专题15-化学反应原理综合题(湖南专用)(原卷版).doc

专题15 化学反应原理综合题

【母题来源】2021年高考湖南卷第16题
【母题题文】氨气中氢含量高，是一种优良的小分子储氢载体，且安全、易储运，可通过下面两种方法由氨气得到氢气。
方法I：氨热分解法制氢气
相关化学键的键能数据
化学键

键能
946
436.0
390.8
一定温度下，利用催化剂将分解为和。回答下列问题：
(1)反应_______；
(2)已知该反应的，在下列哪些温度下反应能自发进行？_______(填标号)
A．25℃ B．125℃ C．225℃ D．325℃
(3)某兴趣小组对该反应进行了实验探究。在一定温度和催化剂的条件下，将通入3L的密闭容器中进行反应(此时容器内总压为200kPa)，各物质的分压随时间的变化曲线如图所示。

①若保持容器体积不变，时反应达到平衡，用的浓度变化表示时间内的反应速率_______(用含的代数式表示)
②时将容器体积迅速缩小至原来的一半并保持不变，图中能正确表示压缩后分压变化趋势的曲线是_______(用图中a、b、c、d表示)，理由是_______；
③在该温度下，反应的标准平衡常数_______。(已知：分压=总压×该组分物质的量分数，对于反应，，其中，、、、为各组分的平衡分压)。
方法Ⅱ：氨电解法制氢气
利用电解原理，将氮转化为高纯氢气，其装置如图所示。

(4)电解过程中的移动方向为_______(填“从左往右”或“从右往左”)；
(5)阳极的电极反应式为_______。
【答案】+90.8 CD b 开始体积减半，N2分压变为原来的2倍，随后由于加压平衡逆向移动，N2分压比原来2倍要小 0.48 从右往左 2NH3-6e-+6OH-= N2+6H2O

【试题解析】
(1) 根据反应热=反应物的总键能-生成物的总键能，2NH3(g)N2(g)+3H2(g)，H=390.8kJmol-1-(946 kJmol-1+436.0kJmol-1)= +90.8kJmol-1，故答案为：+90.8；
(2)若反应自发进行，则需H-TS<0，T>==456.5K，即温度应高于(456.5-273)℃=183.5℃，CD符合，故答案为：CD；
(3)①设t1时达到平衡，转化的NH3的物质的量为2x，列出三段式：

根据同温同压下，混合气体的物质的量等于体积之比，=，解得x=0.02mol，(H2)==molL-1min-1，故答案为：；
②t2时将容器体积压缩到原来的一半，开始N2分压变为原来的2倍，随后由于加压平衡逆向移动，N2分压比原来2倍要小，故b曲线符合，故答案为：b；开始体积减半，N2分压变为原来的2倍，随后由于加压平衡逆向移动，N2分压比原来2倍要小；
③由图可知，平衡时，NH3、N2、H2的分压分别为120 kPa、40 kPa、120 kPa，反应的标准平衡常数==0.48，故答案为：0.48；
(4)由图可知，通NH3的一极氮元素化合价升高，发生氧化反应，为电解池的阳极，则另一电极为阴极，电解过程中OH-移向阳极，则从右往左移动，故答案为：从右往左；
(5)阳极NH3失电子发生氧化反应生成N2，结合碱性条件，电极反应式为：2NH3-6e-+6OH-= N2+6H2O，故答案为：2NH3-6e-+6OH-= N2+6H2O。
【命题意图】
本题考查化学反应原理的基本应用，较为注重学生学科能力的培养，难点在于材料分析和信息提取，图像比较新，提取信息能力较弱的学生，会比较吃力。
【命题方向】
化学反应原理综合题涉及的内容主要包括化学反应过程中的焓变、化学能与电能的相互转化、电极反应式的书写、化学反应速率的定性分析与定量计算、化学平衡移动原理在生产中的应用、化学平衡常数的计算、反应条件的控制、弱酸弱碱的转化、pH计算、离子浓度大小的比较、离子的共存、难溶物之间的转化等问题。试题常以选择、填空、读图、作图、计算等形式出现。高考一般以与生产、生活联系紧密的物质为背景材料出组合题，各小题之间有一定独立性。
预计2022年高考仍然将结合某个特定的工业生产过程，综合考查反应热、热化学方程式、化学反应速率和化学平衡、电化学；考查从图像中获取有效信息，解答与化学反应速率和化学平衡有关的问题，如反应速率、反应转化率、产率，提高转化率的措施等；考查从图表或图像中获取信息，计算转化率、平衡常数等。
【得分要点】
【得分要点】
一、利用盖斯定律进行计算的一般步骤

