2021届高考化学二轮复习专题十 化学反应原理综合题型研究

专题十化学反应原理综合题型研究

1．制造一次性医用口罩的原料之一——丙烯是三大合成材料的基本原料，丙烷脱氢作为一条增产丙烯的非化石燃料路线具有极其重要的现实意义。丙烷脱氢技术主要分为直接脱氢和氧化脱氢两种。

(1)根据表中提供的数据，计算丙烷直接脱氢制丙烯的反应C3H8(g)C3H6(g)＋H2(g)的ΔH＝________。

(2)如图为丙烷直接脱氢制丙烯反应中丙烷和丙烯的平衡体积分数与温度、压强的关系(图中压强分别为1×104 Pa和1×105 Pa)。

①在恒容密闭容器中，下列情况能说明该反应达到平衡状态的是________(填字母)。

A．ΔH保持不变

B．混合气体的密度保持不变

C．混合气体的平均摩尔质量保持不变

D．单位时间内生成1 mol H—H键，同时生成1 mol C===C键

②欲使丙烯的平衡产率提高，下列措施可行的是________(填字母)。

A．增大压强B．升高温度

C．保持容积不变充入氩气

工业生产中为提高丙烯的产率，还常在恒压时向原料气中掺入水蒸气，其原因是

___________________________________________________________

__________________________________________________________。

③1×104Pa时，图中表示丙烷和丙烯体积分数的曲线分别是________、________(填标号)。

④1×104 Pa、500 ℃时，该反应的平衡常数K p＝____________Pa(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数，计算结果保留两位有效数字)。

(3)利用CO2的弱氧化性，科学家开发了丙烷氧化脱氢制丙烯的新工艺，该工艺

可采用铬的氧化物作催化剂。已知：C3H8(g)＋CO2(g)高温

催化剂C3H6(g)＋CO(g)＋H2O(l)，该工艺可以有效消除催化剂表面的积炭，维持催化剂的活性，其原因是

__________________________________________________________，

相对于丙烷直接裂解脱氢制丙烯的缺点是________________。

答案(1)＋123 kJ·mol－1

(2)①C②B该反应是气体分子数增多反应，恒压条件下充入水蒸气，容器体积增大，平衡右移③ⅳⅰ

④3.3×103

(3)C与CO2反应生成CO，脱离催化剂表面生成有毒气体CO(或其他合理说法)

解析(1)ΔH＝反应物总键能－生成物总键能＝(348 kJ·mol－1×2＋413 kJ·mol －1×8)－(615 kJ·mol－1＋348 kJ·mol－1＋413 kJ·mol－1×6＋436 kJ·mol－1)＝＋123 kJ·mol－1。(2)①A项，ΔH只与反应物的总能量和生成物的总能量有关，故ΔH

保持不变不能说明反应达平衡，错误；B项，反应体系全为气体，气体质量不变，恒容密闭容器中气体体积不变，则气体密度始终不变，故气体密度保持不变不能说明反应达平衡，错误；C项，反应体系全为气体，气体质量不变，反应前后气体分子数不相等，气体的物质的量为变量，则气体的平均摩尔质量为变量，故气体的平均摩尔质量保持不变，可以说明反应达平衡，正确；D项，单位时间内生成1 mol H—H键，同时生成1 mol C===C键，均为正反应方向，不能说明反应达平衡，错误。②A项，该反应是气体分子数增大的反应，增大压强，平衡向逆反应方向移动，丙烯的平衡产率减小，错误；B项，该反应为吸热反应，升高温度，平衡向正反应方向移动，丙烯的平衡产率增大，正确；C项，保持容积不变充入氩气，反应体系中各物质浓度不变，平衡不移动，丙烯的平衡产率不变，错误。该反应是气体分子数增多的反应，恒压条件下充入水蒸气，容器体积增大，压强减小，平衡右移，丙烯的产率增大。③该反应为吸热反应，升高温度，平衡时丙烷的体积分数减小，丙烯的体积分数增大。该反应为气体分子数增大的反应，减小压强，平衡向正反应方向移动，则1×104 Pa时丙烷的体积分数小于1×105 Pa时丙烷的体积分数，1×104Pa时丙烯的体积分数大于1×105Pa时丙烯的体积分数，因此表示丙烷的曲线为ⅳ，表示丙烯的曲线为ⅰ。④结合上述分析和题图知，1×104 Pa、500 ℃时，丙烷、丙烯的体积分数均为33%，根据反应方程式可知，氢气的体积分数也为33%，恒温恒压下，体积之比等于物质的量之比，故丙烷、丙烯、氢气的分压均为0.33×104Pa，该反应的平衡常数K p＝0.33×104 Pa×0.33×104 Pa

