新教材2022届新高考化学人教版一轮课时作业：大题专练（二）化学原理综合应用题（A组）

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化学原理综合应用题(A组)
1．[2020·全国卷Ⅱ，28]天然气的主要成分为CH4，一般还含有C2H6等烃类，是重要的燃料和化工原料。
(1)乙烷在一定条件可发生如下反应：C2H6(g)===C2H4(g)＋H2(g) ΔH1，相关物质的燃烧热数据如表所示：
①ΔH1＝________kJ·ml－1。
②提高该反应平衡转化率的方法有____________、______________。
③容器中通入等物质的量的乙烷和氢气，在等压下(p)发生上述反应，乙烷的平衡转化率为α。反应的平衡常数Kp＝_________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
(2)高温下，甲烷生成乙烷的反应如下：2CH4eq \(――→,\s\up7(高温))C2H6＋H2。反应在初期阶段的速率方程为：r＝k×cCH4，其中k为反应速率常数。
①设反应开始时的反应速率为r1，甲烷的转化率为α时的反应速率为r2，则r2＝__________r1。
②对于处于初期阶段的该反应，下列说法正确的是_________。
A．增加甲烷浓度，r增大
B．增加H2浓度，r增大
C．乙烷的生成速率逐渐增大
D．降低反应温度，k减小
(3)CH4和CO2都是比较稳定的分子，科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化，其原理如图所示：
①阴极上的反应式为________________________________________________________________________。
②若生成的乙烯和乙烷的体积比为2:1，则消耗的CH4和CO2体积比为____________。
2．[2020·山东卷，18]探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：
Ⅰ.CO2 (g)＋3H2(g)CH3OH (g)＋H2O(g) ΔH1＝－49.5kJ·ml－1
Ⅱ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH2＝－90.4kJ·ml－1
Ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH3
回答下列问题：
(1)ΔH3＝________kJ·ml－1。
(2)一定条件下，向体积为VL的恒容密闭容器中通入1mlCO2和3mlH2发生上述反应，达到平衡时，容器中CH3OH(g)为aml，CO为bml，此时H2O(g)的浓度为________ml·L－1(用含a、b、V的代数式表示，下同)，反应Ⅲ的平衡常数为________。
(3)不同压强下，按照n(CO2)n(H2)＝13投料，实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如图所示。
已知：CO2的平衡转化率＝eq \f(nCO2初始－nCO2平衡,nCO2初始)×100%
CH3OH的平衡产率＝eq \f(nCH3OH平衡,nCO2初始)×100%
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图________(填“甲”或“乙”)；压强p1、p2、p3由大到小的顺序为________；图乙中T1温度时，三条曲线几乎交于一点的原因是________。
(4)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率，应选择的反应条件为________(填标号)。
A．低温、高压B．高温、低压
C．低温、低压D．高温、高压
3．[2020·江苏卷，20]CO2/HCOOH循环在氢能的贮存/释放、燃料电池等方面具有重要应用。
