（新）2022届高三化学大题优练8 以电化学为主线串联反应原理 教师版.docx

以电化学为主线串联反应原理大题优练8优选例题例：CO2的转化和重整受到越来越多的关注，它是有效应对全球气候变化、促进低碳社会构建的重要方法。 (1)热化学转化法。CO2催化加氢合成CH4，其过程中主要发生下列反应：反应：CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)；H=-890.3kJ·mol1 反应：CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)；H=+2.8kJ·mol1反应：2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)；H=-566.0kJ·mol1则反应CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g)的H=_kJ·mol1。(2)CO2催化还原法。图1表示的是利用CO2的“直接电子传递机理”。在催化剂铜的表面进行转化。当有1mol CO2反应时，直接传递的电子物质的量为_mol。(3)CO2电化学催化重整法。图2表示以KOH溶液作电解质溶液进行电解的示意图，CO2在Cu电极上可以转化为CH4，该电极反应的方程式为_，电解一段时间后，阳极区溶液pH减小，其原因是_。CO2与CH4在催化剂作用下合成乙酸，反应的化学方程式为_。(4)CO2与丙烯通过金属杂多酸盐CoxH(3-2x)PW12O40催化合成甲基丙烯酸。研究发现金属杂多酸盐中x对CO2转化率的影响如图3所示，由图3得出催化效果最好的金属杂多酸盐化学式是_。催化剂在温度不同时对CO2转化率的影响如图4所示，300催化效果远不如200和250的原因为_。【答案】（1）-252.9 （2）6 （3）CO2+8e+6H2O=CH4+8OH OH在阳极被氧化生成O2 CH4+CO2CH3COOH （4）Co0.5H2PW12O40或CoH4P2W24O80 温度过高，可能会导致催化剂失活 【解析】（1）根据盖斯定律可知：-4×+2×即可得到CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g)，H=-(-890.3 kJ·mol1)-4×(2.8kJ·mol1)+2×(-566.0kJ·mol1)=-252.9kJ·mol1；（2）由图1可知CO2在催化剂铜的表面进行转化最终生成的产物是C2H4，根据发生的氧化还原反应可的关系：2CO2C2H412e，因此当有1mol CO2反应时，直接传递的电子物质的量为6mol；（3）由图2可知，Cu与电源的负极相连为阴极，阴极发生了还原反应，电极反应为：CO2+8e+6H2O=CH4+8OH；OH在阳极被氧化生成O2，因此阳极区溶液的pH减小；CO2与CH4在催化剂作用下发生化合反应生成乙酸，反应方程式为：CH4+CO2CH3COOH；（4）由图3可知，当x=0.5时，CO2的转化率最大，催化效果最好，因此金属杂多酸盐化学式为Co0.5H2PW12O40或CoH4P2W24O80；当处于过高的温度时，催化剂会失去催化活性，因此300催化效果远不如200和250。模拟优练1二氧化碳的捕集与利用是实现温室气体减排的重要途径之一。（1）目前工业上用的捕碳剂NH3和(NH4)2CO3，它们与CO2发生如下可逆反应：2NH3(l)+H2O(l)+CO2(g)(NH4)2CO3(aq) H1NH3(l)+H2O(l)+CO2(g)NH4HCO3(aq) H2(NH4)2CO3(aq)+H2O(l)+CO2(g)2NH4HCO3(aq) H3则H3=_（用含H1、H2的代数式表示）（2）利用CO2制备乙烯是我国能源领域的一个重要战略方向，具体如下：方法一：CO2催化加氢合成乙烯，其反应为：2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g) H=a kJ·mol1起始时按n(CO2)n(H2)=13的投料比充入20L的恒容密闭容器中，不同温度下平衡时的H2和H2O的物质的量如图甲所示： 下列说法正确的是_。A该反应正反应的活化能小于逆反应的活化能B其它条件不变时，若压缩容器容积，则活化分子百分数增大，v正和v逆均增大C测得容器内混合气体平均分子量不随时间改变时，说明反应已达到平衡D使用合适的催化剂，催化剂改变反应历程，减小反应焓变，加快反应速率393K下，H2的平衡转化率为_（保留三位有效数字）；393K下，该反应达到平衡后，再向容器中按n(CO2)n(H2)=13投入CO2和H2则n(H2)/n(C2H4)将_（填“变大”或“不变”或“变小”或“无法确定”）；方法二：用惰性电极电解强酸性的二氧化碳水溶液可得到乙烯，其原理如图乙所示。