题型三 大题突破 化学反应原理综合题的研究.docx

考向突破一　化学平衡与能量变化的结合 ‎1．题型特点 这类试题往往以化学反应速率，化学平衡知识为主题，借助图像、图表的手段，综合考查关联知识，关联知识主要有：‎ ‎(1)ΔH符号的判断、热化学方程式的书写、应用盖斯定律计算ΔH。‎ ‎(2)化学反应速率的计算与比较，外因对化学反应速率的影响(浓度、压强、温度、催化剂)。‎ ‎(3)平衡常数、转化率的计算，温度对平衡常数的影响；化学平衡状态的判断，用化学平衡的影响因素进行分析和解释。‎ ‎(4)在多层次曲线图中反映化学反应速率、化学平衡与温度、压强、浓度的关系。‎ ‎2．热化学方程式的书写及反应热计算技巧 首先根据要求书写目标热化学方程式的反应物、生成物并配平，其次在反应物和生成物的后面括号内注明其状态，再次将目标热化学方程式与已有的热化学方程式比对(主要是反应物和生成物的位置、化学计量数)，最后根据盖斯定律进行适当运算得出目标热化学方程式的反应热ΔH，空一格写在热化学方程式右边即可。‎ ‎3．解答化学平衡移动问题的步骤 ‎(1)正确分析反应特点：包括反应物、生成物的状态、气体体积变化、反应的热效应。‎ ‎(2)明确外界反应条件：恒温恒容、恒温恒压、反应温度是否变化、反应物配料比是否变化。‎ ‎(3)结合图像或K与Q的关系、平衡移动原理等，判断平衡移动的方向或结果。‎ ‎(4)结合题意，运用“三段式”，分析计算、确定各物理量的变化。‎ ‎4．分析图表与作图时应注意的问题 ‎(1)仔细分析并准确画出曲线的最高点、最低点、拐点和平衡点。‎ ‎(2)找准纵坐标与横坐标的对应数据。‎ ‎(3)描绘曲线时注意点与点之间的连接关系。‎ ‎(4)分析表格数据时，找出数据大小的变化规律。‎ ‎1．从空气中捕获CO2直接转化为甲醇是二十多年来“甲醇经济”领域的研究热点，诺贝尔化学奖获得者乔治·安德鲁·欧拉教授首次以金属钌作催化剂实现了这种转化，其转化如图所示。‎ ‎(1)如图所示转化中，第4步常采取蒸馏法分离生成的甲醇和水，其依据是________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)如图所示转化中，由第1步至第4步的反应热(ΔH)依次是a kJ·mol－1、b kJ·mol－1、c kJ·mol－1、d kJ·mol－1，则该转化总反应的热化学方程式是_________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)一定温度下，利用金属钌作催化剂，在容积为2 L的密闭容器中可直接实现(2)中总反应的转化得到甲醇。测得该反应体系中X、Y浓度随时间变化如下表：‎ 反应时间/min ‎0‎ ‎2‎ ‎4‎ ‎6‎ ‎8‎ ‎10‎ X的浓度/mol·L－1‎ ‎1.100‎ ‎0.550 0‎ ‎0.300 0‎ ‎0.150 0‎ ‎0.100 0‎ ‎0.100 0‎ Y的浓度/mol·L－1‎ ‎0.000‎ ‎0.550 0‎ ‎0.800 0‎ ‎0.950 0‎ ‎1.000‎ ‎1.000‎ ‎①X的电子式是______________，判断的理由是__________________________________‎ ‎________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎②从反应开始到平衡，用另一反应物Z表示的平均反应速率v(Z)＝__________。‎ ‎③下列不可作为反应达到平衡状态的标志的是________(填字母)。‎ A．混合气体的密度不再变化 B．生成1 mol CO2的同时生成1 mol CH3OH C．混合气体的平均相对分子质量不再变化 D．CH3OH的体积分数不再变化 ‎④若起始时只有反应物且反应物Z的起始浓度为3.400 mol·L－1，则该条件下该反应的平衡常数K＝________________________________________________________________________。‎ ‎⑤下列说法正确的是________(填字母)。‎ a．金属钌可大大提高该反应的化学反应速率和反应物的转化率 b．X的平衡转化率是90.91%‎ c．其他条件不变时，若起始投料是原来的2倍，X的平衡转化率低于90.91%‎ d．其他条件相同而温度升高时，测得X的平衡转化率为93%，由此可知该反应为吸热反应 答案　(1)甲醇与水互溶且甲醇的沸点比水低30 ℃以上 ‎(2)CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(l)＋H2O(l)　ΔH＝(a＋b＋c＋d) kJ·mol－1‎ ‎(3)①　X随反应进行浓度减小，因此X为反应物，且其相同时间内转化量与Y相同，则其在方程式中的化学计量数应与Y相同，因此X是CO2‎ ‎②0.375 0 mol·L－1·min－1　③CD　④156.25　⑤bd 解析　(1)可用蒸馏法分离的两种物质的特点应该是沸点相差大于等于30 ℃的互溶液体。