2025年高考二轮复习化学大题突破练3　化学反应原理综合题

大题突破练(三)化学反应原理综合题学生用书P3121.(2024·广东大亚湾区1月联合模拟)某课题组研究CO2加氢制甲醇。涉及的主要反应有:反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=48.3kJ·mol1反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41.2kJ·mol1反应Ⅲ:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)ΔH3=154.8kJ·mol1反应Ⅳ:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH4回答下列有关问题:(1)反应Ⅳ的ΔH4=。

(2)下列有关说法正确的是。

A.增压时,CO的物质的量分数一定增大B.当甲醇的分压不再改变时,体系达到平衡C.在恒容密闭容器中充入Ar,反应Ⅲ速率不变D.升温时,反应Ⅱ逆反应速率加快的程度大于正反应速率(3)研究发现,在3MPa条件下,当起始n(CO2)∶n(H2)=1∶3,平衡时CO2的转化率、含碳产物的选择性(转化的CO2中生成CH3OH、CH4或CO的百分比,如甲醇的选择性=生成CH3①随着温度升高,甲醇选择性降低而CO2的转化率却升高的原因可能是。

②在T温度下,若CH4的选择性为10%,计算此温度下反应Ⅱ的平衡常数K=。(4)一种在铜基催化剂上CO2加氢制甲醇的机理如图所示,其中吸附在铜基催化剂表面上的物种用“*”标注。①基态铜原子的价电子排布式为。

②决速步的反应方程式为

。

(5)写出甲醇在生产或生活中的一种应用。

答案:(1)89.5kJ·mol1(2)BC(3)①生成甲醇的反应均为放热反应,升温时平衡逆向移动,甲醇选择性降低;反应Ⅱ是吸热反应,升温平衡正向移动,且反应Ⅱ占主导作用②0.198(4)①3d104s1②CH3O*+OH*+2H*CH3OH*+H2O*(5)作燃料(或溶剂或制甲醛等)解析:(1)根据盖斯定律可知反应Ⅰ反应Ⅱ=反应Ⅳ,ΔH4=ΔH1ΔH2=48.3kJ·mol1(+41.2kJ·mol1)=89.5kJ·mol1。(2)反应Ⅱ是等体积变化的反应,反应Ⅳ是气体体积减小的反应,增压时反应Ⅳ的平衡正向移动,CO的物质的量分数减小,A错误;反应达到平衡时,各物质的浓度、含量均不变,则甲醇的分压不再改变时其浓度不变,体系达到平衡状态,B正确;在恒容密闭容器中充入Ar时,反应物、生成物的浓度均不变,则反应速率不变化,C正确;反应Ⅱ是吸热反应,升高温度时平衡正向移动,即升温时反应Ⅱ逆反应速率加快的程度小于正反应速率,D错误。(3)②设起始时n(CO2)=1mol、n(H2)=3mol,由图可知,T温度平衡时CO2的转化率为60%、CH3OH的选择性为60%,CH4的选择性为10%,则CO的选择性为160%10%=30%,平衡体系中CO2的物质的量为0.4mol,n(CH3OH)=1mol×60%×60%=0.36mol,n(CH4)=0.06mol,n(CO)=0.18mol,根据H、O原子守恒可得:2n'(H2)+2n(H2O)+0.36mol×4+0.06mol×4=6mol,n(H2O)+0.8mol+0.36mol+0.18mol=2mol,解得n'(H2)=1.5mol,n(H2O)=0.66mol,此温度下反应Ⅱ的平衡常数K=c(CO)·(4)①Cu的原子序数为29,基态铜原子核外电子排布式为[Ar]3d104s1,其价电子排布式为3d104s1。②反应的能垒或活化能越高,反应速率越慢,该步反应的反应速率决定整个反应的反应速率,是决速步,由图可知,过渡态5的能垒最高,该步反应为CH3O*+OH*+2H*CH3OH*+H2O*。(5)甲醇具有可燃性,是良好的有机溶剂,是重要的化工原料等,可用作燃料、溶剂、制备甲醛等。2.(2024·广东韶关综合测试二)H2O2是常用的绿色氧化剂,在生产和生活中发挥着重要的作用。(1)富勒烯C60颗粒对H2O2液相氧化SO2具有明显的促进效果,该反应机理和能量变化如下:①H2O2液相氧化SO2生成H2SO4的热化学方程式为

