题目内容

11.节能减排是中国转型发展的必经之路,工业生产中联合生产是实现节能减排的重要措施,如图是几种工业生产的联合生产工艺:

请回答下列问题:
(1)装置甲为电解池(惰性电极),根据图示转化关系可知:A为Cl2(填化学式),阴极反应式为2H++2e-=H2 ↑.
(2)装置丙的反应物为Ti,而装置戊的生成物为Ti,这两个装置在该联合生产中并不矛盾,原因是进入装置丙的Ti含有的杂质较多,从装置戊中出来的Ti较为纯净装置戊进行反应时需要的环境为C(填字母序号).
A.HCl气体氛围中      B.空气氛围中        C.氩气氛围中      D.水中
(3)装置乙中发生的是工业合成甲醇的反应:CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)△H<0.
①该反应在不同温度下的化学平衡常数(K)如下表:
温度/℃250350
K2.041x
符合表中的平衡常数x的数值是B(填字母序号).
A.0      B.0.012      C.32.081      D.100
②若装置乙为容积固定的密闭容器,不同时间段各物质的浓度如下表:
c(CO)/mol•L-1c(H2)/mol•L-1c(CH3OH)/mol•L-1
0min0.8mol•L-11.6mol•L-10
2min0.6mol•L-1y0.2mol•L-1
4min0.3mol•L-10.6mol•L-10.5mol•L-1
6min0.3mol•L-10.6mol•L-10.5mol•L-1
反应从2min到4min之间,H2的平均反应速率为0.3mol•L-1•min-1,反应达到平衡时CO的转化率为62.5%,反应在第2min时改变了反应条件,改变的条件可能是A(填字母序号).
A.使用催化剂     B.降低温度     C.增加H2的浓度.

分析 由图可知,甲为电解饱和食盐水生成NaOH、氢气、氯气,丙中Ti与氯气反应生成四氯化钛,乙中合成甲醇,可知A为氯气,B为氢气,C为NaOH,装置戊中Na还原出Ti,应防止钠被氧化,装置丁中C还原二氧化钛生成Ti和CO,装置己是碱性条件下的甲醇燃料电池.
(1)装置甲为电解池,用惰性电极电解饱和氯化钠溶液,A和金属钛反应生成四氯化钛,故A为氯气;电解饱和氯化钠溶液阴极上是溶液中氢离子得到电子生成氢气;(2)反应前有金属钛,戊装置生成钛,一开始是含有较多杂质的钛和氯气反应生成四氯化钛后再用金属钠还原,制得较为纯净的钛,目的是提纯钛;金属钠能与空气、水、氯化氢反应,故装置戊反应的环境为在惰性气体的氛围中进行.
(3)①反应为放热反应,故温度升高,K减小,250℃时平衡常数为2.041,则350℃时的平衡常数小于2.041;
②反应从2min到4min之间,反应速率之比等于化学方程式计量数之比,氢气的反应速率为CO反应速率的2倍,反应达到平衡时CO的转化率=$\frac{消耗量}{起始量}$×100%,反应第2min改变了反应条件,反应速率比0-2min增大,改变的条件是加入了催化剂.

解答 解:(1)装置甲为电解池,用惰性电极电解饱和氯化钠溶液,A和金属钛反应生成四氯化钛,故A为氯气;电解饱和氯化钠溶液阴极上是溶液中氢离子得到电子发生还原反应生成氢气,电极反应式为:2H++2e-=H2 ↑,
故答案为:Cl2;2H++2e-=H2↑;
(2)反应前有金属钛,戊装置生成钛,前后并不矛盾,一开始是含有较多杂质的钛和氯气反应生成四氯化钛后再用金属钠还原,制得较为纯净的钛,故从戊装置中出来的金属钛较纯净.金属钠能与空气、水、氯化氢反应,故装置戊反应的环境为在惰性气体的氛围中进行,选项中只有氩气氛围中符合,故选C;
故答案为:进入装置丙的Ti含有的杂质较多,从装置戊中出来的Ti较为纯净;C;
(3)①反应为放热反应,故温度升高平衡逆向进行,平衡常数K减小,250℃时平衡常数为2.041,则350℃时的平衡常数小于2.041,
故答案为:B;
②反应从2min到4min之间,反应速率之比等于化学方程式计量数之比,氢气的反应速率为CO反应速率的2倍,V(H2)=2V(CO)=2×$\frac{0.6mol/L-0.3mol/L}{2min}$=0.3mol•L-1•min-1;反应达到平衡时CO的转化率为$\frac{0.8mol/L-0.3mol/L}{0.8mol/L}$×100%=62.5%,反应第2min时未达到平衡状态,改变了反应条件,反应速率比0-2min增大,说明改变的条件是加入了催化剂,选A;
故答案为:0.3mol•L-1•min-1;62.5%;A.

