲醇:
(i)制备合成气:CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) △H1=+206.0kJ/mol
(ii)合成甲醇:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2
请回答下列问题:
(1)制备合成气:将1.0mol CH4和2.0mol H2O(g)通入反应室(容积为100L),在一定条件下发生反应(i);CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。
①已知100℃时达到平衡的时间为5min,则从反应开始到平衡,用氢气表示的平均反应速率为:v(H2) = 。
②图中p1 p2(填“<”、”“>”或“=”)。
③为解决合成气中H2过量而CO不足的问题,原料气中需添加CO2,发生反应如下:
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),为了使合成气配比最佳,理论上原料气中甲烷与二氧化碳体积比为 。
(2)合成甲醇:在Cu2O/ZnO作催化剂的条件下,向2L的密闭容器中通入1mol CO(g)和2mol H2(g),发生反应(ii),反应过程中,CH3OH的物质的量(n)与时间(t)及温度的关系如图所示。
①应(ii)需在 (填“高温”或“低温”)才能自发进行。
②据研究,反应过程中起催化作用的为Cu2O,反应体系中含少量的CO2 有利于维持Cu2O的量不变,
原因是 (用化学方程式表示)。
③在500℃恒压条件下,请在上图中画出反应体系中n(CH3OH)随时间t变化的总趋势图。
(3)工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯,其反应的热化学方程式为:
CH3OH(g)+CO(g)HCOOCH3(g) ,科研人员对该反应进行了研究,部分研究结果如下:
①从反应压强对甲醇转化率的影响“效率”看,工业制取甲酸甲酯应选择的压强是 。 (填“3.5×106Pa”、“4.0×106Pa”或“5.0×106Pa”)。
②实际工业生产中采用的温度是80℃,其理由是 。
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(物质结构与性质)钛呈银白色,因它坚硬、强度大、耐热、密度小,被称为高技术金属。目前生产钛采用氯化法,即将金红石或钛铁矿与焦炭混合,通入氯气并加热制得TiCl4:2FeTiO3+7Cl2+6C2TiCl4+2FeCl3+6CO; TiO2+2Cl2+2CTiCl4+2CO
将TiCl4蒸馏并提纯,在氩气保护下与镁共热得到钛:TiCl4+2MgTi+2MgCl2
MgCl2和过量Mg用稀盐酸溶解后得海绵状钛,再在真空熔化铸成钛锭。请回答下列问题:
(1)基态钛原子的价电子排布式为 。
(2)与CO互为等电子体的离子为 (填化学式)。
(3)在CH2Cl2、C6H6、CO2、C2H4中,碳原子采取sp1杂化的分子有 。
(4)TiCl4在常温下是无色液体,在水或潮湿空气中易水解而冒白烟。则TiCl4属于 (填“原子”、“分子”或“离子”)晶体。
(5)与钛同周期的另一种元素钴(Co)可形成分子式均为Co(NH3)5BrSO4的两种配合物,其中一种化学式为[Co(NH3)5Br]SO4,往其溶液中加BaCl2溶液时,现象是 ;往另一种配合物的溶液中加入BaCl2溶液时,无明显现象,若加入AgNO3溶液时,产生淡黄色沉淀,则第二种配合物的化学式为 。
(6)在自然界中TiO2有金红石、板钛矿、锐钛矿三种晶型,其中金红石的晶胞如右图所示,则其中Ti4+的配位数为 。
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Ⅰ:为了减少CO的排放,某环境研究小组以CO和H2 为原料合成清洁能源二甲醚(DME),反应如下:4H2(g) + 2CO(g) CH3OCH3(g) + H2O(g) ∆H=-198kJ/mol。
