专题03 化学反应原理运用综合题-冲刺高考化学大题突破+限时集训（浙江专用）

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专题03 化学反应原理运用综合题

浙江省选考第19题为化学反应原理综合题，主要考查热化学、电化学、化学反应速率和化学平衡、电解质溶液等主干理论知识，主要命题点有盖斯定律的应用，反应速率和化学平衡的分析，化学平衡常数的表达式书写与计算，反应条件的分析选择、生产生活中的实际应用等，
试题常以填空、读图、作图、计算等形式呈现。试题一般以与生产、生活紧密联系的物质为背景材料命制组合题，各小题之间又有一定的独立性。主要考查学生的信息处理能力、学科内综合分析能力，应用反应原理解决生产实际中的具体问题，体现了“变化观念与平衡思想”的核心素养。在近几年的相关考题中，对单一因素影响的考查已经越来越少了，主要以“多因素影响”出现，考查考生的综合分析判断能力。以实际情景(场景)为背景，更能体现核心素养的要求。而在实际生产过程中，影响因素是多元化、多方位和多层次的。

【例1】(2023·浙江省1月选考)“碳达峰•碳中和”是我国社会发展重大战略之一，CH4还原CO2是实现“双碳”经济的有效途径之一，相关的主要反应有：
I：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ∆H1= +247 kJ•mol-1 ，K1
II：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ∆H2= +41 kJ•mol-1 ， K2
请回答：
(1)有利于提高CO2平衡转化率的条件是___________。
A．低温低压 B．低温高压 C．高温低压 D．高温高压
(2)反应CH4(g)+3CO2(g)4CO(g)+2H2O(g)的∆H=_________kJ•mol-1，K=_________ (用K1、K2表示)。
(3)恒压、750℃时，CH4和CO2按物质的量之比1：3投料，反应经如下流程(主要产物已标出)可实现CO2高效转化。

①下列说法正确的是__________。
A．Fe3O4可循环利用，CaO不可循环利用
B．过程ii，CaO吸收CO2可促进Fe3O4氧化CO的平衡正移
C．过程ii产生的H2O最终未被CaO吸收，在过程iii被排出
D．相比于反应I，该流程的总反应还原1mol CO2需吸收的能量更多
②过程ii平衡后通入He，测得一段时间内CO物质的量上升，根据过程iii，结合平衡移动原理，解释CO物质的量上升的原因______________________________。
(4)CH4还原能力(R)可衡量CO2转化效率，R=∆n(CO2)/∆n(CH4)(同一时段内CO2与CH4的物质的量变化之比)。
①常压下CH4和CO2按物质的量之比1：3投料，某一时段内CH4和CO2的转化率随温度变化如图1，请在图2中画出400~1000℃之间R的变化趋势，并标明1000℃时间R值。

