统考版2024届高考化学二轮专项分层特训卷练28化学反应原理的综合应用（附解析）

练28　化学反应原理的综合应用1．.[2023·全国甲卷]甲烷选择性氧化制备甲醇是一种原子利用率高的方法。回答下列问题：（1）已知下列反应的热化学方程式：①3O2（g）===2O3（g）　K1　ΔH1＝285kJ·mol－1②2CH4（g）＋O2（g）===2CH3OH（l）　K2　ΔH2＝－329kJ·mol－1反应③CH4（g）＋O3（g）===CH3OH（l）＋O2（g）的ΔH3＝　　　　kJ·mol－1，平衡常数K3＝　　　　（用K1、K2表示）。（2）电喷雾电离等方法得到的M＋（Fe＋、Co＋、Ni＋等）与O3反应可得MO＋。MO＋与CH4反应能高选择性地生成甲醇。分别在300K和310K下（其他反应条件相同）进行反应MO＋＋CH4===M＋＋CH3OH，结果如图所示。图中300K的曲线是　　　　（填“a”或“b”）。300K、60s时MO＋的转化率为　　　　　　　　　　　　　　　　（列出算式）。（3）MO＋分别与CH4、CD4反应，体系的能量随反应进程的变化如下图所示（两者历程相似，图中以CH4示例）。（ⅰ）步骤Ⅰ和Ⅱ中涉及氢原子成键变化的是　　　　（填“Ⅰ”或“Ⅱ”）。（ⅱ）直接参与化学键变化的元素被替换为更重的同位素时，反应速率会变慢，则MO＋与CD4反应的能量变化应为图中曲线　　　　（填“c”或“d”）。（ⅲ）MO＋与CH2D2反应，氘代甲醇的产量CH2DOD　　　　CHD2OH（填“＞”“＜”或“＝”）。若MO＋与CHD3反应，生成的氘代甲醇有　　　　种。2．[2023·全国乙卷]硫酸亚铁在工农业生产中有许多用途，如可用作农药防治小麦黑穗病，制造磁性氧化铁、铁催化剂等。回答下列问题： （1）在N2气氛中，FeSO4·7H2O的脱水热分解过程如图所示：根据上述实验结果，可知x＝　　　　，y＝　　　　。（2）已知下列热化学方程式：FeSO4·7H2O（s）===FeSO4（s）＋7H2O（g）　ΔH1＝akJ·mol－1FeSO4·xH2O（s）===FeSO4（s）＋xH2O（g）　ΔH2＝bkJ·mol－1FeSO4·yH2O（s）===FeSO4（s）＋yH2O（g）　ΔH3＝ckJ·mol－1则FeSO4·7H2O（s）＋FeSO4·yH2O（s）＝2（FeSO4·xH2O）（s）的ΔH＝　　　　kJ·mol－1。（3）将FeSO4置入抽空的刚性容器中，升高温度发生分解反应：2FeSO4（s）⇌Fe2O3（s）＋SO2（g）＋SO3（g）（Ⅰ）。平衡时pT的关系如下图所示。660K时，该反应的平衡总压p总＝　　　kPa、平衡常数Kp（Ⅰ）===　　　　（kPa）2。Kp（Ⅰ）随反应温度升高而　　　　（填“增大”“减小”或“不变”）。（4）提高温度，上述容器中进一步发生反应2SO3（g）⇌2SO2（g）＋O2（g）（Ⅱ），平衡时p＝　　　（用p、p表示）。在929K时，p总＝84.6kPa，p＝35.7kPa，则p＝　　　　kPa，Kp（Ⅱ）＝　　　　kPa（列出计算式）。3．[2023·新课标卷]氨是最重要的化学品之一，我国目前氨的生产能力位居世界首位。回答下列问题： （1）根据图1数据计算反应N2（g）＋H2（g）===NH3（g）的ΔH＝　　　　kJ·mol－1。（2）研究表明，合成氨反应在Fe催化剂上可能通过图2机理进行（*表示催化剂表面吸附位，N表示被吸附于催化剂表面的N2）。判断上述反应机理中，速率控制步骤（即速率最慢步骤）为　　　　（填步骤前的标号），理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。（3）合成氨催化剂前驱体（主要成分为Fe3O4）使用前经H2还原，生成αFe包裹的Fe3O4。已知αFe属于立方晶系，晶胞参数a＝287pm，密度为7.8g·cm－3，则αFe晶胞中含有Fe的原子数为　　　　（列出计算式，阿伏加德罗常数的值为NA）。（4）在不同压强下，以两种不同组成进料，反应达平衡时氨的摩尔分数与温度的计算结果如下图所示。