。

②图示历程包含个基元反应,写出决速步骤的化学方程式:。

③C60间的作用力是。

(2)H2O2可用于工业上氮氧化物(NOx)的催化氧化,H2O2去除NO的反应存在平衡:(ⅰ)H2O2(aq)+NO(g)NO2(g)+H2O(l)(ⅱ)2NO2(g)+H2O2(aq)2HNO3(aq)(ⅲ)2H2O2(aq)+2NO(g)HNO2(aq)+HNO3(aq)+H2O(ⅳ)HNO2(aq)+H2O2(aq)HNO3(aq)+H2O(l)①上述反应体系在一定条件下建立平衡后,下列说法正确的有(填字母)。

A.其他条件不变时,温度越高,NO的转化率越大B.加入催化剂,c(HNO3)与c(HNO2)比值保持不变C.恒温恒压下充入Ar,平衡(ⅰ)、(ⅱ)向正反应方向移动D.增大H2O2的浓度,反应(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)、(ⅳ)正反应速率都增大②一定范围内,催化剂光热协同辅助H2O2降解NO的去除率变化如图甲所示,NO去除率最佳的反应条件为。

图甲图乙(3)过碳酸钠(2Na2CO3·3H2O2)是碳酸钠和过氧化氢的加成复合物。将2Na2CO3·3H2O2置入真空的刚性容器中,升高温度发生分解反应:2Na2CO3·3H2O2(s)2Na2CO3(s)+3H2O(g)+32O2(g),平衡时pO2T1的关系如图乙所示。a点时,该反应的平衡总压=kPa,平衡常数Kp=

(kPa)92(列出算式),Kp随温度升高而(填“增大”“减少”答案:(1)①H2O2(aq)+SO2(g)H2SO4(aq)ΔH=98.72kJ·mol1②3HO*+HOSO2*H2SO4③分子间作用力(或范德华力)(2)①BD②110℃,5%H2O2(3)124.032×8.0解析:(1)①从始态和终态看,H2O2液相氧化SO2生成H2SO4,放热98.72kJ,则热化学方程式为H2O2(aq)+SO2(g)H2SO4(aq)ΔH=98.72kJ·mol1。②从图中可以看出,图示历程包含3个基元反应,其中第三个基元反应的活化能最大,反应速率最慢,为决速步骤,化学方程式为HO*+HOSO2*H2SO4。③C60为分子构成的物质,不能形成分子间的氢键,则作用力是分子间作用力(或范德华力)。(2)①其他条件不变时,温度越高,反应物H2O2分解的程度越大,NO的转化率越小,A不正确;加入催化剂,加快反应速率,缩短反应到达平衡的时间,但反应物的转化率不受影响,所以c(HNO3)与c(HNO2)比值保持不变,B正确;恒温恒压下,充入Ar,相当于减小压强,气态物质的浓度减小,平衡(ⅱ)向逆反应方向移动,从而引起反应(ⅰ)向逆反应方向移动,C不正确;增大H2O2的浓度,反应(ⅰ)、(ⅱ)、(ⅲ)、(ⅳ)的反应物浓度增大,则正反应速率都增大,D正确;故选BD。②一定范围内,从催化剂光热协同辅助H2O2降解NO的去除率变化图可以看出,NO去除率最佳的反应条件为110℃、5%H2O2。(3)从图中可以看出,a点时,pO2=4.0kPa,则pH2O(g)=8.0kPa,该反应的平衡总压为4.0kPa+8.0kPa=12kPa,平衡常数Kp=pH2O3·pO232=(8.0kPa)3×(4.0kPa)32=43.(2024·湖北七市二模)为了实现“碳达峰”和“碳中和”的目标,将CO2转化成可利用的化学能源的“负碳”技术是世界各国关注的焦点。回答下列问题:方法Ⅰ:CO2催化加氢制甲醇。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的反应如下:反应ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=49.0kJ·mol1反应ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41.0kJ·mol1反应ⅲ:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH3(1)计算反应ⅲ的ΔH3=kJ·mol1。