②催化剂X可提高R值，另一时段内CH4转化率、R值随温度变化如下表：
温度/℃
480
500
520
550
CH4转化率/%
7.9
11.5
20.2
34.8
R
2.6
2.4
2.1
1.8
下列说法不正确的是___________
A.R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应II的速率
B.温度越低，含氢产物中H2O占比越高
C.温度升高，CH4转化率增加，CO2转化率降低，R值减小
D.改变催化剂提高CH4转化率，R值不一定增大
【答案】(1)C (2)+329 K1•K22
(3)①BC
②通入He，CaCO3分解平衡正移，导致c(CO2)/c(CO)增大，促进Fe还原CO2平衡正移
(4) ①       ②C
【解析】(1)反应Ⅰ为气体体积增大的吸热反应，反应Ⅱ为气体体积不变的吸热反应，△H>0，升高温度，平衡右移，CH4平衡转化率增大；降低压强，平衡右移，CH4平衡转化率增大，故有利于提高CO2平衡转化率的条件是高温低压；故选C；
(2)已知：I：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ∆H1= +247 kJ•mol-1 ，K1
II：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ∆H2= +41 kJ•mol-1 ， K2
根据盖斯定律，由Ⅰ+Ⅱ2得反应H4(g)+3CO2(g)4CO(g)+2H2O(g)；故△H=△H1+2△H2=+329 kJ•mol-1，K= K1•K22；(3)①A项，根据流程可知，Fe3O4转化为Fe，Fe又转化为Fe3O4，Fe3O4可循环利用；CaCO3受热分解生成CaO和CO2, CaO又与CO2反应生成CaCO3，CaO也可循环利用，A错误；B项，过程ⅱ，CaO吸收CO2使CO2浓度降低，促进Fe3O4氧化CO的平衡正移，B正确；C项，过程ⅱCaO吸收CO2而产生的H2O最终未被CaO吸收，在过程ⅲ被排出，C正确；D项，焓变只与起始物质的量有关，与过程无关，故相比于反应Ⅰ，该流程的总反应还原1 mol CO2需吸收的能量一样多，D错误；故选BC；②通入He，CaCO3分解平衡正移，导致增大，促进Fe还原CO2平衡正移，故过程ⅱ平衡后通入He，测得一段时间内CO物质的量上升；(4)①根据图1可知1000℃时，CH4转化率为100%，即∆n(CH4)=1mol, CO2转化率为60%,即∆n(CO2) =3mol60%=1.8mol，故R=∆n(CO2)/∆n(CH4)==1.8，故400~1000℃间R的变化趋势如图：；②A项，R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应Ⅱ的速率，使单位时间内反应Ⅱ中CO2的转化率增大，∆n(CO2)增大的倍数比∆n(CH4)大，则R提高，A正确；B项，根据表中数据可知，温度越低，CH4转化率越小，而R越大，∆n(CO2)增大的倍数比∆n(CH4)大，含氢产物中H2O占比越高，B正确；C项，温度升高，CH4转化率增加，CO2转化率也增大，且两个反应中的CO2转化率均增大，增大倍数多，故R值增大，C不正确；D项，改变催化剂使反应有选择性按反应Ⅰ而提高CH4转化率，若CO2转化率减小，则R值不一定增大，D正确；故选C。
【例2】(2022·浙江省6月选考)主要成分为H2S的工业废气的回收利用有重要意义。
(1)回收单质硫。将三分之一的H2S燃烧，产生的SO2与其余H2S混合后反应：。在某温度下达到平衡，测得密闭系统中各组分浓度分别为c(H2S)=2.0×10-5mol·L－1、c(SO2)= 5.0×10-5mol·L－1、c(H2O)=4.0×10-3mol·L－1，计算该温度下的平衡常数_______。
(2)热解H2S制H2。根据文献，将H2S和CH4的混合气体导入石英管反应器热解(一边进料，另一边出料)，发生如下反应：
Ⅰ   2H2S(g)2H2(g)+ S2(g) ΔH1＝170kJ·mol−1
Ⅱ   CH4(g)+ S2(g)CS2(g)+2H2(g) ΔH2＝64kJ·mol−1
总反应：
Ⅲ    2H2S(g)+CH4(g)CS2(g)+4H2(g)
投料按体积之比V(H2S)：V(CH4)=2：1，并用N2稀释；常压，不同温度下反应相同时间后，测得H2和CS2体积分数如下表：
温度/℃
950
1000
1050
1100
1150
H2/V(%)
0.5
1.5
3.6
5.5
8.5
CS2/V(%)
0.0
0.0
0.1
0.4
1.8
请回答：
①反应Ⅲ能自发进行的条件是_______。
②下列说法正确的是_______。
A．其他条件不变时，用Ar替代N2作稀释气体，对实验结果几乎无影响
B．其他条件不变时，温度越高，H2S的转化率越高
C．由实验数据推出H2S中的S-H键强于CH4中的键
D．恒温恒压下，增加N2的体积分数，H2的浓度升高
③若将反应Ⅲ看成由反应Ⅰ和反应Ⅱ两步进行，画出由反应原料经两步生成产物的反应过程能量示意图_______。

