适用于老高考旧教材2024版高考化学二轮复习大题突破练三化学反应原理综合题（附解析）

这是一份适用于老高考旧教材2024版高考化学二轮复习大题突破练三化学反应原理综合题（附解析），共13页。试卷主要包含了01 kJ·ml-1，4 kJ·ml-1，6 kJ·ml-1，1 ml NH3和0，26 kJ·ml-1等内容，欢迎下载使用。
(1)研究证明,CO2可作为合成低碳烯烃的原料,目前利用CO2与H2合成乙烯的相关热化学方程式如下:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.01 kJ·ml-1
反应Ⅱ:2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g) ΔH2=-29.98 kJ·ml-1
反应Ⅲ:2CO2(g)+6H2(g)4H2O(g)+C2H4(g) ΔH3= kJ·ml-1
(2)一定条件下,在2 L的恒容密闭容器中以不同的氢碳比[]发生反应Ⅲ,CO2的平衡转化率α(CO2)与温度的关系如图甲所示。
图甲
①该反应在低温下是否可以自发进行? (填“是”“否”或“无法确定”)。
②下列能提高CO2平衡转化率的措施有 (填字母)。
a.降低反应温度
b.使用高效催化剂
c.通入氦气使体系的压强增大
d.以相同的投料比增加反应物的物质的量
③R点处,X (填“>”“0。
实验测得:v正=k正·c2(CH3OH),v逆=k逆·c(CH3OCH3)·c(H2O),k正、k逆为速率常数。T1温度下,向2 L恒容密闭容器中加入0.4 ml CH3OH,达到平衡时测得CH3OH的体积分数为60%,则平衡时CH3OCH3的产率为 ;当温度改变为T2时,k逆=5k正,则T2 (填“”或“=”)T1。
5.(2023·四川自贡二诊)CO2的转化和利用是实现碳中和的有效途径。其中CO2转化为CH3OH被认为是最可能利用的路径,该路径涉及反应如下:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.01 kJ·ml-1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2>0
请回答下列问题:
(1)若已知H2和CO的燃烧热,计算反应Ⅱ的ΔH2,还需要的一个只与水有关的物理量为 。
(2)在催化剂条件下,反应Ⅰ的反应机理和相对能量变化如图1(吸附在催化剂表面上的粒子用*标注,TS为过渡态)。
图1
完善该反应机理中相关反应的化学方程式:OH*+H2(g) ;以TS3为过渡态的反应,其正反应活化能为 eV。
(3)在恒温恒压(1.8 MPa,260 ℃)下,CO2和H2按体积比1∶3分别在普通反应器(A)和分子筛膜催化反应器(B)中反应,测得相关数据如下表。
已知:ⅰ.分子筛膜催化反应器(B)具有催化反应、分离出部分水蒸气的双重功能;
ⅱ.CH3OH的选择性=×100%。
①在普通反应器(A)中,下列能作为反应(反应Ⅰ和反应Ⅱ)达到平衡状态的判据是 (填字母)。
A.气体压强不再变化
B.气体的密度不再改变
C.v正(CO2)=3v逆(H2)
D.各物质浓度比不再改变
②平衡状态下,反应器(A)中,甲醇的选择性随温度升高而降低,可能的原因是 ;
在反应器(B)中,CO2的平衡转化率明显高于反应器(A),可能的原因是 。
③若反应器(A)中初始时n(CO2)=1 ml,反应Ⅰ从开始到平衡态的平均反应速率v(CH3OH)= ml·s-1;反应Ⅱ的化学平衡常数Kp(Ⅱ)= (用最简的分数表示)。
(4)近年来,有研究人员用CO2通过电催化生成CH3OH,实现CO2的回收利用,其工作原理如图2所示。请写出Cu电极上的电极反应: 。
图2
6.(2023·山西大同二模)随着时代的进步,人类对能源的需求量与日俱增,我国全球首套焦炉气化学合成法生产无水乙醇的工业示范项目打通全流程,项目投产成功。
(1)3CO(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)+H2O(g) ΔH= (用含ΔH1、ΔH2、ΔH3的代数式表示)。
已知:ⅰ.2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH1
ⅱ.CH3OCH3(g)+CO(g)CH3COOCH3(g) ΔH2
