化学反应原理综合专项

这是一份化学反应原理综合专项，共65页。
高三化学试题
反应原理综合专项
考试范围：高三；考试时间：75分钟
注意事项：
1．答可能会用到的相对原子质量H-1、C-12、N-14、O-16、Na-23、Mg-24、Al-27、Si-28、P-31、S-32、Cl-35.5、Fe-56、Cu-64、Zn-65、Ga-80
一、原理综合题
1．随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。将氯化氢转化为氯气的技术成为化学研究的热点。
Deacon发明的直接氧化法为：4HCl(g)+O2(g)=2Cl2(g)+2H2O(g) △H
请回答：
(1)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行：
CuCl2(s)=CuCl(s)+Cl2(g) △H1=+83 kJ·mol-1
CuCl(s)+O2(g)=CuO(s)+Cl2(g) △H2=-20 kJ·mol-1
CuO(s)+2HCl(g)=CuCl2(s)+H2O(g) △H3=- 121 kJ·mol-1
①直接氧化法的自发进行的条件是___________
②下列措施中，有利于提高αHCl(平衡转化率)的有___________ (填字母) 。
A．增大n(HC1)     B．增大n(O2) C．使用更好的催化剂       D．移去H2O E．增大压强
(2)下图1为刚性容器中，进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系：

①图1中进料浓度比c(HC1)∶c(O2)=4∶1的曲线是___________。
②设HCl初始浓度为c0，根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1的数据计算：K(400°C) =___________( 只需要列出计算式即可，不必化简)。
③进料浓度比c(HC1)∶c(O2)过低或过高产生的不利影响是___________。
④400℃时，若HCl和O2的物质的量之比为n∶1，相应平衡体系中Cl2的物质的量分数为x，请在图2中绘制x随n变化的示意图___________。
2．石油产品中含者及COS、等多种有机硫化物，石油化工催生出多种脱硫技术，请回答下列问题：
(1)已知热化学方程式：
①   
②   
则反应   _______
分析该反应的自发情况：_______。
(2)工业生产中应用：COS的水解反应为   。某温度时，用活性作催化剂，在恒容密闭容器中COS(g)的平衡转化率随不同投料比[]的转化关系如图甲所示。


①起始向该容器中投入一定量反应物，在一定条件下，可以判断反应到达平衡状态的是_______(填字母)。
A．容器中气体密度不变
B．压强保持不变
C．容器中气体的平均相对分子质量保持不变
D．
②根据图甲和图乙判断该反应的最佳条件为：投料比[]_______；温度_______


③P点对应的平衡常数为_______。(保留小数点后2位)
④当温度升高到一定值后，发现相同时间内COS(g)的水解转化率降低，猜测可能的原因是_______；_______。(写出两条)
(3)可以用溶液吸收，其原理为，该反应的平衡常数为_______。(已知的，；的，)
3．工业合成二甲醚(CH3OCH3)是CO2资源化在推进能源绿色转型，实现“碳达峰、碳中和”中具有重要意义。回答下列问题：
(1)反应I.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH1
II.2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH2
则：反应III.2CO(g)+4H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH3=_______(用“ΔH1 ”、“ΔH1 ”表示)。上述反应ΔSv(逆)，c点v(正)=v(逆)
B．该反应的ΔH2>0
C．反应速率a>b>c
D．催化剂A在该反应中比催化剂B 、C效果都好
E.在c点保持T5不变，再通入1mol CO2和3mol H2，将使CO2的转化率提高
②温度在T5时，反应II的平衡常数_______(用含α的式子表示)
(3)一定温度下，向填充有催化剂的恒容密闭容器中充入等物质的量的CO2和H2，同时发生反应I和反应II，15min末反应达到平衡。测得反应前容器内压强为P0，平衡时二甲醚中分压为P1，氢气的分压为P2。CO2的平衡转化率为_______(用含P0、P1、P2的代数式表示)。
(4)用合成的二甲醚作燃料电池的燃料，写出在碱性条件下负极的电极反应式为_______。
4．CO2是一种温室气体，对人类的生存环境产生巨大的影响，将CO2作为原料转化为有用化学品，对实现碳中和及生态环境保护有着重要意义。
Ⅰ．工业上以CO2和NH3为原料合成尿素，在合成塔中存在如下转化：