(1)如图所示能正确反映平衡常数K随温度变化关系的曲线是 (填曲线标记字母),其判断理由是 。
(2)在一定温度下,向2.0L固定的密闭容器中充入2molH2 和1molCO,经过一段时间后,反应4H2(g) + 2CO(g) CH3OCH3(g) + H2O(g) 达到平衡。反应过程中测得的部分数据见下表:
时间/min | 0 | 20 | 40 | 80 | 100 |
n(H2)/mol | 2.0 | 1.4 | 0.85 | 0.4 | — |
n(CO) /mol | 1.0 | — | 0.425 | 0.2 | 0.2 |
n(CH3OCH3) /mol | 0 | 0.15 | — | — | 0.4 |
n(H2O) /mol | 0 | 0.15 | 0.2875 | 0.4 | 0.4 |
①0—20min的平均反应速率V(co)= mol/(L·min);
②达平衡时,H2 的转化率为: ;
③在上述温度下,向平衡后的2L容器中再充入0.4molH2 和0.4molCH3OCH3 (g),则化学平衡 (向“正向”、“逆向”或“不”)移动。
(3)用Li2CO3 和Na2CO3 的熔融盐混合物作为电解质,CO为负极燃气,空气与CO2 的混合气体作为正极助燃气,制得在650℃工作的燃料电池,则负极反应式为:
,当燃料电池的电路中有0.2NA个电子发生转移,则标况下生成 _______升CO2 。
Ⅱ:已知在25℃时,Ksp[Mg(OH)2 ]=1.8X10-11,Ksp[Cu(OH)2 ]=2.2X10-20,在25℃下,向浓度均为0.1mol/L的MgCl2 和CuCl2 混合溶液中逐滴加入氨水,先生成 沉淀(填化学式)生成该沉淀的离子方程式为 。
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工业制硫酸的过程中利用反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g);△H<0,将SO2转化为SO3,尾气SO2可用NaOH溶液进行吸收.请回答下列问题:
(1)一定条件下,向一带活塞的密闭容器中充入2mol SO2和1mol O2发生反应,则下列说法正确的是_____________
A.若反应速率v(SO2)﹦v(SO3),则可以说明该可逆反应已达到平衡状态
B.保持温度和容器体积不变,充入2mol N2,化学反应速率加快
C.平衡后仅增大反应物浓度,则平衡一定右移,各反应物的转化率一定都增大
D.平衡后移动活塞压缩气体,平衡时SO2、O2的百分含量减小,SO3的百分含量增大
E.保持温度和容器体积不变,平衡后再充入2mol SO3,再次平衡时SO2的百分含量比原平衡时SO2的百分含量小
F.平衡后升高温度,平衡常数K增大
(2)将一定量的SO2(g)和O2(g)分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中,在不同温度下进行反应得到如下表中的两组数据:
实验编号 | 温度/℃ | 起始量/mol | 平衡量/mol | 达到平衡所需时间/min | ||
SO2 | O2 | SO2 | O2 | |||
1 | T1 | 4 | 2 | x | 0.8 | 6 |
2 | T2 | 4 | 2 | 0.4 | y | 9 |
①实验1从开始到反应达到化学平衡时,v(SO2)表示的反应速率为_____________;
②T1_____________T2,(选填“>”、“<”或“=”),实验2中达平衡时 O2的转化率为_____________;
(3)尾气SO2用NaOH溶液吸收后会生成Na2SO3.现有常温下0.1mol/L Na2SO3溶液,实验测定其pH约为8,完成下列问题:
①用离子方程式表示该溶液呈碱性的原因:_____________;
②该溶液中c(OH-)=c(Na+)+_____________(用溶液中所含微粒的浓度表示).
