(15分)采用 N _ 2 O _ 5 为硝化剂是一种新型…——2018 高考化学第 10 题答案解析

2018_新课标I卷

2018 全国 第 10 题 解答题 区分题
2018_新课标I卷

10.(15分)采用 ${ \sf N } _ { 2 } { \sf O } _ { 5 }$ 为硝化剂是一种新型的绿色硝化技术,在含能材料、医药等工业中得到广泛应用。回答下列问题:

(1)1840 年 Devil 用干燥的氯气通过干燥的硝酸银,得到 ${ \sf N } _ { 2 } { \sf O } _ { 5 }$ ,该反应氧化产物是一种气体,其分子式为 $\underline { { 0 } } _ { 2 }$

②F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了 $2 5 \%$ 时 ${ \sf N } _ { 2 } { \sf O } _ { 5 } { \sf \Gamma } ( { \bf g } )$ 分解反应:

$$ \begin{array} { r l } { 2 \mathrm { N } _ { 2 } \mathrm { O } _ { 5 } ( \mathrm { g } ) \longrightarrow } & { 4 \mathrm { N O } _ { 2 } ( \mathrm { g } ) + \mathrm { O } _ { 2 } ( \mathrm { g } ) } \\ & { \qquad 1 \mathrm { l } } \\ & { 2 \mathrm { N } _ { 2 } \mathrm { O } _ { 4 } ( \mathrm { g } ) } \end{array} $$

其中 ${ \mathsf { N O } } _ { 2 }$ 二聚为 ${ \mathsf N } _ { 2 } { \mathsf O } _ { 4 }$ 的反应可以迅速达到平衡。体系的总压强 ρ 随时间 t 的变化如下表所示(t=∞时, ${ \sf N } _ { 2 } { \sf O } _ { 5 } { \sf \Gamma } ( { \bf g } )$ 完全分解):

<table><tr><td rowspan=1 colspan=1>t/min</td><td rowspan=1 colspan=1>0</td><td rowspan=1 colspan=1>40</td><td rowspan=1 colspan=1>80</td><td rowspan=1 colspan=1>160</td><td rowspan=1 colspan=1>260</td><td rowspan=1 colspan=1>1300</td><td rowspan=1 colspan=1>1700</td><td rowspan=1 colspan=1>8</td></tr><tr><td rowspan=1 colspan=1>ρ/kPa</td><td rowspan=1 colspan=1>35.8</td><td rowspan=1 colspan=1>40.3</td><td rowspan=1 colspan=1>42.5</td><td rowspan=1 colspan=1>45.9</td><td rowspan=1 colspan=1>49.2</td><td rowspan=1 colspan=1>61.2</td><td rowspan=1 colspan=1>62.3</td><td rowspan=1 colspan=1>63.1</td></tr></table>

①已知: $2 N _ { 2 } O _ { 5 } \mathrm { ( { \bf g ) } } = 2 N _ { 2 } O _ { 4 } \mathrm { ( { \bf g ) } } + O _ { 2 } \mathrm { ( { \bf g ) } } \triangle { \sf H _ { 1 } } = - 4 4 { \sf k J } \bullet \mathrm { m o l ^ { - 1 } }$

$$ 2 N O _ { 2 } ( \mathrm { \bf ~ g } ) = N _ { 2 } O _ { 4 } ( \mathrm { \bf ~ g } ) \triangle \ H _ { 2 } = - \Sigma 5 . 3 \mathrm { k J } \bullet \Pi \circ \Pi 0 | ^ { - 1 } $$

则反应 $N _ { 2 } O _ { 5 } \mathrm { ( } \mathbf { g ) } = 2 { \mathsf { N O } } _ { 2 } \mathrm { ( } \mathbf { g ) } + \frac { 1 } { 2 } \mathbf { 0 } _ { 2 } \mathrm { ( } \mathbf { g ) }$ 的 $\triangle \mathsf { H } = \_ 3 3 . 3 \quad \mathsf { k J } \bullet \mathsf { m o l } ^ { - 1 }$

