01 化学反应原理综合题型集训之催化剂、活化能与反应历程（附答案解析）-备战高考化学大题逐空突破系列（全国通用）

这是一份01 化学反应原理综合题型集训之催化剂、活化能与反应历程（附答案解析）-备战高考化学大题逐空突破系列（全国通用），共16页。试卷主要包含了三甲胺[N3]是重要的化工原料等内容，欢迎下载使用。
化学反应原理综合题型研究之催化剂、活化能与反应历程
1．合成氨是目前最有效工业固氮的方法，可解决数亿人口生存问题。回答下列问题：
(1)科学家研究利用铁触媒催化合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用“ad”表示

由图可知合成氨反应N2(g)＋H2(g)NH3(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。该历程中反应速率最慢的步骤的化学方程式为__________________
(2)工业合成氨反应为N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)，当进料体积比V(N2)∶V(H2)＝1∶3时平衡气体中NH3的物质的量分数随温度和压强变化的关系如图所示：

①500 ℃时，反应平衡常数Kp(30 MPa)____________Kp(100 MPa)。(填“”)
②500 ℃、30 MPa时，氢气的平衡转化率为________(保留两位有效数字)，Kp＝________(MPa)－2(列出计算式)
(3)科学家利用电解法在常温常压下实现合成氨，工作时阴极区的微观示意图如下，其中电解液为溶解有三氟甲磺酸锂和乙醇的惰性有机溶剂

①阴极区生成NH3的电极反应式为_____________________________
②下列说法正确的是________(填标号)
A．三氟甲磺酸锂的作用是增强导电性
B．该装置用金(Au)作催化剂的目的是降低N2的键能
C．选择性透过膜可允许N2和NH3通过，防止H2O进入装置
2．合成氨技术的创立开辟了人工固氮的重要途径。回答下列问题：
(1)德国化学家F.Haber从1902年开始研究N2和H2直接合成NH3。在1.01×105 Pa、250 ℃时，将1 mol N2和1 mol H2加入a L刚性容器中充分反应，测得NH3体积分数为0.04；其他条件不变，温度升高至450 ℃，测得NH3体积分数为0.025，则可判断合成氨反应为________(填“吸热”或“放热”)反应
(2)在1.01×105 Pa、250 ℃时，将2 mol N2和2 mol H2加入a L密闭容器中充分反应，H2平衡转化率可能为________
A．＝4% B．11.5%
(3)我国科学家结合实验与计算机模拟结果，研究了在铁掺杂W18049纳米反应器催化剂表面上实现常温低电位合成氨，获得较高的氨产量和法拉第效率。反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用*标注

需要吸收能量最大的能垒(活化能)E＝_______ev，该步骤的化学方程式为_______________________________，
若通入H2体积分数过大，可能造成________________________
(4)T ℃时，在恒温恒容的密闭条件下发生反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)反应过程中各物质浓度的变化曲线如图所示：

①表示N2浓度变化的曲线是________(填“A”、“B”或“C”)。与(1)中的实验条件(1.01×105 Pa、450 ℃)相比，改变的条件可能是________
②在0～25 min内H2的平均反应速率为________，在该条件下反应的平衡常数为________ mol－2·L2(保留两位
有效数字)
3．三甲胺[N(CH3)3]是重要的化工原料。最近我国科学家实现了使用铜催化剂将N，N－二甲基甲酰胺[(CH3)2NCHO，简称DMF]转化为三甲胺的合成路线。回答下列问题：
(1)结合实验与计算机模拟结果，研究单一DMF分子在铜催化剂表面的反应历程，如下图所示：

该历程中最大能垒(活化能)＝_________eV，该步骤的化学方程式为___________________________________
(2)该反应变化的ΔH___0(填“＜”、“＞”或“＝”)，制备三甲胺的热化学方程式为______________________
(3)160℃时，将DMF(g)和H2(g)以物质的量之比为1：2充入盛有催化剂的刚性容器中，容器内起始压强为p0，达到平衡时DMF的转化率为25%，则该反应的平衡常数Kp＝________(Kp为以分压表示的平衡常数)；能够增大DMF平衡转化率同时加快反应速率的操作是____________________________________________
(4)三甲胺是鱼腥臭的主要来源，是判断海水鱼类鲜度的化学指标之一。通过传感器产生的电流强度可以监测水产品中三甲胺的含量，一种燃料电池型三甲胺气体传感器的原理如右图所示。外电路的电流方向为_______(填“a→b”或“b→a”)，负极的电极反应式为

