2025届高三化学二轮复习 反应原理综合题——实际生产中最佳条件的选择及原因解释 讲义

反应原理综合题——实际生产中最佳条件的选择及原因解释 课前学习任务 核心归纳 1．工业生产中适宜条件选择的原则及思路 (1)选择的原则 条件 原则 从化学反 应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学平 衡移动分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性 从原料的 利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本 从实际生 产能力分析 如设备承受高温、高压能力等 从催化剂 的活性分析 注意温度对催化剂活性的影响 (2)选择思路 2．原因解释的分析思路及答题模板 (1)分析思路 (2)答题模板 叙特点(反应特点或容器特点)→变条件→定方向→得结论(或结果)，如： ①温度：该反应正向为××(放热或吸热)反应，其他条件不变，升高(或降低)温度，平衡××(正向或逆向)移动，因此×××(得结论)。 ②压强：反应的正反应是气体分子数××(减小或增大)的反应，其他条件不变，增大(或减小)压强，平衡××(正向或逆向)移动，因此×××(得结论)。 课堂学习任务 1．(2024·黑、吉、辽卷，18节选)为实现氯资源循环利用，工业上采用RuO2催化氧化法处理HCl废气： 2HCl(g)＋O2(g)⥫⥬Cl2(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－57.2 kJ·mol-1ΔS　K 将HCl和O2分别以不同起始流速通入反应器中，在360 ℃、400 ℃和440 ℃下反应，通过检测流出气成分绘制HCl转化率(α)曲线，如图所示(较低流速下转化率可近似为平衡转化率)。 图1 图2 (3)下列措施可提高M点HCl转化率的是________(填标号)。 A．增大HCl的流速 B．将温度升高40 ℃ C．增大n(HCl)∶n(O2) D．使用更高效的催化剂 (4)图中较高流速时，α(T3)小于α(T2)和α(T1)，原因是_______________________________。 2．[2024·山东卷，20(2)]水煤气是H2的主要来源，研究CaO对C—H2O体系制H2的影响，涉及主要反应如下： C(s)＋H2O(g)⥫⥬CO(g)＋H2(g) (Ⅰ) ΔH1>0 CO(g)＋H2O(g)⥫⥬CO2(g)＋H2(g)(Ⅱ) ΔH2<0 CaO(s)＋CO2(g)⥫⥬CaCO3(s) (Ⅲ) ΔH3<0 压力p下，C—H2O—CaO体系达平衡后，图示温度范围内C(s)已完全反应，CaCO3(s)在T1温度时完全分解。气相中CO、CO2和H2摩尔分数随温度的变化关系如图所示，则a线对应物种为____________(填化学式)。当温度高于T1时，随温度升高c线对应物种摩尔分数逐渐降低的原因是_________________________。 3．(2024·豫湘名校2月联考)对于反应：CH4(g)＋2O2(g)⥫⥬CO2(g)＋2H2O(g)，在使用不同催化剂时，相同时间内测得CH4的转化率随温度的变化如图所示。 则催化效果最佳的是催化剂________(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)。如果d点已经达到平衡状态，则e点的v正________v逆(填“>”“<”或“＝”)，f点转化率比d点低的原因是__________________________。 4．(2024·黑龙江绥化市3月联考)在容积为1 L的恒容密闭容器内充入2 mol N2和6 mol H2，加入合适催化剂(体积可以忽略不计)，在不同催化剂作用下，相同时间内H2的转化率随温度的变化如下图所示： 在催化剂Ⅱ作用下H2的转化率随温度升高先增大后减小的原因可能是_____________________________ (不考虑温度对催化剂活性的影响)；c点v逆________(填“大于”或“小于”)b点v逆，简述其原因：___________________。 课后学习任务 1．(2024·贵州卷，17)在无氧环境下，CH4经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一定温度下，CH4芳构化时同时存在如下反应： ⅰ.CH4(g)―→C(s)＋2H2(g)　ΔH1＝＋74.6 kJ·mol-1　ΔS＝＋80.84 J·mol-1·K-1 ⅱ.6CH4(g)―→C6H6(l)＋9H2(g)　ΔH2 回答下列问题： (1)反应ⅰ在1000 K时________(填“能”或“不能”)自发进行。 (2)已知25 ℃时有关物质的燃烧热数据如表，则反应ⅱ的ΔH2＝________kJ·mol-1(用含a、b、c的代数式表示)。 