其中一种进料组成为xH2＝0.75、xN2＝0.25，另一种为xH2＝0.675、xN2＝0.225、xAr＝0.10。（物质i的摩尔分数：xi＝）　①图中压强由小到大的顺序为　　　　，判断的依据是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。②进料组成中含有惰性气体Ar的图是　　　　。③图3中，当p2＝20MPa、xNH3＝0.20时，氮气的转化率α＝　　　　。该温度时，反应N2（g）＋H2（g）⇌NH3（g）的平衡常数Kp＝　　　　（MPa）－1（化为最简式）。4．[2023·广东普通高中质量测评]水煤气变换反应主要应用在以煤、石油和天然气为原料的制氢工业和合成氨工业中，我国学者破解了低温下高转化率与高反应速率不能兼得的 难题。回答下列问题：（1）通过计算机模拟，我国学者研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程，如图甲所示，*代表吸附在催化剂表面。由图甲可知，水煤气变换反应的ΔH　　　　0（填“>”“<”或“＝”），该历程中反应速率最慢一步的化学方程式是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。（2）对于水煤气变换反应：CO（g）＋H2O（g）⇌CO2（g）＋H2（g）　ΔH，下列说法正确的是　　　　（填序号）。A．升高温度，反应速率加快，平衡转化率增大B.压缩容器容积增大压强，反应速率加快，CO的平衡转化率不变C．水碳比[即原料气中]越大，反应速率一定越快D．使用合适的催化剂，反应热不变，可加快反应速率（3）对于变换反应，图乙曲线表示在其他条件一定时反应速率与温度的关系，x为CO的转化率，其中最佳反应温度曲线为不同转化率下最大反应速率与温度的关系，则x最大的是　　　　，理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________；为使反应过程速率最快，操作温度应随着反应进程沿着最佳温度曲线　　　　（填“升高”或“降低”）。（4）变换反应的平衡受多种因素影响，图丙曲线表示CO平衡转化率与温度和水碳比的关系，则最佳的温度和水碳比是　　　　，图丙中A点对应的平衡常数为　　　　。 5．[2023·四川德阳质检]“碳达峰、碳中和”的关键在于如何资源化利用CO2。回答下列问题：Ⅰ.CO2催化加氢制CH2===CH2主反应为2CO2（g）＋6H2（g）⇌C2H4（g）＋4H2O（g）　ΔH。已知：H2、C2H4的燃烧热分别为285.8kJ·mol－1、1411.0kJ·mol－1；H2O（l）⇌H2O（g）　ΔH＝＋44.0kJ·mol－1。（1）ΔH＝　　　　kJ·mol－1，该反应在　　　　（填“高温”“低温”或“任何温度”）下能自发进行。（2）该反应的速率表达式为v正＝k正c2（CO2）·c6（H2），v逆＝k逆c（C2H4）·c4（H2O），其中k正、k逆为速率常数。其他条件不变时，速率常数k与温度的关系如图甲，其中表示k正的曲线是　　　　（填序号）。Ⅱ.CO2CH4重整制CO主反应为CO2（g）＋CH4（g）⇌2CO（g）＋2H2（g）　ΔH>0。在pMPa时，将CO2和CH4按物质的量之比为1∶1充入密闭容器中，分别在无催化剂及ZrO2催化下反应相同时间，测得CO2的转化率与温度的关系如图乙所示： （3）a点CO2转化率相等的原因是________________________________________________________________________。（4）在pMPa、900℃、ZrO2催化条件下，将CO2、CH4、H2O（g）按物质的量之比为1∶1∶n充入密闭容器，CO2的平衡转化率α大于50%，解释说明原因：________________________________________________________________________________________________________________________________________________，此时平衡常数Kp＝　　　　　　　　　（以分压表示，分压＝总压×物质的量分数；写出含α、n、p的计算表达式）。