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1化学反应原理综合应用(非选择题)1.(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·mol-1CuCl(s)+O2(g)CuO(s)+Cl2(g)ΔH2=-20kJ·mol-1CuO(s)+2HCl(g)CuCl2(s)+H2O(g)ΔH3=-121kJ·mol-1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:2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)根据题中示意图可以看出随着温度的升高,HCl的转化率降低,说明升高温度平衡逆向移动,正反应为放热反应,所以温度越高,反应进行的程度越小,K值越小,即K(300℃)大于K(400℃)。相同条件下进料浓度比c(HCl)∶c(O2)越大,HCl的转化率越低;进料浓度比c(HCl)∶c(O2)越小,HCl的转化率越高。即三条曲线中,最上面一条是c(HCl)∶c(O2)=1∶1的变化曲线。将400℃时的数据代入可得:K=。由示意图可以看出进料浓度比过高或过低对反应都不利,过高会造成HCl利用率降低,过低会有大量氧气剩余,分离氧气能耗过高。(2)利用盖斯定律解答本题。CuCl2(s)CuCl(s)+Cl2(g)ΔH1=83kJ·mol-1①CuCl(s)+O2(g)CuO(s)+Cl2(g)ΔH2=-20kJ·mol-1②CuO(s)+2HCl(g)CuCl2(s)+H2O(g)ΔH3=-121kJ·mol-1③则4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)可由①×2+②×2+③×2得到,所以其ΔH=83×2+(-20)×2+(-121)×2=-116(kJ·mol-1)。(3)根据平衡移动原理,为了提高HCl的转化率,使反应4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)正向移动,可以采用增大反应体系压强、及时分离出产物等措施。(4)根据示意图中H+的流动方向可以判断电源的正负极情况,左侧为负极,右侧为正极。根据示意图中负极区物质的转化可以写出相应的方程式:Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O。在反应中,1molO2得到4mol电子,所以转3移1mol电子时消耗氧气0.25mol,在标准状况下的体积为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++2H2O5.62.氮、硫及其化合物在工农业生产生活中有着重要作用。回答下列问题:(1)有人设想利用CO还原SO2。已知S和CO的燃烧热分别是296.0kJ·mol-1、283.0kJ·mol-1,请写出CO还原SO2生成CO2和S(s)的热化学方程式_______。(2)某科研小组研究臭氧氧化-碱吸收法同时脱除SO2和NO工艺,氧化过程反应原理及反应热、活化能数据如下:反应Ⅰ:NO(g)+O3(g)NO2(g)+O2(g)ΔH1=-200.9kJ·mol-1Ea1=3.2kJ·mol-1反应Ⅱ:SO2(g)+O3(g)SO3(g)+O2(g)ΔH2=-241.6kJ·mol-1Ea2=58kJ·mol-1已知该体系中臭氧发生分解反应:2O3(g)3O2(g)。请回答:其他条件不变,每次向容积为2L的反应器中充入含2.0molNO、2.0molSO2的模拟烟气和4.0molO3,改变温度,反应相同时间t后体系中NO和SO2的转化率如图所示:①由图可知相同温度下NO的转化率远高于SO2,结合题中数据分析其可能原因_________________。②下列说法正确的是________。A.Q点一定为平衡状态点B.温度高于200℃后,NO和SO2的转化率随温度升高显著下降、最后几乎为零4C.其他条件不变,若扩大反应器的容积可提高NO和SO2的转化率D.臭氧氧化过程不能有效地脱除SO2,但后续步骤碱吸收可以有效脱硫③假设100℃时P、Q均为平衡点,此时反应时间为5min,发生分解反应的臭氧占充入臭氧总量的10%,则体系中剩余O3的物质的量是______mol;SO2的平均反应速率为________;反应Ⅰ在此时的平衡常数为________。(3)以连二硫酸根(S2)为媒介,使用间接电化学法也可处理燃煤烟气中的NO,装置如图所示:①ab是________(填“阳”或“阴”)离子交换膜。阴极区的电极反应式为__。②若NO吸收转化后的产物为N,通电过程中吸收4.48LNO(标准状况下),则阳极可以产生________mol气体。【解析】(1)已知S和CO的燃烧热分别是296.0kJ·mol-1、283.0kJ·mol-1,则①S(s)+O2(g)SO2(g)ΔH=-296.0kJ·mol-1②CO(g)+1/2O2(g)CO2(g)ΔH=-283.0kJ·mol-1根据盖斯定律可知②×2-①即得到CO还原SO2的热化学方程式2CO(g)+SO2(g)2CO2(g)+S(s)ΔH=-270kJ·mol-1。