高考化学化学反应原理综合考查的综合压轴题专题复习附详细答案.docx
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高考化学化学反应原理综合考查的综合压轴题专题复习附详细答案
高考化学——化学反应原理综合考查的综合压轴题专题复习附详细答案
一、化学反应原理综合考查
1.甲醇与水蒸气重整制氢可直接用于燃料电池。
回答下列问题:
(1)已知甲醇分解反应:
CH3OH(g)
CO(g)+2H2(g)△H1=+90.64kJ·mol-1;
水蒸气变换反应:
CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g)△H2=-41.20kJ·mol-1。
则CH3OH(g)+H2O(g)
CO2(g)+3H2(g)△H3=___________kJ·mol-1。
(2)科学家通过密度泛函理论研究甲醇与水蒸气重整制氢反应机理时,得到甲醇在Pd(III)表面发生解离时四个路径与相对能量的关系如图所示,其中附在Pd(III)表面的物种用*标注。
此历程中活化能最小的反应方程式为_____________________________________________。
(3)在0.1MPa下,将总进料量为1mol且n(CH3OH):
n(H2O)=1:
1.3的混合气体充入一刚性密闭容器中反应。
①实验测得水蒸气变换反应的速率随温度的升高明显下降,原因是____________________。
②平衡时,测得CH3OH的含量在给定温度范围内极小,H2、H2O(g)、CO、CO2四种组分的含量与反应温度的关系如图所示,曲线b、c对应物质的化学式分别为________、________。
(4)573.2K时,向一刚性密闭容器中充入5.00MPaCH3OH使其分解,th后达平衡时H2的物质的量分数为60%,则th内v(CH3OH)=_____MPa·h-1,其分压平衡常数Kp=_____MPa2。
【答案】+49.44CH2O*+2H*=CHO*+3H*(或CH2O*=CHO*+H*)随温度升高,催化活性降低CO2H2O(g)
168.75
【解析】
【分析】
【详解】
(1)甲醇分解反应:
CH3OH(g)
CO(g)+2H2(g)△H1=+90.64kJ·mol-1;①
水蒸气变换反应:
CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g)△H2=-41.20kJ·mol-1。
②
将①+②,即可求出CH3OH(g)+H2O(g)
CO2(g)+3H2(g)△H3==+90.64kJ·mol-1+(-41.20kJ·mol-1)=+49.44kJ·mol-1,故答案为:
+49.44;
(2)活化能为反应物的总能量与过渡态能量之差,从图中可以看出,过渡态3发生的反应活化能最小。
反应物为“CH2O*+2H*”,产物为“CHO*+3H*,故反应方程式为CH2O*+2H*=CHO*+3H*.因为2H*反应前后都吸附在催化剂表面,未参与反应,故反应实质为CH2O*=CHO*+H*,故答案为:
CH2O*+2H*=CHO*+3H*(或CH2O*=CHO*+H*);
(3)因为温度升高,反应速率应加快,而图中速率减小,显然不是温度的影响,只能为催化剂的活性降低,故答案为:
随温度升高,催化活性降低;
②对于反应CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g)△H<0,其他条件不变时,升高温度,平衡向左移动,即CO、H2O的含量均增大,CO2、H2的含量均减小。
依据图中信息,可初步得知,a、b曲线分别对应CO2或H2,c、d曲线则对应CO或H2O(g)。
根据反应方程式可知:
该反应起始时,n(H2)>n(CO2)、n(H2O)>n(CO),平衡时含量必然有H2>CO2、H2O>CO.故a、b、c、d曲线分别对应H2、CO2、H2O(g)、CO,曲线b、c对应物质的化学式分别为CO2、H2O(g),故答案为:
CO2、H2O(g);
(4)假设CH3OH的压强变化量为x,列出三段式:
,x=3.75Mpa,v(CH3OH)=
=
MPa·h-1;Kp=
=168.75(MPa)2,
故答案为:
;168.75(MPa)2。
【点睛】
本题综合考查化学平衡问题,题目涉及化学平衡计算与影响因素、反应热计算等,侧重考查学生分析计算能力,注意盖斯定律在反应热计算中应用,难点(4)列出三段式,理清平衡时各物质的量,是解题关键。
2.资源化利用CO2,可以减少温室气体排放,还可以获得燃料或重要的化工产品。
回答下列问题:
(1)CO2的捕集
①用饱和Na2CO3溶液做吸收剂可“捕集”CO2。
写出“捕集”CO2反应的离子方式_____________。
②聚合离子液体是目前广泛研究的CO2吸附剂。
结合图像分析聚合离子液体吸附CO2的有利条件是_________________________。