Ⅲ.CO2电化学还原制HCOOH（5）一种CO2电化学制甲酸的装置如图丙所示，电极a为　　　　极（填“正”或“负”），写出电极b的电极反应式：________________________________________________________________________。6．[2023·石家庄第二中学高三开学考]CO2的资源化可以推动经济高质量发展和生态环境质量的持续改善，回答下列问题：Ⅰ.CO2和CH4都是主要的温室气体。已知25℃时，相关物质的燃烧热数据如表：物质H2（g）CO（g）CH4（g）燃烧热ΔH（kJ·mol－1）－285.8－283.0－890.3（1）25℃时，CO2（g）和CH4（g）生成水煤气的热化学方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。（2）在恒温恒容装置中通入等体积CO2和CH4，发生上述反应，起始压强为p，CO2的平衡转化率为α。达平衡时，容器内总压为　　　　。该反应的平衡常数Kp＝　　　　（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数）。 Ⅱ.CO2制甲醇反应为CO2（g）＋3H2（g）⇌CH3OH（g）＋H2O（g）　ΔH＝－49.0kJ·mol－1。起始投料为＝3不变，研究不同温度、压强下，平衡时甲醇的物质的量分数[x（CH3OH）]的变化规律如图所示。其中x（CH3OH）－p图在T＝250℃下测得，x（CH3OH）－T图在p＝5×105Pa下测得。（3）图中等压过程的曲线是　　　　（填“a”或“b”），判断的依据是________________________________________________________________________________________________________________________________________________；（4）当x（CH3OH）＝0.10时，反应条件可能为　　　　　　　或　　　　　　　。Ⅲ.运用电化学原理可以很好利用CO2资源。（5）火星大气由96%的二氧化碳气体组成，火星探测器采用LiCO2电池供电，其反应机理如图：电池中的“交换膜”应为　　　　（填“阳离子”或“阴离子”）交换膜。写出CO2电极的反应式：_____________________________________________________________________________________________________________________________________。练28　化学反应原理的综合应用1．答案：（1）－307　（）或（2）b　×100%（3）Ⅰ　c　＜　2解析：（1）根据盖斯定律可知，反应③＝×（②－①），所以对应ΔH3＝（ΔH2－ΔH1）＝（－329kJ·mol－1－285kJ·mol－1）＝－307kJ·mol－1；根据平衡常数表达式与热化学方程式之间的关系可知，对应化学平衡常数K3＝（）或；（2）根据图示信息可知，纵坐标表示－lg[]，即与MO＋的微粒分布系数成反比，与M＋的微粒分布系数成正比。