ⅲ.CH3COOCH3(g)+2H2(g)CH3CH2OH(g)+CH3OH(g) ΔH3
在恒温恒容密闭容器中充入3 ml CO(g)和7 ml H2(g)仅发生反应3CO(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)+H2O(g),下列叙述正确的是 (填字母)。
A.混合气体总压强不随时间变化时,反应达到平衡状态
B.反应达到平衡时,CH3CH2OH体积分数可能为25%
C.反应达到平衡后,再充入少量CO,CO的平衡转化率增大
D.反应达到平衡后,再加入高效催化剂,乙醇产率保持不变
(2)醋酸酯加氢制乙醇是一个乙酰基产物制备乙醇的路线。
①醋酸酯加氢的催化效能如表所示:
上述实验中,催化效能最好的为实验 (填序号),与之对比,实验3中,醋酸酯平衡转化率较低的主要原因可能是 (从表中所给条件的角度分析)。
②醋酸甲酯加氢历程一般认为可分为如下步骤(*代表催化剂位点,已知:CH3CO*+H·CH3CHO):
a.CH3COOCH3CH3CO·+CH3O·
b.CH3CO·+*CH3CO*(慢)
c.CH3O·+*CH3O*(快)
d.CH3CO*+3H·CH3CH2OH
e.CH3O*+H·CH3OH
……
其中,在b和c的步骤中,活化能较小的是 (填标号,下同),控制总反应速率的步骤是 ,分析上述步骤,副产物除CH3OH外,还可能有 (写一种即可)。
(3)甲醇也是新能源的重要组成部分。
以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的反应如下:
ⅳ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH40
ⅵ.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH6 ④512
(3)①第ⅲ步 ②K 降低生成乙烯的反应所需要的活化能,加快乙烯生成速率,而对其他副反应几乎无影响
解析 (1)反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.01kJ·ml-1
反应Ⅱ:2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g) ΔH2=-29.98kJ·ml-1
根据盖斯定律,Ⅰ×2+Ⅱ可得反应Ⅲ:2CO2(g)+6H2(g)4H2O(g)+C2H4(g) ΔH3=(-49.01×2)kJ·ml-1+(-29.98)kJ·ml-1=-128.00kJ·ml-1。
(2)①由上述分析可知,反应Ⅲ的ΔHT1。
5.答案 (1)H2O(g)H2O(l)的ΔH
(2)H2O* 1.40
(3)①BD ②反应Ⅰ为放热反应,反应Ⅱ为吸热反应,升高温度,反应Ⅰ逆向移动,反应Ⅱ正向移动 在反应器(B)中,能分离出部分水蒸气,导致反应正向移动 ③0.02
(4)CO2+6e-+6H+CH3OH+H2O
解析 (1)若已知H2和CO的燃烧热,根据盖斯定律,还需要的一个只与水有关的物理量为H2O(g)H2O(l)的ΔH。
(2)由图1可知,该反应机理中相关反应为H2CO*+OH*+H2(g)H2CO*+H2O*+H2(g),也可表示为OH*+H2(g)H2O*;过渡态物质的总能量与反应物总能量的差值为活化能,TS3为过渡态的反应,其正反应活化能为0.40eV-(-1.00eV)=1.40eV。
(3)①在恒温恒压下进行反应,压强为常量;在恒温恒压下进行反应,气体总体积为变量,气体总质量始终不变,则混合气体的密度为变量,其不变说明反应已达平衡;v正(CO2)=3v逆(H2),此时正逆反应速率不相等,反应没有达到平衡;各物质浓度比不再改变,说明平衡不再移动,反应达到平衡状态;故选BD。
③在恒温恒压下,CO2和H2按体积比1∶3在普通反应器(A)中反应,若初始时n(CO2)=1ml,则n(H2)=3ml;CO2平衡转化率为25.0%,则反应的二氧化碳的物质的量为0.25ml,甲醇的选择性为80%,则生成甲醇的物质的量为0.25ml×80%=0.2ml,则:
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
起始/ml1300
转化/ml0.20.60.20.2
CO2(g) + H2(g)CO(g)+H2O(g)
转化/ml0.25-0.2
=0.050.050.050.05