二、化学平衡图象解答原则
（1）解题思路

（2）解题步骤

以可逆反应aA(g)＋bB(g) cC(g)为例：
（1）“定一议二”原则
在化学平衡图象中，包括纵坐标、横坐标和曲线所表示的意义三个量，确定横坐标所表示的量后，讨论纵坐标与曲线的关系或确定纵坐标所表示的量，讨论横坐标与曲线的关系。如图：

这类图象的分析方法是“定一议二”，当有多条曲线及两个以上条件时，要固定其中一个条件，分析其他条件之间的关系，必要时，作一辅助线分析。
（2）“先拐先平，数值大”原则
在化学平衡图象中，先出现拐点的反应先达到平衡，先出现拐点的曲线表示的温度较高(如图A)或表示的压强较大(如图B)。

图A 图B
图A表示T2>T1，正反应是放热反应。
图B表示p1<p2，A是反应物，正反应为气体总体积缩小的反应，即a＋b>c。
三、电解池电极反应方程式书写的模式

1．（2021·长沙市明德中学高三三模）CH4—CO2重整反应[CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g) △H>0]在大力推进生态文明建设、“碳达峰”、“碳中和”的时代背景下，受到更为广泛的关注。
(1)相关物质的燃烧热数据如下表所示：
物质
CH4(g)
CO(g)
H2(g)
燃烧热(kJ·mol-1)
890.3
283.0
285.8
ΔH=_______kJ·mol-1。
(2)该反应以两种温室气体为原料，可以生成合成气。如何减少反应过程中的催化剂积炭，是研究的热点之一、某条件下，发生主反应的同时，还发生了积炭反应：
CO歧化：2CO(g)=CO2(g)+C(s) △H=-172kJ/mol
CH4裂解：CH4(g)=C(s)+2H2(g) △H=+75kJ/mol
①对积炭反应进行计算，得到温度和压强对积炭反应中平衡炭量的影响图(图a和图b)，其中表示温度和压强对CH4的裂解反应中平衡炭量影响的是(选填序号)_______，理由是_______。

②实验表明，在重整反应中，低温、高压时会有显著积炭产生，由此可推断，对于该重整反应而言，其积炭主要由_______反应产生。
综合以上分析，为抑制积炭产生，应选用高温、低压条件。
(3)该重整反应也可用于太阳能、核能、高温废热等的储存，储能研究是另一研究热点。
①该反应可以储能的原因是_______。
②某条件下，研究者研究反应物气体流量、物质的量比()对CH4转化率(XCH4)、储能效率的影响，部分数据如下所示。
序号
加热温度/℃
反应物气体流量/L·min-1

XCH4/%
ηchem/%
①
800
4
2：2
79.6
52.2
②
800
6
3：3
64.2
61.9
③
800
6
2：4
81.1
41.6
(资料)储能效率：热能转化为化学能的效率，用ηchem表示。ηchem=。其中，Qchem是通过化学反应吸收的热量，Q是设备的加热功率。
a.对比实验_______(填序号)，可得出结论：气体流量越大，CH4转化率越低。
b.对比实验②和③发现，混合气中CO2占比越低，储能效率越高，原因可能是_______(该条件下设备的加热功率Q视为不变)。
2．（2020·湖南师大附中高三一模）合成氨反应是目前最有效的工业固氮方法，解决数亿人口生存问题。
(1)诺贝尔奖获得者埃特尔提出了合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)吸附解离的机理，通过实验测得合成氨势能如图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用“ad”表示。

①由图可知合成氨反应N2(g)+H2(g)NH3(g)的△H=___，该历程中反应速率最慢步骤的化学方程式为___。
②如图所示，合成氨反应N2(g)+3H2(g)2NH3(g)中未使用催化剂时，逆反应的活化能Ea(逆)=___kJ·mol-1；使用催化剂之后，正反应的活化能为__kJ·mol-1。

