【题目】金属钛(Ti)被称为21世纪金属,在航海、航空、记忆和涂料方面应用广泛,TiO2是一种优良的光催化剂。20世纪科学家尝试用多种方法将金红石(TiO2)还原,发现金红石直接氯化是冶炼钛的关键。
步骤:TiO2(s)+2Cl2(g)=TiCl4(g)+O2(g) ΔH=+1493kJmol-1,ΔS=+61JK-1mol-1
该反应发生温度高达2170℃,能耗大,对设备和生产要求几乎达到苛刻程度。目前科学家采用金红石加碳氯化方法,在较温和条件下成功制取TiCl4,为人类快速迈进钛合金时代做出了巨大贡献。金红石加碳氯化的主要反应如下:
反应Ⅰ:TiO2(s)+2Cl2(g) +C(s)TiCl4(g)+CO2(g) ΔH1,ΔS1=+64JK-1mol-1
反应Ⅱ:TiO2(s)+2Cl2(g) +2C(s)TiCl4(g)+2CO(g) ΔH2,△S2
已知:①C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH=-394.3kJmol-1
②2C(s)+O2(g)=2CO(g) ΔH=-222.3kJmol-1
请回答:
(1)反应Ⅰ的ΔH1=__kJmol-1。
(2)对于气体参加的反应,表示平衡常数KP时,用气体组分B的平衡压强P(B)代替该气体物质的量浓度c(B),则反应Ⅰ的KP=__(用表达式表示)。
(3)在常温、常压、光照条件下,N2在催化剂TiO2表面与H2O发生反应,2N2(g)+6H2O(1)=4NH3(g)+3O2(g) ΔH=+1530.4kJmol-1
进一步研究相同条件下NH3生成量与温度的关系,部分实验数据见表:
实验组别 | 1 | 2 | 3 | 4 |
T/K | 303 | 313 | 323 | 353 |
NH3生成量/(10-6mol) | 4.8 | 5.9 | 6.0 | 2.0 |
O2生成量/(10-6mol) | 3.6 | 4.4 | 4.5 | 1.5 |
反应时间/h | 3 | 3 | 3 | 3 |
容器体积/L | 2 | 2 | 2 | 2 |
①请在如图中画出上述反应在“有催化剂”与“无催化剂”两种情况下反应过程中体系能量随反应过程的变化趋势示意图(图中标明必要的文字说明)。___
②根据表中数据,在303K时,在3h内用氮气表示其平均反应速率为___molL-1h-1。判断组别4中反应是否达到平衡状态___(填“是”或“否”),并说明理由___。
【答案】+1098.7 p(CO2)p(TiCl4)/p2(Cl2) 4×10-7 否 反应正反应为吸热反应,升高温度平衡正移,则n(NH3)应大于6.0×10-6mol
【解析】
(1)TiO2(s)+2Cl2(g)═TiCl4(g)+O2(g)△H=+1493kJmol-1,△S=+61JK-1mol-1,C(s)+O2(g)═CO2(g)△H=-394.3kJmol-1,可以依据热化学方程式和盖斯定律计算得到:TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)TiCl4(g)+CO2(g)△H1;
(2)对于气体参加的反应,表示平衡常数KP时,用气体组分B的平衡压强P(B)代替该气体物质的量浓度c(B),等于生成物平衡分压幂次方乘积除以反应物平衡分压幂次方乘积;
(3)用判据△H-T△S来判断反应能否发生;
(4)①催化剂是通过降低反应的活化能来加快化学反应速率的;
②计算生成氧气的反应速率=,反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算氮气的反应速率,2N2(g)+6H2O(1)═4NH3(g)+3O2(g)△H=+1530.4kJmol-1,反应是吸热反应,升温平衡正向进行分析。
(1)依据热化学方程式:①TiO2(s)+2Cl2(g)═TiCl4(g)+O2(g)△H=+1493kJmol-1,△S=+61JK-1mol-1,②C(s)+O2(g)═CO2(g)△H=-394.3kJmol-1,可以依据热化学方程式和盖斯定律计算①+②得到:TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)TiCl4(g)+CO2(g)△H1=+1098.7kJ/mol;
(2)对于气体参加的反应,表示平衡常数KP时,用气体组分B的平衡压强P(B)代替该气体物质的量浓度c(B),反应Ⅰ:TiO2(s)+2Cl2(g)+C(s)TiCl4(g)+CO2(g),反应的Kp=
;
(3)TiO2(s)+2Cl2(g)TiCl4(1)+O2(g)△H=+151kJ/mol该反应中,反应物有2mol气体,生成物只有1mol气体,△S<0,又△H>0,则△H-T△S>0,故反应不能自发进行,金红石加碳氯化能在较温和条件下成功制取TiCl4的原因是焓变减小,熵变增大,有利于反应正向进行;
(4)①催化剂是通过降低反应的活化能来加快化学反应速率的,使用催化剂后,活化能降低,图象需要符合:1.两条线的起点、终点分别相同.2.有催化剂曲线最高处能量要低.3.反应物的总能量要低于生成物的总能量,图象为:;
②在303K时,在3h内氧气的反应速率==6×10-7mol/Lh,用氮气表示其平均反应速率v(N2)=
v(O2)=
×6×10-7mol/Lh=4×10-7mol/Lh;组别4中反应正反应为吸热反应,升高温度平衡正向移动,则n(NH3)应大于6.0×10-6mol,则组别4中反应未达到平衡状态。