④在1000℃，常压下，保持通入的H2S体积分数不变，提高投料比[V(H2S)：V(CH4)]，H2S的转化率不变，原因是_______。
⑤在950℃~1150℃范围内(其他条件不变)，S2(g)的体积分数随温度升高发生变化，写出该变化规律并分析原因_______。
【答案】(1)8×108 L·mol－1
(2) 高温     AB          1000℃时CH4不参与反应，相同分压的H2S经历相同的时间转化率相同     先升后降；在低温段，以反应Ⅰ为主，随温度升高，S2(g)的体积分数增大；在高温段，随温度升高；反应Ⅱ消耗S2的速率大于反应Ⅰ生成S2的速率，S2(g)的体积分数减小
【解析】(1)根据方程式可知该温度下平衡常数K＝=；(2)①根据盖斯定律可知Ⅰ+Ⅱ即得到反应Ⅲ的ΔH＝234kJ/mol，这说明反应Ⅲ是吸热的体积增大(即ΔS＞0)的反应，根据ΔG＝ΔH－TΔS＜0可自发进行可知反应Ⅲ自发进行的条件是高温下自发进行；②A项，Ar是稀有气体，与体系中物质不反应，所以其他条件不变时，用Ar替代N2作稀释气体，对实验结果几乎无影响，A正确；B项，正反应吸热，升高温度平衡正向进行，温度越高，H2S的转化率越高，B正确；C项，根据表中数据无法得出H2S中S-H键和CH4中C-H键的相对强弱，事实上C-H键的键能大于S-H键键能，C错误；D项，恒温恒压下，增加N2的体积分数，相当于减压，平衡正向进行，H2的物质的量增加，容器容积增加，H2浓度减小，D错误；故选AB；③反应I、反应Ⅱ和反应Ⅲ均是吸热反应，则反应过程能量示意图可表示为；④根据表中数据可知1000℃时CH4不参与反应，相同分压的H2S经历相同的时间转化率相同，所以在1000℃常压下，保持通入的H2S体积分数不变，提高投料比时H2S的转化率不变；⑤由于在低温段，以反应Ⅰ为主，随温度升高，S2(g)的体积分数增大；在高温段，随温度升高；反应Ⅱ消耗S2的速率大于反应Ⅰ生成S2的速率，S2(g)的体积分数减小，因此变化规律是先升后降。

1．化学反应原理题答题“五要素”

2．速率与化学平衡的计算模式
化学平衡计算的最基本的方法模式是“平衡三段式法”。具体步骤是在化学方程式下写出有关物质起始时的物质的量、发生转化的物质的量、平衡时的物质的量(也可以是物质的量浓度或同温同压下气体的体积)，再根据题意列式求解。
　　　　　 mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)
n(起始)/mol a b 0 0
n(转化)/mol mx nx px qx
n(平衡)/mol a－mx b－nx px qx
起始、转化、平衡是化学平衡计算的“三步曲”。

【变式1】氨气是一种重要的化工原料。请回答：
(1)已知：
化学键

H-H
N-H
键能/( kJ·mol－1)
945
436
390.8
写出由氢气和氮气合成氨气的热化学方程式___________。
(2)下列关于工业合成氨的说法不正确的是___________。
A．反应温度控制在400~500℃左右，主是为了提高NH3的产率
B．为了防止混有杂质的原料气使催化剂“中毒”，必须对原料气净化处理
C．采用高压的目的只是为了提高反应的速率
D．工业上为了提高H2的转化率，可适当增大H2的浓度
E．生产过程中将NH3液化分离，并及时补充N2和H2，有利于氨的合成
(3)在其他条件相同时，某同学研究该氨气合成反应在不同催化剂I或II作用下，反应相同时间时，N2的转化率随反应温度的变化情况。请在图中补充后的变化情况____________。