(1)液相中，合成尿素的热化学方程式为：2NH3(l)+CO2(l)=H2O(l)+NH2CONH2(l) △H=___________kJ/mol。
(2)在恒容密闭容器中发生反应：2NH3(g)+CO2(g)=CO(NH2)2(s)+H2O(g) △H＜0。下列说法正确的是
A．增大CO2的浓度，有利于NH3的转化率增大
B．反应在任何温度下都能自发进行
C．当混合气体的密度不再发生改变时反应达平衡状态
D．充入He，压强增大，平衡向正反应移动
Ⅱ．可利用CO2和CH4催化制备合成气(CO、H2)，在一定温度下容积为1 L密闭容器中，充入等物质的量CH4和CO2，加入Ni/Al2O3使其发生反应：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)
(3)反应达平衡后，平衡常数K=81，此时测得c(CO)为3 mol/L，则CH4的转化率为___________(保留2位有效数字)。
(4)制备“合成气”反应历程分两步：
步骤
反应
正反应速率方程
逆反应速率方程
反应①
CH4(g)C(ads)+2H2(g)
v正=k1·c(CH4)
v逆=k2·c2(H2)
反应②
C(ads)+CO2(g)2CO(g)
v正=k3·c(CO2)
v逆=k4·c2(CO)

上述反应中C(ads)为吸附性活性炭，反应历程的能量图变化如下图所示：

①反应速率快慢比较：反应①___________反应②(填“＞”“＜”或“=”)，请依据有效碰撞理论微观探析其原因___________。
②一定温度下，反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)的平衡常数K=___________(用k1、k2、k3、k4表示)。
(5)制备合成气(CO、H2)过程中发生副反应：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2=+41.0 kJ/mol，在刚性密闭容器中，进料比分别等于1.0、1.5、2.0，且反应达到平衡状态。反应体系中，随温度变化的关系如图所示：

随着进料比的增加，的值___________(填“增大”、“不变”或“减小”)，其原因是___________。
5．绿色能源是未来能源发展的重要方向，氢能是重要的绿色能源。
(1)氢气是一种环保的气体，不会污染大气且热值高。相关化学键的键能表示如表：
化学键
O=O
H—H
O—H
键能E/(kJ·mol-1)
a
b
c

则氢气燃烧热的△H=____kJ/mol(用含a、b、c代数式表示)
(2)催化制氢是目前大规模制取氢气的方法之一：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH2=-41.2kJ·mol-1。在T1℃时，将0.10molCO与0.40molH2O充入5L的容器中，反应平衡后H2的物质的量分数x(H2)=0.08。
①反应平衡常数K=____。(结果保留2位有效数字)
②保持K不变，提高CO平衡转化率措施有：____。(任意一条)
③由T1℃时上述实验数据计算得到v正～x(CO)和v逆～x(H2)的关系可用如图表示。当升高到某一温度时，反应重新达到平衡，相应的点分别为____。(填字母)


④研究表明，CO催化变换反应的速率方程为：v=k[x(CO)•x(H2O)-]，式中，x(CO)、x(H2O)、x(CO2)、x(H2)分别表示相应的物质的量分数，KP为平衡常数，k为反应的速率常数，温度升高时k值增大。在气体组成和催化剂一定的情况下，反应速率随温度变化的曲线如图所示。温度升高时，CO催化变换反应的KP___(填“增大”或“减小”或“不变”)。根据速率方程分析，T＞Tm时v逐渐减小的原因是____。


(3)氨电解法制氢气
利用电解原理，将氨转化为高纯氢气，其装置如图所示。阳极的电极反应式为____。

6．CO2的过量排放会造成温室效应，CO2的固定可以有效的缓解这一问题。
已知键能数据如下表(单位：kJ/mol)：
共价键
C=O
C—H
H—H
H—O
键能
799
413
436
463

(1)在催化剂Ni—CeO2的作用下，CO2(g)和H2(g)反应生成CH4(g)和H2O(g)，其反应历程如下图所示(吸附在催化剂表面的物种用*标注)。保持CO2与H2的体积比为1：4，反应气的总流量控制在40mL/min，通过320℃催化剂表面，反应未达到平衡状态。