(4)如果用含等物质的量溶质的下列各溶液分别来吸收SO2,则理论吸收量由多到少的顺序是_____________
A.Na2CO3 B.Ba(NO3)2 C.Na2S D.酸性KMnO4
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SO2 、NO、NO2、CO都是污染大气的有害气体,对其进行回收利用是节能减排的重要课题。
(1)上述四种气体中直接排入空气时会引起酸雨的有__________(填化学式)。
(2)已知:2SO2(g)+ O2(g)=2SO3(g);△H=-196.6kJ/mol
O2(g)+2NO(g)=2NO2(g);△H=-113.0kJ/mol
①反应:NO2(g) +SO2(g)= SO3(g) +NO(g)的△H=_ kJ/mol。
②一定条件下,将NO2和SO2以体积比1:1置于恒温恒容的密闭容器中发生反应: NO2(g) +SO2(g) SO3(g) +NO(g),
下列不能说明反应达到平衡状态的是_____(填字母)。
a.体系压强保持不变
b.混合气体的颜色保持不变
c.NO的物质的量保持不变
d.每生成1molSO3的同时消耗1molNO2
(3)CO可用于合成甲醇,其反应的化学方程式为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)。在一容积可变的密闭容器中充有10molCO和20mol H2,在催化剂作用下发生反应生成甲醇。CO的平衡转化率(α)与温度(T)、压强(p)的关系如图所示。
①上述合成甲醇的反应为______(填“放热”或“吸热”)反应。
②A、B、C三点的平衡常数KA、KB、KC的大小关系为___________。
③若达到平衡状态A时,容器的体积为10L,则在平衡状态B时容器的体积为_____L。
(4)某研究小组设计了如图所示的甲醇燃料电池装置。
①该电池工作时,OH-向______(填“a”或“b”)极移动。
②电池工作一段时间后,测得溶液的pH减小,则该电池总反应的离子方程式为__________________。
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铁是地壳中含量第二的金属元素,其单质、合金化合物在生产生活中的应用广泛。
(一)工业废水中有一定量的Cr2O72--和CrO42-,它们会对人类及生态系统产生很大的危害,必须进行处理。常用的处理方法是电解法,该法用Fe作电极电解含Cr2O72-的酸性废水,随着电解的进行,阴极附近溶液pH升高,产生Cr(OH)3沉淀。
(1)用Fe作电极的目的是____________________________________________________。
(2)阴极附近溶液pH升高的原因是___________(用电极反应式解释);溶液中同时生成的沉淀还有___________。
(二)氮化铁磁粉是一种磁记录材料,利用氨气在400℃以上分解得到的氮原子渗透到高纯铁粉中可制备氮化铁。制备高纯铁涉及的主要生产流程如下:
已知:①某赤铁矿石含60.0Fe2O3、3.6% FeO,还含有Al2O3、MnO2、CuO等。
②部分阳离子以氢氧化物形式完全沉淀时溶液的pH:
(3)步骤②中加双氧水的目的是__________________,pH控制在3.4的作用是_______________________;已知25℃时,Ksp[Cu(OH) 2] =2.0×10-20,该温度下反应:Cu2++2H2O Cu(OH) 2+2H+的平衡常数K=_______。
(4)如何判断步骤③中沉淀是否洗涤干净?_____________________________________。
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“霾”是当今世界环境热点话题。目前宁夏境内空气质量恶化原因之一是机动车尾气和燃煤产生的烟气。NO和CO气体均为汽车尾气的成分,这两种气体在催化转换器中发生如下反应:
2NO(g)+ 2CO(g) 2CO2(g)+ N2(g) △H=﹣a kJ•mol-1(a > 0)
(1)在一定温度下,将2.0mol NO、2.4mol CO气体通入到固定容积为2L的密闭容器中,反应过程中部分物质的浓度变化如图所示:
①0~15min N2的平均速率v(N2)= ;NO的转化率为 。
②20min时,若改变反应条件,导致CO浓度减小,则改变的条件可能是 (选填序号)。
a.缩小容器体积 b.增加CO的量 c.降低温度 d.扩大容器体积
③若保持反应体系的温度不变,20min时再向容器中充入NO、N2各0.4mol,化学平衡将 移动(选填“向左”、“向右”或“不”),重新达到平衡后,该反应的化学平衡常数为 。
(2)已知:2NO(g)+ O2(g)= 2NO2(g) △H=﹣b kJ•mol-1(b > 0)
CO的燃烧热△H=﹣c kJ•mol-1 (c > 0)
则在消除汽车尾气中NO2的污染时,NO2与CO发生反应的热化学反应方程式为: 。