(4)在25℃下，将NH3溶于水制成氨水，取a mol·L-1的氨水与0.01mol·L-1的盐酸等体积混合，反应后溶液中c(NH4+)=c(Cl-)。用含a的代数式表示NH3·H2O的电离平衡常数Kb =________。
(5)工业上用NH3催化还原NOx可以消除氮氧化物的污染。如下图，采用NH3作还原剂，烟气以一定的流速通过两种不同催化剂，测量逸出气体中氮氧化物含量，从而确定烟气脱氮率(注：脱氮率即氮氧化物转化率)，反应原理为：NO (g)+NO2(g)+2NH3(g)2N2 (g)+3 H2O (g)。

以下说法正确的是___________。
A．相同条件下，改变压强对脱氮率没有影响
B．在交叉点A处，不管使用哪种催化剂，上述反应都未达平衡
C．催化剂①、②分别适合于250℃和450℃左右脱氮
D．由曲线②温度升高到一定程度后脱氮率下降可推知该反应为放热反应
【变式2】利用工业废气CO2制甲醇Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1，可以一定程度摆脱当下对化石燃料的依赖。用CO2为碳源制备甲醇，为早日实现“碳达峰、碳中和”提供了一种较好的研究方向。
(1)上述反应的△H1___0(填“>”或“”、“”或“＜”)；c点的K(平衡常数)与Q(浓度商)的等式关系_______(用含、的代数式表示)，温度下反应达到平衡，体系压强为p，则_______。
(2)向恒压密闭装置中充入5 mol CO2和20 mol H2，不同温度下同时发生反应Ⅰ和反应Ⅱ，达到平衡时其中两种含碳物质的物质的量与温度T的关系如下图所示

图中缺少_______(填含碳物质的分子式)物质的量与温度的关系变化曲线，随温度升高该物质的变化趋势为_______，800℃时，CH4的产率为_______。
10．(2023·广东省名校联盟高三大联考)二氧化碳、甲烷等是主要的温室气体。研发二氧化碳和甲烷的利用技术对治理生态环境具有重要意义。
已知：常温常压下，一些物质的燃烧热如表所示。
物质
CH4(g)
H2(g)
CO(g)
燃烧热(△H)/(kJ•mol-1)
-890.3
-285.8
-283.0
回答下列问题：
(1)在催化剂作用下，甲烷的催化重整是制备合成气的重要方法，写出CH4(g)与CO2(g)反应生成CO(g)和H2(g)的热化学方程式：______。
(2)在恒温恒容密闭容器中，通入一定量的CH4、CO2发生催化重整反应。
①下列能说明该反应达到化学平衡状态的是______(填标号)。
A．混合气体的平均相对分子质量不再变化     B．v正(CH4)=2v逆(CO)
C．CO与H2浓度的比值不再变化             D．容器内混合气体的密度不再变化
②当投料比=1.0时，CO2的平衡转化率(α)与温度(T)、初始压强(p)的关系如图所示。由图可知：压强p1______2MPa(填“＞”、“＜”或“=”)；当温度为T3、初始压强为2MPa时，a点的v逆______v正(填“＞”、“＜”或“=”)。起始时向1 L恒容容器中加入2 mol CH4和2 mol CO2，在温度为T6、初始压强为2 MPa条件下反应，用压强表示该反应的平衡常数Kp=______(分压=总压×物质的量分数)。

(3)我国科学家对甲烷和水蒸气催化重整反应机理也进行了广泛研究，通常认为该反应分两步进行。第一步：CH4催化裂解生成H2和碳(或碳氢物种)，其中碳(或碳氢物种)吸附在催化剂上，如CH4→+(2-)H2；第二步：碳(或碳氢物种)和H2O反应生成CO2和H2，如+2H2O→CO2+(2+)H2。反应过程和能量变化残图如图：

判断过程______(填序号)加入了催化剂，原因是______。控制整个过程②反应速率的是第Ⅱ步，其原因为______。
11．(2023·广东省佛山市统考一模)碳中和是我国的重要战略目标，以H2和CO2为原料合成CH4受到广泛关注。
该过程主要涉及以下反应：
反应I：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) △H1＜0
反应II：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2＞0
回答下列问题：
(1)已知：ΔG=ΔH-TΔS，反应I的ΔS_______0(填“>”、“”、“=”或“