②研究表明, ${ \mathsf N } _ { 2 } { \mathsf O } _ { 5 } \ \mathsf { \pmb g } )$ 分解的反应速率 ${ \mathsf { v } } { = } 2 \times 1 0 ^ { - 3 } \times { \mathsf { P } } _ { \mathrm { ~ } { \mathtt { N } } _ { 2 } \ { \mathtt { O } } _ { \mathsf { J } } }$ (kPa•min﹣<sup>1</sup>),t=62min时,测得体系中P $\scriptstyle 0 _ { 2 } ^ { \ = 2 . 9 \mathsf { k P a } }$ ,则此时的 $\mathsf { P } _ { \mathbb { N } _ { 2 } \mathbb { O } _ { 5 } } = \underbrace { 3 0 . 0 \quad \mathsf { k P a } , \mathsf { v } = \hphantom { - } 6 . 0 \times 1 0 ^ { - 2 } } _ { \mathsf { N } _ { 2 } \mathbb { N } _ { 5 } }$ $\mathsf { k P a } \bullet \mathsf { m i n } ^ { - 1 }$ o

③若提高反应温度至 $3 5 \mathrm { ^ \circ C }$ ,则 ${ \sf N } _ { 2 } { \sf O } _ { 5 } { \sf \Gamma } ( { \bf g } )$ 完全分解后体系压强 ${ \sf P } _ { \infty } \mathrm { ( } 3 5 ^ { \circ } { \mathrm C } \mathrm { ) }$ 大于63.1kPa(填“大于”“等于”或“小于”),原因是 温度升高,容器容积不变,总压强提高,且二氧化氮二聚为放热反应,温度提高,平衡左移,体系物质的量增加,总压强提高

④ $2 5 \mathrm { ^ \circ C }$ 时 ${ \sf N } _ { 2 } { \sf O } _ { 4 } { \sf \Delta } ( \mathrm { \bf ~ g } ) 2 { \sf N } { \sf O } _ { 2 } { \sf \Delta } ( \mathrm { \bf ~ g } )$ )反应的平衡常数 $k _ { \mathrm { p } } = \mathrm { } 1 3 . 4 \ \mathsf { \Omega } \mathsf { k P a } \ \left( \mathsf { K } _ { \mathsf { p } } \right.$ 为以分压表示的平衡常数,计算结果保留1位小数)。

(3)对于反应 ${ 2 } { \bf N } _ { 2 } { \sf O } _ { 5 } \mathrm { ~ ~ ( ~ \underline { { ~ g ~ } } ) ~ } { } { 4 } { \sf N } { \sf O } _ { 2 } \mathrm { ~ ~ ( ~ \underline { { ~ g ~ } } ) ~ } { + } { \bf O } _ { 2 } \mathrm { ~ ~ ( ~ \underline { { ~ g ~ } } ) ~ }$ ,R.A.Ogg 提出如下反应历程:第一步: $N _ { 2 } O _ { 5 } { } N O _ { 2 } + N O _ { 3 }$ 快速平衡第二步 $N O _ { 2 } + N O _ { 3 } N O + N O _ { 2 } + O _ { 2 }$ 慢反应第三步 $N O + N O _ { 3 } { } 2 N O _ { 2 }$ 快反应

其中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡。下列表述正确的是 AC(填标号)

A. v(第一步的逆反应) $> \mathsf { v }$ (第二步反应)
B. 反应的中间产物只有 ${ \mathsf { N O } } _ { 3 }$
C. 第二步中 ${ \mathsf { N O } } _ { 2 }$ 与 ${ \mathsf { N O } } _ { 3 }$ 的碰撞仅部分有效
D. 第三步反应活化能较高
参考答案

