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1、2020-2021 高考化学综合题专练化学反应原理综合考查含详细答案一、化学反应原理综合考查1 利用工业废气CO2 或 CO 和 H2 在一定条件下可制备燃料甲醇。利用工业废气CO合成甲醇，其能量变化示意图如下：(1)图中曲线 a 到曲线 b 的措施是 _。该反应S_0( 填“ 或”“ ”“或，” “，” “=”)。若此反应在a 点时已达平衡状态，a 点的转化率比c 点高的原因是_。c 点时该反应的平衡常数K _。【答案】加入催化剂abb处反应温度高，则反应速率快，反应相同时间生成的甲醇多，体积分数大abc反应I该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动163【解析】【分析】【详解】(1)反应路
2、径发生了变化，活化能下降，应为加入催化剂；反应发生后，气体物质的量减小，熵值减小，所以S0；(2)2molH 2 完全反应释放的热量是91kJ，现在反应达平衡后只释放了45.5kJ 的热量，所以H2 消耗1mol ，转化率为50%，化学方程式为CO(g)+2H(g)CH3OH(g)，平衡时三种物质CO、 H2、 CH3OH 的浓度分别为0.25mol/L 、 0.5mol/L 、 0.25mol/L ，平衡常数c(CH 3OH)0.25K= c(CO)c2 (H 2 ) =0.250.52 =4；三种物质都加入1mol 后，Qc=c(CH 3 OH)0.75=1v 逆 ；c(CO)2(H 2
3、)=12c0.75(3)a压缩容器体积，平衡正向移动，甲醇产率增大，a 符合题意；b将 CH OH(g)从体系中分离，平衡正向移动，甲醇产率增大，b 符合题意；3c恒容条件下充入He，各物质浓度不变，对平衡无影响，c 不合题意；d恒压条件下再充入10molCO 和 20molH 2，达到平衡时，各物质浓度不变，甲醇的产率不变， d 不合题意；答案为： ab；(4)反应开始小，所以，5min 后， a 中温度比b 中甲醇体积分数大于b 中低，反应速率比b 中慢，生成甲醇的量少，体积分数a 中的原因是b 处反应温度高，则反应速率快，反应相同时间生成的甲醇多，体积分数大；比较b、 c 两点甲醇的体积
4、分数，可得出Hbc。答案为：b 处反应温度高，则反应速率快，反应相同时间生成的甲醇多，体积分数大；abc；(5)在低温时，相同温度、相同时间内反应I 转化率最高，所以催化剂效果最好的是反应I；b 点尚未达到平衡状态，从催化剂效果更好的反应II 和 III 可知， b 点反应仍正向进行，所以 正逆 ；c 点温度更高，比a 提前达到平衡状态，所以a、 c 两点均是平衡点。从 a、c 点的比较可以看出，温度升高CO2 的转化率减小，平衡逆向移动，所以正反应为放热反应，从而得出原因是：该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动；利用三段式，可以建立以下关系：CO 2 (g)3H 2 (g)?CH 3OH
5、(g)H 2 O(g)起始量 (mol/L)0.51.500变化量(mol/L)1111333平衡量(mol/L)11116233113316。K= 113= 3()622 以天然气为原料合成氨是现代合成氨工业发展的方向与趋势（一）天然气与氮气为原料，以固态质子交换膜为电解质，在低温常压下通过电解原理制备氨气如图所示：写出在阴极表面发生的电极反应式：_。（二）天然气为原料合成氨技术简易流程如下：一段转化主要发生的反应如下:CH42O（ g）垐 ?CO（ g） +3H2（ g）1206 kJ mol 1（ g） + H噲?H =CO（ g） + H2垐 ?CO2221O（ g）噲?（g） +H
