第七章　微题型73　化学反应原理综合大题(一)

微题型73化学反应原理综合大题(一)1．(2022·太原模拟)在“碳达峰、碳中和”的目标引领下，对减少二氧化碳排放的相关技术研究正成为世界各国的前沿发展方向。回答下列问题：(1)利用CH4-CO2干重整反应不仅可以对天然气资源综合利用，还可以缓解温室效应对环境的影响。该反应一般认为通过如下步骤来实现：Ⅰ.CH4(g)C(ads)＋2H2(g)Ⅱ.C(ads)＋CO2(g)2CO(g)上述反应中C(ads)为吸附性活性炭，反应历程的能量变化如图1所示：①反应Ⅰ是________(填“慢反应”或“快反应”)，CH4-CO2干重整反应的热化学方程式为________________________(选取图中E1、E2、E3、E4、E5表示反应热)。②在恒压条件下，等物质的量的CH4(g)和CO2(g)发生干重整反应时，各物质的平衡转化率随温度变化如图2所示。已知在干重整中还发生了副反应：H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)ΔH＞0，则表示CO2平衡转化率的是曲线________(填“A”或“B”)，判断的依据是________________________。③在压强为p、温度为800K的条件下，在密闭容器中充入等物质的量的CH4(g)和CO2(g)，若曲线A对应物质的平衡转化率为40%，曲线B对应物质的平衡转化率为20%，则以上反应平衡体系中n(H2)∶n(H2O)＝________________，则干重整反应的平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度表示，分压＝总压×物质的量分数，列出计算式，无需化简)。(2)二氧化碳电还原反应提供了一种生产乙醇的方法，已知反应过程中在三种不同催化剂表面(Cu、C/Cu、N-C/Cu)的某个基元反应的能量变化如图3所示(IS表示始态，TS表示过渡态，FS表示终态，*表示催化剂活性中心原子)。科学家研究发现铜表面涂覆一层氮掺杂的碳(N-C)可以提高乙醇的选择性，其原因可能是________________________________。答案(1)①慢反应CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)ΔH＝＋(E3－E1)kJ·mol－1②A相同条件下，因为CO2同时参与两个反应，故转化率更大③1∶1eq\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(0.6p,2.4)))2×\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(0.2p,2.4)))2,\f(0.8p,2.4)×\f(0.6p,2.4))(2)在N-C/Cu催化剂表面，反应2CO*=OCCO*的活化能较小，促进了C—C形成(或其他合理说法)解析(1)①由图可知反应Ⅰ的活化能大于反应Ⅱ，故反应Ⅰ为慢反应，由图可知CH4-CO21。③设在密闭容器中充入1molCH4(g)和1molCO2(g)，因为CO2(g)的平衡转化率为40%，故共消耗0.4mol，CH4(g)的转化率为20%，消耗0.2mol，列三段式：H2(g)＋CO2(g)CO(g)＋H2O(g)起始/mol0.40.80.40转化/mol0.20.20.20.2平衡/mol0.20.60.60.2体系中，n(H2)＝0.2mol,n(H2O)＝0.2mol，n(H2)∶n(H2O)＝1∶1；体系中各气体的物质的量之和为2.4mol，故干重整反应的Kp＝eq\f(p2CO·p2H2,pCH4·pCO2)＝eq\f(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(0.6p,2.4)))2×\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(0.2p,2.4)))2,\f(0.8p,2.4)×\f(0.6p,2.4))。2．(2022·安徽淮南模拟)CO2减排策略主要有三种：减少排放，捕集封存，转化利用。其中CO2转化利用，生产高能燃料和高附加值化学品，有利于实现碳资源的有效循环。由CO2转化制甲醇具有重要的经济效益。(1)高效催化剂对CO2加氢制甲醇的反应速率影响很大。通过计算机分析，CO2加氢制甲醇在不同催化条件下存在两种反应路径的势能图如图所示。①CO2加氢制甲醇的热化学方程式为CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝________eV·mol－1(阿伏加德罗常数的值用NA表示)。②________(填“甲酸盐”或“羧酸”)路径更有利于CO2加氢制甲醇反应，对该路径的反应速率影响最大的一步反应是________________________________________________。③根据势能图，下列说法合理的是________(填字母)。A．CO2分压越大，催化剂表面积越大，CO2在催化剂表面的吸附速率越大B．不考虑H3COH*，两种路径中产生的含碳中间体种类均有5种C．中间体HCOO*比COOH*更稳定D．使用高活性催化剂可降低反应焓变，加快反应速率(2)CO2催化加氢制甲醇反应历程中某一步基元反应的Arrhenius经验公式的实验数据如图所示，已知Arrhenius经验公式为Rlnk＝－eq\f(Ea,T)＋C(其中Ea为活化能，k为速率常数，R和C为常数)。①该反应的活化能Ea＝________kJ·mol－1。②当使用更高效的催化剂时，在图中画出Rlnk与eq\f(1,T)关系的示意图。(3)在CO2催化加氢制甲醇过程中也存在竞争反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH>0，在恒温密闭容器中，维持压强和投料比不变，将CO2和H2按一定流速通过反应器，CO2转化率和甲醇选择性[x(CH3OH)%＝eq\f(n生成CH3OH,n消耗CO2)×100%]随温度变化关系如图所示：①若233～251℃时催化剂的活性受温度影响不大，分析235℃后图中曲线下降的原因：________________________。