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【题目】(1)欲使3mol的VO2+变为VO2+,则需要氧化剂KClO3的物质的量为____mol(已知:KClO3被还原成KCl)。
(2)向200mL0.1mo/L 的Fe(NO3)2溶液中加入适量的NaOH 溶液,使Fe2+恰好完全沉淀,过滤,小心加热沉淀,直到水分蒸干,再灼烧后得到固体的质量为___g。
(3)将0.51g的Mg、Al混合物溶于500mL,4mol/L HCl,加入2mol/L NaOH,要使沉淀的量达到最大值,则加入NaOH的量最少为___mL。
(4)200℃时CO2和水蒸气的混合气体共23.2g与足量的Na2O2充分反应后,固体质量增大了7.2g,则原混合气体的物质的量为____mol。
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【题目】二氧化硫是危害最为严重的大气污染物之一,它主要来自化石燃料的燃烧,研究CO催化还原SO2的适宜条件,在燃煤电厂的烟气脱硫中具有重要价值。
Ⅰ.从热力学角度研究反应
(1) C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH1=-393.5 kJ·mol-1
CO2(g)+C(s)2CO(g) ΔH2=+172.5 kJ·mol-1
S(s)+O2(g)SO2(g) ΔH3=-296.0 kJ·mol-1
写出CO 还原SO2的热化学方程式:_________________。
(2)关于CO还原SO2的反应,下列说法正确的是______。
A.在恒温恒容条件下,若反应体系压强不变,则反应已达到平衡状态
B.平衡状态时,2v正(CO)=v逆(SO2)
C.其他条件不变,增大SO2的浓度,CO的平衡转化率增大
D.在恒温恒压的容器中,向达到平衡状态的体系中充入N2,SO2的平衡转化率不变
Ⅱ.NOx的排放主要来自于汽车尾气,包含NO2和NO,有人提出用活性炭对NOx进行吸附,发生反应如下:
反应a:C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g) ΔH=-34.0kJ/mol
反应b:2C(s)+2NO2(g)N2(g)+2CO2(g) ΔH=-64.2kJ/mol
(3)对于反应a,在T1℃时,借助传感器测得反应在不同时间点上各物质的浓度如下:
时间(min) 浓度(mol·L-1) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
NO | 1.00 | 0.58 | 0.40 | 0.40 | 0.48 | 0.48 |
N2 | 0 | 0.21 | 0.30 | 0.30 | 0.36 | 0.36 |
①0~10min内,NO的平均反应速率v(NO)=___________,当升高反应温度,该反应的平衡常数K___________(选填“增大”、“减小”或“不变”)。
②30min后,只改变某一条件,反应重新达到平衡;根据上表中的数据判断改变的条件可能是___________(填字母)。
A.加入一定量的活性炭 B.通入一定量的NO
C.适当缩小容器的体积 D.加入合适的催化剂
(4)①某实验室模拟反应b,在密闭容器中加入足量的C和一定量的NO2气体,维持温度为T2℃,如图为不同压强下反应b经过相同时间NO2的转化率随着压强变化的示意图。请从动力学角度分析,1050kPa前,反应b中NO2转化率随着压强增大而增大的原因_____________;在1100kPa时,NO2的体积分数为___________。
②用某物质的平衡分压代替其物质的量浓度也可以表示化学平衡常数(记作Kp);在T2℃、1.1×106Pa时,该反应的化学平衡常数Kp=___________(计算表达式表示);已知:气体分压(P分)=气体总压(P总)×体积分数。
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【题目】“低碳经济”备受关注,CO2的捕捉、排集、利用成为科学家研究的重要课题。太空舱产生的 CO2用下列反应捕捉,以实现 O2的循环利用。
Sabatier 反应:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)
水电解反应:2H2O(l)2H2(g)+O2(g)
(1)将原料气按 n(CO2)∶ n(H2)=1∶4 置于密闭容器中发生 Sabatier 反应,测得H2O(g)的物质的量分数与温度的关系如图所示(虚线表示平衡曲线)。
①该反应的平衡常数 K 随温度升高而________(填“增大”或“减小”)。
②温度过高或过低均不利于该反应的进行,原因是________。
③下列措施能提高 CO2 转化效率的是________(填标号)。
A. 适当减压
B. 增大催化剂的比表面积
C. 反应器前段加热,后段冷却
D. 提高原料气中 CO2 所占比例
E. 合理控制反应器中气体的流速
(2)将一定量的 CO2(g)和 CH4(g)通入一恒容密闭容器中发生反应:CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g) Δ H =+248 kJ·mol-1。
