题目内容

8.能源和环境保护是世界各国关注的热点话题.请回答下列问题:
Ⅰ.目前“低碳经济”正成为科学家研究的主要课题.甲烷自热重整是一种先进的制氢方法,其反应方程式为CH4(g)+H2O (g)=CO (g)+3H2(g).
阅读下图1,计算该反应的反应热△H=+161.1kJ•mol-1.

Ⅱ.收集和利用CO2是环境保护的热点课题.
500℃时,在容积为1L的密闭容器中充入1mol CO2和3mol H2,发生如下反应:
CO2(g)+3H2 (g)=CH3OH (g)+H2O (g)△H<0,测得CO2和CH3OH的浓度与时间的关系如图2所示.

(1)0~10min内v(H2)=0.225 mol/(L.min),A点含义是该条件下反应3min时c(CO2)=c(CH3OH).该反应平衡常数表达式K=$\frac{c(C{H}_{3}OH).c({H}_{2}O)}{c(C{O}_{2}).{c}^{3}({H}_{2})}$.
(2)反应在500℃达到平衡后,改变反应温度为T,CH3OH的浓度以每分钟0.030mol/L逐渐增大,经5min又达到新平衡.T<(填“>”、“<”或“=”)500℃,判断理由是改变温度,甲醇的浓度增大,说明平衡正向移动,因为该反应的正反应是放热反应,则T<500℃.
(3)温度为T时,反应达到平衡后,将反应容器的容积增大一倍.平衡向逆(填“正”或“逆”)反应方向移动,判断理由是该反应的逆反应是气体分子数增大的反应,增大容器容积,相当于减小压强,平衡向气体分子数增大的方向移动.
Ⅲ.电化学法处理SO2是目前研究的热点.利用双氧水吸收SO2可消除SO2污染,设计装置如图3所示.
(1)石墨1为负极(填“正极”或“负极”);正极的电极反应式为H2O2+2e-+2H+=2H2O.
(2)若11.2L(标准状况)SO2参与反应,则迁移H+的物质的量为1mol.

分析 I.由能量图,得①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)△H=-846.3kJ•moL-1
②CO2(g)═CO(g)+$\frac{1}{2}$O2(g)△H=+282kJ•moL-1
③$\frac{1}{2}$O2(g)+H2(g)═H2O(g)△H=-241.8kJ•moL-1
①-③×3+②得CH4(g)+H2O(g)$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO(g)+3H2(g),焓变进行相应的计算;
II.(1)先计算二氧化碳的平均反应速率,再根据同一可逆反应中同一时间内各物质的反应速率等于其计量数之比计算氢气平均反应速率;A点说明该条件下该时间点两种物质的浓度相等;
化学平衡常数K等于生成物浓度幂之积与反应物幂之积的比;
(2)升高温度平衡向吸热方向移动,降低温度,平衡向放热方向移动;
(3)体积增大,压强减小,平衡向气体体积增大的方向移动;
III.(1)该原电池中,通入二氧化硫的电极上失电子发生氧化反应,则通入二氧化硫的电极是负极、通入双氧水的电极是正极,正极上双氧水得电子生成水;
(2)n(SO2)=$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol,根据转移电子和转移氢离子之间的关系式计算.

解答 解:Ⅰ(1)由能量图,得①CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)△H=-846.3kJ•moL-1
②CO2(g)═CO(g)+$\frac{1}{2}$O2(g)△H=+282kJ•moL-1
③$\frac{1}{2}$O2(g)+H2(g)═H2O(g)△H=-241.8kJ•moL-1
①-③×3+②得CH4(g)+H2O(g)$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO(g)+3H2(g)△H=(-846.3+241.8×3+282)kJ•moL-1=+161.1kJ•moL-1;故答案为:+161.1kJ/mol;
II.(1)0~10min内v(CO2)=$\frac{1.00-0.25}{10}$ mol/(L.min)=0.075 mol/(L.min),再根据同一可逆反应中同一时间内各物质的反应速率等于其计量数之比得v(H2)=3v(CO2)=3×0.075 mol/(L.min)=0.225mol/(L.min);A点说明该条件下反应3min时两种物质的浓度相等,即c(CO2)=c(CH3OH);
化学平衡常数K等于生成物浓度幂之积与反应物幂之积的比,即K=$\frac{c(C{H}_{3}OH).c({H}_{2}O)}{c(C{O}_{2}).{c}^{3}({H}_{2})}$,
故答案为:0.225mol/(L.min);该条件下反应3min时c(CO2)=c(CH3OH);$\frac{c(C{H}_{3}OH).c({H}_{2}O)}{c(C{O}_{2}).{c}^{3}({H}_{2})}$;
(2)该反应的正反应是放热反应,改变反应温度为T,CH3OH的浓度以每分钟0.030mol/L逐渐增大,说明平衡正向移动,温度要低于500℃,
故答案为:<;改变温度,甲醇的浓度增大,说明平衡正向移动,因为该反应的正反应是放热反应,则T<500℃;
(3)该反应前后气体体积减小,体积增大,压强减小,平衡向气体体积增大的方向移动,即逆向移动,
故答案为:逆;该反应的逆反应是气体分子数增大的反应,增大容器容积,相当于减小压强,平衡向气体分子数增大的方向移动;
III.(1)该原电池中,通入二氧化硫的电极上失电子发生氧化反应,则通入二氧化硫的电极是负极、通入双氧水的电极是正极,正极上双氧水得电子生成水,电极反应式为H2O2+2e-+2H+=2H2O,
故答案为:负极;H2O2+2e-+2H+=2H2O;
(2)n(SO2)=$\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.5mol,该反应的负极反应式为SO2+2H2O-2e-=SO42-+4H+,正极电极反应式为H2O2+2e-+2H+=2H2O,有0.5mol二氧化硫参加反应,有2mol氢离子在正极上发生反应,则迁移H+的物质的量为反应的二氧化硫的2倍,为1mol,
故答案为:1mol.

