备战2025年高考二轮复习化学（湖南版）大单元主观题突破练4（Word版附解析）

这是一份备战2025年高考二轮复习化学（湖南版）大单元主观题突破练4（Word版附解析），共9页。试卷主要包含了9 kJ·ml-1，6 kJ·ml-1，3 kJ·ml-1　ACD，1 　66，丙烯腈是一种重要的化工原料，8　10，6　5a4b　5ab×109等内容，欢迎下载使用。
学生用书P239
1.(13分)(2024·湖南雅礼中学二模)我国提出2060年前实现碳中和,为有效降低大气中CO2的含量,以CO2为原料制备甲烷、戊烷、甲醇等能源物质具有较好的发展前景。CO2在固体催化剂表面加氢合成甲烷过程中发生如下反应:
Ⅰ.主反应:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH1=-156.9 kJ·ml-1
Ⅱ.副反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.1 kJ·ml-1
(1)已知:Ⅲ.2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH3=-395.6 kJ·ml-1
Ⅳ.CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g) ΔH4= 。
(2)CO2加氢合成甲烷时,通常控制温度为500 ℃左右,其可能的原因为 (填字母)。
A.反应速率快
B.平衡转化率高
C.催化剂活性高
D.主反应催化剂选择性好
(3)500 ℃时,向1 L恒容密闭容器中充入4 ml CO2和12 ml H2,初始压强为p,20 min时主、副反应都达到平衡状态,测得c(H2O)=5 ml·L-1,体系压强为34p,则0~20 min内v(CH4)= ml·L-1·min-1,平衡时CH4选择性= (CH4选择性=CH4平衡浓度CO2转化浓度×100%,计算保留三位有效数字,下同),副反应的Kc= 。
(4)以CO2催化加氢合成的甲醇为原料,在催化剂作用下可以制取丙烯,反应的化学方程式为3CH3OH(g)C3H6(g)+3H2O(g)。该反应的Arrhenius经验公式的实验数据如图中曲线a所示,已知Arrhenius经验公式Rlnk=-EaT+C,(Ea为活化能,k为速率常数,R和C为常数)。当改变外界条件时,实验数据如图中的曲线b所示,则实验可能改变的外界条件是 。
(5)某种新型储氢材料的晶胞如图,八面体中心为M金属离子,顶角均为NH3配体,四面体中心为硼原子,顶角均为氢原子。若其摩尔质量为188 g·ml-1,则M元素为 (填元素符号)。在该化合物中,M离子的价电子排布式为 。
答案:(1)-634.3 kJ·ml-1 (2)ACD
(3)0.1 66.7% 1.67
(4)使用更高效的催化剂或增大催化剂的比表面积
(5)Fe 3d6
解析:(1)根据盖斯定律反应Ⅲ×2―反应Ⅰ=反应Ⅳ,则ΔH4=2×ΔH3-ΔH1=(-395.6×2+156.9) kJ·ml-1=-634.3 kJ·ml-1。
(2)CO2加氢合成甲烷时,也有副产物发生,主反应是放热反应,副反应是吸热反应,通常控制温度为500 ℃左右,此时催化剂的活性高,反应速率快,由于有副反应发生,因此应是主反应催化剂选择性好,而温度高,对副反应平衡正向移动,对主反应平衡逆向移动。
(3)500 ℃时,向1 L恒容密闭容器中充入4 ml CO2和12 ml H2,初始压强为p,20 min时主、副反应都达到平衡状态,测得c(H2O)=5 ml·L-1,体系压强为34p,设参加反应Ⅰ的二氧化碳为x ml,参加反应Ⅱ的二氧化碳为y ml,建立三段式:
CO2(g) + 4H2(g) CH4(g) + 2H2O(g)
起始量/ml41200
转化量/mlx4xx2x
平衡量/ml4-x12-4xx2x
CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)
起始量/ml4-x12-4x02x
转化量/mlyyyy
平衡量/ml4-x-y12-4x-yy2x+y