(2)①反应Ⅰ的活化能小于反应Ⅱ,相同条件下更易发生反应,因此相同温度下NO的转化率远高于SO2;②A.随着反应的进行,反应物的转化率逐渐增大,因此Q点不一定为平衡状态点,可能是建立平衡过程中的一个点,A错误;B.根据图象,温度高于200℃后,NO和SO2的转化率随温度升高显著下降、最后几乎为零,B正确;C.根据2O3(g)3O2(g)可知其他条件不变,若扩大反应器的容积,压强减小,平衡正向移动,使得臭氧的浓度减小,氧气浓度增大,反应Ⅰ和反应Ⅱ的平5衡逆向移动,NO和SO2的转化率减小,C错误;D.根据图象,臭氧氧化过程中二氧化硫的转化率较低,不能有效地脱除SO2,二氧化硫是酸性氧化物,能够被氢氧化钠溶液吸收,D正确;③假设100℃时P、Q均为平衡点,此时反应时间为5min,发生分解反应的臭氧占充入臭氧总量的10%,发生分解反应的臭氧为4mol×10%=0.4mol,根据反应Ⅰ:NO(g)+O3(g)NO2(g)+O2(g),平衡时NO的转化率为80%,反应的臭氧为2mol×80%=1.6mol;反应Ⅱ:SO2(g)+O3(g)SO3(g)+O2(g),平衡时二氧化硫的转化率为30%,反应的臭氧为2mol×30%=0.60mol;最终剩余臭氧4mol-0.4mol-1.60mol-0.60mol=1.4mol;5min内SO2的平均反应速率==0.06mol·(L·min)-1;平衡时NO、O3、NO2、O2的物质的量分别为0.4mol、1.4mol、1.6mol、0.4mol×+1.6mol+0.6mol=2.8mol,反应Ⅰ在此时的平衡常数==8;(3)①由图可知,阴极区通入液体主要含S,流出液体主要含S2,所以阴极区电极反应式为2S+4H++2e-S2+2H2O,由于阴极需要消耗氢离子,则ab是阳离子交换膜;②4.48LNO(标准状况下)的物质的量是0.2mol,由于NO吸收转化后的产物为N,则电路中转移1mol电子;阳极氢氧根放电产生氧气,产生氧气的物质的量是1mol÷4=0.25mol。答案:(1)2CO(g)+SO2(g)2CO2(g)+S(s)ΔH=-270kJ·mol-1(2)①反应Ⅰ的活化能小于反应Ⅱ,相同条件下更易发生反应②BD③1.40.06mol·(L·min)-18(3)①阳2S+4H++2e-S2+2H2O②0.253.甲醇水蒸气重整制氢(SRM)是用于驱动电动汽车的质子交换膜燃料电池的理想氢源,当前研究主要集中在提高催化剂活性和降低尾气中CO含量,以免使燃料电池Pt电极中毒。重整过程发生的反应如下:反应ⅠCH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)ΔH1反应ⅡCH3OH(g)CO(g)+2H2(g)ΔH26反应ⅢCO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)ΔH3其对应的平衡常数分别为K1、K2、K3,其中K2、K3随温度变化如下表所示:125℃225℃325℃K20.5535185.89939.5K31577137.528.14请回答:(1)反应Ⅱ能够自发进行的条件是________(填“低温”“高温”或“任何温度”),ΔH1______(填“”“”或“=”)ΔH3。(2)相同条件下,甲醇水蒸气重整制氢较甲醇直接分解制氢(反应Ⅱ)的先进之处在于________。(3)在常压、Cat.1催化下,CH3OH和H2O混合气体(体积比1∶1.2,总物质的量2.2mol)进行反应,t1时刻测得CH3OH转化率及CO、CO2选择性随温度变化情况分别如图所示(CO、CO2的选择性:转化的CH3OH中生成CO、CO2的百分比)。注:曲线a表示CH3OH的转化率,曲线b表示CO的选择性,曲线c表示CO2的选择性。①下列说法不正确的是________。A.反应适宜温度为300℃B.工业生产通常在负压条件下进行甲醇水蒸气重整C.已知Cat.2催化剂具有更高催化活性,可提高甲醇平衡转化率D.添加CaO的复合催化剂可提高氢气产率②260℃时H2物质的量随时间的变化曲线如图所示。画出300℃时至t1时刻H2物质的量随时间的变化曲线。7(4)副产物CO2可以在酸性水溶液中电解生成甲酸,生成甲酸的电极反应式是____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。【解析】(1)由表中数据可得,随温度升高,K2增大,即反应Ⅱ向右移动,说明反应Ⅱ是吸热反应,ΔH20,由反应方程式可得ΔS20,已知反应能够自发进行的条件是ΔH2-TΔS20,推知反应Ⅱ需要在高温下才能自发进行;由于K3随温度升高而减小,即反应Ⅲ向左移动,说明反应Ⅲ是放热反应,ΔH30,根据盖斯定律,ΔH1=ΔH2+ΔH3ΔH3。(2)由反应Ⅰ和反应Ⅱ的方程式比较可知,反应物甲醇转化率高,产物中氢气含量高,且几乎没有CO。(3)①A、由图象可知CH3OH的转化率在高于260℃时较高,但在300℃时,CO的选择性最高,而CO2的选择性最低,所以300℃不是反应适宜的温度,最好在260℃时,故A不正确;B、根据反应方程式可知,减小压强会降低反应速率,不适合工业生产,所以B不正确;C、催化剂能够加快反应速率,但不能改变反应物的转化率,所以C不正确;D、催化剂能加快反应速率,且CaO能吸收CO2,从而促使反应Ⅰ