6、（ g）H= - 41 kJ mol 二段转化主要发生的反应如下:垐 ?H3 = - 71. 2 kJ mol12CH4（ g） + O2（ g） 噲? 2CO（ g） +4H2（ g）2CO（ g） + O2垐 ?2CO241噲 ?（ g）（ g）H = - 282 kJmol （ 1）已知 CO中不含 C=O， H H 的键能为 436 kJmol 1， HO 的键能为 463kJ mol 1， C H 的键能为 414kJ mol 1，试计算 C=O 的键能 _。（2）实验室模拟一段转化过程，在800oC 下，向体积为1L 的恒容密闭反应器中，充入1mol 的 CH4 与 1mol 的
7、H2O，达到平衡时 CH4 的转化率为40%， n（ H2）为 1. 4mol ，请计算反应的平衡常数 _。（ 3）下列说法正确的是 _ 。A合成氨过程实际选择的温度约为700，温度过高或过低都会降低氨气平衡产率B上述工业流程中压缩既能提高反应速率又能提高合成氨的产率C二段转化释放的热量可为一段转化提供热源，实现能量充分利用D二段转化过程中，需严格控制空气的进气量，否则会破坏合成气中的氢氮比（ 4）已知催化合成氨中催化剂的活性与催化剂的负载量、催化剂的比表面积和催化反应温度等因素有关，如图所示：实验表明相同温度下，负载量5%催化剂活性最好，分析负载量9%与负载量1%时，催化剂活性均下降的可能原
8、因是_。在上图中用虚线作出负载量为3%的催化剂活性变化曲线_。【答案】 N2+-= 2NH316H+6e799 5kJ mol3 5 BCD1+负载量%时，则负载量过低导.致催化活性降低，负载量9%负载量虽高但催化剂的比表面积会降低而使催化活性降低【解析】【分析】【详解】( 一 ) 与外电源负极相连的为电解池阴极，发生还原反应，装置中N2 转化为 NH3，所以阴极表面发生的电极反应：+-+-2NH3；N2+6H+6e =2NH3，故答案：N2+6H +6e=( 二 )( 1) 根据盖斯定律可知将反应 +得到：CH4g2H2O gCO2g 4H2g H()+( )=( )+( )=165kJ/
9、mol ， H=4E( C- H)+ 4E( O- H)- 2E( C=O)- 4E( H- H)= 4 414kJ/ mol+4 463kJ/ mol-2E C O4436kJ mol 165kJ mol，可得E C O799.5kJ mol，故答案为： ( = )-/=/( = )=/799. 5kJ/ mol ；( 2) 发生的反应为CH42垐 ?CO( g)+ 3H211噲 ?( g)+ H O( g)( g)H = 206 kJ molCH 4g+H 2O g?CO g+3H 2g起始 (mol/L)1100变化 (mol/L)0.40.40.41.2平衡 (mol/L)0.60.6
10、0.41.2CO g + H 2 O g?CO 2 g +H 2 g起始 (mol/L)0.40.601.2变化 (mol/L)xxx1.4 1.2平衡 (mol/L)0.4x0.6xx1.4解得 x=0. 2mol/ L。反应的平衡常数 K= 0.21.4 =3. 5，故答案： 3. 5；0.20.4( 3) A合成氨的反应为放热过程，温度升高降低平衡转化率，故A 错误；B压缩相当于加压，反应向气体分子数减少方向移动，加压有利于反应正向进行，所以上述工业流程中压缩既能提高反应速率又能提高合成氨的产率，故B 正确；C一段过程主要为吸热过程，二段主要过程为放热过程，因此可以通过传热装置转化释放的
11、热量，可为一段反应转化提供热源，实现能量充分利用，故C 正确；D二段过程中主要是有O2 参加反应，可通过空气来提供反应所需要的O2，但需严格控制空气的进气量，否则会发生其余副反应，破坏合成气中的氢氮比，故D 正确；故答案为： B、 C、 D；( 4) 负载量较低时，提供催化活性中心的活性位点不足，可能导致催化剂活性不够，负载量过高，催化剂的比表面积会降低，导致催化剂活性中心位点过于拥挤，可能导致空间坍塌影响催化活性，故答案为：负载量1%时, 则负载量过低导致催化活性降低, 负载量 9%负载量虽高但催化剂的比表面积会降低而使催化活性降低；负载量为3%小于负载量5%，并且已知负载量1%时活性低于5