点评 本题考查化学平衡的计算,为高频考点,把握电化学原理、氧化还原反应、平衡常数与温度、转化率的计算、平衡移动为解答的关键,侧重分析与应用能力的考查,综合性较强,题目难度中等.

练习册系列答案
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19.某研究小组为探究Cu的化学性质及溶液环境对反应的影响,设计并完成了下列实验.
Ⅰ.探究Cu的化学性质
实验试剂1试剂2操作及现象
①

铜丝
氯气将加热后的铜丝伸入盛有氯气的集气瓶中,产生棕黄色的烟
②稀硝酸产生无色气体,遇空气变为红棕色
③0.1mol/LKMnO4溶液加热后,铜丝表面有黑色物质,溶液颜色无明显变化
(1)根据化合价分析,在化学反应中铜主要体现出的化学性质是还原性.
(2)写出铜与稀硝酸反应的离子方程式3Cu+8H++2NO3-═3Cu2++2NO↑+4H2O.
(3)向实验①的集气瓶中加水,随着水量的增加,溶液由黄色变为绿色,最后变为蓝色.
【查阅资料】
ⅰ.黄色与蓝色混合呈现绿色.
ⅱ.溶液中存在如下平衡:[Cu(H2O)4]2++4Cl-?[CuCl4]2-+4H2O
利用化学用语和文字解释溶液颜色变化的原因:[CuCl4]2-+4H2O?[Cu(H2O)4]2++4 Cl-,加水过程中,平衡正向移动,随着[Cu(H2O)4]2+的增加,溶液由黄色变为绿色,最后变为蓝色.
(4)反应③中溶液颜色无明显变化,是因为中性环境下反应很难进行.铜表面黑色的物质为CuO,同时有MnO2生成,则中性环境下反应很难进行的原因是:生成的CuO覆盖在铜的表面阻止反应继续.
Ⅱ.探究溶液环境对反应的影响
为进一步研究酸碱性对铜与0.1mol/L KMnO4溶液反应的影响,设计如图实验:
环境反应现象
酸性溶液紫红色变浅
碱性(1mL 1mol/L NaOH溶液)无明显现象
(1)探究酸性条件下反应时,试剂X是.溶液颜色变浅能否说明铜与0.1mol/L KMnO4溶液在酸性条件下发生了反应,理由是如果加入H2SO4溶液的体积是1 mL,对比碱性条件下的实验现象,则能说明发生了反应,如果加入H2SO4溶液的体积是大于1 mL,则有可能是稀释作用导致的溶液颜色变浅.
(2)对于铜与0.1mol/L KMnO4溶液在碱性环境下的反应提出如下假设:
假设Ⅰ:0.1mol/L KMnO4溶液在碱性环境下不能将铜氧化;
假设Ⅱ:0.1mol/L KMnO4溶液在碱性环境下与铜反应较慢.
设计实验验证:
将铜丝紧密缠绕在碳棒上放入碱性的溶液A中,溶液很快由紫红色变为深绿色、.一段时间后,溶液变为浅蓝绿色,试管底部出现棕褐色粉末(MnO2).①反应加快的原因是发生了电化学腐蚀,其正极发生的电极反应式为:MnO4-+e-→MnO42-、MnO42-+2e-+2H2O=MnO2+4OH-.
②通过上述实验得出结论.

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