2025届高中化学考点专练48化学反应原理综合题

专练48化学反应原理综合题
授课提示：对应学生用书95页
1．[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12 N 2(g)＋32
H 2(g)===NH 3(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 *2 表示被吸附于催化剂表面的N 2)。

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Fe 3O 4)使用前经H 2还原，生成α­Fe 包裹的Fe 3O 4。

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N A )。

(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x H 2＝0.75、x N 2＝0.25，另一种为x H 2＝0.675、x N 2＝0.225、
x Ar ＝0.10。

(物质i 的摩尔分数：x i ＝n i n 总 )
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p 2＝20MPa 、x NH 3＝0.20时，氮气的转化率α＝_。

该温度时，反应12
N 2(g)＋32
H 2(g)⇌NH 3(g)的平衡常数K p ＝_(MPa)－1(化为最简式)。

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)7.8×2873N A 56×1030
(4)①p 1＜p 2＜p 3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%1432
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12
N 2(g)＋32
H 2(g)===NH 3(g)的ΔH ＝(473＋654－436－397－339)kJ·mol －1＝－45kJ·mol －1。

(2)由图1中信息可知，12 N 2(g)===N(g)的ΔH ＝＋473kJ·mol －1，则N ≡N 的键能为946kJ·mol －1；32
H 2(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＝56x ×1030N A ·2873 g·cm －3＝7.8g·cm －3，解得x ＝7.8×2873N A 56×1030
，即α­Fe 晶胞中含有Fe 的原子数为7.8×2873N A 56×1030。

(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p 1＜p 2＜p 3，因此，图中压强由小到大的顺序为p 1＜p 2＜p 3，②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x H 2＝0.75、x N 2＝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x mol ，则有：
_N 2(g)＋3H 2(g)⇌2NH 3(g)
始(mol)_1_3_0
变(mol)_x _3x _2x
平(mol)_1－x _3－3x _2x
当p 2＝20MPa 、x NH 3＝0.20时，x NH 3＝2x 4－2x
＝0.20，解得x ＝13 ，则氮气的转化率α＝13 ≈33.33%，平衡时N 2、H 2、NH 3的物质的量分别为23 mol 、2mol 、23
mol ，其物质的量分数分别为15 、35 、15 ，则该温度下K′p ＝（15p 2）215p 2×（35
p 2）3 ＝2527×400 (MPa)－2。

因此，该温度时，反应12 N 2(g)＋32
H 2(g)⇌NH 3(g)的平衡常数K p ＝K ′p ＝2527×400
（MPa ）－2 ＝1432
(MPa)－1。

2．[2024·全国甲卷]甲烷转化为多碳化合物具有重要意义。

一种将甲烷溴化再偶联为丙烯(C 3H 6)的研究所获得的部分数据如下。

回答下列问题：
(1)已知如下热化学方程式：
CH 4(g)＋Br 2(g)===CH 3Br(g)＋HBr(g)
ΔH 1＝－29kJ·mol －1
3CH 3Br(g)＝C 3H 6(g)＋3HBr(g)
ΔH 2＝＋20kJ·mol －1
计算反应3CH 4(g)＋3Br 2(g)===C 3H 6(g)＋6HBr(g)的ΔH ＝_kJ·mol －1。

(2)CH 4与Br 2反应生成CH 3Br ，部分CH 3Br 会进一步溴化。

将8mmolCH 4和8mmolBr 2通入密闭容器，平衡时，n (CH 4)、n (CH 3Br)与温度的关系如图(假设反应后的含碳物质只有CH 4、CH 3Br 和CH 2Br 2)。

