2020版《名师导学》高考新课标化学第一轮总复习讲义：大题突破（一）　化学反应原理综合应用

大题突破(一)　化学反应原理综合应用

(对应复习讲义第169页)

[题型解读]

1．呈现形式与考查内容

试题一般以新信息为载体，结合图形、图表信息，围绕某种元素的化合物展开，综合考查化学原理的知识，涉及化学反应中的能量变化、化学反应速率和平衡、溶液中的离子平衡、电化学、化学计算等。

2．题干特点与考查能力

试题篇幅较长，文字较多，题干特征是图像和表格交替出现，以图像为主；题给信息一般是较新颖的工业合成，信息量大，难度大；充分考查学生的接受信息能力、知识迁移运用能力、解决实际问题的能力及计算能力。

3．设问方式与考查风格

题目设问一般为4～5个小题，7～9个空，出题风格相对稳定。

[解题指导]

1．审题“三读”

2．审题要点

(1)准确分析题给信息，抓取有效信息。虽然题目在背景材料上呈现新(或陌生)内容，但内在要求或者核心知识考查不变，注意联系生产实际中的各类反应原理，融会贯通，就能解决所有问题。

(2)熟练掌握相关的思想、知识细节、生产原理、工艺设计原理，还有新时期对化学工业原理的新要求，如循环经济、原子经济、节能环保等方面的要求在工业中的运用。

(3)总结思维的技巧和方法，答题时注意规范细致。该类题的问题设计一般没有递进性，故答题时可跳跃式解答，千万不能放弃。

[典例示范]

　(2017·全国卷Ⅱ，27)丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备①。回答下列问题：

(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1­丁烯(C4H8)的热化学方程式如下：

①C4H10(g)===C4H8(g)＋H2(g)　　ΔH1

已知：②C4H10(g)＋O2(g)===C4H8(g)＋H2O(g)　ΔH2＝－119 kJ·mol－1

③H2(g)＋O2(g)===H2O(g)

ΔH3＝－242 kJ·mol－1

反应①的ΔH1为②________kJ·mol－1。图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图③，x________0.1(填“大于”或“小于”)；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是________(填标号)。

A．升高温度　B．降低温度　C．增大压强　D．降低压强

图(a)　　　　　　　　　　　图(b)

图(c)

(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势④，其降低的原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物⑤主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 ℃之前⑤随温度升高而增大的原因可能是________、________；590 ℃之后⑤，丁烯产率快速降低的主要原因可能是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

　①新情景、新信息：丁烯的制备原理：丁烷[C4H10(g)]催化脱氢得到丁烯[C4H8(g)]。

②信息解读与理解：已知三个热化学方程式，可以利用盖斯定律解题。

③识图像：图(a)是平衡转化率—温度—压强图像，图像表明随着温度的升高转化率增大；图(b)是丁烯产率—n(氢气)/n(丁烷)关系图像，图像表明随着n(氢气)/n(丁烷)增大，丁烯产率开始增大到一定程度趋于平稳；图(c)是丁烯产率—温度关系图像，一定温度时产率最大。想规律：增大压强平衡向气体体积减小的方向移动；得结论：反应①减小压强，平衡正向移动，平衡转化率升高。

④考应用能力：结合已知图像解决实际问题；明确n(氢气)/n(丁烷)的含义，图像中的最大值的含义。

⑤新情景：图(c)中副产物的产生原因：高温裂解生成的短碳链烃类化合物；图像中的关键点：温度值(590 ℃)时丁烯产率最高。

　(1)根据盖斯定律，由已知方程式得①＝②－③，则

ΔH1＝ΔH2－ΔH3＝－119 kJ/mol－(－242 kJ/mol)＝＋123 kJ/mol。反应①是一个正向气体体积增大的反应，在相同温度下，减小压强平衡向正反应方向移动。图(a)中，温度相同时，压强为x MPa的转化率大于压强为0.1MPa的转化率，所以x<0.1。

反应①的正反应为吸热反应，升高温度平衡正向移动，丁烯的平衡产率提高，A正确；降低温度，平衡逆向移动，丁烯的平衡产率降低，B错误；增大压强，反应①的平衡逆向移动，丁烯的平衡产率降低，C错误；降低压强，反应①的平衡正向移动，丁烯的平衡产率提高，D正确。