反应Ⅰ从开始到平衡态的平均反应速率v(CH3OH)=ml·s-1=0.02ml·s-1。
平衡时总的物质的量为3.6ml,二氧化碳、氢气、一氧化碳、水的物质的量分别为0.75ml、2.35ml、0.05ml、0.25ml,则二氧化碳、氢气、一氧化碳、水分压分别为×1.8MPa、×1.8MPa、×1.8MPa、×1.8MPa,反应Ⅱ为等气体分子数的反应,则化学平衡常数Kp(Ⅱ)=。
(4)由图2可知,铜极为阴极,二氧化碳得到电子发生还原反应生成甲醇,电极反应为CO2+6e-+6H+CH3OH+H2O。
6.答案 (1)ΔH1+ΔH2+ΔH3 AD
(2)①1 压强太小,不利于平衡向正反应方向移动
②c b CH3CHO
(3)p1>p2>p3 m
解析 (1)由盖斯定律可知,反应ⅰ+ⅱ+ⅲ可得反应3CO(g)+6H2(g)CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)+H2O(g),则反应的ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3;
该反应是气体体积减小的反应,反应中气体压强减小,则混合气体总压强不随时间变化时,说明正逆反应速率相等,反应达到平衡状态,A正确;若CO完全反应,由方程式可知,反应后氢气、甲醇、乙醇、水蒸气的物质的量都为1ml,甲醇的体积分数可能为25%,该反应为可逆反应,可逆反应不可能完全反应,所以反应达到平衡时,甲醇体积分数不可能为25%,B错误;反应达到平衡后,再充入少量一氧化碳,平衡向正反应方向移动,但一氧化碳的平衡转化率减小,C错误;反应达到平衡后,再加入高效催化剂,化学反应速率加快,但化学平衡不移动,乙醇产率保持不变,D正确。
(2)①实验1催化剂的选择性高于实验2、4,原料的转化率高于实验3,所以题述实验中,催化效能最好的为实验1;与实验1相比,实验3的反应温度与1相近,压强小于实验1,说明实验3的压强太小,不利于平衡向正反应方向移动,导致醋酸酯平衡转化率较低;②活化能越小,反应速率越快,慢反应控制总反应速率,所以在b和c的步骤中,活化能较小的是快反应c、控制总反应速率的步骤是慢反应b;由反应CH3CO*+H·CH3CHO可知,醋酸酯加氢制乙醇时,副产物除了甲醇外,还有乙醛;
(3)设起始二氧化碳和氢气的物质的量为1ml和3ml,容器的容积为VL,反应ⅳ、ⅵ生成甲醇的物质的量分别为aml、bml,反应ⅴ生成一氧化碳的物质的量为cml,由图可知,在T1℃下,压强为p3时,甲醇和一氧化碳在含碳产物中物质的量分数相等、二氧化碳的转化率为α,由题意可建立如下三段式:
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
起/ml1300
变/mla3aaa
平/ml1-a3-3aaa
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
起/ml1-a3-3a0a
变/mlccca+c
平/ml1-a-c3-3a-cca+c
CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)
起/mlc3-3a-ca
变/mlb2bb
平/mlc-b3-3a-c-2ba+b
由二氧化碳的转化率为α可得:a+b+c=α,由甲醇和一氧化碳在含碳产物中物质的量分数相等可得c-b=a+b=,解得a=c=、b=0,则平衡时二氧化碳、氢气、一氧化碳、水蒸气的物质的量分别为(1-α)ml、(3-2α)ml、ml和αml,故反应ⅴ的浓度平衡常数Kc=。
助剂
CO2转
化率/%
各产物在所有产物中的占比/%
C2H4
C3H6
其他
Na
42.5
35.9
39.6
24.5
K
27.2
75.6
22.8
1.6
Cu
9.8
80.7
12.5
6.8
反应器
CO2平衡转化率
甲醇的选择性
达到平衡时间/s
普通反应器(A)
25.0%
80.0%
10.0
分子筛膜催化反应器(B)
a>25.0%
100.0%
8.0
实验
组
催化剂
原料
反应条件
反应性能
转化
率/%
选择
性/%
1
Cu/SiO2
醋酸甲酯
190
28
96.1
99.0
2
Cu-Cr
醋酸乙酯
250
2.8
接近
完全
93.8
3
Cu/ZnO
醋酸乙酯
185
1
56
99.0
4
Cu/SiO2
醋酸乙酯
280
4.0
94.6
96.6