b电极上的电极反应式为_；该装置中使用的是_（填“阳”或“阴”）离子交换膜。【答案】（1）2H2-H1 （2）AC 67.4% 变小 2CO2+12e+12H+=C2H4+4H2O 阳 【解析】（1）2NH3(l)+H2O(l)+CO2(g)(NH4)2CO3(aq) H1NH3(l)+H2O(l)+CO2(g)NH4HCO3(aq) H2根据盖斯定律×2-可得：(NH4)2CO3(aq)+H2O(l)+CO2(g)2NH4HCO3(aq) H3=2H2-H1；(2)A由图像可得随温度升高，氢气的浓度增大，水蒸气的浓度减小，反应向逆向移动，正反应是放热反应，正反应的活化能小于逆反应的活化能，故A正确；B其它条件不变时，若压缩容器容积，单位体积内的活化分子数目增大，百分数不变，则v正、v逆均增大，故B错误；C反应前后气体物质的量减小，气体质量不变，测得容器内混合气体平均分子量不随时间改变时，说明反应已达到平衡，故C正确；D反应使用合适的催化剂，催化剂改变反应历程加快反应速率，不改变化学平衡，不改变反应焓变，故D错误；故答案为AC；图象分析可知，393K时平衡状态下水的物质的量为58mol，结合化学平衡三行计算列式，设起始量二氧化碳和氢气分别为a mol，3a mol，    2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)初起： a     3a   0    0变化：29    3a-42  14.5    58平衡：a-29     42    14.5    58所以a=43，转化率=×100%=×100%=67.4%；393K下，该反应达到平衡后，再向容器中按n(CO2)n(H2)=13投入CO2和H2，相当于增大压强，平衡正向移动，所以则n(H2)/n(C2H4)将变小；电解时，二氧化碳在b极上得电子发生还原反应生成乙烯，电极反应式为2CO2+12H+12e=C2H4+4H2O；离子交换只允许氢离子通过，所以是阳离子交换膜。2研究甲醇的合成方法和用途具有重要的价值。利用合成气(CO和H2)合成甲醇，发生如下反应：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) H(1)由元素最稳定的单质生成1mol纯化合物时的反应热称为该化合物的标准摩尔生成焓(Hf)。几种物质的标准摩尔生成焓如下表，则H=_kJ·mol1。物质H2(g)CO(g)CH3OH(g)Hf/kJ·mol10-110.53-201.17(2)800时，该反应平衡常数K=0.15.若某时刻c(CO)=0.1mol·L1、c(H2)=0.2mol·L1、c(CH3OH)=0.4mol·L1，此时v正_v逆(填“>”“”、或“=”)。(3)T时，在密闭的刚性容器中，按物质的量之比11充入CO和H2，若平衡时容器内总压为pPa，H2的转化率为50%。则T时，上述反应的平衡常数Kp=_Pa2(用含p的代数式表示，Kp为用分压表示的平衡常数)。甲醇也可以通过微生物电催化反应合成，装置如图所示。(4)石墨电极上的电极反应式为_，当体系的温度升高到一定程度，电极反应的速率反而迅速下降，主要原因是_。甲醇催化脱水制二甲醚日益受到关注，反应方程式为：2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) H0，某催化反应的机理如下：历程i：CH3OH(g)CH3OH历程：CH3OH+CH3OHCH3OCH3+H2O历程：历程iv：H2OH2O(g)上述历程中，“”代表分子吸附在催化剂表面上。(5)为提高CH3OH的平衡转化率，可采用的措施是_。A容积不变，充入一定量He B及时分离出H2O(g)C进一步改进催化剂 D降低反应温度(6)历程：_。