(1)CO2催化加氢。在密闭容器中，向含有催化剂的KHCO3溶液(CO2与KOH溶液反应制得)中通入H2生成HCOO－，其离子方程式为________________________________；其他条件不变，HCOeq \\al(－,3)转化为HCOO－的转化率随温度的变化如图1所示。反应温度在40℃～80℃范围内，HCOeq \\al(－,3)催化加氢的转化率迅速上升，其主要原因是________________________________。
(2)HCOOH燃料电池。研究HCOOH燃料电池性能的装置如图2所示，两电极区间用允许K＋、H＋通过的半透膜隔开。
①电池负极电极反应式为____________________；放电过程中需补充的物质A为________(填化学式)。
②图2所示的HCOOH燃料电池放电的本质是通过HCOOH与O2的反应，将化学能转化为电能，其反应的离子方程式为____________________________________。
(3)HCOOH催化释氢。在催化剂作用下，HCOOH分解生成CO2和H2可能的反应机理如图3所示。
①HCOOD催化释氢反应除生成CO2外，还生成________(填化学式)。
②研究发现：其他条件不变时，以HCOOK溶液代替HCOOH催化释氢的效果更佳，其具体优点是________。
4．[2020·浙江1月，29]研究NOx之间的转化具有重要意义。
(1)已知：N2O4(g)2NO2(g) ΔH＞0
将一定量N2O4气体充入恒容的密闭容器中，控制反应温度为T1。
①下列可以作为反应达到平衡的判据是________。
A．气体的压强不变
B．v正(N2O4)＝2v逆(NO2)
C．K不变
D．容器内气体的密度不变
E．容器内颜色不变
②t1时刻反应达到平衡，混合气体平衡总压强为p，N2O4气体的平衡转化率为75%，则反应N2O4(g)2NO2(g)的平衡常数Kp＝________[对于气相反应，用某组分B的平衡压强p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数，记作Kp，如p(B)＝p·x(B)，p为平衡总压强，x(B)为平衡系统中B的物质的量分数]。
③反应温度为T1时，c(N2O4)随t(时间)变化曲线如图1，画出0～t2时段，c(NO2)随t变化的曲线。
保持其他条件不变，改变反应温度为T2(T2＞T1)，再次画出0～t2时段，c(NO2)随t变化趋势的曲线。
图1
(2)NO氧化反应：2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)分两步进行，其反应过程能量变化示意图如图2。
Ⅰ.2NO(g)N2O2(g) ΔH1
Ⅱ.N2O2(g)＋O2(g)===2NO2(g) ΔH2
图2
①决定NO氧化反应速率的步骤是________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
②在恒容的密闭容器中充入一定量的NO和O2气体，保持其他条件不变，控制反应温度分别为T3和T4(T4＞T3)，测得c(NO)随t(时间)的变化曲线如图3。
图3
转化相同量的NO，在温度________(填“T3”或“T4”)下消耗的时间较长，试结合反应过程能量图(图2)分析其原因________________________________________________。
高考必考大题专练(二)
化学原理综合应用题(A组)
1．解析：(1)①根据题表中数据信息可写出热化学方程式
(ⅰ)C2H6(g)＋eq \f(7,2)O2(g)===2CO2(g)＋3H2O(l)
ΔH＝－1560kJ·ml－1、
(ⅱ)C2H4(g)＋3O2(g)===2CO2(g)＋2H2O(l)
ΔH＝－1411kJ·ml－1、
(ⅲ)H2(g)＋eq \f(1,2)O2(g)===H2O(l) ΔH＝－286kJ·ml－1，根据盖斯定律，由(ⅰ)－(ⅱ)－(ⅲ)得C2H6(g)===C2H4(g)＋H2(g) ΔH1＝＋137kJ·ml－1。
②由于该反应为吸热反应、且为气体分子数增大的反应，因此可通过升高温度、减小体系压强等提高该反应的平衡转化率。③设起始时C2H6和H2的物质的量均为1ml，列出三段式：
C2H6(g)===C2H4(g)＋H2(g)