4．目前Haber－Bosch法是工业合成氨的主要方式，其生产条件需要高温高压。为了有效降低能耗，过渡金属催化还原氮气合成氨被认为是具有巨大前景的替代方法。催化过程一般有吸附—解离—反应—脱附等过程，图示为N2和H2在固体催化剂表面合成氨反应路径的势能面图(部分数据略)，其中“*”表示被催化剂吸附

(1) 氨气的脱附是________过程(填“吸热”或“放热”)，合成氨的热化学方程式：___________________________
(2) 合成氨的捷姆金和佩热夫速率方程式为 w＝k1p(N2)·－k2，w为反应的瞬时总速率，为正反应和逆反应速率之差，k1、k2是正、逆反应速率常数。合成氨反应N2＋3H22NH3的平衡常数Kp＝____________(用k1，k2表示)(注：Kp用各物质平衡分压来表示)
(3) 若将2.0 mol N2和6.0 mol H2通入体积为1 L的密闭容器中，分别在T1和T2温度下进行反应。曲线A表示T2温度下n(H2)的变化，曲线B表示T1温度下n(NH3)的变化，T2温度下反应到a点恰好达到平衡

①温度T1_____T2 (填“＞”“＜”或“＝”下同)，T1温度下恰好平衡时，曲线B上的点为b(m, n)，则m_____12，n_____2
②T2 温度下，反应从开始到恰好平衡时平均速率v(N2)＝____________
③T2温度下，合成氨反应N2＋3H22NH3的平衡常数的数值是____________；若某时刻，容器内气体的压强为起始时的80%，则此时v(正)____________v(逆)(填“＞”“＜”或“＝”)
(4)工业上通过降低反应后混合气体的温度而使氨气分离出来。这种分离物质的方法， 其原理类似于下列方法中的____________
A．过滤　　B．蒸馏　　C．渗析　　D．萃取

5．甲胺铅碘(CH3NH3PbI3)用作全固态钙钛矿敏化太阳能电池的敏化剂，可由CH3NH2、PbI2及HI为原料合成，回答下列问题：
(1)制取甲胺的反应为CH3OH(g)＋NH3(g)CH3NH2(g)＋H2O(g)　ΔH。已知该反应中相关化学键的键能数据如下，则该反应的ΔH＝________kJ·mol－1
共价键
C—O
H—O
N—H
C—N
C—H
键能/(kJ·mol－1)
351
463
393
293
414
(2)上述反应中所需的甲醇，工业上利用水煤气合成：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH11.5%，故选D；(3)根据图示，吸收能量最大的能垒，即相对能量的差最大是－1.02－(－2.56)＝1.54；根据图示，该步的化学方程式是NH＋NH3===2NH3；若通入H2体积分数过大，氢分子占据催化剂活性位点过多；(4)①根据反应方程式，N2、H2、NH3的变化量比为1∶3∶2，所以表示N2浓度变化的曲线是B；(1)中氢气转化率11.5%，1∶3时氢气转化率更低，图中氢气转化率25%，故只能考虑压强、温度的影响，可以采用加压或降温的方法；②A表示氢气的浓度变化，v(H2)＝＝0.006 mol·L－1·min－1；K＝＝≈0.73 mol－2·L2。
3．(1)1.19 N(CH3)3+OH-+H+=N(CH3)3↑+H2O↑
(2)< (CH3)2NCHO(g)+2H2(g)=N(CH3)3(g)+H2O(g) ΔH=-1.02NAev/mol
(3) 增大压强、增大氢气浓度
(4)a→b 2N(CH3)3-42e-+12H2O=N2↑+6CO2↑+42H+
解析：(1)如图所示，反应历程中反应物和生成物相对能量差值最大的为最大能垒，即N(CH3)3+OH-+H+=N(CH3)3↑+H2O↑反应过程中活化能最大，活化能=2.21 eV -1.02 eV =1.19 eV；
(2)如图所示，根据盖斯定律，反应热只与反应始态和终态有关，与反应过程无关，反应物总能量高于生成物总能量，该反应为放热反应，ΔH＜0，单一DMF分子反应释放的能量为1.02eV，1mol该分子放出的能量为1.02NAeV，热化学反应方程式：(CH3)2NCHO(g)+2H2(g)=N(CH3)3(g)+H2O(g) ΔH=-1.02NAeV/mol；
(3)160℃时，将DMF(g)和H2(g)以物质的量之比为1：2充入盛有催化剂的刚性容器中，容器内起始压强为p0，达到平衡时DMF的转化率为25%，设DMF(g)和H2(g)的初始投入物质的量为1mol和2mol，列“三段式”：