(2)生产尿素:
工业上以CO2、NH3为原料生产尿素[CO(NH2)2],该反应分为二步进行:
第一步:
2NH3(g)+CO2(g)⇌H2NCOONH4(s)△H=-159.5kJ·mol-1
第二步:
H2NCOONH4(s)⇌CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H=+116.5kJ·mol-1
①写出上述合成尿素的热化学方程式___________________________。
该反应化学平衡常数K的表达式:
_________________________。
②某实验小组模拟工业上合成尿素,在一定体积的密闭容器中投入4molNH3和1molCO2,实验测得反应中各组分物质的量随时间的变化如图所示:
已知总反应的快慢由慢的一步反应决定,则合成尿素总反应的快慢由第__________步反应决定,总反应进行到___________min时到达平衡
(3)合成乙酸:
中国科学家首次以CH3OH、CO2和H2为原料高效合成乙酸,其反应路径如图所示:
①原料中的CH3OH可通过电解法由CO2制取,用稀硫酸作电解质溶液,写出生成CH3OH的电极反应式_______________________。
②根据图示,写出总反应的化学方程___________。
【答案】H2O+CO32-+CO2=2HCO3-低温,低流速2NH3(g)+CO2(g)⇌CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H=-43kJ·mol-1K=[H2O]/[NH3]2.[CO2]二55CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2OCH3OH+CO2+H2
CH3COOH+H2O
【解析】
【分析】
(1)①H2O、CO32-、CO2反应生成HCO3-;
②根据图知,温度越低、流速越小吸附量越大;
(2)利用盖斯定律求解热化学方程式;K等于气体生成物浓度幂之积与气体反应物浓度幂之积的比;
②达到平衡时时间越长,反应速率越慢,慢反应决定整个反应速率;各物质的物质的量不变时反应达到平衡状态;
(3)①电解时,CO2失电子和H+反应生成CH3CH2OH;
②根据图知,反应物是CH3CH2OH、CO2和H2,生成物是CH3COOH和水,LiI和Rh作催化剂。
【详解】
(1)①H2O、CO32-、CO2反应生成HCO3-,离子方程式为H2O+CO32-+CO2=2HCO3-;
②根据图知,温度越低、流速越小吸附量越大,所以聚合离子液体吸附CO2的有利条件是低温,低流速(或25℃,10mL·min-1);
(2)①将第一步和第二步方程式相加得到方程式2NH3(g)+CO2(g)⇌CO(NH2)2(s)+H2O(g)△H=(-159.5+116.5)kJ·mol-1=-43kJ·mol-1;化学平衡常数K等于气体生成物浓度幂之积与气体反应物浓度幂之积的比,
;
②达到平衡时时间越长,反应速率越慢,慢反应决定整个反应速率。
根据图知,第一步的反应,的反应物NH3和CO2的量迅速达到定值,说明第一步反应速率大,第二步反应较慢,所以第二步决定整个反应速率;根据图知,55min各物质的物质的量不变,反应达到平衡状态;
(3)①电解时,CO2失电子和H+反应生成CH3OH,电极反应式为CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O;
②根据图知,反应物是甲醇、二氧化碳和氢气,生成物是乙酸和水,LiI和Rh作催化剂,总反应方程式为:
CH3OH+CO2+H2
CH3COOH+H2O。
3.氢能源是最具应用前景的能源之一,高纯氢的制备是目前的研究热点。
甲烷水蒸气催化重整是制高纯氢的方法之一。
(1)反应器中初始反应的生成物为H2和CO2,其物质的量之比为4∶1,甲烷和水蒸气反应的方程式是___。
(2)已知反应器中还存在如下反应:
i.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)ΔH1
ii.CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)ΔH2
iii.CH4(g)=C(s)+2H2(g)ΔH3
……
反应iii为积炭反应,利用ΔH1和ΔH2计算ΔH3时,还需要利用__(写化学方程式)反应的ΔH。
(3)反应物投料比采用n(H2O)∶n(CH4)=4∶1,大于反应的计量数之比,目的是__(填字母)。
a.促进CH4转化b.促进CO转化为CO2c.减少积炭生成
(4)用CaO可以去除CO2。
H2体积分数和CaO消耗率随时间变化关系如图所示。
从t1时开始,H2体积分数显著降低,单位时间CaO消耗率__(填“升高”“降低”或“不变”)。