起始量/ml 1 0 1
转化量/ml α α α
平衡量/ml 1－α α 1＋α
平衡时C2H6、C2H4和H2对应的分压分别为eq \f(1－α,2＋α)p、eq \f(α,2＋α)p和eq \f(1＋α,2＋α)p，则该反应的平衡常数Kp＝eq \f(\f(α,2＋α)p×\f(1＋α,2＋α)p,\f(1－α,2＋α)p)＝eq \f(α1＋α,2＋α1－α)×p。
(2)①反应初始时可认为cCH4＝1ml·L－1，则根据初期阶段的速率方程可知k＝r1，当CH4的转化率为α时，cCH4＝(1－α)ml·L－1，则此时r2＝(1－α)r1。②由r＝k×cCH4可知，CH4的浓度越大，反应速率r越大，A项正确；增加H2浓度，CH4的浓度减小或不变，则r减小或不变，B项错误；随着反应的进行，CH4的浓度逐渐减小，则反应速率逐渐减小，C项错误；降低温度，该反应进行非常缓慢甚至停止，即k也随着减小，D项正确。
(3)①结合图示可知CO2在阴极发生还原反应生成CO，即阴极上的反应式为CO2＋2e－===CO＋O2－。②设生成C2H4和C2H6的物质的量分别为2ml和1ml，则反应中转移电子的物质的量为4ml×2＋2ml×1＝10ml，根据碳原子守恒，可知反应的CH4为6ml；则由CO2→CO转移10ml电子，需消耗5mlCO2，则反应中消耗CH4和CO2的体积比为6:5。
答案：(1)①137 ②升高温度 减小压强(增大体积)
③eq \f(α1＋α,2＋α1－α)×p
(2)①(1－α) ②AD
(3)①CO2＋2e－===CO＋O2－ ②6:5
2．解析：本题考查盖斯定律的应用、平衡浓度及平衡常数的计算、化学平衡中的问题分析及化学平衡移动的分析等，考查的化学学科核心素养是宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知。(1)分析三个热化学方程式，可应用盖斯定律计算，ΔH3＝ΔH1－ΔH2＝－49.5kJ·ml－1－(－90.4kJ·ml－1)＝＋40.9kJ·ml－1。(2)由题述三个反应可知，平衡时H2O(g)的浓度等于CH3OH(g)和CO(g)的浓度之和，即H2O(g)的浓度为eq \f(a＋b,V)ml·L－1。平衡时CH3OH(g)、CO(g)、H2O(g)的浓度分别为eq \f(a,V)ml·L－1、eq \f(b,V)ml·L－1、eq \f(a＋b,V)ml·L－1，则从开始至平衡，消耗CO2(g)的浓度为(eq \f(a,V)＋eq \f(b,V))ml·L－1＝eq \f(a＋b,V)ml·L－1，消耗H2(g)的浓度为(eq \f(3a,V)＋eq \f(b,V))ml·L－1＝eq \f(3a＋b,V)ml·L－1，即平衡时CO2(g)、H2(g)的浓度分别为eq \f(1－a－b,V)ml·L－1、eq \f(3－3a－b,V)ml·L－1，则反应Ⅲ的平衡常数为eq \f(cCO·cH2O,cCO2·cH2)＝eq \f(\f(b,V)×\f(a＋b,V),\f(1－a－b,V)×\f(3－3a－b,V))＝eq \f(ba＋b,1－a－b3－3a－b)。(3)反应Ⅰ为放热反应，故低温阶段，温度越高，CO2的平衡转化率越低，而反应Ⅲ为吸热反应，温度较高时，主要发生反应Ⅲ，则温度越高，CO2的平衡转化率越高，即图乙的纵坐标表示的是CO2的平衡转化率。反应Ⅰ为气体分子数减少的反应，反应Ⅲ为气体分子数不变的反应，因此压强越大，CO2的平衡转化率越高，故压强由大到小的顺序是p1、p2、p3。反应Ⅲ为吸热反应，温度较高时，主要发生反应Ⅲ，且反应Ⅲ前后气体分子数相等，故CO2的平衡转化率几乎不再受压强影响。(4)由上述分析知，图甲、图乙的纵坐标分别表示CH3OH的平衡产率、CO2的平衡转化率，且p1>p2>p3，分析图像可知，应选择的反应条件为低温、高压，A项正确。
答案：(1)＋40.9
(2)eq \f(a＋b,V) eq \f(ba＋b,1－a－b3－3a－b)
(3)乙 p1、p2、p3 T1时以反应Ⅲ为主，反应Ⅲ前后气体分子数相等，压强改变对平衡没有影响
(4)A