12、%负载量，负载量为9%时高于负载量为1%的催化剂活性，但1%的负载量与9%的负载量所体现的催化活性及其接近，可推知低负载量对于催化剂活性的影响较之于高负载量对于催化剂活性的影响更大，则3%负载量的催化剂活性应介于5%与 9%之间的负载量之间的活性，所以作图为：，故答案：。3 合成氨 人 生存具有重大意 ，反 ：N2（ g） +3H2（ g）2NH3（g） H（ 1）科学家研究在催化 表面合成氨的反 机理，反 步 与能量的关系如 所示（吸附在催化 表面的微粒用 * 注，省略了反 程中部分微粒）。NH3 的 子式是 _。决定反 速率的一步是_（填字母 a、 b、 c、 ）。由 象可知合成氨反 的
13、H_0（填 “ ”、 “”或 “=）”。（2） 合成氨工 是将N2 和 H2 在高温、高 条件下 生反 。若向容 1.0L 的反 容器中投入 5molN 2、 15molH 2，在不同温度下分 达平衡 ，混合气中NH3 的 量分数随 化的曲 如 所示：温度 T1、 T2、T3 大小关系是 _。M 点的平衡常数 K=_（可用分数表示）。（3）目前科学家利用生物燃料电池原理（电池工作时MV2+/MV +在电极与酶之间传递电子），研究室温下合成氨并取得初步成果，示意图如图：导线中电子移动方向是_。固氮酶区域发生反应的离子方程式是_。相比传统工业合成氨，该方法的优点有_。【答案】b T3217.32
14、10-32+6MV+32+条件T Tab N +6H=2NH +6MV温和、生成氨的同时释放电能【解析】【分析】(1)从分子中每个原子都形成了稳定结构的角度分析；反应需要的能量最高的反应决定总反应速率；根据能量图，反应物的总能量高于产物的总能量，则反应为放热反应；(2)正反应为放热反应，相同压强下，温度越高，对应NH3 的含量越小；根据反应三段式进行计算；(3)根据装置电极b 上 MV2+转化为 MV+判断正负极，原电池工作时，电子从负极经过导线流向正极；固氮酶区域中 N2 转化为 NH3 ，MV+转化为 MV 2+；该电化学装置工作时，可将化学能转化为电能，同时利用生物酶在室温下合成氨，不需
15、要高温条件、反应条件温和。【详解】(1) NH3 分子中一个 N 原子与三个 H 原子形成 3 对共用电子对， N 原子还有1 对孤电子对， NH3 电子式为：；根据合成氨的反应机理与各步能量的关系图可知，反应b 需要的能量最大，反应需要的能量越高，反应速率越慢，需要能量最高的反应决定总反应速率，所以决定反应速率的一步是 b；根据能量图，反应物的总能量高于产物的总能量，则反应为放热反应，H 0；(2)正反应为放热反应，相同压强下，温度越高，对应NH3 的含量越小，所以图中温度T1、 T2、 T3 大小关系是 T3 T2 T1；设 M 点 N2 反应的物质的量为xmol ，反应三段式为：N 2(
16、 g)+3H2( g) ?2NH 3( g)起始量 (mol)5150变化量 (mol)x3x2x平衡量 (mol)5-x15-3x2xM 点平衡时 NH3 的质量分数为40%，即34x=40%，可得 x=2，则平衡时52281542-3；c(N2)=3mol/L ， c(H2)=9mol/L ， c(NH3 )=4mol/L ，平衡常数为 K=3 93 =7.32 10(3)根据装置电极b 上 MV2+转化为 MV+可知， b 电极为正极、 a 电极为负极，原电池工作时，电子从负极a 电极经过导线流向正极b 电极，即 ab；固氮酶区域中N2 转化为 NH3 ，MV+转化为 MV 2+，根据得
17、失电子守恒、原子守恒和电荷守恒，所以发生的反应为： N2+32+；+6H +6MV =2NH +6MV该电化学装置工作时，可将化学能转化为电能，同时利用生物酶在室温下合成氨，不需要高温条件、反应条件温和，所以与传统化工工艺相比，该工艺的优点为：条件温和、生成氨的同时释放电能。【点睛】本题注意决定化学反应速率的步骤是反应需要能量最高的一步，原电池装置中根据电极上物质转化的化合价的变化判断正负极。4 蕴藏在海底的大量“可燃冰 ”，其开发利用是当前解决能源危机的重要课题。用甲烷制水煤气 (CO、H2)，再合成甲醇可以代替日益供应紧张的燃油。下面是产生水煤气的几种方法：CH4(g)+H2O(g)=CO