(2)H2是反应①的生成物，随着n(氢气)/n(丁烷)增大，H2的物质的量浓度增大，逆反应速率增大，从而导致平衡向逆反应方向移动，使丁烯产率下降。

(3)590 ℃之前，温度升高时反应速率加快，生成的丁烯会更多，同时由于反应①是吸热反应，升高温度平衡正向移动，平衡体系中会含有更多的丁烯。而温度超过590 ℃时，由于丁烷高温会裂解生成短链烃类，所以参加反应①的丁烷也就相应减少，所以丁烯产率快速降低。

[答案]　(1)＋123　小于　AD

(2)氢气是产物之一，随着n(氢气)/n(丁烷)增大，逆反应速率增大

(3)升高温度有利于反应向吸热方向进行　温度升高反应速率加快　丁烯高温裂解生成短链烃类

[对点练习]

1．(2018·全国卷Ⅱ，T27)CH4­CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO和H2)，还对温室气体的减排具有重要意义。回答下列问题：

(1)CH4­CO2催化重整反应为CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)。

已知：C(s)＋2H2(g)===CH4(g)　ΔH＝－75 kJ·mol－1

C(s)＋O2(g)===CO2(g)　ΔH＝－394 kJ·mol－1

C(s)＋O2(g)===CO(g)　ΔH＝－111 kJ·mol－1

该催化重整反应的ΔH＝________kJ·mol－1。有利于提高CH4平衡转化率的条件是________(填标号)。

A．高温低压　　　　　B．低温高压  

C．高温高压  D．低温低压  

某温度下，在体积为2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化剂进行重整反应，达到平衡时CO2的转化率是50%，其平衡常数为________mol2·L－2。

(2)反应中催化剂活性会因积碳反应而降低，同时存在的消碳反应则使积碳量减少。相关数据如下表：

①由上表判断，催化剂X________Y(填“优于”或“劣于”)，理由是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

在反应进料气组成、压强及反应时间相同的情况下，某催化剂表面的积碳量随温度的变化关系如图1所示，升高温度时，下列关于积碳反应、消碳反应的平衡常数(K)和速率(v)的叙述正确的是________(填标号)。

A．K积、K消均增加

B．v积减小、v消增加

C．K积减小、K消增加

D．v消增加的倍数比v积增加的倍数大

　　　图1　　　　　　　　　　　图2

②在一定温度下，测得某催化剂上沉积碳的生成速率方程为v＝k·p(CH4)·[p(CO2)]－0.5(k为速率常数)。在p(CH4)一定时，不同p(CO2)下积碳量随时间的变化趋势如图2所示，则pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)从大到小的顺序为________。

[解析]　(1)将已知中3个反应依次编号为①、②、③，根据盖斯定律，由③×2－①－②可得该催化重整反应的ΔH＝(－111×2＋75＋394) kJ·mol－1＝＋247 kJ·mol－1。由于该反应为吸热且气体体积增大的反应，要提高CH4的平衡转化率，需在高温低压下有利于反应正向移动。根据平衡时消耗的CO2为1 mol×50%＝0.5 mol，则消耗的CH4为0.5 mol，生成的CO和H2均为1 mol，根据三段式法可知平衡时CH4、CO2、CO和H2的平衡浓度分别为0.75 mol·L－1、0.25 mol·L－1、0.5 mol·L－1、0.5 mol·L－1，则平衡常数K＝＝＝ mol2·L－2。(2)①从表格中数据可看出相对于催化剂X，用催化剂Y催化时积碳反应的活化能大，则积碳反应的反应速率小，而消碳反应活化能相对小，则消碳反应的反应速率大，再根据题干信息“反应中催化剂活性会因积碳反应而降低”可知催化剂X劣于催化剂Y。由表格可知积炭反应、消碳反应都是吸热反应，温度升高，平衡右移，K积、K消均增加，温度升高，反应速率均增大。从图像上可知600～700 ℃随温度升高，催化剂表面的积碳量减小，所以v消增加的倍数要比v积增加的倍数大，故A、D正确。②由该图像可知在反应时间和p(CH4)相同时，图像中速率关系va>vb>vc，结合沉积碳的生成速率方程v＝k·p(CH4)·[p(CO2)]－0.5，在p(CH4)相同时，随着p(CO2)增大，反应速率逐渐减慢，即可判断：pc(CO2)>pb(CO2)>pa(CO2)。

[答案]　(1)247　A　

(2)①劣于　相对于催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小；而消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大　AD　②pc(CO2)、pb(CO2)、pa(CO2)