3．解析：本题考查离子方程式的书写、影响化学反应速率的因素、原电池的工作原理等知识，考查的化学学科核心素养是宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想。(1)HCOeq \\al(－,3)和H2在催化剂的作用下反应生成HCOO－，根据原子守恒和电荷守恒，可知生成物中还有水，据此可写出有关反应的离子方程式。适当升高温度时，催化剂的活性增强，HCOeq \\al(－,3)催化加氢的反应速率增大，相同反应时间内，HCOeq \\al(－,3)催化加氢的转化率迅速上升。(2)①负极发生氧化反应，碱性条件下，HCOO－(其中的碳元素为＋2价)被氧化生成HCOeq \\al(－,3)(其中的碳元素为＋4价)，则负极的电极反应式为HCOO－＋2OH－－2e－===HCOeq \\al(－,3)＋H2O。正极反应中，Fe3＋被还原为Fe2＋，Fe2＋再被O2在酸性条件下氧化为Fe3＋，Fe3＋相当于催化剂，因为最终有K2SO4生成，O2氧化Fe2＋的过程中要消耗H＋，故需要补充的物质A为H2SO4。②结合上述分析可知，HCOOH与O2反应的离子方程式为2HCOOH＋2OH－＋O2===2HCOeq \\al(－,3)＋2H2O或2HCOO－＋O2===2HCOeq \\al(－,3)。(3)①根据原子守恒并结合题图3，可知HCOOD催化释氢反应除生成CO2外，还生成HD。②从题图3可以看出，HCOOH催化释氢的第一步是转化为HCOO－，故以HCOOK溶液代替HCOOH催化释氢，可以提高释放氢气的速率，又HCOOK催化释氢时，氢元素的来源单一，提高释放出氢气的纯度。
答案：(1)HCOeq \\al(－,3)＋H2eq \(=====,\s\up7(催化剂))HCOO－＋H2O 温度升高反应速率增大，温度升高催化剂的活性增强
(2)①HCOO－＋2OH－－2e－===HCOeq \\al(－,3)＋H2O H2SO4
②2HCOOH＋2OH－＋O2===2HCOeq \\al(－,3)＋2H2O或2HCOO－＋O2===2HCOeq \\al(－,3)
(3)①HD ②提高释放氢气的速率，提高释放出氢气的纯度
4．解析：(1)①恒容密闭容器中发生反应N2O4(g)2NO2(g)，是气体分子数增大的反应，当压强不变时，说明已经达到平衡状态，A正确；当v正(N2O4)＝2v逆(NO2)时，正反应速率与逆反应速率不相等，未达到平衡状态，B错误；温度保持不变时，K始终保持不变，不能作为反应达到平衡的判据，C错误；因为是在恒容密闭容器内发生的反应，反应前后气体质量不变，密度也保持不变，故不能依此判定是否达到平衡，D错误；二氧化氮为红棕色，四氧化二氮为无色，可以依据颜色不变判定反应达平衡状态，E正确。②设反应容器中加入1mlN2O4(g)，列三段式：
N2O4(g)2NO2(g)
始： 1ml 0ml
变： 0.75ml 1.5ml
平： 0.25ml 1.5ml
故平衡时，p(N2O4)＝p×eq \f(0.25,1.75)＝eq \f(1,7)p，p(NO2)＝eq \f(6,7)p，该反应的化学平衡常数Kp＝eq \f(\f(6,7)p2,\f(1,7)p)＝eq \f(36,7)p。③根据题图1，达到平衡状态时，N2O4(g)的物质的量浓度为0.01ml·L－1，则NO2的物质的量浓度为0.06ml·L－1，又知该反应为吸热反应，T2＞T1，改变反应温度为T2时，反应速率加快，平衡正向移动，再次达平衡时，c(NO2)大于0.06ml·L－1据此画出图像。
(2)①由题图2知，反应Ⅱ的活化能比反应Ⅰ的大，反应Ⅱ是慢反应，因此反应Ⅱ决定NO氧化反应速率。②由题图3可以看出，T4时反应速率较慢，转化相同量的NO消耗时间较长。由题图2可以看出，反应Ⅰ和反应Ⅱ均为放热反应，温度升高，反应Ⅰ平衡逆移，N2O2(g)的物质的量浓度减小；N2O2(g)的物质的量浓度降低对Ⅱ反应速率的影响大于温度升高对反应Ⅱ速率的影响。
答案：(1)①AE ②eq \f(36p,7)
③
(2)①Ⅱ ②T4 ΔH1＜0，温度升高，反应Ⅰ平衡逆移，c(N2O2)减小；浓度降低的影响大于温度对反应Ⅱ速率的影响物质
C2H6(g)
C2H4(g)
H2(g)
燃烧热ΔH/(kJ·ml－1)
－1560
－1411
－286