【答案】（1）-90.64 （2） （3） （4） CO2+6e+6H+=CH3OH+H2O 微生物活性下降，反应速率降低 （5） BD （6） CH3OCH3CH3OCH3(g) 【解析】(1)根据盖斯定律，H=Hf(CH3OH)-Hf(CO)-2Hf(H2)=-201.17kJ·mol1-(-110.53kJ·mol1)-2×0=-90.64kJ/mol；(2)800时，Qc=0.4mol·L1÷0.1mol·L1×(0.2mol·L1)2=100K=0.15，平衡逆向移动，即v正v逆； CO(g) + 2H2(g)CH3OH(g) CO、H2和CH3OH分压分别为0.5pPa、pPa、pPa，Kp=pPa÷0.5pPa×(pPa)2=Pa2；(4)根据图像，两池通过质子交换膜传递氢离子，则溶液显酸性，石墨电极上CO2得电子，与氢离子反应生成CH3OH，电极反应式为CO2+6e+6H+=CH3OH+H2O；升高温度，微生物的催化活性降低，导致反应速率下降；(5)A容积不变，充入一定量He，反应体系中各物质的浓度不变，则平衡不移动，A与题意不符；B及时分离出H2O(g)，导致平衡正向移动，CH3OH的平衡转化率增大，B符合题意；C进一步改进催化剂，对平衡无影响，C与题意不符；D该反应为放热反应，降低反应温度，平衡正向移动，CH3OH的平衡转化率增大，D符合题意；答案为BD；(6)根据盖斯定律，总反应为历程i×2+历程ii+历程+历程iv，则历程为CH3OCH3CH3OCH3(g)。3“绿水青山就是金山银山”，因此研究NOx、SO2等大气污染物的妥善处理具有重要意义。(1)SO2的排放主要来自于煤的燃烧，工业上常用氨水吸收法处理尾气中的SO2。已知吸收过程中相关反应的热化学方程式如下：SO2(g)+NH3·H2O(aq)=NH4HSO3(aq) H1=a kJ·mol1；NH3·H2O(aq)+NH4HSO3(aq)=(NH4)2SO3(aq)+H2O(l) H2=b kJ·mol1；2(NH4)2SO3(aq)+O2(g)=2(NH4)2SO4(aq) H3=c kJ·kJ·mol1。则反应2SO2(g)+4NH3·H2O(aq)+O2(g)=2(NH4)2SO4(aq)+2H2O(l)的H=_kJ·mol1(2)燃煤发电厂常利用反应：2CaCO3(s)+2SO2(g)+O2(g)=2CaSO4(s)+2CO2(g) H=681.8kJ·mol1对煤进行脱硫处理来减少SO2的排放。对于该反应，在T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：01020304050O21.000.790.600.600.640.64CO200.420.800.800.880.88010min内，平均反应速率v(O2)=_mol·L1·min1；当升高温度，该反应的平衡常数K_(填“增大”“减小”或“不变”)。30min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加入一定量的粉状碳酸钙 B通入一定量的O2C适当缩小容器的体积 D加入合适的催化剂(3)NOx的排放主要来自于汽车尾气，有人利用反应C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g) H=-34.0kJ·mol1，用活性炭对NO进行吸附。已知在密闭容器中加入足量的C和一定量的NO气体，保持恒压，测得NO的转化率随温度的变化如图所示：由图可知，1050K前反应中NO的转化率随温度升高而增大，其原因为_；在1100K时，CO2的体积分数为_。(4)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1050K、1.1×106Pa时，该反应的化学平衡常数Kp=_已知：气体分压(P分)=气体总压(P总)×体积分数。(5)工业上常用高浓度的K2CO3溶液吸收CO2，得溶液X，再利用电解法使K2CO3溶液再生，其装置示意图如图：在阳极区发生的反应包括_和H+HCO=CO2+H2O简述CO在阴极区再生的原理：_。【答案】（1）2a+2b+c （2）0.021 减小 BC （3）1050K前反应未达到平衡状态，随着温度升高，反应速率加快，NO转化率增大 20% （4）4 （5）4OH-4e=2H2O+O2 阴极水电解生成H2和OH，OH与HCO反应生成CO 【解析】(1)根据目标反应，将第一个方程式2倍加第二个方程式2倍再加第三个方程式得到：反应2SO2(g)+4NH3·H2O(aq)+O2(g)=2(NH4)2SO4(aq)+2H2O(l)的H=(2a+2b+c)kJ·mol1；(2)010min内，O2平均反应速率；当升高温度，平衡向吸热反应移动即逆向移动，因此该反应的平衡常数K减小；故答案为：0.021；减小。A加入一定量的粉状碳酸钙，平衡不移动，浓度不变，故A不符合题意；B通入一定量的O2，平衡正向移动，二氧化碳浓度增加，氧气浓度也比原来增加，故B符合题意；C适当缩小容器的体积，两者浓度都在原来基础上增加，平衡向体积减小方向即正向移动，故C符合题意；D加入合适的催化剂，平衡不移动，浓度不变，故D不符合题意；综上所述，答案为BC。