此时CaO消耗率约为35%,但已失效,因为此时CaO主要发生了__(写化学方程式)反应而使
(1)中反应平衡向__移动。
(5)以甲醇为燃料,氧气为氧化剂,KOH溶液为电解质溶液,可制成燃料电池。
以此电池作电源,在实验室中模拟铝制品表面“钝化”处理过程(装置如图所示)。
其中物质a是__,电源负极电极反应为___。
“钝化”装置中阳极电极反应为___。
【答案】CH4+2H2O
4H2+CO2C(s)+CO2(g)=2CO(g)或C(s)+2H2O(g)
2H2(g)+CO2(g)abc降低CaO+H2O=Ca(OH)2左(或逆向)氧气(或O2)CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+
【解析】
【分析】
【详解】
(1)根据CH4与H2O反应生成H2、CO2的物质的量之比为4:
1,结合原子守恒可得反应的化学方程式为CH4+2H2O
4H2+CO2;
(2)已知反应器中还存在如下反应:
i.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)ΔH1
ii.CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)ΔH2
iii.CH4(g)=C(s)+2H2(g)ΔH3
根据盖斯定律,由i-ii-iii或i+ii-iii可得C(s)+CO2(g)=2CO(g)或C(s)+2H2O(g)
2H2(g)+CO2(g),所以利用ΔH1和ΔH2计算ΔH3时,还需要利用C(s)+CO2(g)=2CO(g)或C(s)+2H2O(g)
2H2(g)+CO2(g);
(3)反应物的投料比n(H2O):
n(CH4)=4:
1,大于初始反应的化学计量数之比,H2O的物质的量增加,有利于促进CH4转化,促进CO转化为CO2,防止CH4分解生成C(s),从而减少积炭生成;答案选abc。
(4)根据题图可知,从t1时开始,CaO消耗率曲线的斜率逐渐减小,单位时间内CaO消耗率逐渐降低。
CaO与CO2反应生成CaCO3,CaCO3会覆盖在CaO表面,减少了CO2与CaO的接触面积,从而失效;
(5)模拟铝制品表面“钝化”处理,则电极铝是阳极,与电源的正极相连,则C为阴极,与电源的负极相连,所以a物质是氧气,b物质是甲醇,负极的电极反应式为:
CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O。
铝为阳极,会发生氧化反应,表面形成氧化膜,必须有水参加,所以电极反应式为:
2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+。
4.利用碳和水蒸气制备水煤气的核心反应为:
C(s)+H2O(g)⇌H2(g)+CO(g)
(1)已知碳(石墨)、H2、CO的燃烧热分别为393.5kJ·mol-1、285.8kJ·mol-1、283kJ·mol-1,又知H2O(l)=H2O(g) ΔH=+44kJ·mol-1,则C(s)+H2O(g)⇌CO(g)+H2(g) ΔH=___。
(2)在某温度下,在体积为1L的恒容密闭刚性容器中加入足量活性炭,并充入1molH2O(g)发生上述反应,反应时间与容器内气体总压强的数据如表:
时间/min
0
10
20
30
40
总压强/100kPa
1.0
1.2
1.3
1.4
1.4
①平衡时,容器中气体总物质的量为________mol,H2O的转化率为________。
②该温度下反应的平衡分压常数Kp=________kPa(结果保留2位有效数字)。
(3)保持25℃、体积恒定的1L容器中投入足量活性炭和相关气体,发生可逆反应C+H2O(g)⇌CO+H2并已建立平衡,在40min时再充入一定量H2,50min时再次达到平衡,反应过程中各物质的浓度随时间变化如图所示:
①40min时,再充入的H2的物质的量为________mol。
②40~50min内H2的平均反应速率为________mol·L-1·min-1。
(4)新型的钠硫电池以熔融金属钠、熔融硫和多硫化钠(Na2Sx)分别作为两个电极的反应物,固体Al2O3陶瓷(可传导Na+)为电解质,其原理如图所示:
①放电时,电极A为________极,S发生________反应(填“氧化”或“还原”)。