AC

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完整解析 · 逐步详解

【考点】BE:热化学方程式;CP:化学平衡的计算

【分析】(1)干燥的氯气通过干燥的硝酸银,得到 ${ \sf N } _ { 2 } { \sf O } _ { 5 }$ ,氯气是氧化剂,还原产物应为AgCl,硝酸银是还原剂,根据还原剂失去电子转化为氧化产物判断;②①已知:ⅰ、 ${ 2 } \mathsf { N } _ { 2 } \mathsf { O } _ { 5 } \mathrm { ~ \tiny ~ ( ~ \underline { ~ } { ~ g ~ } ~ ) ~ } = 2 \mathsf { N } _ { 2 } \mathsf { O } _ { 4 } \mathrm { ~ \tiny ~ ( ~ \underline { ~ } { ~ g ~ } ~ ) ~ } + \mathsf { O } _ { 2 } \mathrm { ~ \tiny ~ ( ~ \underline { ~ } { ~ g ~ } ~ ) ~ } \triangle \mathsf { H } _ { 1 } = \mathrm { ~ - ~ } 4 . 4 \mathsf { k } \mathsf { J } / \mathsf { m o l }$ ⅱ、 $2 N O _ { 2 } ( \bf { g } ) \overline { { { \alpha } } } = N _ { 2 } O _ { 4 } ( \bf { g } ) \overline { { { \alpha } } } \Delta \Delta H _ { 2 } = - \Delta 5 5 . 3 \mathrm { k J / m o l }$

根据盖斯定律可知ⅰ÷2﹣ⅱ即得到 $\mathsf { N } _ { 2 } \mathsf { O } _ { 5 } \mathrm { ~ \left( ~ \mathsf { g } ~ \right) ~ } = 2 \mathsf { N } \mathsf { O } _ { 2 } \mathrm { ~ \left( ~ \mathsf { g } ~ \right) ~ } + \mathsf { 1 } / 2 \mathsf { O } _ { 2 } \mathrm { ~ \left( ~ \mathsf { g } ~ \right) ~ }$ ,据此计算 $\triangle { \sf H }$ 的值;

②根据阿伏加德罗定律可知,在恒温恒容条件下,气体的压强与物质的量成正比;

③根据温度对压强和平衡状态的影响分析;

④根据五氧化二氮完全分解时的压强计算出二氧化氮、氧气的压强,然后再根据二氧化氮转化的方程式计算平衡时二氧化氮、四氧化二氮的压强;

(3)化学反应的速率由慢反应过程决定,并根据三步反应的特点分析判断。

【解答】解:(1)氯气在反应中得到电子作氧化剂,硝酸银中只有氧元素化合价会升高,所以氧化产物是氧气,分子式为 ${ \sf O } _ { 2 }$ ,

故答案为: $\mathsf { O } _ { 2 } ;$

(2)①已知:

$$ { 2 } \mathsf { N } _ { 2 } \mathsf { O } _ { 5 } \mathrm { ~ \tiny ~ ( ~ \underline { ~ } { ~ g ~ } ~ ) ~ } = 2 \mathsf { N } _ { 2 } \mathsf { O } _ { 4 } \mathrm { ~ \tiny ~ ( ~ \underline { ~ } { ~ g ~ } ~ ) ~ } + \mathsf { O } _ { 2 } \mathrm { ~ \tiny ~ ( ~ \underline { ~ } { ~ g ~ } ~ ) ~ } \triangle \mathsf { H } _ { 1 } = \mathrm { ~ - ~ } 4 . 4 \mathsf { k } \mathsf { J } / \mathsf { m o l } $$

ⅱ、 $2 N O _ { 2 } ( \bf { g } ) \overline { { { \alpha } } } = N _ { 2 } O _ { 4 } ( \bf { g } ) \overline { { { \alpha } } } \Delta \Delta H _ { 2 } = - \Delta 5 5 . 3 \mathrm { k J / m o l }$

根据盖斯定律可知ⅰ÷2﹣ⅱ即得到 $N _ { 2 } O _ { 5 } \left( \begin{array} { l } { { { \bf \Lambda } } } \\ { { { \bf \Lambda } } } \end{array} \right) = 2 { \sf N O } _ { 2 } { \bf \Lambda } \left( \begin{array} { l l } { { { \bf g } } } \end{array} \right) + 1 / 2 { \sf O } _ { 2 } { \bf \Lambda } \left( \begin{array} { l } { { { \bf g } } } \end{array} \right) \ \triangle$ $\sf H = + 5 3 . 1 6 \mathrm { J } / m o l$

故答案为:+53.1;