根据，则p平==p0；则该反应的平衡常数Kp==；能够增大DMF平衡转化率同时加快反应速率的操作：增大压强、增大氢气浓度；
(4)该电池为燃料电池，a电极上氧气得电子发生还原反应，b电极上三甲胺失电子发生氧化反应，则a为正极，b为负极，原电池中电子从负极流向正极即从b流向a，电流的方向与电子的移动方向相反，则外电路电流的方向为a→b；电解质溶液为酸性，结合图示，负极的电极反应式为：2N(CH3)3-42e-+12H2O=N2↑+6CO2↑+42H+。
4．(1) 吸热 N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92 kJ/mol
(2)
(3) ①＞　＜　＜　②0.083 mol/(L·min) ③ 0.148　＞
(4) B
解析：(1) 由势能面图可知，氨气从催化剂上脱离时势能面在升高，为吸热过程，由图可知0.5 mol氮气和1.5 mol氢气转变成1 mol氨气的反应热为21 kJ/mol－17 kJ/mol－50 kJ/mol＝－46 kJ/mol，则合成氨的热化学方程式为N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)　ΔH＝－92 kJ/mol。(2) 反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，则w＝k1p(N2)－k2＝0，k1p(N2)＝k2，整理得：Kp＝＝。(3) ①曲线A表示T2温度下n(H2)的变化，反应到4 min时，v(H2)＝＝0.5 mol/(L·min)，该条件下对应氨气的速率为v(NH3)＝＝＝0.33 mol/(L·min)，曲线B表示T1温度下n(NH3)的变化，4 min时v(NH3)＝＝0.4 mol/(L·min)，曲线B对应的反应速率快，可知T1＞T2，因曲线B对应的温度高，速率快，所以到达平衡的时间比曲线A短，即m＜12，但因反应为放热反应，温度升高平衡逆向移动，导致曲线B平衡时氨气的物质的量比曲线A平衡时氨气的物质的量少，即n＜2。
5．(1)－12
(2)①25%　②小　随着Y值的增大，φ(CH3OH)减小，平衡CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)向逆反应方向移动，故Y为温度
(3)方式A所需活化能更低，反应速率更快，更容易进行　CHO*＋3H*===CO*＋4H*(或CHO*===CO*＋H*)
(4)PbI2＋2e－===Pb＋2I－(或PbI2＋2e－＋2Li＋===Pb＋2LiI)　
(5)10.6
(6)4×10-9
解析：(1)反应热等于反应物总键能减去生成物总键能，则CH3OH(g)＋NH3(g)CH3NH2(g)＋H2O(g)的ΔH＝[351＋414×3＋463＋393×3－(414×3＋293＋393×2＋463×2)] kJ·mol－1＝－12 kJ·mol－1；
(2)①初始投料为1 mol CO和2 mol H2，设转化的CO的物质的量为x mol，列三段式有
CO(g)＋ 2H2(g) CH3OH(g)
起始/mol　　　　　　1　　　　2　　　　　0
转化/mol　　　　　　x　　　　2x　 　　　x
平衡/mol　　　　　1－x　　　2－2x　 　　x
CH3OH的体积分数为10%，则有×100%＝10%，解得x＝0.25，所以CO的转化率为×100%＝25%；
②X表示压强，增大压强，平衡向正反应方向移动，则CH3OH的体积分数φ(CH3OH)也增大，b点CH3OH的体积分数φ(CH3OH)大于a点CH3OH的体积分数φ(CH3OH)，则X轴上a点的数值比b点小；由图可知，随着Y值减小，CH3OH的体积分数φ(CH3OH)增大，又因该反应是放热反应，降低温度，平衡向正反应方向移动，CH3OH的体积分数φ(CH3OH)也越大，故Y表示温度。
(3)方式A所需活化能更低，反应速率更快，更容易进行，所以甲醇裂解过程主要历经的方式应为A；由图像可知，相对能量从112.6降至－65.7时，放出的热量最多，放热最多的步骤的化学方程式为CHO*＋3H*===CO*＋4H*(或CHO*===CO*＋H*)。
(4)根据电池总反应可知Li被氧化，应为负极，则b为正极，得电子发生还原反应，根据总反应可知b电极反应为PbI2＋2e－===Pb＋2I－或PbI2＋2e－＋2Li＋===Pb＋2LiI。