为了探究该反应的反应速率与浓度的关系,起始时向恒容密闭容器中通入CO2 与CH4 ,使其物质的量浓度均为1.0mol·L-1,平衡时,根据相关数据绘制出两条反应速率与浓度关系曲线如图, v正~ c(CH4)和 v逆 ~ c(CO)。则与 v正~ c (CH4)相对应曲线是图中________(填“甲”或“乙”);该反应达到平衡后,某一时刻降低温度反应重新达到平衡,则此时曲线甲对应的平衡点可能为________(填“D”“E”或“F”)。
(3)用稀氨水喷雾捕集 CO2最终可得产品NH4HCO3。在捕集时,气相中有中间体 NH2COONH4(氨基甲酸铵)生成。现将一定量纯净的氨基甲酸铵置于恒容密闭容器中,分别在不同温度下进行反应:NH2COONH4(s) 2NH3(g)+CO2 (g)。实验测得的有关数据见下表( t1 < t2 < t3 )
氨基甲酸铵分解反应是________(填“放热”或“吸热”)反应。15℃时此反应的化学平衡常数 K =________。
(4)一种新的循环利用方案是用 Bosch 反应 CO2(g)+2H2(g) C(s)+2H2O(g)代替 Sabatier 反应。
① 已知 CO2(g)、H2O(g)的生成焓分别为–394 kJmol-1 、–242 kJmol-1 ,Bosch 反应的Δ H =________kJmol-1(生成焓指一定条件下由对应单质生成 1mol 化合物时的反应热)。
②一定条件下 Bosch 反应必须在高温下才能启动,原因是________。
③该新方案的优点是________。
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【题目】实验室欲探究CO还原CuO,设计如图所示装置(夹持装置略去)。下列说法正确的是
A. ②、④中均可盛装碱石灰
B. 加热的顺序为③、①、⑤
C. ①、③、⑤中均发生氧化还原反应
D. 可将尾气用导管通入到⑤的酒精灯处灼烧
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【题目】有含NaCl、Na2SO4和NaNO3的混合物,选择适当的试剂将其转化为相应的沉淀或固体,从而实现Cl-、SO42-和NO3-的相互分离。相应的实验过程可用如图表示:
请回答下列问题:
①沉淀A的化学式:________
②过程③中加入过量的Na2CO3的目的是_______________
③按此实验方案得到的溶液3中比原溶液多了___________离子(填化学式),除去该离子的方法是_________
④为了尽可能完全分离三种离子,步骤①②③过滤后都需要洗涤,请描述洗涤操作_____________
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【题目】(实验1)探究草酸的制备:
实验室用硝酸氧化淀粉(C6H12O6)水解液法(水浴加热)制备草酸,其反应为:C6H12O6+12HNO3 = 3H2C2O4+9NO2↑+3NO↑+9H2O ,装置如图所示:
(1)仪器乙的名称为:_________,其接通冷水与水浴加热三颈瓶的先后顺序是:________
(2)烧杯C中盛放的溶液是___________,装置的B作用是______________
(实验2)探究草酸的不稳定性:
已知:草酸晶体(H2C2O4·2H2O)无色,易溶于水,熔点为101℃,受热易脱水、升华,170℃以上分解产生H2O、CO和CO2,其酸性比碳酸强,其钙盐难溶于水。
(3)请选取以上的装置证明草酸晶体分解的产物(可重复使用,加热装置和连接装置已略去)。仪器装置连接顺序为:A→_______→______→______→_______→E→B→G→_______。
(4)若实验结束后测得B管质量减轻4.8g,则至少需分解草酸晶体的质量为_________g
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【题目】现对三种不同的镁铝合金样品进行编号,做以下实验探究。
(1)取样品①m1g,加入过量NaOH溶液,充分反应后过滤;往滤液中通入过量CO2气体:将所得沉淀过滤、洗涤、烘干,灼烧,得到固体的质量仍然为m1g.合金中镁的质量分数为_____(保留2位小数,下同)。
(2)取样品②m2g,与足量稀硫酸反应,固体完全溶解时得到气体的体积为VL(标准状况)。m2的取值范围是_____。
(3)取样品③0.918g与30.00mL、2.00mL盐酸充分反应后,得到672mL气体(标准状况)。剩余合金0.306g(认为合金中镁、铝与酸的反应同时发生)。然后在反应后所得体系中继续加1.00mol/L的NaOH溶液,恰好使所有铝元素均不以沉淀形式存在。则需要加入1.00mol/L的NaOH溶液_____mL。
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【题目】已知反应:2NO(g)+Br2(g)2NOBr(g) △H=-a kJ·mol-1 (a>0),其反应机理如下
①NO(g)+Br2(g)NOBr2(g) 快 ②NO(g)+NOBr2(g)
2NOBr(g) 慢
下列有关该反应的说法正确的是( )
A. 该反应的速率主要取决于①的快慢
B. NOBr2是该反应的催化剂
C. 正反应的活化能比逆反应的活化能小a kJ·mol-1
D. 增大Br2(g)浓度能增大活化分子百分数, 加快反应速率
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