(3)工业废气中含有的NO2还可用电解法消除。制备方法之一是先将NO2转化为N2O4, 然后采用电解法制备 N2O5,装置如图所示。 Pt乙为 极,电解池中生成N2O5的电极反应式是 。
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(16分)I.将一定量NO2和N2O4的混合气体通入体积为1L的恒温密闭容器中,各物质浓度随时间变化的关系如图1所示。
请回答:
(1)下列选项中不能说明该反应已达到平衡状态的是 (填选项字母)。
A.容器内混合气体的压强不随时间变化而改变
B.容器内混合气体的密度不随时间变化而改变
C.容器内混合气体的颜色不随时间变化而改变
D.容器内混合气体的平均相对分子质量不随时间变化而改变
(2)反应进行到10 min时,共吸收热量11.38 kJ,则该反应的热化学方程式为 ;
(3)计算该反应的平衡常数K= 。
(4)反应进行到20 min时,再向容器内充入一定量NO2,10min后达到新的平衡,此时测得c(NO2)=0.9 mol/L。
①第一次平衡时混合气体中NO2的体积分数为w1,达到新平衡后混合气体中NO2的体积分数为w2,则w1 w2 (填“>”、“=”或“<”);
②请在图2中画出20 min后各物质的浓度随时间变化的曲线(曲线上必须标出“X”和“Y”)。
II.(1)海水中锂元素储量非常丰富,从海水中提取锂的研究极具潜力。锂是制造化学电源的重要原料。如LiFePO4电池中某电极的工作原理如下图所示:
该电池的电解质为能传导Li+的固体材料。放电时该电极是电池的 极(填“正”或“负”),该电极反应式为 。
(2)用此电池电解含有0.1 mol/L CuSO4和0.1 mol/L NaCl的混合溶液100 mL,假如电路中转移了0.02 mol e-,且电解池的电极均为惰性电极,阳极产生的气体在标准状况下的体积是__________L。
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四川含有丰富的矿产资源,钒矿、硫铁矿、铜矿等七种矿产储量位居全国前列。回答下列问题:
(1)钒在元素周期表中的位置为 ,V3+的价电子排布图为 。
(2)钒的某种氧化物的晶胞结构如图1所示,其晶体的化学式为
(3)V2O5常用作SO2 转化为SO3的催化剂。SO2 分子中键角 120°(填“>”、“<”或“=”); SO3的三聚体环状结构如图2所示,该结构中S—O键长有两类,一类键长约140pm,另一类键长约为160pm,较短的键为 (填图2中字母),该分子中含有 个σ键。
(4)V2O5 溶解在NaOH溶液中,可得到钒酸钠(Na3VO4),该盐阴离子的立体构型为 ,例举与VO43-空间构型相同的一种阳离子和一种阴离子 (填化学式);也可以得到偏钒酸钠,其阴离子呈如图3所示的无限链状结构,则偏钒酸钠的化学式为 。
(5)硫能形成很多种含氧酸,如H2SO3、H2SO4。硫的某种含氧酸分子式为H2S2O7,属于二元酸,已知其结构中所有原子都达到稳定结构,且不存在非极性键,试写出其结构式 (配位键须注明)。
(6)利用铜萃取剂M,通过如下反应实现铜离子的富集:
M与W(分子结构如图)相比,M的水溶性小,更利于Cu2+的萃取。M水溶性小的主要原因是
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以某菱锰矿(含MnCO3、SiO2、FeCO3和少量Al2O3等)为原料通过以下方法可获得碳酸锰粗产品。
(已知:Ksp(MnCO3)=2.2×10-11,Ksp[Mn(OH)2]=1.9×10-13,Ksp[Al(OH)3]=1.3×10-33,Ksp[Fe(OH)3]=4.0×10-38)
(1)滤渣1中,含铁元素的物质主要是 (填化学式,下同);加NaOH调节溶液的pH约为5,如果pH过大,可能导致滤渣1中 含量减少。
(2)滤液2中,+1价阳离子除了H+外还有 (填离子符号)。
(3)取“沉锰”前溶液a mL于锥形瓶中,加入少量AgNO3溶液(作催化剂)和过量的1.5%(NH4)2S2O8溶液,加热,Mn2+被氧化为MnO,反应一段时间后再煮沸5 min[除去过量的(NH4)2S2O8],冷却至室温。选用适宜的指示剂,用b mol·L-1的(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液滴定至终点,消耗(NH4)2Fe(SO4)2标准溶液V mL。
①Mn2+与(NH4)2S2O8反应的还原产物为 (填化学式)。
②“沉锰”前溶液中c(Mn2+)= mol·L-1。
(4)其他条件不变,“沉锰”过程中锰元素回收率与NH4HCO3初始浓度(c0)、反应时间的关系如下图所示。
①NH4HCO3初始浓度越大,锰元素回收率越 (填“高”或“低”),简述原因 。
②若溶液中c(Mn2+)=1.0 mol·L-1,加入等体积1.8 mol·L-1 NH4HCO3溶液进行反应,计算20~40 min内v(Mn2+)= 。
高三化学简答题极难题查看答案及解析