①主反应生成甲烷，热化学方程式为_______。
②欲提高CH4产率，可采取的措施是_______(写一种即可)。
③根据历程写出存在的副反应的化学方程式_______。
④测得CO2的转化率为80%，则CO2的反应速率为_______mL/min。
(2)320℃时，将lmolCO2和4molH2混合于1L恒容密闭容器中，同时发生主副反应。
①下列说法可说明主副反应均已达到平衡状态的是_______(填选项字母)。
A．容器内密度不再发生变化
B．容器内气体的平均摩尔质量不再发生变化
C．容器内压强不再发生变化
D．4v正(CO2)=v逆(H2)
E．容器内各物质的物质的量n(CO2)：n(H2)：n(CH4)：n(H2O)=1：4：1：2
②平衡后测得c(H2O)=1.93mol/L，c(CH4)=0.95mol/L，主反应的平衡常数K=_______(mol/L)-2(写出计算式，不用计算出结果)。
(3)可以利用直流光电池将CO2和H2O转化为HCOOH和O2，O2在_______(填“阳极”或“阴极”)表面生成，通入CO2电极发生反应的电极反应为_______。
7．我国科学家利用钴分子筛实现丙烯高选择性合成甲基环氧乙烷()：
主反应：(g，甲基环氧乙烷)   
副反应：(g，丙醛)      (a、b都大于0)
请回答下列问题：
(1)(g，甲基环氧乙烷)(g，丙醛)     ______。
(2)一定温度下，在恒容密闭容器中充入和，同时发生上述两个反应，下列表明反应已达到平衡状态的是____________(填标号)。
A．混合气体的密度不随时间变化
B．混合气体的总压强不随时间变化
C．混合气体的平均摩尔质量不随时间变化
D．消耗丙烯的速率等于消耗O2速率的2倍
(3)在恒容密闭容器中充人一定量丙烯和氧气，在不同催化剂Cat1、Cat2条件下发生反应(g，甲基环氧乙烷)，测得单位时间内丙烯转化率与温度的关系如图1。
①相对催化效率较大的催化剂是______(填“Cat1”或“Cat2”)。
②在Cat1催化下，300℃时对应的状态______(填“是”或“不是”)平衡状态，判断的依据是______。
③在Cat1催化下，温度高于300℃时丙烯转化率急剧下降的主要原因可能是_______。(答一条即可)

(4)在一密闭容器中充入2mol丙烯和xmol，同时发生上述两个反应，测得丙烯平衡转化率与温度、压强的关系如图2。
①其他条件相同，p1、p2、p3由大到小的顺序为______。
②在p3、T℃时反应达到平衡，甲基环氧乙烷选择性为80%，此时容器体积为2L。
提示：甲基环氧乙烷选择性等于甲基环氧乙烷的物质的量与甲基环氧乙烷和丙醛总物质的量之比。
主反应的平衡常数K=____。保持温度、容积不变，再充入0.5mol和0.5mol，副反应_____(填“向正反应方向”、“向逆反应方向”或“不”)进行。
8．减弱温室效应的方法之一是将CO2回收利用，科学家研究利用回收的CO2制取甲醛，反应的热化学方程式为CO2(g)+2H2(g)CH2O(g)+H2O(g) ∆H。请回答下列问题：
(1)已知：①CH2O(g)+O2(g)=CO2(g)+H2O(g) ∆H1= -480kJ/mol
②相关化学键的键能数据如表所示：
化学键
O=O
H-H
O-H
键能/kJ∙mol-1
498
436
464

则CO2(g)+2H2(g) CH2O(g)+H2O(g) ∆H=_______。
(2)一定条件下，将n(CO2)：n(H2)=1：2的混合气体充入恒温恒容的密闭容器中，发生反应CO2(g)+2H2(g) CH2O(g)+H2O(g)。
①下列说明反应已经达到平衡状态的是_______(填选项字母)。
a.容器内气体密度保持不变 b.H2O的体积分数保持不变
c.该反应的平衡常数保持不变   d.混合气体的平均相对分子质量不变
②下列措施既能提高H2的转化率又能加快反应速率的是_______(填选项字母)。
a.升高温度       b.使用高效催化剂       c.缩小容器体积       d.扩大容器体积
(3)实验室在2L密闭容器中进行模拟上述合成CH2O的实验。T1℃时，将体积比为1：4的CO2和H2混合气体充入容器中，每隔一定时间测得容器内气体压强如表所示：
时间/min
0
10
20
30
40
50
60
压强/kPa
1.08
0.96
0.88
0.82
0.80
0.80
0.80