＝3.3×103Pa。(3)由于C与CO2在高温时可以反应

0.33×104 Pa

生成CO脱离催化剂表面，因此可以消除催化剂表面的积炭，维持催化剂的活性。相对于丙烷直接裂解脱氢制丙烯，该方法的缺点是生成有毒气体CO。

2．研究大气污染物SO3、CH3OH与H2O之间的反应，有利于揭示雾霾的形成机理。

反应ⅰ：SO3(g)＋H2O(g)===H2SO4(l)

ΔH1＝－227.8 kJ·mol－1

反应ⅱ：CH3OH(g)＋SO3(g)CH3OSO3H(g)(硫酸氢甲酯)ΔH2＝－63.4 kJ·mol －1

(1)CH3OSO3H发生水解：CH3OSO3H(g)＋H2O(g)CH3OH(g)＋H2SO4(l)ΔH ＝________ kJ·mol－1。

(2)T ℃时，反应ⅱ的CH3OH(g)、SO3(g)的初始浓度分别为1×10－8mol·L－1、2×10－9 mol·L－1，平衡时SO3转化率为0.04%，则K＝________。

(3)我国科学家利用计算机模拟计算，分别研究反应ⅱ在无水和有水条件下的反应历程，如图所示，其中分子间的静电作用力用“…”表示。

①分子间的静电作用最强的是________(填“a”“b”或“c”)。

②水将反应ⅱ的最高能垒由________eV降为________eV。

③d到f转化的实质为质子转移，该过程断裂的化学键为________(填标号)。

A．CH3OH中的氢氧键B．CH3OH中的碳氧键

C．H2O中的氢氧键D．SO3中的硫氧键

(4)分别研究大气中H2O、CH3OH的浓度对反应ⅰ、反应ⅱ产物浓度的影响，结果如图所示。

①当c(CH3OH)大于10－11 mol·L－1时，c(CH3OH)越大，c(H2SO4)越小的原因是___________________________________________________________

__________________________________________________________。

②当c(CH3OH)小于10－11 mol·L－1时，c(H2O)越大，c(CH3OSO3H)越小的原因是

___________________________________________________________

__________________________________________________________。

答案(1)－164.4

(2)4×104 L·mol－1

(3)①a②20.93 6.62③ACD

(4)①反应ⅰ、反应ⅱ为竞争反应，CH3OH浓度增大，同SO3反应，抑制了SO3与水反应，硫酸浓度减小(a的静电作用力强，甲醇浓度增大，有利于生成a，不利于生成硫酸)

②H2O浓度增大，使得甲醇和SO3的碰撞几率减小，硫酸氢甲酯浓度降低

解析(1)根据盖斯定律，由反应ⅰ－反应ⅱ，可得：CH3OSO3H(g)＋H2O(g)

CH3OH(g)＋H2SO4(l)ΔH＝ΔH1－ΔH2＝－227.8 kJ·mol－1－(－63.4 kJ·mol－1)