(2)一定温度和催化剂条件下,在密闭恒容容器中按照投料n(CO2)∶n(H2)∶n(N2)=1∶3∶1发生反应(N2不参与反应),平衡时CO2的转化率、CH3OH和CO的选择性[如CH3OH的选择性=n生成(C①图中曲线a表示物质(填“CO2”“CH3OH”或“CO”)的变化。

②上述反应体系在一定条件下建立平衡后,下列说法正确的有(填字母)。

A.升高温度,反应ⅰ逆向移动,所以正反应速率减小B.向容器中再通入少量N2,CO2的平衡转化率下降C.移去部分H2O(g),反应ⅲ平衡一定不移动D.选择合适的催化剂能提高CH3OH的选择性③保持温度不变,在恒容反应器中,初始总压为5pkPa,只发生反应ⅰ和ⅱ,达到平衡时CO2的转化率为80%,CO的选择性为25%,则H2的转化率为,反应ⅱ的压强平衡常数Kp=(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。

方法Ⅱ:催化加氢制甲酸。(3)科研工作者通过开发新型催化剂,利用太阳能电池将工业排放的CO2转化为HCOOH。已知CO2(g)+H2(g)HCOOH(g)ΔH=31.4kJ·mol1。温度为T1℃达到平衡时,化学平衡常数K=1.8。实验测得:v正=k正c(CO2)·c(H2),v逆=k逆c(HCOOH),k正、k逆为速率常数。T1℃时,k正=k逆;若温度为T2℃达到平衡时,k正=1.9k逆,则T2(填“>”“<”或“=”)T1。

答案:(1)90.0(2)①CO②D③23(或者66.7%)0.(3)1.8<解析:(1)根据盖斯定律,ⅰⅱ=ⅲ,所以ΔH3=ΔH1ΔH2=49.0kJ·mol1(+41.0kJ·mol1)=90.0kJ·mol1。(2)①反应ⅱ为吸热反应,升高温度平衡正向移动,CO的选择性提高,反应中CO2的转化率升高,CO的选择性为曲线a;反应ⅰ为放热反应,升高温度平衡逆向移动,CH3OH的选择性降低,反应中CO2的转化率降低,CH3OH的选择性为曲线c;两反应综合效应,CO2的转化率为曲线b。②升高温度,所有反应的正逆反应速率均升高,A项错误;在恒容容器中充入N2,反应体系中各物质的浓度不会发生改变,反应速率不变,平衡不移动,CO2转化率不变,B项错误;移去部分H2O(g),反应ⅰ、ⅱ均正向移动,导致CH3OH和CO增加,浓度商可能发生变化,反应ⅲ平衡可能发生移动,C项错误;催化剂具有专一性,所以选择合适的催化剂能提高CH3OH的选择性,D项正确。③投料n(CO2)∶n(H2)∶n(N2)=1∶3∶1,假设初始物质的量分别为1mol、3mol、1mol,因为发生反应ⅰ和ⅱ,达到平衡时CO2的转化率为80%,CO的选择性为25%,所以共反应掉CO2的物质的量为0.8mol,生成CO物质的量为0.8mol×25%=0.2mol,根据C守恒,生成CH3OH物质的量为0.6mol。列三段式:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)起始/mol 1 3 0 0转化/mol 0.6 1.8 0.6 0.6平衡/mol 0.2 1 0.6 0.8CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)起始/mol 1 3 0 0转化/mol 0.2 0.2 0.2 0.2平衡/mol 0.2 1 0.2 0.8则H2的转化率为1.8mol+0.2mol3mol=23;平衡时气体(包括N2)的总物质的量为0.2mol+1mol+0.6mol+0.8mol+0.2mol+1mol=3.8mol,平衡时总压强p平=3.8pkPa,CO2、H2、CO、H2O的分压分别为0.2pkPa、pkPa、0.2pkPa、0.8pkPa,反应ⅱ的(3)反应CO2(g)+H2(g)HCOOH(g)的化学平衡常数表达式K=c(HCOOH)c(CO2)·c(H2);而v正=k正c(CO2)·c(H2),v逆=k逆c(HCOOH),k正、k逆为速率常数,平衡时v正=v逆,即k正c(CO2)·c(H2)=k逆c(HCOOH),则K=c(HCOOH)c(CO2)·c(H2)=k正k逆,所以k正=1.8k逆;4.(2024·吉林白山二模)氨是重要的化工原料,也是潜在的储氢材料。回答下列问题:(1)氨的沸点为33.35℃,易液化,工业上常用作制冷剂,其易液化的主要原因是