(3)由图可知，1050K前反应不断的正向建立平衡，因此NO的转化率随温度升高而增大，其原因为1050K前反应未达到平衡状态，随着温度升高，反应速率加快，NO转化率增大；设开始时NO有2mol，在1100K时，转化率为40%，C(s) + 2NO(g) CO2(g) + N2(g)CO2的体积分数；故答案为：1050K前反应未达到平衡状态，随着温度升高，反应速率加快，NO转化率增大；20%。(4)设开始时NO有2mol，在1050K时，转化率为80%则：C(s) +2NO(g) CO2(g) + N2(g)该反应的化学平衡常数；故答案为：4。(5)在阳极区是氢氧根失去电子，发生的反应包括4OH4e=2H2O+O2和H+HCO=CO2+H2O；故答案为：4OH4e=2H2O+O2。阴极水电解生成氢气，剩余氢氧根离子，剩余的OH与HCO反应生成CO，因此阴极区再生CO；故答案为：阴极水电解生成氢气和氢氧根离子，OH与HCO反应生成CO。4合成气的生产和应用在化学工业中有极为重要的地位。回答下列问题：(1)利用合成气(主要成分CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇，可能发生的反应有：CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) H1=-63kJ·mol1CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g) H2CH3OH(g)=CO(g)+2H2(g) H3已知部分化学键键能数据如下表：化学键H=HC=OCOO-H键能(kJ·mol1)4368031076465则H3=_kJ·mol1。(2)工业上可用CH4-H2O催化重整法制备合成气，其原理为：反应：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)反应：CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)将1mol CH4(g)和1mol H2O(g)充入温度恒为298K、压强恒为100 kPa的密闭容器中，发生反应，不考虑反应的发生。反应中，正反应速率v正=k正×p(CH4)×p(H2O)，p为分压(分压=总压×物质的量分数)。若该条件下k正=4.5×104kPa1·s1，当CH4分解率为20时，v正=_kPa·s1。(3)CO2和CH4在一定条件下反应也可制得合成气。在1.0 L密闭容器中充入1.0mol CH4和1.0mol 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及压强的关系如下图所示。比较压强大小：p1_p3。(填“>”“”或“=”)若要提高CH4的平衡转化率，可采取的措施有_，_。(任写两条)若p4=2.0MPa，则x点的平衡常数Kp=_(用平衡分压代替平衡浓度计算)。(4)科学家设计了一种电解装置，能将甘油(C3H8O3)和二氧化碳转化为甘油醛(C3H6O3)和合成气，装置如下图所示。催化电极b应与电源_(填“正”或“负”)极相连。电解一段时间后，催化电极a附近的pH值将_(填“增大”“减小”或“不变”)，用电极反应方程式解释原因：_。当外电路转移2mol e时，生成的合成气在标况下的体积为_。【答案】（1）+99 （2）0.5 （3） < 升高温度，降低压强，充入二氧化碳气体，及时分离出CO或者H2(任选一条) 升高温度，降低压强，充入二氧化碳气体，及时分离出CO或者H2(任选一条，不与空重复) （4） 负 减小 22.4L 【解析】(1)=2×8.3+436-1076-2×465=36kJ·mol1，；(2)当甲烷分解20%时，建立如下三段式：；(2)当甲烷分解20%时，建立如下三段式：CH4(g) + CO2(g)2CO(g) + 2H2(g) v正=k正×p(CH4)×p(H2O)=4.5×10-4×（）×（）=0.5kPa/s；(3)从方程式看，加压平衡逆向移动，甲烷的转化率减小，由此得出压强为p1<p3；根据图像知相同压强，温度升高，甲烷的转化率升高，相同温度时，压强减小，甲烷的转化率升高，所以措施有：升高温度，降低压强，充入二氧化碳气体，及时分离出CO或者H2；在x点，甲烷的转化率为50%，建立三段式：CH4(g) + CO2(g)2CO(g) + 2H2(g) X点的平衡常数Kp=；(4)由图知，电极b上发生的反应为CO2和H2O生成CO和H2，C元素由+4价降低到+2价，H元素由+1价降低到0价，发生还原反应，电极b为阴极应当与电源的负极相连；电极a为阳极，甘油被氧化为甘油醛，电极反应式为，则电极a附近的pH减小；CO2转化为CO转移电子数为2，H2O转化为H2，转移电子数为2，所以当外电路转移2mol e时，会生成1mol CO2和H2的混合气体，标况下的体积为22.4L。