则同一时间内，b曲线生成M＋的物质的量浓度比a曲线的小，证明化学反应速率慢，又因同一条件下降低温度化学反应速率减慢，所以曲线b表示的是300K条件下的反应； 根据上述分析结合图像可知，300K、60s时－lg[]＝0.1，则＝10－0.1，利用数学关系式可求出c（M＋）＝（100.1－1）c（MO＋），根据反应MO＋＋CH4===M＋＋CH3OH可知，生成的M＋即为转化的MO＋，则MO＋的转化率为×100%；（3）（ⅰ）步骤Ⅰ涉及的是碳氢键的断裂和氢氧键的形成，步骤Ⅱ中涉及碳氧键形成，所以符合题意的是步骤Ⅰ；（ⅱ）直接参与化学键变化的元素被替换为更重的同位素时，反应速率会变慢，则此时正反应活化能会增大，根据图示可知，MO＋与CD4反应的能量变化应为图中曲线c；（ⅲ）MO＋与CH2D2反应时，因直接参与化学键变化的元素被替换为更重的同位素时，反应速率会变慢，则单位时间内产量会下降，则氘代甲醇的产量CH2DOD＜CHD2OH；根据反应机理可知，若MO＋与CHD3反应，生成的氘代甲醇可能为CHD2OD和CD3OH，共2种。2．答案：（1）4　1　（2）（a＋c－2b）（3）3　2.25　增大（4）　46.26　解析：（1）由图中信息可知，当失重比为19.4%时，FeSO4·7H2O转化为FeSO4·xH2O，则＝19.4%，解得x＝4；当失重比为38.8%时，FeSO4·7H2O转化为FeSO4·yH2O，则＝38.8%，解得y＝1。（2）①FeSO4·7H2O（s）===FeSO4（s）＋7H2O（g）　ΔH1＝akJ·mol－1②FeSO4·xH2O（s）===FeSO4（s）＋xH2O（g）　ΔH2＝bkJ·mol－1③FeSO4·yH2O（s）===FeSO4（s）＋yH2O（g）　ΔH3＝ckJ·mol－1根据盖斯定律可知，①＋③－②×2可得FeSO4·7H2O（s）＋FeSO4·yH2O（s）===2（FeSO4·xH2O）（s），则ΔH＝（a＋c－2b）kJ·mol－1。（3）将FeSO4置入抽空的刚性容器中，升高温度发生分解反应：2FeSO4（s）⇌Fe2O3（s）＋SO2（g）＋SO3（g）（Ⅰ）。由平衡时pT的关系图可知，660K时，p＝1.5kPa，则p＝1.5kPa，因此，该反应的平衡总压p总＝3kPa、平衡常数Kp（Ⅰ）＝1.5kPa×1.5kPa＝2.25（kPa）2。由图中信息可知，p随着温度升高而增大，因此，Kp（Ⅰ）随反应温度升高而增大。（4）提高温度，上述容器中进一步发生反应2SO3（g）⇌2SO2（g）＋O2（g）（Ⅱ），在同温同压下，不同气体的物质的量之比等于其分压之比，由于仅发生反应（Ⅰ）时p＝p，则p＋2p＝p－2p，因此，平衡时p＝。在929K时，p总＝84.6kPa、p＝35.7kPa，则p＋p＋p＝p总、p＋2p＝p－2p，联立方程组消去p，可得3p＋5p＝4p总，代入相关数据可求出p＝46.26kPa，则p＝84.6kPa－35.7kPa－46.26kPa＝2.64kPa，Kp（Ⅱ）＝＝kPa。3．答案：（1）－45（2）（ⅱ）　在化学反应中，最大的能垒为速率控制步骤，而断开化学键的步骤都属于能垒，由于N≡N的键能比H—H键的大很多，因此，在上述反应机理中，速率控制步骤为（ⅱ）（3）（4）①p1＜p2＜p3　合成氨的反应为气体分子数减少的反应，压强越大平衡时 氨的摩尔分数越大　②图4　③33.33%　解析：（1）在化学反应中，断开化学键要消耗能量，形成化学键要释放能量，反应的焓变等于反应物的键能总和与生成物的键能总和的差，因此，由图1数据可知，反应N2（g）＋H2（g）===NH3（g）的ΔH＝（473＋654－436－397－339）kJ·mol－1＝－45kJ·mol－1。（2）由图1中信息可知，N2（g）===N（g）的ΔH＝＋473kJ·mol－1，则N≡N的键能为946kJ·mol－1；H2（g）===3H（g）的ΔH＝＋654kJ·mol－1，则H—H键的键能为436kJ·mol－1。在化学反应中，最大的能垒为速率控制步骤，而断开化学键的步骤都属于能垒，由于N≡N的键能比H—H键的大很多，因此，在上述反应机理中，速率控制步骤为（ⅱ）。（3）已知αFe属于立方晶系，晶胞参数a＝287pm，密度为7.8g·cm－3，设其晶胞中含有Fe的原子数为x，则αFe晶体密度ρ＝g·cm－3＝7.8g·cm－3，解得x＝，即αFe晶胞中含有Fe的原子数为。（4）①合成氨的反应中，压强越大越有利于氨的合成，因此，压强越大平衡时氨的摩尔分数越大。