＝－164.4 kJ·mol－1。(2)平衡时SO3转化率为0.04%，则SO3的转化浓度＝2×10

－9 mol·L－1×0.04%＝8×10－13 mol·L－1，列三段式如下：

故T ℃时K＝

8×10－13 mol·L－1

≈

（105－8）×10－13 mol·L－1×（2×104－8）×10－13 mol·L－1

8×10－13 mol·L－1

＝4×104L·mol－1。(3)①a处的两个分子10－8 mol·L－1×（2×10－9） mol·L－1

的总能量更低，更稳定，分子间静电作用力更强。②无水时，反应ⅱ的最高能垒为19.59 eV－(－1.34 eV)＝20.93 eV，有水时，反应ⅱ的最高能垒为3.66 eV－(－2.96 eV)＝6.62 eV，即水将反应ii的最高能垒由20.93 eV降为6.62 eV。③由图可知，由d→e，CH3OH中的氢氧键断裂，SO3中的硫氧键断裂，由e→f，水中的氢氧键断裂，故A、C、D项正确。(4)①反应i和反应ii都消耗三氧化硫，二者为竞争反应，甲醇浓度增大，促进了甲醇和三氧化硫的反应，抑制了三氧化硫和水的反应，从而使硫酸浓度减小。②水的浓度越大，甲醇和三氧化硫的碰撞几率越小，生成的CH3OSO3H减少，c(CH3OSO3H)减小。

3．Ⅰ.已知：①NaHCO3(s)===Na＋(aq)＋HCO－3(aq)ΔH1＝＋18.81 kJ·mol－1

②Na2CO3(s)===2Na＋(aq)＋CO2－3(aq)ΔH2＝－16.44 kJ·mol－1

③2NaHCO3(s)===Na2CO3(s)＋CO2(g)＋H2O(l)ΔH3＝＋92.34 kJ·mol－1

请回答下列问题：

(1)资料显示，NaHCO3固体加热到100 ℃发生分解，但是加热NaHCO3溶液时，不到80 ℃就有大量CO2气体放出。从反应热的角度说明原因：

__________________________________________________________。

(2)NaHCO 3溶液中主要存在2种化学平衡：a.HCO－3＋H2O H2CO3＋OH－，

b.2HCO－3CO2－3＋H2O＋CO2↑。根据理论计算得0.10 mol·L－1 NaHCO3溶液中2个反应的转化率随温度变化如图甲所示(不考虑相互影响)：

①25 ℃0.10 mol·L－1NaHCO3溶液中CO2与H2CO3的总浓度最大可能为________mol·L－1。

②加热蒸干NaHCO3溶液最后得到的固体是________。

③25 ℃时0.10 mol·L－1 NaHCO3溶液的pH＝8.3，加热到4 min溶液沸腾，然后保温到7 min。已知常温下Na2CO3溶液的浓度和pH的关系如下表(忽略温度对K w的影响)：

请在图乙中做出NaHCO3溶液的pH随时间变化曲线。

Ⅱ.研究得出当甲烷分解时，几种气体平衡时分压(Pa)的对数与温度(℃)的关系如图丙所示。

(3)T ℃时，向1 L恒容密闭容器中充入0.3 mol CH4，只发生反应2CH4(g)

C2H4(g)＋2H2(g)，达到平衡时，c(C2H4)＝c(CH4)，CH4的平衡转化率为________；上述平衡状态的某一时刻，若改变温度至T2℃，CH4以0.01 mol·L－1·s－1的平均速率增加，经t s后再次达到平衡，且平衡时，c(CH4)＝2c(C2H4)，则t＝________s。

(4)列式计算反应2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)在图丙中温度为A时的平衡常数K ＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，lg0.05＝－1.3)。

(5)由图丙可知，甲烷裂解制乙炔时有副产物乙烯生成，为提高甲烷制乙炔的转化率，除改变温度外，还可采取的措施有________________。

答案Ⅰ.(1)2HCO－3(aq)===CO2－3(aq)＋CO2(g)＋H2O(l)ΔH＝＋38.28 kJ·mol－1，

HCO－3为液态时反应需要的能量比固态时小(其他合理的说法也给分)