5“低碳循环”引起各国的高度重视，而如何降低大气中CO2的含量及有效开发利用CO2，已引起全世界的普遍重视。一定条件下，CO2可以转化为甲醇：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。（1）在一恒温恒容密闭容器中充入1mol CO2和3mol H2进行上述反应。测得CO2(g)和CH3OH(g)浓度随时间变化如图所示。010min内，氢气的平均反应速率为_，第10min后，保持温度不变，向该密闭容器中再充入1mol CO2(g)和1mol H2O(g)，则平衡_(填“正向”“逆向”或“不”)移动。若已知：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) H=-a kJ·mol1；2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) H=-b kJ·mol1H2O(g)=H2O(l) H=-c kJ·mol1；CH3OH(g)=CH3OH(l) H=-d kJ·mol1。则表示CH3OH(l)燃烧热的热化学方程为 。（2）如图所示，25时以甲醇燃料电池(电解质溶液为稀硫酸)为电源电解600mL一定浓度的NaCl溶液，电池的正极反应式为_。在电解一段时间后，NaCl溶液的pH变为12(假设电解前后NaCl溶液的体积不变)，则理论上消耗甲醇的物质的量为_mol。（3）向（2）电解后U形管的溶液中通入标准状况下89.6mL的CO2气体，则所得溶液呈_ (填“酸”“碱”或“中”)性，溶液中各离子浓度由大到小的顺序为 。【答案】（1）0.225mol·L1·min1 正向 CH3OH(l)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) H=-(b+2c-a-d)kJ·mol1 （2） O2+4e+4H+=2H2O 0.001 （3） 碱 c(Na+)c(HCO)c(CO)c(OH)c(H+) 【解析】（1）由图示可知甲醇的浓度在10min内增加0.75mol·L1，所以氢气浓度减少3×0.75mol·L1，10min内氢气的平均反应速率为0.225mol·L1·min1；在一恒温恒容密闭容器中充入1mol CO2，起始时CO2的浓度是1mol·L1，可知容器的体积是1L，则CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g) K=；向该密闭容器中再充入1mol CO2(g)和1mol H2O(g)，此时反应的浓度商=，平衡正向移动；CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) H=-a kJ·mol1； 2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) H=-b kJ·mol1H2O(g)=H2O(l) H=-c kJ·mol1；CH3OH(g)=CH3OH(l) H=-d kJ·mol1；根据盖斯定律，×+×2-得CH3OH(l)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) H=-(b+2c-a-d)kJ·mol1；(2)正极发生还原反应，氧气得电子结合氢离子生成水，电极反应式为O2+4e+4H+=2H2O；电解氯化钠溶液生成氢氧化钠，电解一段时间后pH=12，c(OH)=102mol/L，n(OH)=102mol/L×0.6L=0.006mol，根据阴极反应，所以转移电子0.006mol，每消耗1mol甲醇转移电子数目为6mol，利用得失电子守恒，可知消耗甲醇的物质的量为0.001mol。(3)根据(2)，电解过程中U形管中生成氢氧化钠的物质的量是0.006mol，通入0.0896L÷22.4L/mol=0.004mol CO2后，得到等浓度的Na2CO3和NaHCO3的混合溶液，所以溶液呈碱性；CO的水解程度大于HCO的水解程度，所以溶液中各离子浓度的大小关系为c(Na+)c(HCO)c(CO)c(OH)(H+)。