第28题化学基本理论综合题

第28题化学基本理论综合题题组一化学反应中的能量变化与化学平衡的综合[解题指导]解答化学基本理论综合题的一般步骤步骤1：浏览全题，明确题已知和所求，挖掘解题切入点。

步骤2：(1)对于化学反应速率和化学平衡图像类试题：明确纵横坐标的含义→理解起点、终点、拐点的意义→分析曲线的变化趋势。

(2)对于图表数据类试题：分析数据→研究数据间的内在联系→找出数据的变化规律→挖掘数据的隐含意义。

(3)对于利用盖斯定律写热化学方程式或求ΔH类试题要做到：①明确待求热化学方程式中的反应物和生成物；②处理已知热化学方程式中的化学计量数和焓变；③叠加处理热化学方程式确定答案。

(4)对于电化学类试题：判断是原电池还是电解池→分析电极类别，书写电极反应式→按电极反应式进行相关计算。

(5)对于电解质溶液类试题：明确溶液中的物质类型及其可能存在的平衡类型，然后进行解答。

步骤3：针对题目中所设计的问题，联系相关理论逐个进行作答。

[挑战满分](限时30分钟)1．研究和深度开发CO、CO2的应用对构建生态文明社会具有重要的意义。

(1)CO可用于炼铁，已知：Fe2O3(s)＋3C(s)===2Fe(s)＋3CO(g)ΔH1＝＋489.0 kJ·mol－1，C(s)＋CO2(g)===2CO(g)ΔH2＝＋172.5 kJ·mol－1则CO还原Fe2O3(s)的热化学方程式为___________________________________________________________________________________________。

(2)分离高炉煤气得到的CO与空气可设计成燃料电池(以KOH溶液为电解液)。

写出该电池的负极反应式：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。

(3)CO2和H2充入一定体积的密闭容器中，在两种温度下发生反应：CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)，测得CH3OH的物质的量随时间的变化见图1。

①曲线Ⅰ、Ⅱ对应的平衡常数大小关系为KⅠ________(填“＞”、“＝”或“＜”)KⅡ。

②一定温度下，在容积相同且固定的两个密闭容器中，按如下方式加入反应物，一段时间后达到平衡。

且起始时维持化学反应向逆反应方向进行，则c的取值范围为_______________________。

(4)利用光能和光催化剂，可将CO2和H2O(g)转化为CH4和O2。

紫外光照射时，在不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下，CH4产量随光照时间的变化见图2。

在0～15小时内，CH4的平均生成速率Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ从大到小的顺序为________(填序号)。

(5)以TiO2/Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。

在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率的关系见图3。

①乙酸的生成速率主要取决于温度影响的范围是_______________________。

②Cu2Al2O4可溶于稀硝酸，写出有关的离子方程式：___________________________________________________________________________________________。

答案(1)Fe2O3(s)＋3CO(g)===2Fe(s)＋3CO2(g)ΔH＝－28.5 kJ·mol－1(2)CO＋4OH－－2e－===CO2－3＋2H2O(3)①＞②0.4＜c≤1(4)Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ(5)①300～400 ℃ ②3Cu 2Al 2O 4＋32H ＋＋2NO －3===6Cu 2＋＋6Al 3＋＋2NO ↑＋16H 2O解析 (1)热化学方程式①：Fe 2O 3(s)＋3C(s)===2Fe(s)＋3CO(g) ΔH 1＝＋489.0 kJ·mol －1。

热化学方程式②：C(s)＋CO 2(g)===2CO(g) ΔH 2＝＋172.5 kJ·mol －1CO 还原Fe 2O 3(s)的热化学方程式可以由①－②×3得到Fe 2O 3(s)＋3CO(g)===2Fe(s)＋3CO 2(g)ΔH ＝－28.5 kJ·mol －1。

(2)负极为失去电子一极即CO 作负极反应物，由于在碱性环境中，CO 2与OH －不共存，故生成CO 2－3，电极反应式为CO ＋4OH －－2e －===CO 2－3＋2H 2O 。

(3)曲线Ⅰ平衡时产物物质的量大，则平衡常数K Ⅰ＞K Ⅱ。

要使平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等，平衡后各物质的量应该与甲中平衡时的量相等。

假设平衡时转化CO 2(g)的物质的量为x mol CO 2(g)＋3H 2(g) CH 3OH(g)＋H 2O(g) 开始/mol 1 3 0 0 转化/mol x 3x x x 平衡/mol 1－x 3－3x x x 计算：4－2x 4＝0.8，则x ＝0.4由于平衡逆向进行，则c 应大于0.4，如果a 、b 等于零时，c 最大为1，则0.4＜c ≤1。