(5)根据题意Kb＝＝10－3.4，所以当c(CH3NH2)＝c(CH3NH)时，溶液中c(OH－)＝10－3.4 mol·L－1，则常温下c(H＋)＝10－10.6 mol·L－1，所以pH＝10.6。
(6)常温下，PbI2饱和溶液(呈黄色)中c(Pb2+)＝1.0×10-3 mol·L－1，则，故答案为：4×10-9
6．(1) B　
(2)－75.4
(3)825　7.77×10－6
(4)①Ⅱ　②
(5)①O2＋2H＋＋2e－===H2O2　② 1 mol
解析：(1) 化学反应速率快慢取决于慢反应的速率，能量越高反应速率越慢，根据图知，反应速率取决于*N2→*N2H，B正确。(3) 表中NH3分解的半衰期规律：440 s、220 s、110 s、55 s、27.5 s、…，所以t5＝770 s＋55 s＝825 s；c(NH3)的值从2.28×10－3变化至1.14×10－3的过程中，平均反应速率v(NH3)＝＝5.18×10－6 mol/(L·s)，相同时间内v(H2)＝7.77×10－6 mol/(L·s)。(4) ①由图可知，该催化剂在高温时，生成的NO物质的量远大于氮气的，故该催化剂在高温下选择反应Ⅰ，低温时选择反应Ⅱ。
②可逆反应：
　　　4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)
开始(mol/L)
反应(mol/L) 　0.2 0.25 0.2 0.3
平衡(mol/L) 0.2 0.3
可逆反应
　　　　4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g)
开始(mol/L)
反应(mol/L) 　0.4 0.3 0.2 0.6
平衡(mol/L) 0.2 0.6
则平衡时c(NH3)＝(1－0.2－0.4)mol/L＝0.4 mol/L、c(O2)＝(2－0.25－0.3)mol/L＝1.45 mol/L，c(NO)＝c(N2)＝0.2 mol/L、c(H2O)＝(0.3＋0.6)mol＝0.9 mol，此时4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)的K＝＝。(5) ①IrRu惰性电极有吸附O2 的作用，该电极上氧气得电子和氢离子反应生成双氧水，电极反应式为O2＋2H＋＋2e－===H2O2。②双氧水具有强氧化性，能氧化一水合氨生成氮气，则消耗1 mol一水合氨转移3 mol电子，则电路中每转移3 mol 电子，最多可以处理NH3·H2O 的物质的量为1 mol。
7．(1)＋97.9　179.6　CO*＋4H*===CO*＋2H2(g)或4H*===2H2(g)　
(2)不变　减小　
(3)①大于　CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g)的正反应为气体体积增大的吸热反应，温度升高，平衡右移，气体物质的量增加，容器体积不变，总压强变大　
②43.9
解析：(1)根据图像显示，甲醇的相对能量为0，生成物相对能量为97.9 kJ·mol－1，根据ΔH＝生成物总能量－反应物总能量，则CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g)的ΔH＝＋97.9 kJ·mol－1；根据图像可以看出，CO*＋4H*===CO*＋2H2(g)[或4H*===2H2(g)]反应历程中活化能E正最大为113.9 kJ·mol－1－(－65.7 kJ·mol－1)＝179.6 kJ·mol－1。
(2)平衡时正逆反应速率相等，即v正＝v逆，则＝1，净反应速率v＝v正－v逆＝k正c(CO)·c2(H2)－k逆c(CH3OH)＝0，则该反应的平衡常数K＝＝，催化剂可加快反应速率，但不影响平衡移动，正逆反应速率仍相等则不变；根据(1)中分析CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g)的正反应为吸热反应，则CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)的正反应为放热反应，升高温度反应逆向移动，平衡常数K减小，则将减小。
(3)①反应CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g)的正反应为气体体积增大的吸热反应，温度升高，平衡右移，气体物质的量增加，容器体积不变，总压强变大，则升高反应温度至373 K，则CH3OH(g)分解后体系压强p∞(373 K)大于121.2 kPa；