。

(2)在液氨中制备B2(NH)3的反应如下:①BCl3(s)+6NH3(l)B(NH2)3(s)+3NH4Cl(s)ΔH1;②2B(NH2)3(s)B2(NH)3(s)+3NH3(l)ΔH2;③2BCl3(s)+9NH3(l)B2(NH)3(s)+6NH4Cl(s)ΔH3。上述反应中,ΔH1、ΔH2、ΔH3之间等式关系为。

(3)氨分解制备氢气,反应历程如图所示。①N2(g)的键能为kJ·mol1。

②写出NH3分解总反应的热化学方程式:

。

(4)化学上,把反应物消耗一半所用时间叫作“半衰期”。在恒容密闭容器中充入适量钨和0.8molNH3,实验测得在钨表面氨气分解反应半衰期与温度(T)、起始压强(p)的关系如图所示。T1(填“>”“<”或“=”)T2。T2温度下,反应进行到tmin时容器内反应体系总压强为kPa。

(5)一定温度下,向1L恒容密闭容器中充入1molN2和nmolH2合成氨气。NH3的平衡体积分数与投料比η[η=n(H①在a、b、c点中,N2的平衡转化率最大的是(填字母)。

②若b点对应体系中,NH3体积分数为19,则该温度下,平衡常数K为L2·mol2(只列计算式)答案:(1)N的电负性较大,NH3分子间形成氢键(2)ΔH3=2ΔH1+ΔH2(3)①946②2NH3(g)N2(g)+3H2(g)ΔH=+90kJ·mol1(4)<150(5)①c②0解析:(2)由盖斯定律可知③=2×①+②,故ΔH3=2ΔH1+ΔH2。(3)①2N(g)N2(g)ΔH=(51845)×2kJ·mol1=946kJ·mol1,故N2的键能为946kJ·mol1。②从图像看出,NH3(g)相对能量为0,12N2(g)+32H2(g)的相对能量为45kJ·mol1,故2NH3(g)N2(g)+3H2(g)ΔH=+90kJ·mol1(4)起始投入反应物的量相等,T1温度下半衰期大于T2,说明T1<T2;在恒温恒容条件下,气体压强之比=物质的量之比,对于恒温恒容密闭容器,气体总物质的量与压强成正比。初始NH3为0.8mol,反应0.4mol时气体总物质的量为1.2mol,对应的压强为p,有0.8mol∶1.2mol=100kPa∶p,解得p=150kPa。(5)①投料比越大,N2平衡转化率越大,故c点转化率最大;②按化学计量数投料时氨平衡体积分数最大,故b点时n=3,设氮气转化量为xmol,则N2(g)+3H2(g)2NH3(g)起始量/mol 1 3 0变化量/mol x 3x 2x平衡量/mol 1x 33x 2x2x4-2x=19,解得x=0.2,则平衡时体系中氮气、氢气、氨气的浓度分别为0.8mol·L1、2.4mol·L1、0.4mol·L1,故K=5.(2023·湖北卷节选)纳米碗C40H10是一种奇特的碗状共轭体系。高温条件下,C40H10可以由C40H20分子经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应生成。C40H20(g)C40H18(g)+H2(g)的反应机理和能量变化如下:回答下列问题:(1)图示历程包含个基元反应,其中速率最慢的是第个。

(2)C40H10纳米碗中五元环和六元环结构的数目分别为、。

(3)1200K时,假定体系内只有反应C40H12(g)C40H10(g)+H2(g)发生,反应过程中压强恒定为p0(即C40H12的初始压强),平衡转化率为α,该反应的平衡常数Kp为(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。