①已知：vp(B)=则反应开始10 min内，用H2的压强变化表示该反应的平均反应速率为 _______kPa∙min-1。
②T1℃时，反应的平衡常数Kp的代数式为Kp=_______kPa-1(Kp为用各气体分压表示的平衡常数，分压=总压×物质的量分数，只写表达式)。
(4)T2℃时，向体积为2L的恒容密闭容器中充入一定量的H2和CO2的混合气体，容器内气体压强为1.2 kPa，反应达到平衡时，CH2O的分压与起始的关系如图所示：

当=2时，反应达到平衡后，若再向容器中加入CO2，则达到新平衡时CO2的转化率将_______(填“增大”“减小”或“不变”)。
②当=2.5时，达到平衡状态后，CH2O的分压可能是图像中的点_______(填“D”“E”或“F”)，原因为_______。
9．研究氮的相关化合物在化工生产中有重要意义
(1)反应，可有效降低汽车尾气污染物的排放.一定条件下该反应经历三个反应阶段，反应历程如图所示，三个反应中，属于吸热反应的是反应_______(填“①”“②”或“③”)，图中_______

(2)硝化反应是最普遍和最早发现的有机反应之一，以为新型硝化剂的反应具有反应条件温和、反应速度快、选择性高、无副反应发生、过程无污染等优点，可利用臭氧化法制备，其反应为，在恒温恒压条件下，下列说法能够说明该反应已经达到平衡的是_______(填序号)(不考虑其他反应干扰)
A．混合气体密度不再改变
B．消耗的同时，消耗了
C．浓度不再改变
D．混合气体的平均相对分子质量不再改变
(3)在密闭容器中充入和，发生反应，平衡时在容器内的体积分数随温度变化的曲线如图甲所示【要考虑反应】

①a点的_______(填“>”“”、“”、“=”或“＜”)，_______。(用含不同活化能的式子表示)
(2)其他条件不变的情况下，升高反应温度，对反应_______(填①或②)的速率提高更有利，分析原因_______。
(3)由反应历程及能量变化图示判断，产物中_______(用系统命名法命名)含量更大，若要提高该产物在平衡体系中的物质的量分数，还可采取的措施是_______。
(4)在一定温度下，向某反应容器中加入1.0mol和一定量的发生上述反应。测得的平衡转化率为，平衡时为b mol，若以物质的量分数表示的平衡常数，反应③的平衡常数，则产物的选择性百分比为_______，开始加入的为_______mol，反应①的平衡常数_______。