②353 K时，初始时平衡体系总压强为101.2 kPa，平衡时体系总压强为121.2 kPa，设初始投入CH3OH(g)为1 mol，平衡时消耗CH3OH(g)的物质的量为x。
CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g)
始/mol　　　1　　　　　 　0　　　0
变/mol　　　x　　　　　 　x　　2x
平/mol　　　1－x　　　　　x　　　2x
根据相同条件下，物质的量之比等于压强之比，则＝，解得x＝ mol，则平衡时，H2的物质的量为 mol，CH3OH的物质的量为 mol，CO的物质的量为 mol，平衡时的总物质的量为 mol，该反应的平衡常数Kp＝＝≈43.9(kPa)2。
8．(1)2NO2(g)＋4CO(g)===N2(g)＋4CO2(g)ΔH＝－1 196.0 kJ·mol－1
(2)①1.2×10－5　②1∶2　NH3与NO的物质的量的比值越大，NO的脱除率越大
(3)①2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O　②3.36
(4)0.75 eV　有水
解析：(1)由盖斯定律可知，①×2－②－③可得废气中NO2与CO 转化成无污染气体的热化学方程式为2NO2(g)＋4CO(g)===N2(g)＋4CO2(g)，则ΔH＝ΔH1×2－ΔH2－ΔH3＝(－566.0 kJ·mol－1)×2－(－116.5 kJ·mol－1)－(＋180.5 kJ·mol－1)＝－1 196.0 kJ·mol－1。
(2)①曲线a中，NO的起始浓度为6×10－4 mg·m－3，A点的脱除率为0.55，B点的脱除率为0.75，从A点到B点经过10 s，该时间段内NO的脱除速率＝＝1.2×10－5 mg· m－3·s－1。
②NH3与NO的物质的量的比值越大，NH3的物质的量越大，NO的脱除率越大，物质的量之比分别为1∶2、1∶1.5、3∶1，所对应的曲线分别为c、b、a。
(3)①根据装置图可知，电极B通入氨气，在KOH溶液中氨气被氧化为氮气，电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－===N2＋6H2O；
②由化学方程式可知，A极消耗6 mol二氧化氮，生成3 mol 氮气，反应转移24 mol电子，则反应转移1.2 mol电子，A极生成0.15 mol氮气，标准状况下体积为0.15 mol×22.4 L·mol－1＝3.36 L。
(4)活化能是指一个反应要想进行所需要的最低能量，则没有水加入的反应的活化能为E＝0.75 eV；有水加入的反应的活化能为E＝0.57 eV，所以水可使氧分子活化反应的活化能降低。
9．(1)①m1＞m2＞m3　②温度较高时，温度变化对平衡移动的影响大于浓度变化对平衡移动的影响
(2)①－621.9 kJ/mol　② 一
(3)①160　②　③BC
(4)2NO＋4e－===N2＋2O2－
解析：(1)①m＝，增大NO的量，平衡正向移动，可增大CO的转化率，则投料比m1、m2、m3从大到小的顺序为m1＞m2＞m3；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温度较高时，温度变化对平衡移动的影响大于浓度变化对平衡移动的影响；
(2)①整个反应分为三个基元反应阶段，①NO(g)＋NO(g)=== 　ΔH ＝＋199.2 kJ/mol；②
＋CO(g)===CO2(g)＋N2O(g)　ΔH＝－513.5 kJ/mol；③CO2(g)＋N2O(g)＋CO(g)===2CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝－307.6 kJ/mol；由盖斯定律可知，由①＋②＋③可得2CO(g)＋2NO(g)===2CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝＋199.2 kJ/mol＋( －513.5 kJ/mol)＋(－307.6 kJ/mol)＝－621.9 kJ/mol；②由于反应①所需活化能最高，则总反应速率由第一阶段反应决定；
(3)①由图可知，平衡时，CO的物质的量浓度为1 mol/L，CO2的物质的量浓度为4 mol/L，可列出三段式：