18、(g)+3H2(g)H1=+206.2kJ mol-11H2=-35.4kJ mol-1CH4(g)+ O2(g)=CO(g)+2H2(g)2CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)H3=+165.0kJ mol-1（1） CH4 (g)与 CO2(g)反应生成 CO(g)和 H2(g)的热化学方程式为 _。（2）从原料、能源利用的角度，分析以上三个反应，作为合成甲醇更适宜的是反应_(填序号 )。（ 3）也可将 CH4 设计成燃料电池，来解决能源问题，如图装置所示。持续通入甲烷，在标准状况下，消耗甲烷 VL。0V33.6L时，负极电极反应式为_。 33.6L73.76c.反应开
19、始时，两容器中反应的化学反应速率相等d.平衡时，容器中N2 的转化率：t2（5）如图是在反应器中将 N2和 H2按物质的量之比为1 3 充入后，在 200、 400、600下，反应达到平衡时，混合物中NH3 的体积分数随压强的变化曲线。曲线 a 对应的温度是 _。图中 M、 N、 Q 点平衡常数 K 的大小关系是 _。M 点对应的 H2转化率是 _。【答案】 CH4(g) CO2(g)=2CO(g)2H2(g)H= 247.4kJmol -1CH4 8e- 10OH-=CO32-2422332O+3-32-+7H OCH2O Na CO =2NaHCOHc(Na )c(HCO)c(CO)c(O
20、H )c(H )1.2Vt1 mol L-1min -1 bde 200 KQ=KM KN 75%【解析】【分析】(1)由盖斯定律计算；(2)从原料和能量角度进行分析；(3)由于燃料电池中电解液(氢氧化钠溶液)中 n(NaOH) 3 mol ，因此燃料电池放电时，当负极消耗标准状况下甲烷体积不同时，负极反应式不同，由消耗甲烷体积推断发生的反应和生成物，据此进行分析；(4)由题意知产生 1 mol NH3，放出 46.1 kJ 的热量，结合容器中放出的热量可得其中反应生成的氨气的物质的量，求出用氨气表示的反应速率，由反应方程式的化学计量数关系知，相同时间内用氢气表示的反应速率是氨气的1.5 倍，
21、可得用氢气表示的反应速率v(H2)；a根据等效平衡的思想，判断平衡移动的方向；b根据等效平衡的思想，判断平衡移动的方向，进而判断容器 中 Q 范围；c由于两容器初始时反应物浓度不等，故化学反应速率不等；d根据等效平衡的思想，判断平衡移动的方向，进行分析；e容器 相当于在容器 的基础上加压，其反应物浓度高，反应速率快；(5)合成氨反应是体积减小的放热反应，因此温度高反应速率快，但达到平衡时氨的含量低，增加压强达到平衡时氨的含量变大，因此在坐标图中向横坐标作垂线交于3 个曲线，根据同压下不同温度时平衡时氨的含量，可以判断曲线的温度高低；合成氨反应为放热反应，反应温度越高，越不利于反应的进行，曲线a
22、 的NH3 的物质的量分数最高，其反应温度应相对最低；Q、 M点的温度相等(均为400 )，平衡常数相等，N 点在温度为600 的曲线上，合成氨是放热反应，温度越高平衡常数越小；在 M 点 NH3 的物质的量分数为60%，又按 n(N2)： n(H2)1： 3投料，设氢气的转化率为x，根据化学反应的物质的量关系进行计算。【详解】(1)由盖斯定律，将反应422H 247.4 kJ mol2得： CH (g) CO (g)=2CO(g) 2H (g) 1；(2)题给 3 个反应生产水煤气，从原料角度看都易得，但从能量角度看，反应和是吸热反应，反应是放热反应，所以反应比较适合应用于生产；(3)由于燃