(ⅰ)图中CH 3Br 的曲线是_(填“a”或“b”)。

(ⅱ)560℃时，CH 4的转化率α＝_，n (HBr)＝_mmol 。

(ⅲ)560℃时，反应CH 3Br(g)＋Br 2(g)===CH 2Br 2(g)＋HBr(g)的平衡常数K ＝_。

(3)少量I 2可提高生成CH 3Br 的选择性。

500℃时，分别在有I 2和无I 2的条件下，将8mmolCH 4和8mmolBr 2通入密闭容器，溴代甲烷的物质的量(n )随时间(t )的变化关系如图。

(ⅰ)在11～19s 之间，有I 2和无I 2时CH 3Br 的生成速率之比v （有I 2）v （无I 2）
＝_。

(ⅱ)从图中找出I 2提高了CH 3Br 选择性的证据：_。

(ⅲ)研究表明，I 2参与反应的可能机理如下：
①I 2(g)===·I(g)＋·I(g)
②·I(g)＋CH 2Br 2(g)===IBr(g)＋·CH 2Br(g)
③·CH 2Br(g)＋HBr(g)===CH 3Br(g)＋·Br(g)
④·Br(g)＋CH 4(g)===HBr(g)＋·CH 3(g)
⑤·CH 3(g)＋IBr(g)===CH 3Br(g)＋·I(g)
⑥·I(g)＋·I(g)===I 2(g)
根据上述机理，分析I 2提高CH 3Br 选择性的原因：_。

答案：(1)－67(2)(ⅰ)a(ⅱ)80%7.8(ⅲ)10.92(3)(ⅰ)1.5(ⅱ)有I 2时，CH 3Br 的量明显提高，CH 2Br 2的量降低，且约7.5s 后，体系中CH 3Br 的量高于CH 2Br 2的量(ⅲ)I 2产生的·I 可将反应后的含碳物质CH 2Br 2经过反应②、③转化为CH 3Br ；而反应过程中生成的·Br 可继续与CH 4经过反应④、⑤又生成CH 3Br
解析：(1)根据盖斯定律，目标反应＝第一个反应×3＋第二个反应，则ΔH ＝3×ΔH 1＋ΔH 2＝3×(－29kJ·mol －1)＋20kJ·mol －1＝－67kJ·mol －1。

(2)(ⅰ)由ΔH 1＜0可知，升高温度，该反应的平衡逆向移动，n (CH 4)增大，n (CH 3Br)减小，故图中CH 3Br 的曲线是a 。

(ⅱ)根据题图可知，560℃时，平衡时n (CH 4)＝1.6mmol ，n (CH 3Br)＝5.0mmol ，则CH 4的转化率α＝8 mmol －1.6 mmol 8 mmol
×100%＝80%，CH 4的转化量为6.4mmol ，故进一步溴化的CH 3Br 的物质的量为(6.4－5.0)mmol ＝1.4mmol ，则CH 3Br 进一溴化生成的HBr 的量为1.4mmol ，故n (HBr)＝6.4mmol ＋1.4mmol ＝7.8mmol 。

(ⅲ)假设CH 4与Br 2反应生成CH 3Br 平衡后CH 3Br 再进一步溴化，根据题图中的数据，并结合(ⅱ)的分析，列三段式：
_CH 3Br(g)＋Br 2(g)―→CH 2Br 2(g)＋HBr(g)
起始量/mmol_6.4_1.6_0_6.4
转化量/mmol_1.4_1.4_1.4_1.4
平衡量/mmol_5.0_0.2_1.4_7.8
该反应为气体分子数不变的反应，可用物质的量来计算平衡常数，则K ＝7.8×1.45.0×0.2
＝10.92。

(3)(ⅰ)根据图中关于CH 3Br 的数据可得，v (有I 2)＝（3.2－2.6） mmol （19－11） s
＝0.075mmol·s －1，v (无I 2)＝（2.2－1.8） mmol （19－11） s ＝0.05mmol·s －1，则v （有I 2）v （无I 2） ＝0.075 mmol·s －1
0.05 mmol·s －1
＝1.5。

(ⅱ)由题图知，有I 2时，CH 3Br 的量明显提高，CH 2Br 2的量降低，且约7.5s 后，体系中CH 3Br 的量高于CH 2Br 2的量，故I 2提高了CH 3Br 的选择性。

(ⅲ)I 2产生的·I 可将反应后的含碳物质CH 2Br 2经过反应②、③转化为CH 3Br ；而反应过程中生成的·Br 可继续与CH 4经过反应④、⑤生成CH 3Br ，提高了生成的CH 3Br 的量，减少了CH 2Br 2的量，从而提高CH 3Br 选择
性。

3．[2024·浙江1月]通过电化学、热化学等方法，将CO2转化为HCOOH等化学品，是实现“双碳”目标的途径之一。

请回答：
(1)某研究小组采用电化学方法将CO2转化为HCOOH，装置如图。

电极B上的电极反应式是_。

(2)该研究小组改用热化学方法，相关热化学方程式如下：
Ⅰ：C(s)＋O2(g)===CO2(g)ΔH1＝－393.5kJ·mol－1
Ⅱ：C(s)＋H2(g)＋O2(g)===HCOOH(g)ΔH2＝－378.7kJ·mol－1
Ⅲ：CO2(g)＋H2(g)⇌HCOOH(g)ΔH3
①ΔH3＝_kJ·mol－1。