(2)在t℃、压强为3.6MPa条件下，向一恒压密闭容器中通入氢氮比为3的混合气体，体系中气体的含量与时间变化关系如图所示：

①反应20min达到平衡，试求0~20min内氨气的平均反应速率v(NH3)=___MPa·min-1，该反应的Kp=___(请写出计算表达式)。
②若起始条件一样，在恒容容器中发生反应，则达到平衡时H2的含量符合图中___点(填“d”“e”“f”或“g”)。
(3)在合成氨的实际生产中，未反应的气体(含不参与反应的惰性气体)可多次循环使用。当氢氮比[c(H2)：c(N2)]为3时，平衡时氨气的含量关系式为：ω(NH3)=0.325·KP·P·(1‒i)2，(Kp表示平衡常数，P表示平衡体系压强，i表示惰性气体体积分数)当温度为500℃。平衡体系压强为2.3MPa.不含惰性气体时，平衡时氨气的含量为ω。若温度不变，体系中有13%的惰性气体，此时增大压强，Kp___将(填“变大”“变小”或“不变”)。欲使平衡时氨气的含量仍为ω，应将压强调整至___MPa(结果保留2位有效数字)。
3．（2021·湖南长沙一中高三一模）I.利用CO2直接加氢合成二甲醚包括以下三个相互联系的反应：
甲醇的合成CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
甲醇脱水2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)
逆水气变换CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)
相关物质变化的焓变示意图如图：

请回答：
(1)请写出CO2直接加氢合成二甲醚的热化学方程式：___。
(2)保持恒温恒压的条件，当装置a充入1molCO2、装置b充入2molCO2，在其他条件不变时，请在图中分别画出平衡时CH3OCH3的体积分数随投料比变化的曲线图，请用a、b标注曲线__。

(3)在恒容密闭容器里按体积比为1：3充入二氧化碳和氢气，一定条件下反应达到平衡状态。当改变反应的某一个条件后，下列变化能说明平衡一定向逆反应方向移动的是___。
A．正反应速率先增大后逐渐减小
B．逆反应速率先增大后逐渐减小
C．化学平衡常数K值增大
D．反应物的体积百分含量增大
(4)在恒压CO2和H起始物质的量之比为1：3的条件下，CO2平衡转化率和平衡时二甲醚的选择性随温度的变化如图。

CH3OCH3的选择性×100%
①CO2平衡转化率随温度升高显示如图所示变化的原因是___。
②关于合成二甲醚工艺的理解，下列说法正确的是__。
A．合成二甲醚的反应在A点和B点时的化学平衡常数K(A)小于K(B)
B．当温度、压强一定时，在原料气(CO2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体，有利于提高平衡转化率
C．其他条件不变，在恒容条件下的二甲醚平衡选择性比恒压条件下的平衡选择性低
D．由图像可知，CO2加氢合成二甲醚应该选择具有良好的低温活性的催化剂
II.汽车尾气是城市空气污染的一个重要因素，常用以下反应净化汽车尾气：2NO(g)+2CO(g)2CO2(g)+N2(g)。在某温度T1℃下，2L密闭容器中充入NO、CO各0.8mol，测得不同时间的NO和CO物质的量如表
时间(s)
0
2
4
6
8
10
n(NO)(mol)
0.8
0.64
0.52
0.44
0.40
0.40
(5)上述反应用N2表示0~2min内平均反应速率v(N2)=__；达到平衡后，继续加入NO、CO、CO2各0.4mol和N2___mol时，平衡不移动。
4．（2021·湖南高三二模）是石油化工行业产生的污染性气体，工业上采取多种方式进行处理。
Ⅰ.干法脱硫
(1)已知的燃烧热(a>0)，S的燃烧热(b>0)，则常温下空气直接氧化脱除的反应： ___________kJ/mol。
(2)常用脱硫剂反应条件如下表，最佳脱硫剂为___________。
脱硫剂
出口硫(mg/m3)
脱硫温度
操作压力
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
0~3.0
不再生
Ⅱ．热分解法脱硫
在密闭容器中，充入一定量的气体，发生分解反应，控制不同的温度和压强，实验结果如图。

(3)图中压强P1、P2、P3由大到小的顺序为___________，该反应为___________(填吸热”或“放热”)反应，若要进一步提高的平衡转化率，可以采取的措施有___________(任写一种)。
(4)若压强为P2、温度为975℃，的平衡常数，则起始的物质的量浓度c=___________mol/L，若向容器中再加入气体，相同温度下再次达到平衡时，K___________0.04(填“＞”“＜”或“=”)。
Ⅲ．间接电解法脱硫
通过溶液吸收并氧化气体，再通过电解再生，实现循环使用，该法处理过程如图。