(2)①1.7×10－3②Na2CO3

Ⅱ.(3)66.7%5(4)5.0×104

(5)充入适量的乙烯

解析(1)根据已知条件及盖斯定律，由③＋②－2×①可得热化学方程式：2HCO－3(aq)===CO2－3(aq)＋CO2(g)＋H2O(l)ΔH＝＋92.34 kJ·mol－1＋(－16.44 kJ·mol－1)－2×(＋18.81 kJ·mol－1)＝＋38.28 kJ·mol－1。加热固体NaHCO3放出CO2气体的反应热ΔH3＝＋92.34 kJ·mol－1；而加热NaHCO3溶液放出CO2气体的反应热ΔH＝＋38.28 kJ·mol－1，说明NaHCO3溶液受热分解放出CO2时需要的能量比固体低。

(2)①根据题图甲可知，25 ℃时，反应a中HCO－3的转化率为0.2%，即生成H2CO3的浓度为0.10 mol·L－1×0.2%＝2×10－4 mol·L－1，25 ℃时，反应b中HCO－3的

转化率为3.0%，即生成CO2的浓度为0.10 mol·L－1×3.0%×1

2＝1.5×10

－3 mol·L

－1，所以25 ℃ 0.10 mol·L－1 NaHCO3溶液中CO2与H2CO3的总浓度最大可能为2×10－4mol·L－1＋1.5×10－3mol·L－1＝1.7×10－3mol·L－1。②加热蒸干NaHCO3溶液，NaHCO3受热分解生成Na2CO3、CO2和水，所以最后得到的固体是Na2CO3。③根据已知条件，碳酸氢钠溶液的起始pH为8.3，所以曲线的起点为(0，8.3)，加热过程中碳酸氢钠会分解为碳酸钠，溶液的pH增大，加热到4

min溶液沸腾，说明碳酸氢钠分解为碳酸钠，此时碳酸钠的浓度为0.05 mol·L－1，由表格中数据可知，碳酸钠的浓度是0.10 mol·L－1时，溶液的pH为11.5，浓度是0.010 mol·L－1时，溶液的pH为11.1，即4 min时，碳酸钠溶液的pH为11.1到11.5之间；4～7 min内，pH变化不大。据此画出曲线。

Ⅱ.(3)根据方程式2CH 4(g)C2H4(g)＋2H2(g)，假设达到平衡时，生成n(C2H4)为x，则有：

2CH 4(g)C2H4(g)＋2H2(g)

起始量/mol0.300

转化量/mol2x x2x

平衡量/mol0.3－2x x2x

由于恒容密闭容器的容积不变，且达到平衡时，c(C2H4)＝c(CH4)，则n(C2H4)＝

n(CH4)，x＝0.3－2x，解得x＝0.1 mol，甲烷的转化率为0.2 mol

0.3 mol×100%≈66.7%；

从题图丙可知，温度升高，甲烷的分压增大，平衡逆向移动，甲烷的物质的量增加，则T2>T，假设再次平衡时乙烯的物质的量是y，则甲烷的物质的量是2y，因此0.1＋2×(0.1－y)＝2y，解得y＝0.075 mol，说明甲烷的物质的量增加了0.075 mol×2－0.1 mol＝0.05 mol，即浓度增加了0.05 mo1·L－1，所以时间t＝

0.05 mol·L－1

0.01 mol·L－1·s－1

＝5 s。

(4)根据题图丙可知，温度为A时，平衡时甲烷、氢气、乙炔的分压分别是103、

104、0.05，所以该温度下的平衡常数K＝p（C2H2）·p3（H2）

p2（CH4）

＝

0.05·（104）3

（103）2

＝

5.0×104。

(5)根据方程式可知，增大乙烯的浓度，可使反应2CH4(g)C2H4(g)＋2H2(g)的平

衡逆向移动，甲烷的浓度增大，从而使反应2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)平衡正向移动，乙炔的浓度增大，故可通入适量的乙烯以提高制乙炔的转化率。4．2018年张家口市公交行业迈入氢能源时代，为绿色冬奥再添新“绿”。“制氢”“储氢”“用氢”一直都是能源研究的热点。工业上制取H2有多种方法，如：