②充电时,总反应为Na2Sx=2Na+Sx(3 【答案】+131.3kJ·mol-11.440%2760.1负还原负Sx2--2e-=Sx 【解析】 【分析】 【详解】 (1)已知碳(石墨)、H2、CO的燃烧热分别为393.5kJ·mol-1、285.8kJ·mol-1、283kJ·mol-1,则 ①C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH=-393.5kJ·mol-1 ② O2(g)+H2(g)=H2O(l) ΔH=-285.8kJ·mol-1 ③CO(g)+ O2(g)=CO2(g) ΔH=-283kJ·mol-1 ④H2O(l)=H2O(g) ΔH=+44kJ·mol-1 根据盖斯定律可知①-②-③-④即得到C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ΔH=+131.3kJ·mol-1。 (2)根据方程式可知 压强之比是物质的量之比,则(1-x+x+x): 1=1.4: 1,解得x=0.4; ①根据以上分析可知平衡时,容器中气体总物质的量为1.4mol,H2O的转化率为40%。 ②该温度下反应的平衡分压常数Kp= ≈27kPa。 (3)①设50min时H2的物质的量为xmol,温度不变平衡常数不变,由于容积是1L,则根据图像可知平衡常数K= ,解得x=8,由于CO的变化量是1mol,所以40min时再充入的H2的物质的量为8mol+1mol-3mol=6mol。 ②由于氢气的变化量是1mol,所以40~50min内H2的平均反应速率为 =0.1mol·L-1·min-1。 (4)①放电时钠失去电子,则电极A为负极,电极B是正极,则S发生还原反应。 ②放电时钠失去电子,则电极A为负极,充电时,Na所在电极是阴极,与直流电源负极相连;阳极发生失去电子的氧化反应,则根据总反应为Na2Sx=2Na+Sx(3<x<5)可知,阳极电极反应式为Sx2--2e-=Sx。 5.碳酸亚铁(FeCO3)是菱铁矿的主要成分,将其隔绝空气加热到200℃开始分解为FeO和CO2,若将其在空气中高温煅烧则生成Fe2O3。 (1)已知25℃、101kPa时: ①C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH=-393kJ·mol-1 ②铁及其化合物反应的焓变示意图如图: 请写出FeCO3在空气中煅烧生成Fe2O3的热化学方程式: ___________。 (2)据报道,一定条件下Fe2O3可被甲烷还原为“纳米级”的金属铁。 其化学方程式为Fe2O3(s)+3CH4(g) 2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g) ΔH ①反应在3L的密闭容器中进行,2min后达到平衡,测得Fe2O3在反应中质量减少4.8g,则该段时间内用H2表示该反应的平均反应速率为________________。 ②将一定量的Fe2O3(s)和CH4(g)置于恒温恒容密闭容器中,在一定条件下反应,能说明反应达到平衡状态的是____________。 ACO和H2的物质的量之比为1∶2 B混合气体的密度不再改变 C铁的物质的量不再改变 Dv正(CO)=2v逆(H2) ③在容积均为VL的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个相同的密闭容器中加入足量“纳米级”的金属铁,然后分别充入amolCO和2amolH2,三个容器的反应温度分别为T1、T2、T3且恒定不变,在其他条件相同的情况下,实验测得反应均进行到tmin时,CO的体积分数如图所示,此时Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个容器中一定处于化学平衡状态的是________;上述反应的ΔH________0(填“大于”或“小于”)。 (3)Fe2O3用CO还原焙烧的过程中,反应物、生成物和温度之间的关系如图所示。 (图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四条曲线是四个化学反应平衡时的气相组成对温度作图得到的;A、B、C、D四个区域分别是Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe稳定存在的区域) 若在800℃,混合气体中CO2体积分数为40%的条件下,Fe2O3用CO还原焙烧,写出反应的化学方程式: __________。 (4)Fe2O3还可以用来制备FeCl3,通过控制条件FeCl3可生成聚合物,其离子方程式为xFe3++yH2O Fex(OH) +yH+。 下列措施不能使平衡正向移动的是________(填字母)。 A加水稀释B加入少量铁粉 C升温D加入少量Na2CO3 【答案】4FeCO3(s)+O2(g)=2Fe2O3(s)+4CO2(g)ΔH=-260kJ·mol-10.03mol·L-1·min-1BCⅢ大于Fe2O3+CO 2FeO+CO2B 【解析】 【分析】 (1)图1分析书写热化学方程式,结合C(s)+O2(g)=CO2(g)△H=-393kJ•mol-1和盖斯定律计算得到FeCO3在空气中煅烧生成Fe2O3的热化学方程式; (2)①2min后达到平衡,测得Fe2O3在反应中质量减少4.8g,依据化学方程式反应前后质量变化计算生成氢气的物质的量,根据反应速率概念计算得到氢气的反应速率; ②反应达到平衡状态时,正逆反应速率相等,各组分浓度保持不变,据此分析; ③2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)═Fe2O3(s)+3CH4(g),根据图2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ图象,CO百分含量,由小到大,Ⅱ<Ⅰ<Ⅲ,结合化学平衡移动分析解答;根据温度对平衡的影响来判断,升高温度平衡逆向移动,CO的转化率减小,据此判断Fe2O3(s)+3CH4(g)═2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)△H大小; (3)800℃时,混合气体中CO2体积分数为40%时,图象分析可知Fe2O3用CO还原得到氧化亚铁和一氧化碳; (4)A.加水稀释,则水解平衡正向移动; B.固体不能影响化学平衡; C.控制条件使平衡正向移动,水解为吸热反应,所以升温平衡正向移动; D.加入碳酸钠,则消耗氢离子,平衡正向移动。 【详解】 (1)由铁及其化合物反应的焓变示意图可推知 ①4Fe(s)+3O2(g)=2Fe2O3ΔH1=-1648kJ·mol-1 ②2FeCO3(s)=2Fe(s)+2C(s)+3O2(g)ΔH2=+1480kJ·mol-1 ③C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH3=-393kJ·mol-1 则在空气中煅烧FeCO3生成Fe2O3的焓变ΔH=2×ΔH2+ΔH1+4×ΔH3=2×1480kJ·mol-1+(-1648kJ·mol-1)+4×(-393kJ·mol-1)=-260kJ·mol-1,则热化学方程式为4FeCO3(s)+O2(g)=2Fe2O3(s)+4CO2(g)ΔH=-260kJ·mol-1; 故答案为: 4FeCO3(s)+O2(g)=2Fe2O3(s)+4CO2(g)ΔH=-260kJ·mol-1; (2)①测得Fe2O3在反应中减少的质量为4.8g,则反应的n(Fe2O3)= =0.03mol,根据反应方程式得n(H2)=6n(Fe2O3)=6×0.03mol=0.18mol,则用H2表示的反应速率为v(H2)= =0.03mol·L-1·min-1; 故答案为: 0.03mol·L-1·min-1; ②A.因为反应开始时,无CO和H2,随着反应的进行,CO和H2的物质的量之比一直为1∶2,不能说明反应达到平衡状态,故A错误; B.该反应有固体参加,反应前后气体的质量有变化,又因为容器恒容,所以当混合气体的密度不变时,反应达到平衡状态,故B正确; C.铁为反应物,当其质量不再改变时,反应达到平衡状态,故C正确; D.当2v正(CO)=v逆(H2)时,反应达到平衡状态,故D错误; 综上所述,答案为BC; ③由题图可知,T1中的状态转变为T2中的状态,CO的体积分数减小,说明反应正向进行,所以状态Ⅰ未达到平衡状态;T2中的状态转变为T3中的状态,CO的体积分数增加,说明反应逆向移动,说明Ⅱ可能达到平衡状态,一定达到平衡状态的是状态Ⅲ;T3时温度最高,CO的体积分数增大,所以2Fe(s)+3CO(g)+6H2(g)=Fe2O3(s)+3CH4(g)的正反应为放热反应,则逆反应的ΔH大于0,故答案为: Ⅲ;大于; (3)800℃时,混合气体中二氧化碳的体积分数为40%时,由图可知,在C区,此时为氧化亚铁的稳定区域,所以产物为氧化亚铁,Fe2O3用CO还原焙烧得到氧化亚铁和二氧化碳,反应的方程式为: Fe2O3+CO 2FeO+CO2,故答案为: Fe2O3+CO 2FeO+CO2; (4)A.水为反应物,加水稀释平衡会正向移动,故A正确; B.加入铁粉,反应物Fe3+的量减少,平衡会向逆向移动,故B错误; C.该反应为吸热反应,所以升高温度,平衡会正向移动,故C正确; D.加入少量Na2CO3,碳酸钠会消耗氢离子,使氢离子的浓度减小,平衡正向移动,故D正确; 综上所述,答案为B。 6.H2S是石油化工行业广泛存在的污染性气体,但同时也是重要的氢源和硫源,工业上可以采取多种方式处理。 Ⅰ.干法脱硫 (1)已知H2S的燃烧热为akJ∙mol-1,S的燃烧热为bkJ∙mol-1,则常温下空气直接氧化脱除H2S的反应: 2H2S(g)+O2(g)=2S(s)+2H2O(l)△H=______kJ∙mol-1。 (2)常用脱硫剂的脱硫效果及反应条件如下表,最佳脱硫剂为_________。 脱硫剂 出口硫(mg·m-3) 脱硫温度(℃) 操作压力(MPa) 再生条件 一氧化碳 <1.33 300~400 0~3.0 蒸气再生 活性炭 <1.33 常温 0~3.0 蒸气再生 氧化锌 <1.33 350~400 0~5.0 不再生 锰矿 <3.99 400 0~2.0 不再生 Ⅱ.热分解法脱硫 在密
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