(5)电解反应器中总反应的离子方程式为___________。
5．（2021·湖南高三一模）甲醇燃料分为甲醇汽油和甲醇柴油。工业上合成甲醇的方法很多。
(1)已知：
①
②
③
则_______
(2)一定条件下，在恒容密闭容器中投入和，发生反应。
①能说明该反应达到平衡状态的是_______(填序号)。
A．的体积分数保持不变 B．容器内的总压强保持不变
C．混合气体密度保持不变 D．混合气体的平均摩尔质量保持不变
②达平衡后，维持容器的温度不变，将容器的容积扩大一倍，下列说法正确的是_______(填序号)。
A．平衡向正反应方向移动 B．CO的浓度增大
C．平衡常数不变 D．CO的物质的量增大
③维持容器的体积和温度不变，向密闭容器中加入氦气，达到新平衡时，CO、的浓度之比将_______(填“增大”、“减小”或“不变”)。
④甲醇在混合气体中的平衡体积分数与温度、压强的变化关系如图：则P3_______P1(填“>”、“<”或“=”)；300℃、P3条件下，处于E点时(正)____(逆)(填“>”“<”或“=”)；C点的平衡常数K=_______。

6．（2021·湖南高三一模）氮及其化合物在工农业生产和生命活动中起着重要的作用，但同时又是环境污染的主要物质，研究其转化规律一直是科学家们的热点问题。回答下列问题：
(1)已知氮氧化物转化过程中的能量变化如图(图中表示生成2molNO2的能量变化)。1molNO氧化为NO2的焓变∆H___kJ/mol。

(2)一定温度下，向2L恒容密闭容器中充入0.40molN2O4，发生反应N2O4(g)⇌2NO2(g)∆H=+Q kJ/mol，一段时间后达到平衡，测得数据如下：
时间
20
40
60
80
100
c(NO2)/(mol•L-1)
0.12
0.20
0.26
0.30
0.30
①内，___。
②达平衡时，反应体系吸收的热量为___(用Q表示)。
③该温度下反应2NO2(g)⇌N2O4(g)的化学平衡常数K=____。
(3) 近年来，地下水中的氮污染已成为一个世界性的环境问题。在金属Pt、Cu和铱(Ir)的催化作用下，密闭容器中的H2可高效转化酸性溶液中的硝态氮()，其工作原理如图所示。

①Ir表面发生反应的方程式为_______。
②若导电基体上的Pt颗粒增多，造成的结果是_______。
7．（2021·湖南高三其他模拟）汽车尾气中氮氧化物的排放与雾霾天气的产生密切相关，对其进行无害化处理是化学工作者研究的重要课题。
(1)利用反应2CO(g)+2NO(g)=2CO2(g)+N2(g) ΔH＜0，可实现汽车尾气的无害化处理。一定条件下进行该反应，测得CO的平衡转化率与温度、起始投料比m[m=］的关系如图所示。

①投料比m1、m2、m3从大到小的顺序为___________。
②随着温度的升高，不同投料比下CO平衡转化率趋于相近的原因是___________。
(2)我国学者研究了均相 NO-CO的反应历程，反应路径中每一阶段内各驻点的能量均为相对于此阶段内反应物能量的能量之差，TS代表过渡态，反应过程中的复杂中间产物直接用IM表示。

①2CO(g)+2NO(g)=2CO2(g)+N2(g) ΔH=___________。
②整个反应分为三个基元反应阶段，总反应速率由第___________。(填“一”“二”或“三”)阶段反应决定。
(3)若反应2CO(g)+2NO(g)=2CO2(g)+N2(g)的正、逆反应速率分别可表示为v正=k正·c2(NO)·c2(CO)；v逆=k逆·c(N2)·c2(CO2)，k正，k逆，分别为正、逆反应速率常数。一定温度下，在体积为1L的恒容密闭容器中加入5mol NO和5mol CO发生上述反应，测得CO和CO2的物质的量浓度随时间的变化如图所示。

①M点时，v正：v逆=___________。
②测得平衡时体系压强为p，Kp为用气体分压表示的平衡常数，分压=总压×物质的量分数，则平衡常数Kp=___________。(用含p的式子表示)。
③达平衡后，若改变下列条件，既能加快反应速率又能提高NO的转化率的是___________。
A．分离出部分N2 B．恒容时，再加入5 mol NO，5 mol CO
C．压缩容器体积增大压强 D．降低温度
(4)利用固体氧化物电解池通过电解方式分解氮氧化物的原理如下图所示。原理是用Pt电极将NO在电解池中分解成无污染的N2和O2除去，两电极间是新型固体氧化物电解质，在一定条件下可自由传导O2-，电解池阴极反应式为___________。