②根据方程式可知氧气与消耗五氧化二氮的物质的量之比是 1:2,又因为压强之比是物质的量之比,所以消耗五氧化二氮减少的压强是 $2 . 9 \mathsf { k P a } \times 2 \mathsf { = } 5 . 8 \mathsf { k P a }$ 则此时五氧化二氮的压强是 $3 5 . 8 \mathsf { k P a } - 5 . 8 \mathsf { k P a } = 3 0 . 0 \mathsf { k P a }$ ,因此此时反应速率$\mathsf { v } { = } 2 . 0 \times 1 0 ^ { - 3 } \times 3 0 { = } 6 . 0 \times 1 0 ^ { - 2 } ~ ( \mathsf { k P a } \bullet \mathsf { m i n } ^ { - 1 } )$

故答案为: $3 0 . 0 ; \ 6 . 0 \times 1 0 ^ { - 2 }$

③由于温度升高,容器容积不变,总压强提高,且二氧化氮二聚为放热反应,温度提高,平衡左移,体系物质的量增加,总压强提高,所以若提高反应温度至 $3 5 \mathrm { ^ \circ C }$ ,则 ${ \sf N } _ { 2 } { \sf O } _ { 5 } { \sf \Gamma } ( { \bf g } )$ 完全分解后体系压强 ${ \sf p } _ { \infty } ( 3 5 ^ { \circ } { \mathrm C } )$ 大于 63.1 kPa,

故答案为:温度升高,容器容积不变,总压强提高,且二氧化氮二聚为放热反应,温度提高,平衡左移,体系物质的量增加,总压强提高;大于;

④根据表中数据可知五氧化二氮完全分解时的压强是 63.1kPa,根据方程式可知完全分解时最初生成的二氧化氮的压强是 $3 5 . 8 \mathsf { k P a } \times 2 \mathsf { = } 7 1 . 6 ~ \mathsf { k P a }$ ,氧气是$3 5 . 8 \mathsf { k P a } \div 2 \mathsf { = } 1 7 . 9 \mathsf { k P a }$ ,总压强应该是 $7 1 . 6 k P a + 1 7 . 9 k P a = 8 9 . 5 k P a$ ,平衡后压强减少了 $8 9 . 5 k P a - 6 3 . 1 6 \mathsf { P } a = 2 6 . 4 \mathsf { k P a }$ ,所以根据方程式 $2 { \bf N O } _ { 2 } ( \mathrm { { \bf ~ g } } ) { \bf N } _ { 2 } { \bf O } _ { 4 } ( \mathrm { { \bf ~ g } } )$ 可知平衡时四氧化二氮对应的压强是 26.4kPa,二氧化氮对应的压强是 71.6$\mathsf { k P a } \mathrm { ~ - ~ } 2 6 . 4 \mathsf { k P a } \times 2 \mathsf { - 1 8 . 8 k P a }$ ,则反应的平衡常数 $k = \frac { 1 8 . 8 ^ { 2 } } { 2 6 . 4 } \mathrm { K P } \approx 1 3 . 4 \mathsf { K P a }$

故答案为:13.4;

> ③A.第一步反应快,所以第一步的逆反应速率大于第二步的逆反应速率,故 A 正确;

B.根据第二步和第三步可知中间产物还有NO,故B错误;

C.根据第二步反应生成物中有 ${ \mathsf { N O } } _ { 2 }$ 可知 ${ \mathsf { N O } } _ { 2 }$ 与 ${ \mathsf { N O } } _ { 3 }$ 的碰撞仅部分有效,故 C 正确;

D.第三步反应快,所以第三步反应的活化能较低,故D错误;

故选:AC。

【点评】本题主要是考查化学反应原理,侧重于化学反应速率与化学平衡的有关分析与计算,题目难度较大。试题设计新颖,陌生感强,计算量较大,对学生的要求较高。压强和平衡常数的计算是解答的难点,注意从阿伏加德罗定律的角度去理解压强与气体物质的量之间的关系,注意结合反应的方程式和表中数据的灵活应用。

[化学一选修 3:物质结构与性质]

✅ 来源:2018年 · 全国 · 2018_新课标I卷 · 第 10 题 · 本题已通过全部自动发布校验
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