K＝＝＝32，平衡时v正＝v逆，即k正·c2(NO)·c2(CO) ＝k逆·c(N2)·c2(CO2)，＝＝K＝32，M点时，测得CO和CO2的物质的量浓度相等，设CO浓度的减少量为x mol/L，则根据方程式的化学计量数可知，5－x＝x，解得x＝2.5，可列出三段式：
，
则＝＝×＝32×＝160；
②反应达到平衡时，各气体物质的量为1 mol、1 mol、4 mol、2 mol，总物质的量为8 mol，则Kp＝＝；③A.分离出部分N2，平衡正向移动，NO的转化率增大，但是反应速率减小，错误；B.恒容时，再加入5 mol NO、5 mol CO，相当于增大压强，反应速率增大，平衡正向移动，能提高NO的转化率，正确；C.压缩容器体积增大压强，反应速率增大，平衡正向移动，能提高NO的转化率，正确；D.降低温度，平衡正向移动，能提高NO的转化率，但是反应速率减小，错误；故选BC；
(4)由电解原理可知，NO在阴极得到电子生成N2，电解质中O2－移动导电，故阴极反应式为2NO＋4e－===N2＋2O2－。
10．(1)HCOOH*===HCOO*＋H*　HCOOH(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH＝－0.16NA eV·mol－1
(2)1.2　60　135　
(3)n＞m＞p　a、b点都未达到平衡，b点温度高，b点的反应速率快，消耗乙苯的量多
解析：(1)根据题意决定反应速率主要看活化能，因此该反应过程中决定反应速率步骤的化学方程式为HCOOH*===HCOO*＋H*；根据图1中信息得到甲酸分解制H2的热化学方程式可表示为HCOOH(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH＝－0.16NA eV·mol－1。
(2)设开始H2S压强为a kPa，转化的H2S压强为2b kPa，水蒸气压强为c kPa。
根据反应以压强建立三段式，
　　　  2H2S(g)2H2(g)＋S2(g)
开始/kPa a  0   0
转化/kPa 2b 2b b
平衡/kPa a－2b 2b b
因此有a＋c＝100，c＋a－2b＋2b＋b＝112，×100%＝60%，解得a＝40，b＝12，c＝60，因此反应在0～20 min内的平均反应速率v(H2)＝＝＝1.2 kPa·min－1；平衡时，水蒸气压强和任意时刻的水蒸气压强相同，p(水蒸气)＝60 kPa，平衡时根据题意建立三段式，
　　　 2H2S(g)2H2(g)＋S2(g)
开始/kPa  40 0 0
转化/kPa  30 30 15
平衡/kPa  10 30 15
平衡常数Kp＝＝135(kPa)。
(3)根据图3中信息，做一条与y轴平行的线，相同温度下，三种催化剂(n、m、p)的催化活性由高到低的顺序为n＞m＞p；b点乙苯的转化率高于a点的原因是a、b点都未达到平衡，b点温度高，b点的反应速率快，消耗乙苯的量多。