(4)C·40H19(g)C40H18(g)+H·(g)及C·40H11(g)C40H10(g)+H·(g)反应的lnK(K为平衡常数)随温度倒数的关系如图所示。已知本实验条件下,lnK=ΔHRT+c(R为理想气体常数,c为截距)。图中两条线几乎平行(5)下列措施既能提高反应物的平衡转化率,又能增大生成C40H10的反应速率的是(填字母)。

a.升高温度b.增大压强c.加入催化剂答案:(1)33(2)610(3)α(4)两个反应的化学键变化相似,使得ΔH数值相近,lnK的斜率取决于ΔH,所以两条线几乎平行(5)a解析:(1)基元反应是指在反应中一步直接转化为产物的反应,从图上看包含3个基元反应,其中第3步活化能最大,故该步反应速率最慢。(2)C40H20中有10个六元环、1个五元环。从C40H20C40H18,形成一个五元环,从C40H20C40H10需经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应,故新形成5个五元环。故C40H10中有6个五元环、10个六元环。(3)起始C40H12为整体1,平衡转化率为α,则:C40H12(g)C40H10(g)+H2(g)起始: 1 0 0转化: α α α平衡: 1α α α平衡时,C40H12、C40H10、H2的分压分别为1-α1+αp0、α1+αpKp=p((4)因两个反应的化学键变化相似,使得ΔH数值相近,lnK的斜率取决于ΔH,所以两条线几乎平行。(5)该反应是吸热反应,升高温度既可以增大反应速率,又能提高平衡转化率,a符合题意;该反应是气体分子数增大的反应,增大压强可以增大反应速率,而平衡转化率减小,b错误;加入催化剂可以增大反应速率,但不影响平衡转化率,c错误。6.(2024·辽宁沈阳一模)2023杭州亚运会火炬塔燃料首次使用新型燃料——绿色零增碳甲醇,用实际行动向世界展示了我国对碳中和的决心和成果,具体流程如图。回答下列问题:(1)整个过程只消耗太阳能。H2O和CO2仅充当能量的媒介且可实现完美循环,这是典型的人工光合过程,则过程H2O+CO2CH3OH+O2为(填“吸热”或“放热”)反应。

(2)CO2催化加氢制备甲醇,反应如下:主反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1副反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41.2kJ·mol1下表中数据是该反应中相关物质的标准摩尔生成焓(ΔfHmθ)(标准摩尔生成焓是指在298.15K、100kPa由稳定态单质生成1mol化合物时的焓变)。则ΔH1=kJ·mol物质H2(g)CO2(g)H2O(g)CH3OH(g)ΔfHmθ/(kJ·mol0394242201(3)探究影响CH3OH合成反应化学平衡的因素,有利于提高CH3OH的产率。CO2的平衡转化率X和CH3OH的选择性S随温度、压强变化如图。CH3OH的选择性=n(CH3OH)n消耗A.p1>p2B.恒温密闭体系中,加压时副反应平衡不移动C.300~350℃曲线变化的原因可能是此时以发生副反应为主D.加入选择性更好的催化剂,可以提高甲醇的平衡产率E.300℃时,当体系中混合气体的平均摩尔质量不再改变,则该体系达到平衡状态(4)在T℃下,恒压反应器中,按初始投料n(CO2)∶n(H2)=1∶1发生反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),初始总压为2MPa,反应平衡后,H2的平衡转化率为60%,则该反应的平衡常数Kp=(MPa)2(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。

(5)一种基于铜基金属簇催化剂电催化还原CO2制备甲醇的装置如图所示。控制其他条件相同,将一定量的CO2通入该电催化装置中,阴极所得产物及其物质的量与电压的关系如图所示。①b电极生成CH3OH的电极反应式为

。

②控制电压为0.8V,电解时转移电子的物质的量为mol。

答案:(1)吸热(2)49(3)ACE(4)0.5(5)①CO2+6e+6H+CH3OH+H2O②2.8解析:(1)整个过程只消耗太阳能,H2O和CO2仅充当能量的媒介且可实现完美循环,这是典型的人工光合过程,光合过程