由图中信息可知，在相同温度下，反应达平衡时氨的摩尔分数p1＜p2＜p3，因此，图中压强由小到大的顺序为p1＜p2＜p3，②对比图3和图4中的信息可知，在相同温度和相同压强下，图4中平衡时氨的摩尔分数较小。在恒压下充入惰性气体Ar，反应混合物中各组分的浓度减小，各组分的分压也减小，化学平衡要朝气体分子数增大的方向移动，因此，充入惰性气体Ar不利于合成氨，进料组成中含有惰性气体Ar的图是图4。③图3中，进料组成为xH2＝0.75、xN2＝0.25两者物质的量之比为3∶1。假设进料中氢气和氮气的物质的量分别为3mol和1mol，达到平衡时氮气的变化量为xmol，则有：　　　N2（g）＋3H2（g）⇌2NH3（g）始（mol）130变（mol）x3x2x平（mol）1－x3－3x2x当p2＝20MPa、xNH3＝0.20时，xNH3＝＝0.20，解得x＝，则氮气的转化率α＝≈33.33%，平衡时N2、H2、NH3的物质的量分别为mol、2mol、mol，其物质的量分数分别为、、，则该温度下K′p＝＝（MPa）－2。因此，该温度时，反应N2（g）＋H2（g）⇌NH3（g）的平衡常数Kp＝＝＝（MPa）－1。4．答案：（1）<　COOH*＋H*＋H2O*===COOH*＋2H*＋OH*（2）BD（3）x1　在其他条件一定时，转化率越大，反应物浓度越小，反应速率越慢　降低（4）326.8℃、4　81解析：（1）根据图甲，CO、H2O的总能量大于CO2、H2的总能量，所以该反应放热，水煤气变换反应的ΔH<0；活化能越大，速率越慢，该历程中反应速率最慢一步的化学方程式是COOH*＋H*＋H2O*===COOH*＋2H*＋OH*。（2）CO（g）＋H2O（g）⇌CO2（g）＋H2（g ）正反应放热，升高温度，反应速率加快，平衡逆向移动，平衡转化率减小，A错误；反应前后气体物质的量不变，压缩容器容积增大压强，反应速率加快，平衡不移动，CO的平衡转化率不变，B正确；水碳比[即原料气中]大，浓度不一定大，所以反应速率不一定快，C错误；使用合适的催化剂，能降低反应活化能，但不能改变反应热，可加快反应速率，D正确。（3）在其他条件一定时，温度和反应物的浓度影响反应速率，相同温度下，转化率越大，反应物浓度越低，反应速率越慢，故x1最大。若操作温度随着反应进程能沿着最佳温度曲线由高温向低温变化，则整个过程速率最快，可以在最短时间内达到较高转化率。（4）该反应水碳比越大，CO平衡转化率越大，由图丙可知，当反应温度为326.8℃，水碳比为4时，CO平衡转化率较大，为98%，为在较低温度和节省原料条件下进行该反应，最佳温度和水碳比分别为326.8℃、4；A点，初始水碳比为1，设初始投料CO和H2O的物质的量为nmol，由图丙可知A点时CO的平衡转化率为90%，则平衡时反应物各为0.1nmol，生成物为0.9nmol，故平衡常数为＝81。5．答案：（1）－127.8　低温　（2）a（3）a点所处温度下催化剂失去活性（4）充入了不参加反应的水蒸气，相当于减压，平衡向体积增大的方向移动，CO2的平衡转化率增大　（5）负　CO2＋2H＋＋2e－===HCOOH解析：（1）①H2（g）＋O2（g）===H2O（l）　ΔH＝－285.8kJ·mol－1，②C2H4（g）＋3O2（g）===2H2O（l）＋2CO2（g）　ΔH＝－1411.0kJ·mol－1，③H2O（l）⇌H2O（g）　ΔH＝＋44.0kJ·mol－1，根据盖斯定律：①×6－②＋③×4得2CO2（g）＋6H2（g）⇌C2H4（g）＋4H2O（g）　ΔH＝－285.8kJ·mol－1×6－（－1411.0kJ·mol－1）＋44.0kJ·mol－1×4＝－127.8kJ·mol－1，该反应ΔH<0，ΔS<0，要使ΔH－TΔS<0，则在低温下能自发进行。（2）若其他条件不变，降低温度，反应速率降低，k正、k逆均减小，该反应是放热反应，降低温度，即增大，平衡正向移动，所以k正减小的倍数小于k逆，其中表示k正的曲线是a。