①C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)ΔH1＝＋131.5 kJ·mol－1

②CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)ΔH2＝＋206.2 kJ·mol－1

③CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)ΔH3＝＋247.4 kJ·mol－1

④2H2O(g)===2H2(g)＋O2(g)ΔH4＝＋483.6 kJ·mol－1

(1)CH4(g)与H2O(g)反应生成CO2(g)和H2(g)的热化学方程式为

___________________________________________________________

__________________________________________________________。

(2)镧镍合金是一种良好的储氢材料，在一定条件下通过如下反应实现储氢：LaNi3(s)＋3H2(g)LaNi3H6(s)ΔH<0。某实验室模拟该过程，向容积一定的密闭容器中充入反应物发生反应。H2的平衡转化率与其初始加入量(n)、反应温度(T)的关系如图甲所示；一定温度下，容器内的压强(p)随时间(t)的变化关系如图乙所示。

①图甲中H2初始充入量最大的是________(填“n1”“n2”或“n3”)。

②该反应平衡常数的大小关系为K(T1)________(填“>”“<”或“＝”)K(T2)，理由是_______________________________________。

③保持温度不变，在t6时刻将容器的容积压缩至原容积的一半，并在t9时刻达到平衡。请在图乙中画出相应的变化曲线。

(3)氢气燃料电池能大幅度提高能量的转化率。相同条件下，其能量密度(能量密度之比等于单位质量的可燃物转移电子数之比)是甲醇燃料电池的________倍(计算结果保留两位有效数字)。

(4)科学家研发的“全氢电池”的工作原理如图丙所示，下列有关该电池的说法正确的是________(填序号)。

a．电池的总反应是2H2＋O2===2H2O

b．左边电极上的电势高于右边电极上的电势

c．负极的电极反应是H2－2e－＋2OH－===2H2O

d．装置中所用的是阴离子交换膜

e．产生能源的源泉是酸和碱的中和能

答案(1)CH4(g)＋2H2O(g)===CO2(g)＋4H2(g)ΔH＝＋165.0 kJ·mol－1

(2)①n3②>该可逆反应的正反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小

③

(3)5.3(4)ce

解析(1)CH4(g)与H2O(g)反应生成CO2(g)和H2(g)的化学方程式为CH4(g)＋2H2O(g)===CO2(g)＋4H2(g)，根据盖斯定律该反应可由2×②－③得到，所以ΔH ＝2ΔH2－ΔH3＝2×(＋206.2 kJ·mol－1)－(＋247.4 kJ·mol－1)＝＋165.0 kJ·mol－1。

(2)①该反应的化学平衡常数K＝

1

c3（H2）

，而温度不变时化学平衡常数不变，即

平衡时的c(H2)不变，所以起始充入H2量越大、H2的平衡转化率越高，即H2初始充入量：n3>n2>n1。②该反应的正反应是放热反应，所以其他条件不变时温度越高、化学平衡常数越小，即K(T1)>K(T2)>K(T3)。③容器的容积变为原容积一半的瞬间，体系的压强变为原来的两倍，即6 kPa，再由平衡常数表达式可知再次达到平衡时c(H2)不变，即再次达到平衡时的压强与原平衡相同，还是3 kPa。

(3)由能量密度之比等于单位质量的可燃物转移电子数之比可知H2和甲醇的能量

密度之比为2 mol

2 g∶

6 mol

32 g≈5.3。

(4)a项，由图示可知左侧H2参与反应、右侧生成H2，所以没有O2参与总反应，错误；b项，左侧H2，与OH－反应生成H2O，即H2发生氧化反应，所以对应电

极是原电池的负极，而原电池中电势：正极>负极，错误；c项，左侧为负极，H2发生失电子的氧化反应生成H2O，电极反应式是H2－2e－＋2OH－===2H2O，正确；d项，由溶液呈电中性可知，左侧消耗OH－，则Na＋移向右侧，则装置中所用的是阳离子交换膜，错误；e项，负极上H2失去电子后生成的H＋与电解质溶液中的OH－反应，即发生的中和反应释放能量，正确。