参考答案：
1．(1)     低温自发     BDE
(2)     曲线II          过低：O2和Cl2分离能耗较高；过高：HCl平衡转化率较低    
【解析】
(1)
①Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行：
(i)CuCl2(s)=CuCl(s)+Cl2(g) △H1=+83 kJ·mol-1
(ii)CuCl(s)+O2(g)=CuO(s)+Cl2(g) △H2=-20 kJ·mol-1
(iii)CuO(s)+2HCl(g)=CuCl2(s)+H2O(g) △H3=- 121 kJ·mol-1
根据盖斯定律，将[(i)+(ii)+(iii)]×2，整理可得：4HCl(g)+O2(g)=2Cl2(g)+2H2O(g) △H=-116 kJ/mol。该反应的正反应是气体体积减小的放热反应，△H＜0，△S＜0，要使反应自发进行，△G=△H-T△S＜0，则反应自发进行的条件应该是在低温条件下自发进行；
②A．增大n(HC1)化学平衡正向移动，但平衡移动趋势是微弱的，移动消耗量小于投入量的增大，HCl的平衡转化率反而降低，A不符合题意；
B．增大n(O2)化学平衡正向移动，可以使更多HCl反应，因此HCl的平衡转化率增大，B符合题意；
C．使用更好的催化剂只能加快反应速率，而不能使平衡发生移动，因此HCl的平衡转化率不变，C不符合题意；
D．移去H2O即减小了生成物的浓度，化学平衡正向移动，可以提高HCl的平衡转化率，D符合题意；
E．增大压强化学平衡向气体体积减小的正反应方向移动，导致HCl的平衡转化率增大，E符合题意；
故合理选项是BDE；
(2)
①在O2浓度不变时，增大c(HCl)，HCl的平衡转化率降低。根据图象可知：HCl的平衡转化率Ⅲ＜Ⅱ＜Ⅰ，因此图中进料浓度比c(HC1)∶c(O2)=4∶1的曲线是曲线Ⅱ，曲线Ⅰ表示进料浓度比c(HC1)∶c(O2)=1∶1；曲线Ⅲ表示进料浓度比c(HC1) ∶c(O2)=7∶1；
②设HCl初始浓度为c0，根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)=1∶1，温度在400℃时，HCl的平衡转化率为84%，则平衡时c(HCl)=(1-0.84)c0，c(O2)=c0-0.21c0=(1-0.21)c0，c(Cl2)=c(H2O)=0.42 c0，则该条件下的化学平衡常数K=；
③进料浓度比c(HC1) ∶c(O2)过低或过高产生的不利影响是若过低，则O2和Cl2分离能耗较高；若过高，则HCl平衡转化率较低；
④在400℃，当n(HC1) ∶n(O2)等于化学方程式中化学计量数的比4∶1时，反应物HCl的转化率最高，相应的平衡体系中Cl2的含量最大，根据图象可知在n(HC1) ∶n(O2)=4∶1时，HCl的平衡转化率为76%，则平衡时n(HCl)=4(1-0.76)=0.96，n(O2)=1-0.76=0.24，n(Cl2)=n(H2O)=2×0.76=1.52，n(总)=n(HCl)+n(O2)+n(Cl2)+n(H2O)= 0.96+0.24+1.52+1.52=4.24，此时Cl2的含量为，即n=4时，Cl2的含量最高为0.36，n小于4或大于4时Cl2的含量都低于0.36，故x随n变化的示意图为：。
2．(1)          低温情况下有利于自发
(2)     D     ：               温度升高,催化剂活性降低，     温度升高，平衡向逆反应方向移动，所以转化率下降
(3)
【解析】
(1)
     、     ，根据盖斯定律，可得：   ；故答案为： 
反应：是、的反应，要使，则是低温，该反应低温条件容易自发；故答案为：低温条件容易自发；
(2)
反应前后气体的总物质的量和质量保持不变，且容器体积不变，密度始终保持不变，无法判断是否处于平衡状态，故A错误；
B．反应过程中和平衡状态下压强相同，容器内压强不随时间改变，不能说明反应达到平衡状态，故错误；
C．反应前后气体的总物质的量和质量保持不变，容器中气体的平均相对分子质量保持不变，故错误；
D．即正、逆反应速率相等，处于平衡状态，故D正确；
 由图可知，当投料比为：、温度时，的转化率最高；故答案为：：；；
点对应的投料比为：：，的转化率为，
                 
开始                                    
变化                        
平衡                        
点对应的平衡常数；故答案为：；
④该反应正向放热，温度过高，催化剂活性降低，但平衡向逆反应方向移动，的水解转化率降低；故答案为：温度升高,催化剂活性降低；温度升高平衡逆向移动，导致转化率下降。
(3)
，该反应的平衡常数； 故答案为：。
3．(1)     ΔH2-2ΔH1     Ⅱ、Ⅲ
(2)     ADE    
(3)
(4)CH3OCH3+16OH- -12e-=2CO+11H2O
【解析】
(1)
I.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)     ΔH1
II .2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)   ΔH2
根据盖斯定律II- I×2得2CO(g)+4H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(g)   ΔH3=ΔH2-2ΔH1。气体物质的量越多，熵越大。反应I气体物质的量不变，反应II气体物质的量减少，反应III气体物质的量减少，上述反应ΔSV逆 ，c点V正=V逆，A正确；
B．温度升高，从a点到c点，CO2的转化率降低，平衡逆向移动，说明是放热反应，ΔH2