则有2x+y=5,根据物质的量之比等于压强之比得到16-2x16=34pp,解得x=2,y=1,则0~20 min内v(CH4)=ΔcΔt=2ml1 L×20min=0.1 ml·L-1·min-1,平衡时CH4选择性=21+2×100%≈66.7%,c(CO2)=1 ml·L-1,c(H2)=3 ml·L-1,c(CO)=1 ml·L-1,c(H2O)=5 ml·L-1,副反应Kc=c(CO)·c(H2O)c(CO2)·c(H2)=1×51×3≈1.67。
(4)当改变外界条件时,实验数据如图中的曲线b所示,斜率降低,说明活化能降低,则实验可能改变的外界条件是使用更高效的催化剂或增大催化剂的比表面积。
(5)由图可知,黑球代表M(NH3)6,位于顶角和面心,个数为8×18+6×12=4,白球代表BH4,位于体内,个数为8,则黑球∶白球=4∶8=1∶2,则化学式为M(NH3)6(BH4)2,摩尔质量为188 g·ml-1,则M的摩尔质量为(188-17×6-15×2) g·ml-1=56 g·ml-1,则M元素为Fe;M(NH3)6(BH4)2中,NH3为分子,不带电荷,BH4-带1个单位负电荷,则Fe为+2价,其价层电子排布式为3d6。
2.(13分)(2024·湖南雅礼中学一模)一种利用太阳能催化甲烷、水蒸气重整制氢反应原理及各步反应以气体分压(单位为 kPa)表示的平衡常数与温度T的变化关系如图所示:
图1 甲烷、水蒸气重整制氢反应分步示意图
图2 第Ⅰ、Ⅱ步反应lgKp-T图像
回答下列问题:
(1)铁酸镍(NiFe2O4)中铁显+3价,写出基态Fe3+价层电子排布式: 。
(2)若第Ⅰ步反应生成1 ml H2,吸收Q kJ热量,则第Ⅰ步反应的热化学方程式为 。
(3)根据图2可知lgKp(Ⅰ)斜率更大,受温度影响更大。则甲烷、水蒸气重整制氢反应:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)的ΔH (填“>”“”“ (4)40% > (5)B>A>C>D 94
解析:(1)铁原子序数为26,则基态Fe3+价层电子排布式为3d5。
(2)第Ⅰ步反应为甲烷和铁酸镍(NiFe2O4)反应生成FeO、NiO、一氧化碳和氢气,若第Ⅰ步反应生成1 ml H2,吸收Q kJ热量,则第Ⅰ步反应的热化学方程式为CH4(g)+NiFe2O4(s)CO(g)+2H2(g)+2FeO(s)+NiO(s) ΔH=+2Q kJ·ml-1。
(3)由图可知,第Ⅱ步反应为H2O(g)+NiO(s)+2FeO(s)NiFe2O4(s)+H2(g),反应Ⅰ+反应Ⅱ得:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g),则甲烷、水蒸气重整制氢反应的Kp=Kp(Ⅰ)×Kp(Ⅱ),由图可知,lgKp(Ⅰ)斜率更大,受温度影响更大,且随温度升高而变大,故Kp也随温度升高而变大,升高温度平衡正向移动,则正反应为吸热反应,焓变ΔH>0。
(4)将n(H2O)∶n(CH4)=3∶1的混合气体投入温度为T的恒温恒容密闭容器中,初始压强为100 kPa,则水、甲烷的初始压强分别为75 kPa、25 kPa;副反应为气体分子数不变的反应,不会改变压强,重整反应CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)为气体分子数增加2的反应,达平衡时容器内的压强为140 kPa,容器内增大的压强为消耗甲烷压强的2倍,则反应中甲烷消耗的分压为140-1002 kPa=20 kPa,有:
CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)
起始(kPa)257500
转化(kPa)20202060
CO2分压为10 kPa,则副反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)中CO(g)、H2O(g)、CO2(g)、H2(g)转化的分压均为10 kPa,
则H2O的平衡转化率为20+1075×100%=40%;由三段式可知,此时重整反应的Kp=(60+10)3×(20-10)(25-20)×(75-20-10)(kPa)2≈15 244(kPa)2,由图2可知,1 000 ℃时,Kp(Ⅰ)=103(kPa)2,Kp(Ⅱ)=10,Kp=Kp(Ⅰ)×Kp(Ⅱ)=103×10=104(kPa)2,重整反应为吸热反应,Kp变大,则温度升高,故温度T>1 000 ℃。