点评 本题涉及化学平衡计算、反应热计算、原电池原理等知识点,为高频考点,侧重考查学生分析计算及知识综合运用能力,明确外界条件对化学平衡影响及电极反应式的书写方法是解本题关键,书写电极反应式要结合电解质溶液酸碱性,题目难度不大.

练习册系列答案
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16.固体硝酸盐加热易分解且产物较复杂.某学习小组以Mg(NO3)2为研究对象,拟通过实验探究其热分解的产物,提出如下4种猜想:
甲:Mg(NO2)2、NO2、O2   乙:MgO、NO2、O2  丙:Mg3N2、O2  丁:MgO、NO2、N2
(1)实验前,小组成员经讨论认定猜想丁不成立,理由是不符合氧化还原反应原理(或其它合理答案).
查阅资料得知:2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O针对甲、乙、丙猜想,设计如图所示的实验装置(图中加热、夹持仪器等均省略):

(2)实验过程:
①取器连接后,放人固体试剂之前,关闭k,微热硬质玻璃管(A),观察到E 中有气泡连续放出,表明装置气密性良好.
②称取Mg(NO3)2固体3.79g置于A中,加热前通人N2以驱尽装置内的空气,其目的是避免对产物O2的检验产生干扰(或其它合理答案);关闭K,用酒精灯加热时,正确操作是先移动酒精灯预热硬质玻璃管然后固定在管中固体部位下加热.
③观察到A 中有红棕色气体出现,C、D 中未见明显变化.
④待样品完全分解,A 装置冷却至室温、称量,测得剩余固体的质量为1.0g
⑤取少量剩余固体于试管中,加人适量水,未见明显现象.
( 3 )实验结果分析讨论:
①根据实验现象和剩余固体的质量经分析可初步确认猜想乙是正确的.
②根据D 中无明显现象,一位同学认为不能确认分解产物中有O2,因为若有O2,D中将发生氧化还原反应:2Na2SO3+O2=2Na2SO4(填写化学方程式),溶液颜色会退去;小组讨论认定分解产物中有O2存在,未检侧到的原因是O2在通过装置B时已参与反应(或其它合理答案).
③小组讨论后达成的共识是上述实验设计仍不完善,需改进装里进一步研究.
13.(1)火山喷发所产生的硫磺可用于生产重要的化工原料硫酸.某企业用下图所示的工艺流程生产硫酸:

请回答下列问题
①为充分利用反应放出的热量,接触室中应安装热交换器(填设备名称).吸收塔中填充有许多瓷管,其作用是增加三氧化硫与浓硫酸的接触面积,有利于三氧化硫的吸收.
②为使硫磺充分燃烧,经流量计1通入燃烧室的氧气过量50%.为提高SO2转化率,经流量计2的氧气量为接触室中二氧化硫完全氧化时理论需氧量的2.5倍,则生产过程中流经流量计1和流量计2的空气体积比应为6:5.假设接触室中SO2的转化率为95%,b管排出的尾气中二氧化硫的体积分数为0.0041.(空气中氧气的体积分数按0.2计),该尾气的处理方法是用氨水吸收.
③与以硫铁矿为原料的生产工艺相比,该工艺的特点是A(可多选).
A.耗氧量减少       B.二氧化硫的转化率提高
C.产生的废气减少                D.不需要使用催化剂
(2)硫酸的用途非常广泛,可应用于下列哪些方面BCD(可多选).
A.橡胶的硫化                  B.表面活性剂“烷基苯磺酸钠”的合成
C.铅蓄电池的生产           D.过磷酸钙的制备
(3)矿物燃料的燃烧是产生大气中SO2的主要原因之一.在燃煤中加入适量的石灰石,可有效减少煤燃烧时SO2的排放,请写出此脱硫过程中反应的化学方程式为:CaCO3$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CaO+CO2↑ SO2+CaO$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CaSO3 2CaSO3+O2$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CaSO4.

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