23、料电池中电解液(氢氧化钠溶液 )中 n(NaOH) 3 mol ，因此燃料电池放电时，当负极消耗标准状况下甲烷0V33.6 L时，即生成 n(CO2) 1.5 mol，生成碳酸钠，负极反应式为 7H2O；当消耗标准状况下甲烷33.6 Lc(HCO )c(CO )c(OH )c(H )；(4)由题意知产生1 mol NH3，放出 46.1 kJ 的热量，结合容器中放出的热量可得，其中反应生成的氨气的物质的量为36.88kJ 0.8 mol ，则用氨气表示的反应速率为46.1kJgmol -10.81，由反应方程式的化学计量数关系知，相同时间内用氢气表示的反应速V gt1mol L1min1.21
24、 1率是氨气的1.5倍，则用氢气表示的反应速率v(H2) V gt1mol Lmin；a由于容器和 容积相等，但初始加入的反应物的量后者是前者的2 倍，相当于增大压强，而合成氨反应是气体体积减小的反应，增大压强平衡向右移动，因此，平衡时容器中氢气的体积分数大于容器， a 项错误；b反应达到平衡状态时容器 中 Q2 36.88， b 项正确；c由于两容器初始时反应物浓度不等，故化学反应速率不等，c 项错误；d压强大的容器 中反应物的转化率大，d 项正确；e容器 相当于在容器 的基础上加压，其反应物浓度高，反应速率快，因此容器 比容器 先达到平衡状态， e 项正确；故答案选bde；(5)合成氨反应
25、是体积减小的放热反应，因此温度高反应速率快，但达到平衡时氨的含量低，增加压强达到平衡时氨的含量变大，因此在坐标图中向横坐标作垂线交于3个曲线，根据同压下不同温度时平衡时氨的含量，可以判断曲线的温度高低；合成氨反应为放热反应，反应温度越高，越不利于反应的进行，曲线a 的 NH3 的物质的量分数最高，其反应温度应相对最低，由此可判断曲线a 对应的温度是 200 ；Q、 M 点的温度相等 (均为 400 )，平衡常数相等，N 点在温度为 600 的曲线上，合成氨是放热反应，温度越高平衡常数越小，因此有：KQ KM KN；在 M 点 NH3 的物质的量分数为60%，又按 n(N2)： n(H2)1：
26、3 投料，设氢气的转化率为xn(N2)(1x) mol，n(H2)3 (1 x) mol，n(NH3)2x mol，则有，则平衡时各物质的量为2xmol(1-x)mol+3(1-x)mol+2xmol 100% 60%，得 x 0.75，即 H2 的转化率为75%。【点睛】本题在解答 (4)题时，注意要应用等效平衡的思想，判断平衡移动方向以及对化学反应速率的影响，此为解题难点。5 含氮化合物对环境、生产和人类生命活动等具有很大的影响。请按要求回答下列问题：（1）利用某分子筛作催化剂，NH3 可脱除工厂废气中的NO、NO2，反应机理如图所示。 A包含的物质为 H2O 和 _(填化学式 )。（2）
27、研究氮氧化物与悬浮在大气中的海盐粒子的相互作用时，涉及如下反应：2NO2(g)+NaCl(g)=NaNO3(g)+ClNO(g)H1 0 2NO(g)+Cl2(g)=2ClNO(g) H20。在n 变化的a 点时， CH4 的转化率为 _%；平衡常数：K(a)_K(b)(填 “ ”“或 “=”)。（4）肌肉中的肌红蛋白(Mb) 与 O2 结合生成MbO 2，其反应原理可表示为Mb(aq)+O 2(g)MbO 2(aq)，该反应的平衡常数可表示为c(MbO 2 )K=，在一定条件下c(Mb)p(O 2 )达到平衡时，测得肌红蛋白的结合度生产的 c(MbO 2 ) 100%与 p(O2 )的关系如图( ) =初始的 c(Mb)所示。研究表明正反应速率V 正 =k 正 c(Mb) p(O2)，逆反应速率V 逆 =k 逆c(MbO 2)(其中 k 正 和 k逆分别表示正反应和逆反应的速率常数)。试写出平衡常数K 与速率常数k 正、 k 逆 的关系式： K=_(用含有 k 正 、 k 逆的式子表示 )。试求出图中c(4.50， 90)点时，上述反应的平衡常数K=_kPa-1。已知 k 逆=60s-1 ，则速率常数 k 正 =_s kPa-1。【答案】N2 2H1-H2 因反应为放热反应且反应容器为绝热容