(5)已知降低温度时,k正、k逆均减小,k正-k逆增大,k正的减小速率小于k逆,则正反应速率减小程度小于逆反应速率,反应正向进行,正反应为放热反应;增加CO的投料会降低CO的平衡转化率,降低温度平衡正向移动会提高CO的平衡转化率,所以温度:A>C>D;投料比相同,温度越高,CO的平衡转化率越低,所以温度:B>A;故温度排序B>A>C>D;
据图信息计算平衡常数:设C点初始投料n(CO)=1.0 ml,则n(H2O)=1.0 ml,达到平衡时CO的转化率为50%,消耗n(CO)=1.0 ml×50%=0.5 ml,有三段式:
CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)
起始(ml)1.01.000
改变(ml)0.50.50.50.5
平衡(ml)0.50.50.50.5
平衡时正逆反应速率相等,v正=k正p(CO)·p(H2O)=v逆=k逆p(CO2)·p(H2),反应前后气体的物质的量之和不变,压强平衡常数等于其物质的量平衡常数,Kp=0.5×0.50.5×0.5=1=p(CO2)·p(H2)p(CO)·p(H2O)=k正k逆;在C点所示投料比下,当CO转化率为40%时,消耗n(CO)=1.0 ml×40%=0.4 ml,剩余n(CO)=1.0 ml×(1-40%)=0.6 ml,剩余n(H2O)=(1-0.4) ml=0.6 ml,生成n(CO2)=0.4 ml,生成n(H2)=0.4 ml,浓度商Q=0.4×0.40.6×0.6=49,v正v逆=k正k逆×p(CO)·p(H2O)p(CO2)·p(H2)=k正k逆×94=94。
3.(15分)(2024·湖南卷)丙烯腈(CH2CHCN)是一种重要的化工原料。工业上以N2为载气,用TiO2作催化剂生产CH2CHCN的流程如下。
已知:①进料混合气进入两釜的流量恒定,两釜中反应温度恒定;
②反应釜Ⅰ中发生的反应为
ⅰ:HOCH2CH2COOC2H5(g)CH2CHCOOC2H5(g)+H2O(g) ΔH1
③反应釜Ⅱ中发生的反应为
ⅱ:CH2CHCOOC2H5(g)+NH3(g)CH2CHCONH2(g)+C2H5OH(g) ΔH2
ⅲ:CH2CHCONH2(g)CH2CHCN(g)+H2O(g) ΔH3
④在此生产条件下,酯类物质可能发生水解。
回答下列问题。
(1)总反应HOCH2CH2COOC2H5(g)+NH3(g)CH2CHCN(g)+C2H5OH(g)+2H2O(g) ΔH= (用含ΔH1、ΔH2和ΔH3的代数式表示)。
(2)进料混合气中n(HOCH2CH2COOC2H5)∶n(C2H5OH)=1∶2,出料中四种物质
(CH2CHCOOC2H5、CH2CHCN、C2H5OH、H2O)的流量(单位时间内出料口流出物质的物质的量)随时间变化关系如图。
①表示CH2CHCN的曲线是 (填“a”“b”或“c”)。
②反应釜Ⅰ中加入C2H5OH的作用是 。
③出料中没有检测到CH2CHCONH2的原因是 。
④反应11 h后,a、b、c曲线对应物质的流量逐渐降低的原因是 。
(3)催化剂TiO2再生时会释放CO2,可用氨水吸收获得NH4HCO3。现将一定量的NH4HCO3固体(含0.72 g水)置于密闭真空容器中,充入CO2和NH3,其中CO2的分压为100 kPa,在27 ℃下进行干燥。为保证NH4HCO3不分解,NH3的分压应不低于 kPa[已知p(H2O)=2.5×102 kPa·ml-1×n(H2O),NH4HCO3分解的平衡常数Kp=4×104( kPa)3]。
(4)以CH2CHCN为原料,稀硫酸为电解液,Sn作阴极,用电解的方法可制得Sn(CH2CH2CN)4,其阴极反应式为 。
答案:(1)ΔH1+ΔH2+ΔH3
(2)①c ②降低HOCH2CH2COOC2H5的分压,有利于反应ⅰ正向移动,同时增大乙醇的浓度可以使酯的水解程度降低,从而提高
CH2CHCOOC2H5的产率 ③CH2CHCONH2在反应釜Ⅱ的温度下可彻底分解 ④反应时间过长,催化剂中毒活性降低,反应速率减小,故产物减少
(3)40
(4)Sn+4CH2CHCN+4e-+4H+Sn(CH2CH2CN)4