2．(2017·全国卷Ⅲ，28)砷(As)是第四周期ⅤA族元素，可以形成As2S3、As2O5、H3AsO3、H3AsO4等化合物，有着广泛的用途。

回答下列问题：

(1)画出砷的原子结构示意图________。

(2)工业上常将含砷废渣(主要成分为As2S3)制成浆状，通入O2氧化，生成H3AsO4和单质硫。写出发生反应的化学方程式________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

该反应需要在加压下进行，原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)已知：

As(s)＋H2(g)＋2O2(g)===H3AsO4(s)　ΔH1

H2(g)＋O2(g)===H2O(l)　ΔH2

2As(s)＋O2(g)===As2O5(s)　ΔH3

则反应As2O5(s)＋3H2O(l)===2H3AsO4(s)的ΔH＝________。

(4)298 K时，将20 mL 3x mol·L－1 Na3AsO3、20 mL 3x mol·L－1 I2和20 mL NaOH溶液混合，发生反应：

AsO(aq)＋I2(aq)＋2OH－(aq)AsO(aq)＋2I－(aq)＋H2O(l)。溶液中c(AsO)与反应时间(t)的关系如图所示。

①下列可判断反应达到平衡的是________(填标号)。

a．溶液的pH不再变化

b．v(I－)＝2v(AsO)

c．c(AsO)/c(AsO)不再变化

d．c(I－)＝y mol·L－1

②tm时，v正________v逆(填“大于”“小于”或“等于”)。

③tm时v逆________tn时v逆(填“大于”“小于”或“等于”)，理由是________________________。

④若平衡时溶液的pH＝14，则该反应的平衡常数K为________。

[解析]　(1)As位于周期表中第四周期ⅤA族，说明As核外有4个电子层，最外层有5个电子，故原子结构示意图为＋33 2, 8, 18, 5, 。(2)由题意知As2S3＋O2―→H3AsO4＋S，As2S3中As元素化合价由＋3升高到＋5，S元素化合价由－2升高到0，1 mol As2S3共失去10 mol电子，1 mol O2得到4 mol电子，根据得失电子守恒可得：2As2S3＋5O2―→4H3AsO4＋6S，再由原子守恒配平可得化学方程式：2As2S3＋5O2＋6H2O===4H3AsO4＋6S。该反应加压时，反应物O2的浓度增大，反应速率加快，平衡右移，同时能提高As2S3的转化速率。

(3)令：①As(s)＋H2(g)＋2O2(g)===H3AsO4(s)　ΔH1

②H2(g)＋O2(g)===H2O(l)　ΔH2

③2As(s)＋O2(g)===As2O5(s)　ΔH3

根据盖斯定律，将反应①×2－②×3－③可得：As2O5(s)＋3H2O(l)===2H3AsO4(s)　ΔH＝2ΔH1－3ΔH2－ΔH3。

(4)①a对：溶液pH不变时，则c(OH－)也保持不变，反应处于平衡状态。

b错：根据反应方程式，始终存在速率关系：v(I－)＝2v(AsO)，反应不一定处于平衡状态。

c对：由于Na3AsO3总量一定，当c(AsO)/c(AsO)不再变化时，c(AsO)、c(AsO)也保持不变，反应建立平衡。

d错：由图可知，建立平衡时c(I－)＝2c(AsO)＝2y mol·L－1，因此c(I－)＝y mol·L－1时，反应没有建立平衡。

②tm时，反应正向进行，故v正大于v逆。

③由于tm时生成物AsO的浓度小于tn时AsO的浓度，因v逆的大小取决于生成物浓度的大小，故tm时的v逆小于tn时的v逆。

④反应前，三种溶液混合后，c (Na3AsO3)＝3x mol·L－1×＝x mol·L－1，同理，c(I2)＝x mol·L－1，反应情况如下：

　 　　　AsO(aq)＋I2(aq)＋2OH－(aq)AsO(aq)＋2I－(aq)＋H2O(l)

  　x  x  0  0

  　x－y  x－y　 　1  y  2y

K＝＝(mol·L－1)－1。

[答案]　(1)＋33 2, 8, 18, 5,

(2)2As2S3＋5O2＋6H2O===4H3AsO4＋6S　增加反应物O2的浓度，提高As2S3的转化速率

(3)2ΔH1－3ΔH2－ΔH3

(4)①ac　②大于　③小于　tm时生成物浓度较低

④ (mol·L－1)－1