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综合通关三　化学反应原理综合应用
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题型导图
典型考题
(2025·山东卷)利用CaS循环再生可将燃煤尾气中的SO2转化生产单质硫,涉及的主要反应如下:
Ⅰ.CaS(s)+2SO2(g) CaSO4(s)+S2(g)　ΔH1
Ⅱ.CaSO4(s)+4H2(g) CaS(s)+4H2O(g)　ΔH2
Ⅲ.SO2(g)+3H2(g) H2S(g)+2H2O(g)　ΔH3
恒容条件下,按1 mol CaS、1 mol SO2和0.1 mol H2投料反应。平衡体系中,各气态物种的lgn随温度的变化关系如图所示,n为气态物种物质的量的值。
已知:图示温度范围内反应Ⅱ平衡常数K=108基本不变。
回答下列问题:
(1)反应4H2(g)+2SO2(g) 4H2O(g)+S2(g)的焓变ΔH=__________ (用含ΔH1、ΔH2的代数式表示)。
(2)乙线所示物种为__________(填化学式)。反应Ⅲ的焓变ΔH3______ (填“>”“<”或“=”)0。
(3)T1温度下,体系达平衡时,乙线、丙线所示物种的物质的量相等,若丁线所示物种为a mol,则S2为__________ mol(用含a的代数式表示);此时,CaS与CaSO4物质的量的差值n(CaS)-n(CaSO4)=__________ mol(用含a的最简代数式表示)。
(4)T2温度下,体系达平衡后,压缩容器容积S2产率增大。与压缩前相比,重新达平衡时,H2S与H2物质的量之比__________ (填“增大”“减小”或“不变”),H2O物质的量__________ (填“增大”“减小”或“不变”)。
ΔH1+ΔH2
H2O
<
150a
增大
减小
试题立意
本题以处理燃煤尾气中的SO2为情境,考查化学平衡图像分析、盖斯定律、化学平衡移动、化学平衡常数的相关计算等。
关键能力
(2)
升温n(H2S)减小→反应Ⅲ左移→正反应是放热反应,即ΔH<0
(3)T1 ℃,H2的物质的量为a mol,则SO2、H2O的物质的量为100a mol,设S2、H2S、CaSO4的物质的量分别为x mol、y mol、z mol。根据元素守恒:
氢元素守恒:y+100a+a=0.1,y=0.1-101a。
硫元素守恒:2x+100a+(0.1-101a)=1,x=。
氧元素守恒:100a×2+100a+4z=2,z=。
因n(CaS)+n(CaSO4)=1 mol,则n(CaS)-n(CaSO4)=(1-2z) mol=150a mol。
(4)
核心素养
此类试题要求考生运用“运动观”“结构观”“守恒观”等解决化学原理综合题中的实际问题,体现高考试题对“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”等学科核心素养的考查。
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1.(2025·安徽淮南二模)以煤的气化产物为原料合成无水乙醇的相关反应如下:
反应①:CO(g)+CH3OCH3(g) CH3COOCH3(g)　ΔH1=-88.2 kJ·mol-1
反应②:CH3COOCH3(g)+2H2(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)　ΔH2=-53.3 kJ·mol-1
(1)反应CO(g)+2H2(g)+CH3OCH3(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)的ΔH=__________kJ·mol-1。
-141.5
解析:反应CO(g)+2H2(g)+CH3OCH3(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)可以由反应①+反应②得到,所以ΔH=ΔH1+ΔH2=-141.5 kJ·mol-1。
(2)以CO、CH3OCH3、H2为原料,假设在投料比、压强不变的条件下仅发生反应①、②,平衡时CO、H2、CH3COOCH3、CH3CH2OH的物质的量分数随温度变化如图所示。回答下列问题:
①图中的曲线B代表的是_________。
②当温度高于500 K后,CH3COOCH3的物质的量分数随温度升高而降低的原因是________________________________________________________
__________________________________________________________。
③H2的平衡转化率随温度的升高_________________(填“一直增大”“一直减小”“先增大后减小”或“先减小后增大”)。
CO
两者均为放热反应,温度升高平衡均逆向移动,而反应①平衡逆向移动的程度大于反应②平衡逆向移动的程度
一直减小
解析:反应①、②均是放热反应,所以升高温度反应①、②平衡均逆向移动,H2的平衡转化率一直减小。反应①逆向移动使CH3COOCH3的物质的量分数降低,反应②逆向移动使CH3COOCH3的物质的量分数增大, CH3COOCH3的物质的量分数在500 K之前随温度升高而增大,说明升高温度反应②逆向移动的程度大于反应①逆向移动的程度,同时H2的量也在增大,所以A为H2的物质的量分数变化曲线,此时CO的量变化不大,B为CO的物质的量分数变化曲线,CH3COOCH3的物质的量分数在500 K之后随温度升高而降低,说明升高温度反应②逆向移动的程度小于反应①逆向移动的程度,此时CO增多。