（3）a点CO2转化率小于平衡转化率，说明a点时反应未达到平衡状态；相同温度下反应相同的时间，测得有无催化剂时转化率均相同，即此温度下催化剂已失活。（4）CO2（g）＋CH4（g）⇌2CO（g）＋2H2（g）是气体体积增大的反应，在pMPa、900℃、ZrO2催化条件下，将CO2、CH4、H2O（g）按物质的量之比为1∶1∶n充入密闭容器，CO2的平衡转化率α大于50%，是因为充入了不参加反应的水蒸气，相当于给体系减压，平衡向气体体积增大的方向移动，CO2的平衡转化率增大。设充入CO2、CH4的物质的量为1mol，列三段式　　　　　　CO2（g）＋CH4（g）⇌2CO（g）＋2H2（g）起始量/mol　1　1　0　0转化量/mol　α　α　2α　2α平衡量/mol1－α1－α　2α　2α平衡时气体的总物质的量为（1－α＋1－α＋2α＋2α＋n）mol＝（2＋2α＋n）mol，此时平衡常数Kp＝＝。（5）由图丙可知，电极a上发生氧化反应2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，电极a为负极，b是正极，发生还原反应，二氧化碳被还原生成甲酸，电极反应式为CO2＋2H＋＋2e－ ===HCOOH。6．答案：（1）CO2（g）＋CH4（g）===2H2（g）＋2CO（g）　ΔH＝＋247.3kJ·mol－1（2）（1＋α）p　（3）b　反应ΔH＜0，正反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，甲醇的物质的量分数变小（4）5×105Pa、210℃　9×105Pa、250℃（5）阳离子　4Li＋4e－＋3CO2===2Li2CO3＋C解析：（1）由题意可知，H2（g）＋O2（g）===H2O（l）　ΔH＝－285.8kJ·mol－1　①、CO（g）＋O2（g）===CO2（g）　ΔH＝－283.0kJ·mol－1　②、CH4（g）＋2O2（g）===CO2（g）＋2H2O（l）　ΔH＝－890.3kJ·mol－1　③、根据盖斯定律，由③－2×①－2×②可得CH4（g）＋CO2（g）===2H2（g）＋2CO（g）　ΔH＝＋247.3kJ·mol－1。（2）在恒温恒容装置中通入等体积CO2和CH4，发生反应：CH4（g）＋CO2（g）===2H2（g）＋2CO（g）　ΔH＝＋247.3kJ·mol－1，起始压强为p，假设反应开始时CO2和CH4的物质的量都是1mol，CO2的平衡转化率为α，则根据物质反应转化关系可知反应达平衡时，H2、CO的物质的量都是2αmol，CO2和CH4的物质的量都是（1－α）mol，此时容器中气体的总物质的量为n（总）平衡＝（1－α）＋（1－α）mol＋2αmol＋2αmol＝（2＋2α）mol，在恒温恒容条件下气体的物质的量与压强呈正比，则＝，解得p平衡＝（1＋α）p；平衡时各种气体所占的平衡分压分别为p（CH4）＝p（CO2）＝×（1＋α）p＝、p（H2）＝p（CO）＝×（1＋α）p＝αp，则平衡常数为Kp＝＝＝。（3）反应CO2（g）＋3H2（g）⇌CH3OH（g）＋H2O（g）　ΔH＝－49.0kJ·mol－1的正反应是放热反应，在压强不变时，升高温度，化学平衡逆向移动，导致x（CH3OH）减小，因此曲线b表示等压过程中x（CH3OH）与温度的关系。（4）根据上述分析可知：曲线b表示等压（5×105Pa）过程中x（CH3OH）与温度的关系，曲线a表示温度为250℃时x（CH3OH）与压强的关系。由图示可知：当x（CH3OH）＝0.10时，反应条件可能是温度为210℃、压强为5×105Pa或温度为250℃、压强为9×105Pa。（5）根据图示，左侧Li电极为负极，Li失去电子变为Li＋进入电解质中，则负极Li电极的电极反应式为Li－e－===Li＋；在CO2电极上，CO2得到电子变为C单质，同时产生CO，CO与电解质中的Li＋结合形成Li2CO3，则正极的电极反应式为4Li＋＋4e－＋3CO2===2Li2CO3＋C；Li＋要通过离子交换膜由左侧进入右侧，因此离子交换膜为阳离子交换膜。