②在压强为p的恒温恒压密闭容器中，加入1molCO2和3molH2反应并达到平衡状态，CO2平衡转化率为20%，甲醇的选择性为50%，计算CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)在该温度下的平衡常数Kp＝________________________(列出计算式)。答案(1)①－0.19NA②甲酸盐HCOO*＋H*=H2COO*[或HCOO*＋H*＋2H2(g)=H2COO*＋2H2(g)]③BC(2)①30.0②(3)①主反应放热，副反应吸热。升温使主反应平衡逆向移动程度大于副反应平衡正向移动程度，因而使CO2转化率和甲醇选择性下降②eq\f(\f(0.2p,3.8)×\f(0.1p,3.8),\f(0.8p,3.8)×\f(2.6p,3.8)3)解析(1)②由图示可知，甲酸盐作为催化剂时，活化能更低，因此甲酸盐路径更有利于CO2加氢制甲醇反应；对该路径的反应速率影响最大的一步反应是慢反应，即活化能最高的一步反应，即HCOO*＋H*=H2COO*或HCOO*＋H*＋2H2(g)=H2COO*＋2H2(g)。③催化剂表面积越大，CO2在催化剂表面的吸附速率越大，但CO2分压越大，CO2在催化剂表面的吸附速率不一定越大，A错误；使用更高效催化剂可加快反应速率，但不能改变反应焓变，D错误。(2)①根据图像并结合公式：63.0J·mol－1·K－1＝－3.0×10－3K－1·Ea＋C,33.0J·mol－1·K－1＝－4.0×10－3K－1·Ea＋C，解得Ea＝30.0kJ·mol－1，C＝153。(3)②CO2平衡转化率为20%，转化的二氧化碳物质的量为0.2mol，甲醇的选择性为50%，代入x(CH3OH)%＝eq\f(n生成CH3OH,n消耗CO2)×100%，可得50%＝eq\f(n生成CH3OH,0.2mol)×100%，解得n(生成CH3OH)＝0.1mol，列三段式：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)起始/mol1300转化/mol0.10.30.10.1CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)起始/mol1300转化/mol0.10.10.10.1平衡时二氧化碳分压为eq\f(0.8p,3.8)，氢气分压为eq\f(2.6p,3.8)，甲醇分压为eq\f(0.1p,3.8)，水蒸气分压为eq\f(0.2p,3.8)，则CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)在该温度下的压强平衡常数Kp＝eq\f(\f(0.2p,3.8)×\f(0.1p,3.8),\f(0.8p,3.8)×\f(2.6p,3.8)3)。3．(2022·开封模拟)氧化铁在工业上有广泛的应用。(1)炼铁高炉中存在以下热化学方程式Ⅰ.C(s)＋CO2(g)=2CO(g)ΔH1＝＋172.5kJ·mol－1Ⅱ.Fe2O3(s)＋CO(g)2FeO(s)＋CO2(g)ΔH2＝－3kJ·mol－1Ⅲ.FeO(s)＋CO(g)Fe(s)＋CO2(g)ΔH3＝－11kJ·mol－1Ⅳ.Fe2O3(s)＋3CO(g)2Fe(s)＋3CO2(g)ΔH4①上述反应中，ΔH4＝________kJ·mol－1。②下图中能表示反应Ⅳ的平衡常数对数值(lgK)与温度的关系的是________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)，原因是_______________________________________________________________。③1500℃时，在某体积可变的密闭容器中，按物质的量之比为2∶3加入Fe2O3和CO发生反应Ⅳ，则达平衡时，Fe2O3的转化率为________；下列措施能够提高Fe2O3转化率的是________(填字母)。a．对体系加压b．升高反应体系的温度c．加入适量的Na2O固体d．增大CO在原料中的物质的量比(2)一定条件下Fe2O3可被甲烷还原为“纳米级”的金属铁，其反应为Fe2O3(s)＋3CH4(g)2Fe(s)＋3CO(g)＋6H2(g)ΔH＞0①反应在2L的密闭容器中进行，5min后达到平衡，测得Fe2O3在反应中质量消耗3.2g，则该段时间内用反应物表达的平均反应速率为________mol·L－1·min－1。②该反应达到平衡时，某物理量(Y)随温度变化如图所示，当温度由T1升高到T2时，平衡常数KA________(填“＞”“＜”或“＝”)KB。纵坐标可以表示的物理量有________(填字母)。a．H2的逆反应速率b．CH4的体积分数c．混合气体的平均相对分子质量d．混合气体的密度答案(1)①－25②Ⅰ因为该反应正向放热，升高温度，平衡逆向移动，K减小，lgK减小③25%cd(2)①0.006②＜bc解析(1)①根据盖斯定律，由Ⅱ＋Ⅲ×2得Fe2O3(s)＋3CO(g)2Fe(s)＋3CO2(g)，则ΔH4＝ΔH2＋2×ΔH3＝－3kJ·mol－1－11kJ·mol－1×2＝－25kJ·mol－1。③1500℃时，lgK＝0，则K＝eq\f(c3\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(CO2)),c3\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(CO)))＝1，根据元素守恒，则参与反应的CO和剩余的CO的量相等，设加入CO为3mol，则Fe2O3为2mol，反应消耗CO为1.5mol，则消耗的Fe2O3为0.5mol，平衡时Fe2O3的转化率＝eq\f(0.5mol,2mol)×100%＝25%。升高反应体系的温度，平衡逆向移动，Fe2O3转化率减小，b项错误；加入适量的Na2O固体与二氧化碳反应，平衡正向移动，Fe2O3转化率增大，c项正确；增大CO在原料中的物质的量