(3)一定温度下,向1 L密闭容器中通入1 mol CO、1 mol CH3OCH3和2 mol H2下发生反应①、②,平衡时CO的转化率为80%,CH3COOCH3的物质的量为0.2 mol,则c(CH3OCH3)=__________ mol·L-1,反应②的Kx=__________(保留两位有效数字)。(Kx为用物质的量分数表示的平衡常数)
0.2
7.3
解析:根据投料和转化率列出三段式:
CO(g)+CH3OCH3(g) CH3COOCH3(g)
　1 　　1 　　 0
　0.8 　　0.8 　 　0.8
　0.2 　　0.2 　　 0.8
CH3COOCH3(g)+2H2(g) CH3CH2OH(g)+CH3OH(g)
　0.8 　　 2 　　 0 　　0
　0.6 　　 1.2 　 　0.6 　　0.6
　0.2 　　 0.8 　　 0.6 　　0.6
可知c(CH3OCH3)==0.2 mol·L-1;气体的物质的量共2.6 mol,所以反应②的Kx=≈7.3。
(4)在铜基催化剂表面可将CO2电还原为乙醇等醇类物质,写出在酸性环境下将CO2电还原为乙醇的电极反应式:_____________________________。采用多孔金属有机骨架(MOF)合成Cu-BTC-X催化剂,多孔碳外壳基体覆有Cu活性组分,炭化后Cu活性组分均匀分散在多孔C中。Cu-BTC-X催化剂较普通Cu颗粒催化剂相比,具有的优点是____________________。
2CO2+12H++12e-══C2H5OH+3H2O　
Cu-BTC-X催化剂中Cu活性位点相对均匀分散,有利于增大其活性面积,从而提高其还原CO2的效率
解析:根据元素价态变化和酸性环境可得出电极反应式为2CO2+12H++12e-══C2H5OH+3H2O;Cu-BTC-X催化剂较普通Cu颗粒催化剂相比,活性位点相对分散,有利于增大催化剂与反应物的接触面积,提高催化效率。
2.(2025·河北张家口二模)二氧化碳加氢还原制甲烷、烯等有机物可实现二氧化碳循环再利用,有利于“碳中和”目标的实现。回答下列问题:
(1)已知:①CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)　ΔH1=-41 kJ·mol-1;
②CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)　ΔH2=-165 kJ·mol-1;
③2CO(g)+O2(g) 2CO2(g)　ΔH3=-566 kJ·mol-1。
则CH4(g)燃烧生成H2O(g)的热化学方程式为______________________。
CH4(g)+2O2(g) CO2(g)+2H2O(g)　ΔH=-803 kJ·mol-1
解析:由盖斯定律知,2×③-②-4×①可得:
CH4(g)+2O2(g) CO2(g)+2H2O(g)　ΔH=-803 kJ·mol-1。
(2)我国科技工作者研究发现,CO2、H2在某催化剂表面接触反应生成甲烷的前三步历程的能量变化如图所示(其中“·”表示吸附在催化剂表面,“Ts”表示过渡态):
决定单位时间内生成H2O(g)数量多少的步骤为__________(填“ⅰ”“ⅱ”或“ⅲ”),吸附是一个焓__________ (填“增”或“减”)的过程。
ⅰ
减
解析:由图可知步骤ⅰ的活化能最大,相应反应速率最慢,慢反应决定整个反应的快慢;由图中能量变化可知,吸附会导致体系能量降低,是一个焓减的过程。
(3)CO2催化加氢也可得到乙烯:2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g)　ΔH,向某密闭容器中充入5 mol CO2、n mol H2进行上述反应,测得在不同温度、压强下CO2的平衡转化率如图所示(X、Y表示温度或压强):
①ΔH__________(填“>”或“<”,下同)0;Y1__________Y2。
②当n=__________时,CO2、H2的转化率始终相同;a点对应的反应体系中,总压强恒为28 kPa,当两种反应物转化率相同时,反应开始至达到平衡时所用时间为5 min,则0~5 min内的平均反应速率v(CO2)=__________ kPa·min-1,对应的压强平衡常数Kp=__________ (kPa)-3(列出计算式即可)。
<
<
15
1
解析:①该反应是一个气体分子数减少的反应,压强增大,有利于平衡正向进行,CO2的转化率增大,故X不可能表示压强,即X表示温度,温度升高,CO2的转化率降低,故正反应是放热反应,ΔH<0;Y表示压强,故Y1②当投料比与反应的化学计量数之比相同时,反应物转化率始终相等,即n=5×=15;28 kPa恒压下,根据a点CO2转化率为80%,列三段式:
2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g)
5 15 0 0
4 12 2 8
1 3 2 8
平衡时混合气体的总物质的量为14 mol,p(CO2)=×28 kPa=2 kPa,同理,p(H2)=6 kPa、p(C2H4)=4 kPa、p(H2O)=16 kPa,开始时混合气体中p(CO2)=7 kPa,则v(CO2)==1 kPa·min-1,Kp=(kPa)-3。
(4)已知CO2(g)+H2(g) HCOOH(g)　ΔH<0是基元反应,v正=
k正·c(CO2)·c(H2),v逆=k逆·c(HCOOH),其中k正、k逆为只与温度有关的速率常数。温度为T K时,该反应的平衡常数K=2,则此温度下,k正________ (填“>”“<”或“=”,下同)2k逆;若升高温度,k正、k逆的变化量分别为Δk正、Δk逆,则Δk正________ 2Δk逆。
解析:平衡时,v正=v逆,k正·c(CO2)·c(H2)=k逆·c(HCOOH),=K=2,k正=2k逆;反应放热,升温平衡逆向移动,平衡常数减小,故Δk正<2Δk逆。
=
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