解析:工业上以N2为载气,用TiO2作催化剂,由HOCH2CH2COOC2H5和C2H5OH为进料气体生产
CH2CHCN,在反应釜Ⅰ中发生反应ⅰ:HOCH2CH2COOC2H5(g)CH2CHCOOC2H5(g)+H2O(g),加入NH3后,在反应釜Ⅱ中发生反应ⅱ:CH2CHCOOC2H5(g)+NH3(g)CH2CHCONH2(g)+C2H5OH(g),反应ⅲ:CH2CHCONH2(g)CH2CHCN(g)+H2O(g),故产物的混合气体中有CH2CHCN、C2H5OH、未反应完的CH2CHCOOC2H5和水。
(1)根据盖斯定律,总反应HOCH2CH2COOC2H5(g)+NH3(g)CH2CHCN(g)+C2H5OH(g)+2H2O(g)可以由反应ⅰ+反应ⅱ+反应ⅲ得到,故ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3。
(2)①根据总反应HOCH2CH2COOC2H5(g)+NH3(g)CH2CHCN(g)+C2H5OH(g)+2H2O(g),设进料混合气中n(HOCH2CH2COOC2H5)=1 ml,n(C2H5OH)=2 ml,出料气中CH2CHCOOC2H5含量很少,则生成CH2CHCN(g)、C2H5OH(g)的物质的量约为1 ml,生成H2O(g)的物质的量约为2 ml,故出料气中C2H5OH(g)的物质的量共约3 ml,出料气中
CH2CHCN、C2H5OH、H2O的物质的量之比约为1∶3∶2,因此曲线c表示CH2CHCN的曲线。
②已知进料混合气进入两釜的流量恒定,反应釜Ⅰ中发生反应ⅰ是气体体积增大的反应,故加入C2H5OH降低HOCH2CH2COOC2H5的分压有利于反应ⅰ正向移动,同时增大乙醇的浓度可以使酯的水解程度降低从而提高CH2CHCOOC2H5的产率。
③丙烯酰胺(CH2CHCONH2)的分解温度为160~170 ℃,出料中没有检测到CH2CHCONH2的原因是CH2CHCONH2在反应釜Ⅱ的温度下可彻底分解。
④反应11 h后,a、b、c曲线对应物质的流量逐渐降低的原因是反应时间过长,催化剂中毒活性降低,反应速率减小,故产物减少。
(3)0.72 g水的物质的量为0.04 ml,故p(H2O)=2.5×102 kPa·ml-1×n(H2O)=10 kPa,NH4HCO3分解的化学方程式为NH4HCO3(s)NH3(g)+CO2(g)+H2O(g),故NH4HCO3分解的平衡常数Kp=p(NH3)·p(CO2)·p(H2O)=4×104(kPa)3,解得p(NH3)=40 kPa,故为保证NH4HCO3不分解,NH3的分压应不低于40 kPa。
(4)Sn(CH2CH2CN)4是有机化合物,在水中不电离,以CH2CHCN为原料,稀硫酸为电解液,Sn作阴极,用电解的方法可制得Sn(CH2CH2CN)4,故阴极的电极反应式为Sn+4CH2CHCN+4e-+4H+Sn(CH2CH2CN)4。
4.(15分)(2024·湖南衡阳三模)CO、NOx(主要指NO和NO2)是大气主要污染物之一。有效去除大气中的CO、NOx是环境保护的重要课题。
已知:
反应1:CO(g)+12O2(g)CO2(g) ΔH1=-283.0 kJ·ml-1
反应2:N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH2=+180.0 kJ·ml-1
反应3:2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g) ΔH3
反应4:2H2(g)+2NO(g)N2(g)+2H2O(g) ΔH4
回答下列问题:
(1)计算ΔH3= kJ·ml-1,已知反应3的ΔS=-200 J·ml-1·K-1,则该反应自发进行的最高温度为 (取整数)K。
(2)已知反应4在某催化剂作用下的反应历程如图。
①ΔH4 (填“>”或“”“
④0.44.6×(0.84.6)2(3.24.6)2×(0.24.6)2×p0
解析:(1)根据盖斯定律,(2×反应1)-反应2可得:2CO(g)+2NO(g)N2(g)+2CO2(g) ΔH3=(-283.0×2-180.0) kJ·ml-1=-746.0 kJ·ml-1;反应自发进行需要满足ΔH-TΔS