‎ ‎(2)根据图示是一个闭合的“环”，说明总反应的反应热是四步反应的反应热之和，结合碳元素守恒，可以写出总反应的热化学方程式：CO2(g)＋3H2(g)H2O(l)＋CH3OH(l)　ΔH＝(a＋b＋c＋d) kJ·mol－1。‎ ‎(3)①根据表中数据，随着反应时间延长，X的浓度下降而Y的浓度从0开始增大，说明X为反应物，Y为生成物，又因为在相同时间内X的浓度变化量与Y的相同，说明在总反应化学方程式中X和Y的化学计量数应相等，满足此条件的反应物只有CO2，所以X为CO2，电子式为②该反应只有两种反应物，所以Z为H2，v(H2)＝3v(CO2)＝3×＝0.375 0 mol·L－1·min－1。③该反应的生成物为液态，因此混合气体的密度不再改变，可以作为反应达到平衡状态的标志；生成1 mol CO2为逆反应，生成1 mol CH3OH为正反应，生成1 mol CO2的同时生成1 mol CH3OH说明v正＝v逆，可作为反应达到平衡状态的标志；该反应的生成物均为液态，因此混合气体的平均相对分子质量不会发生变化，C项不可以作为反应达到平衡状态的标志；该反应的反应物均为气态，生成物均为液态，CH3OH的体积分数不再变化不能作为反应达到平衡状态的标志。‎ ‎④根据题中数据，列“三段式”：‎ ‎　　　 CO2(g)＋3H2(g)H2O(l)＋CH3OH(l)‎ 起始浓度/mol·L－1 1.100 3.400 0 0‎ 变化浓度/mol·L－1 1.000 3.000 1.000 1.000‎ 平衡浓度/mol·L－1 0.100 0.400 1.000 1.000‎ 则K＝＝＝156.25。‎ ‎⑤催化剂只能提高化学反应速率，不能使平衡移动，因此不能提高反应物的转化率，所以a错误；CO2的平衡转化率为×100%≈90.91%，所以b正确；其他条件不变时，将起始投料增大1倍，相当于增大压强，化学平衡向气体分子数减少的方向移动，即正向移动，X的平衡转化率将增大，应高于90.91%，所以c错误；其他条件相同而升高温度，X的平衡转化率增大至93%，即升温平衡正向移动，说明正反应为吸热反应，所以d正确。‎ ‎2．甲烷主要存在于天然气和可燃冰中，在地球上储量巨大，充分利用甲烷对人类的未来发展具有重要意义。‎ ‎(1)乙炔(CH≡CH)是重要的化工原料。工业上可用甲烷裂解法制取乙炔，反应为2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)。甲烷裂解时还发生副反应：2CH4(g)C2H4(g)＋2H2(g)。甲烷裂解时，几种气体平衡时分压(Pa)的对数即lg p与温度(℃)之间的关系如图所示。‎ ‎①1 725 ℃时，向恒容密闭容器中充入CH4，达到平衡时CH4生成C2H2的平衡转化率为______________。‎ ‎②1 725 ℃时，若图中H2的lg p＝5, 则反应2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)的平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度进行计算)。‎ ‎③根据图判断，2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)的ΔH________(填“＞”或“＜”)0。由题可知，甲烷裂解制乙炔过程中有副产物乙烯生成。为提高甲烷制乙炔的产率，除改变温度外，还可采取的措施有______________。‎ ‎(2)工业上用甲烷和水蒸气在高温和催化剂存在的条件下制得合成气(CO、H2)，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH＞0。‎ 图中a、b、c、d四条曲线中的两条代表压强分别为1 MPa、2 MPa时甲烷含量曲线，其中表示1 MPa的是________(填字母)。在实际生产中采用图中M点而不是N点对应的反应条件，运用化学反应速率和平衡知识，同时考虑生产实际，说明选择该反应条件的主要原因是________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(3)利用CH4、CO2在一定条件下重整的技术可得到富含CO的气体，此技术在能源和环境上具有双重重大意义。重整过程中的催化转化原理如图所示。‎ 已知：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH＝＋206.2 kJ·mol－1‎ CH4(g)＋2H2O(g)CO2(g)＋4H2(g)　ΔH＝＋165.0 kJ·mol－1‎ ‎①过程Ⅱ中第二步反应的化学方程式为______________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎②只有过程Ⅰ投料比n(CH4)∶n(CO2)＝__________________________________，‎ 过程Ⅱ中催化剂组成才会保持不变。