②反应Ⅲ在恒温、恒容的密闭容器中进行，CO2和H2的投料浓度均为1.0mol·L－1，平衡常数K＝2.4×10－8，则CO2的平衡转化率为_。

③用氨水吸收HCOOH，得到1.00mol·L－1氨水和0.18mol·L－1甲酸铵的混合溶液，298K 时该混合溶液的pH＝_。

[已知：298K时，电离常数K b(NH3·H2O)＝1.8×10－5、K a(HCOOH)＝1.8×10－4]
(3)
为提高效率，该研究小组参考文献优化热化学方法，在如图密闭装置中充分搅拌催化剂M的DMSO(有机溶剂)溶液，CO2与H2在溶液中反应制备HCOOH，反应过程中保持CO2(g)和H2(g)的压强不变，总反应CO2＋H2⇌HCOOH的反应速率为v，反应机理如下列三个基元
反应，各反应的活化能E2<E1≪E3。

(不考虑催化剂活性降低或丧失)
Ⅳ：M＋CO2⇌Q E1
Ⅴ：Q＋H2⇌L E2
Ⅵ：L⇌M＋HCOOH E3
①催化剂M足量条件下，下列说法正确的是_。

A.v与CO2(g)的压强无关
B.v与溶液中溶解H2的浓度无关
C.温度上升，v不一定增大
D.在溶液中加入N(CH2CH3)3，可提高CO2转化率
②实验测得：298K、p(CO2)＝p(H2)＝2MPa下，v随催化剂M浓度c变化如图。

c≤c0时，v随c增大而增大；c>c0时，v不再显著增大。

请解释原因
_。

答案：(1)CO2＋2e－＋2H＋===HCOOH(2)①＋14.8②2.4×10－8③10(3)①CD②当c≤c0时，v随c增大而增大，因M是基元反应Ⅳ的反应物(直接影响基元反应Ⅵ中反应物L的生成)；
c>c0时，v不再显著增加，因受限于CO2(g)和H2(g)在溶液中的溶解速度(或浓度)
解析：(1)电极B上CO2转化为HCOOH，发生还原反应，电极反应式为CO2＋2e－＋2H ＋===HCOOH。

(2)①根据盖斯定律，由Ⅲ＝Ⅱ－Ⅰ可得ΔH3＝ΔH2－ΔH1＝－378.7kJ·mol－1＋393.5kJ·mol－1＝＋14.8kJ·mol－1。

②设转化的CO2的浓度为x mol·L－1，可列三段式：_CO2(g)＋H2(g)⇌HCOOH(g)
起始浓度/(mol·L－1)_1.0_1.0_0
转化浓度/(mol·L－1)_x_x_x
平衡浓度/(mol·L－1)1.0－x_1.0－x_x
则K＝x
（1.0－x）2＝2.4×10－8，解得x≈2.4×10－8，则CO2的平衡转化率为
2.4×10－8
1.0
×100%＝2.4×10－8。

③甲酸铵水解：NH＋4＋HCOO－＋H2O⇌NH3·H2O＋HCOOH，由氨水
和甲酸铵的浓度知，甲酸铵的水解受抑制，由电离和水解都很微弱知，溶液中c(NH＋4)≈0.18mol·L－1，c(NH3·H2O)≈1.00mol·L－1，根据K b(NH3·H2O)＝
c（OH－）·c（NH＋4）c（NH3·H2O），知c(OH－)＝
c（NH3·H2O）·K b（NH3·H2O）
c（NH＋4）
＝
1.00×1.8×10－5
0.18
mol·L－1＝10－4mol·L－1，c(H＋)＝10－10mol·L－1，故pH＝10。

(3)①v与CO2(g)的压强有关，压强越大，溶液中CO2的浓度越大，v越大，A项错误；v与溶液中溶解H2的量有关，氢气浓度越大，反应速率越快，B项错误；温度升高，气体在溶液中溶解度变小，总反应速率不一定增大，C项正确；N(CH2CH3)3会与HCOOH反应，使得反应Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ平衡均正向移动，可提高CO2的转化率，D项正确。