8．（2022·广东高三一模）运用化学反应原理知识研究如何利用CO、SO2等污染物有重要意义。
(1)用CO可以合成甲醇。已知：
CH3OH(g)＋3/2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l) ΔH 1 kJ·mol-1
CO(g)＋1/2O2(g)=CO2(g) ΔH2 kJ·mol-1
H2(g)＋1/2O2(g)=H2O(l) ΔH3 kJ·mol-1
则CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　 ΔH =___________kJ·mol-1。
(2)一定压强下，在容积为2L的密闭容器中充入1mol CO与2 mol H2，在催化剂作用下发生反应：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)　ΔH ，平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。

① 下列说法正确的是___________
A．若容器内气体的密度恒定，反应达到平衡状态
B．若容器内各气体浓度恒定，反应达到平衡状态
C．若容器内各气体压强恒定，反应达到平衡状态
D．反应中，催化剂能使平衡向正反应方向移动
② 上述反应中，ΔH ___________ 0 (填“>”、“<”或“=”)
③ p2 ___________p1 (填“大于”、“小于”或“等于”)；
④ 100 ℃时，该反应的化学平衡常数K=___________；
(3)某科研小组用SO2为原料制取硫酸。
用Na2SO3溶液充分吸收SO2得NaHSO3溶液，然后电解该溶液可制得硫酸。电解原理示意图如下。请写出阳极反应的电极反应式___________。

9．（2021·四川成都七中高三其他模拟）近年来，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。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题：
(1)Deacon发明的直接氧化法为：。下图为刚性容器中，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：可知该反应在___________(高温或低温)条件下能自发进行。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℃)=___________(列出计算式)。

按化学计量比进料可以保持反应物高转化率，同时降低产物分离的能耗。进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是___________。
(2)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行：
△H1=83 kJ·mol-1

则的______
(3)在一定温度的条件下，进一步提高HCl的转化率的方法是___________(写出2种)
(4)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程，如下图所示：

负极区发生的反应有___________(写反应方程式)。电路中转移1mol电子，需消耗氧气___________L(标准状况)。
10．（2021·四川遂宁市·高三其他模拟）CO和NO是汽车尾气中的主要污染物，易引起酸雨、温室效应和光化学烟雾等环境污染问题。随着我国机动车保有量的飞速发展，汽车尾气的有效处理变得迫在眉睫。其中的一种方法为2CO(g)+2NO(g)=N2(g)+2CO2(g)，请回答下列问题：
(1)已知该反应为自发反应，则该反应的反应热△H___________0(填“>”或“<”或“=”)
(2)已知：N2 (g) + O2(g)=2NO(g) △H= a kJ•mol -1
C(s) + O2 (g)=CO2 (g) △H= b kJ•mol -1
2C(s) + O2 (g)=2CO(g) △H= c kJ•mol -1
则 2CO(g)+2NO(g)=N2 (g)+2CO2 (g) △H=___________kJ•mol-1 (用含 a、b、c 的表达式表示)。
(3)一定温度下，将 2molCO、4molNO 充入一恒压密闭容器。已知起始压强为 1MPa，到达平衡时， 测得N2的物质的量为 0.5 mol，则：
①该温度此反应用平衡分压代替平衡浓度的平衡常数Kp=___________(写出计算表示式)
②该条件下，可判断此反应到达平衡的标志是___________
A．单位时间内，断裂 2 molC=O 同时形成 1 mol N≡N。
B．混合气体的平均相对分子质量不再改变。
C．混合气体的密度不再改变。
D．CO与NO的转化率比值不再改变。
(4)某研究小组探究催化剂对 CO、NO 转化的影响。将 CO 和 NO 以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应，相同时间内测量逸出气体中 N2的含量，从而确定尾气脱氮率(即 NO 的转化率)，结果如图所示：

①由图可知：要达到最大脱氮率，该反应应采取的最佳实验条件为___________
②若低于 200℃，图中曲线 I 脱氮率随温度升高变化不大的主要原因为___________
(5)已知常温下，Kb(NH3·H2O)=1.8×10-5，Ka1(H2CO3) =4.4×10-7，Ka2(H2CO3) =4.4×10-11，.此温度下某氨水的浓度为 2mol/L，则溶液中c(OH-)=___________mol/L，将脱氮反应后生成CO2通入氨水中使溶液恰好呈中性，则此时 =___________(保留小数点后4位数字)
(6)电解NO制备NH4NO3，其工作原理如图所示，为使电解产物全部转化为NH4NO3，需要补充物质A，A是___________，理由是___________