(4)由图2中0～15小时内CH 4的产量知，生成CH 4的速率Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ。

(5)②Cu 2Al 2O 4中Cu 为＋1价，Al 为＋3价，Cu ＋与硝酸反应生成Cu 2＋，硝酸会生成NO 。

反应离子方程式为3Cu 2Al 2O 4＋32H ＋＋2NO －3===6Cu 2＋＋6Al 3＋＋2NO ↑＋16H 2O 。

2．可燃冰的主要成分是甲烷，甲烷既是清洁燃料，也是重要的化工原料。

(1)甲烷和二氧化碳重整制合成气对温室气体的治理具有重大意义。

已知：CH 4(g)＋CO 2(g) 2CO(g)＋2H 2(g) ΔH ＝＋247.3 kJ·mol －1CH 4(g) C(s)＋2H 2(g) ΔH ＝＋75 kJ·mol －1①反应2CO(g)===C(s)＋CO 2(g)在________(填“高温”或“低温”)下能自发进行。

②合成甲醇的主要反应：2H 2(g)＋CO(g) CH 3OH(g) ΔH ＝－90.8 kJ·mol －1，T ℃时此反应的平衡常数为160。

此温度下，在密闭容器中开始只充入CO 、H 2，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：正)v逆。

生产过程中，合成气要进行循环，其目的是_________________________________________________。

③在一固定容积的密闭容器中发生反应2H2(g)＋CO(g) CH3OH(g)，若要提高CO的转化率，则可以采取的措施是________(填字母)。

a．升温b．加入催化剂c．增加CO的浓度d．加入H2加压e．加入惰性气体加压f．分离出甲醇(2)以甲烷为燃料的新型电池的成本大大低于以氢为燃料的传统燃料电池，下图是目前研究较多的一类固体氧化物燃料电池的工作原理示意图。

①B极为电池的________极，该电极的反应式为_____________________________________ ________________________________________________________________________。

②若用该燃料电池作电源，用石墨作电极电解100 mL 1 mol·L－1的硫酸铜溶液，当两极收集到的气体体积相等时，理论上消耗甲烷的体积为____________________________(标况下)。

答案(1)①低温②＞提高原料的利用率③df(2)①负CH4＋4O2－－8e－===CO2＋2H2O②1.12 L解析(1)①用已知的第二个热化学方程式减去第一个热化学方程式得：2CO(g)===C(s)＋CO2(g)ΔH＝＋75 kJ·mol－1－247.3 kJ·mol－1＝－172.3 kJ·mol－1。

该反应的ΔH＜0，ΔS＜0，欲使反应能自发进行必须符合复合判据ΔG＝ΔH－TΔS<0，该反应在低温下能自发进行。

②该时刻的浓度商Q＝0.400.202×0.10＝100＜K＝160，所以平衡正向移动，v正＞v逆；因为该反应是可逆反应，为了提高原料的利用率，合成气要进行循环。

③因该反应的ΔH＜0，升高温度，平衡向逆反应方向移动，CO的转化率降低；加入催化剂平衡不移动，CO的转化率不变；增加CO的浓度，CO的转化率降低；加入惰性气体加压，平衡不移动，CO的转化率不变。

(2)①B极通入的气体是甲烷，甲烷发生氧化反应，故B极是电池的负极。

电池总反应为CH4＋2O2===CO2＋2H2O，因为电解质是固体氧化物，所以正极O2发生还原反应生成O2－，正极反应式为O2＋4e－===2O2－，用总反应式减去正极反应式的2倍即得负极反应式。

②电解CuSO4溶液时，阴极生成Cu，阳极生成O2。

当Cu2＋被电解完之后，水电离产生的H＋被还原为H2。

0.1 mol Cu2＋全部被还原时，阳极生成0.05 mol O2；此后再电解0.1 mol H2O时，生成0.1 mol H2和0.05 mol O2，两极收集到的气体体积相等。

电路中共转移0.4 mol电子，消耗CH4的物质的量为0.4 mol÷8＝0.05 mol，标准状况下的体积V(CH4)＝0.05 mol×22.4 L·mol－1＝1.12 L。

3．研究CO2与CH4的反应使之转化为CO与H2，对缓解燃料危机，减少温室效应具有重要的意义。

(1)已知：①2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g)ΔH＝－566 kJ·mol－1②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)ΔH＝－484 kJ·mol－1③CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)ΔH＝－802 kJ·mol－1则CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)ΔH＝________ kJ·mol－1(2)在密闭容器中通入物质的量浓度均为0.1 mol·L－1的CH4与CO2，在一定条件下发生反应CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)，测得CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如下图所示。

①据图可知，p1、p2、p3、p4由大到小的顺序为_______________________________。