‎ ‎③该技术总反应的热化学方程式为________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ 答案　(1)①62.5%　②1×1013　③＞　充入适量乙烯或使用选择性更高的催化剂等　(2)a　与2 MPa时相比，1 MPa条件下CH4的平衡转化率更高，对设备要求不高，有利于降低成本；虽然温度越高越有利于提高CH4的平衡转化率，但700 ℃时CH4的平衡转化率已经较高，再升高温度，平衡转化率变化不大；700 ℃时催化剂活性高，反应的速率快　(3)①3Fe＋4CaCO3Fe3O4＋4CaO＋4CO↑　②1∶3　③CH4(g)＋3CO2(g)2H2O(g)＋4CO(g)　ΔH＝＋329.8 kJ·mol－1‎ 解析　(1)①由图可知，1 725 ℃达到平衡时，CH4、C2H2、C2H4的平衡分压的对数分别为2、2、1，故CH4、C2H2、C2H4的平衡分压分别为100 Pa、100 Pa、10 Pa，在同温同体积条件下，不同气体的压强之比等于其物质的量之比，故CH4、C2H2、C2H4的物质的量之比为10∶10∶1，由C原子守恒可知，CH4生成C2H2的平衡转化率为×100%＝62.5%。②1 725 ℃时，若图中H2的lg p＝5，则H2的平衡分压为1×105 Pa，反应2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)的平衡常数Kp＝＝1×1013。③根据图可知，C2H2的平衡分压随温度升高而增大，平衡正向移动，所以反应2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)为吸热反应，ΔH＞0。甲烷裂解制乙炔过程中有副产物乙烯生成，为提高甲烷制乙炔的产率，可充入适量乙烯使副反应的平衡向逆反应方向移动，或使用对甲烷转化为乙炔的选择性更高的催化剂等。(2)CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH＞0，该反应为气体分子数增大的吸热反应，平衡时甲烷的含量随温度升高而减小、随压强增大而增大，所以，图中a、b、c、d四条曲线中表示1 MPa的是a。在实际生产中采用图中M点而不是N点对应的反应条件，类比工业上合成氨条件的选择可知，选择该反应条件的主要原因是与2 MPa时相比，1 MPa条件下CH4的平衡转化率更高，对设备要求不高，有利于降低成本；虽然温度越高越有利于提高CH4的平衡转化率，但700 ℃时CH4的平衡转化率已经较高，再升高温度，平衡转化率变化不大；700 ℃时催化剂活性高，反应的速率快。(3)①由题中重整过程的催化转化原理示意图可知，过程Ⅱ中第一步反应是为了实现含氢物质与含碳物质的分离，故第一步反应为一氧化碳、二氧化碳、氢气与四氧化三铁、氧化钙反应生成铁、碳酸钙和水；过程Ⅱ中第二步是为了得到富含CO的气体，反应的化学方程式为3Fe＋4CaCO3Fe3O4＋4CaO＋4CO↑。②结合过程Ⅰ反应CH4(g)＋CO2(g)2H2(g)＋2CO(g)中H2与CO的配比，以及过程Ⅱ第二步反应中Fe、CaCO3、Fe3O4、CaO的配比可知，第一步反应为Fe3O4＋4CaO＋2CO＋2H2＋2CO23Fe＋4CaCO3＋2H2O，因此投料比n(CH4)∶n(CO2)＝1∶3时，过程 Ⅱ 中催化剂组成才会保持不变。③将题给两个反应编号为a和b，根据盖斯定律，由4a－3b可得CH4(g)＋3CO2(g)2H2‎ O＋4CO(g)，ΔH＝(＋206.2 kJ·mol－1)×4－(＋165.0 kJ·mol－1)×3＝＋329.8 kJ·mol－1。‎ ‎3．“循环经济”和“低碳经济”是目前备受关注的课题，因而对碳、硫及其化合物的综合利用成为研究的热点。‎ ‎(1)下列事实中，能用来比较碳元素和硫元素的非金属性强弱的是________(填字母)。‎ A．SO2具有漂白性而CO2没有 B．少量H2SO3可与Na2CO3反应生成NaHCO3‎ C．SO2能使酸性KMnO4溶液褪色而CO2不能 D．Na2CO3溶液显碱性，而Na2SO4溶液显中性 ‎(2)通过热循环进行能源综合利用的反应系统的原理如下图所示。‎ 系统(Ⅱ)制取氢气的热化学方程式为_________________________________________‎ ‎__________________；两个系统制得等量的H2时所需能量较少的是__________。‎ ‎(3)向10 L恒容密闭容器中充入2 mol CO和1 mol SO2，发生反应2CO(g)＋SO2(g)S(g)＋2CO2(g)。CO和CO2的平衡体积分数(φ)与温度(T)的变化关系如下图所示。‎ ‎①图中表示CO的平衡体积分数与温度的变化关系的曲线为________(填“L1”或“L2”)。‎ ‎②T1 ℃时，SO2的平衡转化率α1＝________，反应的平衡常数K1＝________。‎ ‎③只改变下列条件，既能加快该反应的反应速率，又能增大CO的平衡转化率的是________(填字母)。‎ A．增大压强 B．充入一定量的H2S C．充入一定量的SO2 D．加入适当催化剂 ‎④向起始温度为T1 ℃的10 L绝热容器中充入2 mol CO和1 mol SO2，重复实验，该反应的平衡常数K2________(填“>”“