物质 CH4(g) C6H6(l) H2(g) ΔH/(kJ·mol-1) a b c (3)受反应ⅰ影响，随着反应进行，单位时间内甲烷转化率和芳烃产率逐渐降低，原因是_____________________________。 (4)对催化剂在不同的pH条件下进行处理，能够改变催化剂的活性。将催化剂在5种不同pH条件下处理后分别用于催化CH4芳构化，相同反应时间内测定相关数据如下表，其中最佳pH为________，理由是_______________________。 pH CH4平均 转化率/% 芳烃平均 产率/% 产物中积炭 平均含量/% 2.4 9.60 5.35 40.75 4.0 9.80 4.60 45.85 7.0 9.25 4.05 46.80 10.0 10.45 6.45 33.10 12.0 9.95 4.10 49.45 2．(2024·河南省五市3月联考)运用化学反应原理研究与氨气有关反应有重要意义。请回答下列问题。 Ⅰ.已知合成氨反应的热化学方程式为：N2(g)＋3H2(g)⥫⥬2NH3(g)　ΔH＝－90.8 kJ·mol-1。 (1)我国科学家为了解决合成氨反应速率和平衡产率的矛盾，选择使用Fe-TiO2－xHy双催化剂，通过光辐射产生温差(如体系温度为495 ℃时，Fe的温度为547 ℃，而TiO2－xHy的温度为415 ℃)。结合图示解释该双催化剂的工作原理(已知：常温下氮氮三键不易断裂)：_______________________。 热Fe冷Ti双温催化原理如下： Ⅱ.催化氧化法除尾气中氨气的反应为： a．4NH3(g)＋3O2(g)⥫⥬2N2(g)＋6H2O(g) ΔH1＝－1282 kJ·mol-1 在实际反应中还伴随如下副反应发生： b．4NH3(g)＋5O2(g)⥫⥬4NO(g)＋6H2O(g) ΔH2＝－992 kJ·mol-1 c．4NH3(g)＋4O2(g)⥫⥬2N2O(g)＋6H2O(g) ΔH3＝－1118 kJ·mol-1 (2)反应a在常压下自发进行的温度条件是________(填“高温”“低温”或“任意温度”)。 (3)其他条件不变，升高温度，NH3的平衡转化率________(填“增大”“减小”或“不变”)。原因为_________________________________。 (4)将一定比例的NH3和O2的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应管，NH3的转化率、生成N2的选择率与温度的关系如图所示。 ①其他条件不变，在175 ℃～300 ℃范围，催化氧化除去尾气中的NH3应选择反应温度范围为200 ℃～225 ℃之间，理由是__________________________。 ②随温度的升高，N2选择率下降的原因可能为__________________________________。 Ⅲ.请回答： (5)含氮化合物对工业生产有多种影响，化学工作者设计了如下再利用的方案： 以NH3和CO2为原料合成尿素[CO(NH2)2]，两步反应的能量变化如图： ①已知第二步反应决定了生产尿素的快慢，可推测E1________E3(填“>”“<”或“＝”)。 ②该反应达到化学平衡后，下列措施能提高NH3转化率的是________(填字母)。 A．选用更有效的催化剂 B．及时从体系转移出生成的尿素 C．降低反应体系的温度 D．增大二氧化碳的浓度 3．(2024·江西吉安一中一模)PCl3、PCl5常用于制造农药等。磷在氯气中燃烧生成这两种卤化磷。请回答下列问题： (1)PCl3的VSEPR模型是__________。已知PCl5中P原子的d能级参与杂化，分子呈三角双锥形(如图甲)，由此推知PCl5中P的杂化类型为__________(填标号)。 甲 A．sp3　　 B．sp2　　 C．dsp3　　 D．sp3d (2)已知，①P4(s)＋6Cl2(g)===4PCl3(l)　ΔH1＝－a kJ·mol-1； ②P4(s)＋10Cl2(g)===4PCl5(s)　ΔH2＝－b kJ·mol-1(b>a>0)。 则PCl3(l)＋Cl2(g)===PCl5(s)　ΔH＝__________ kJ·mol-1(用含a、b的式子表示)。 (3)实验测得PCl3(g)＋Cl2(g)⥫⥬PCl5(g)的速率方程为v＝kcn(PCl3)·cm(Cl2)(k为速率常数，只与温度、催化剂有关)，速率常数k与活化能的经验关系式为Rln k＝－(R为常数，Ea为活化能，T为绝对温度)。 乙 ①一定温度下，向密闭容器中充入适量的关系如图乙所示。催化效能较高的是________(填“Cat1”或“Cat2”)，判断依据是___________________________。 ②将2n mol PCl3(g)和n mol Cl2(g)充入体积不变的密闭容器中，一定条件下发生上述反应，达到平衡时，PCl5(g)为a mol，如果此时移走n mol PCl3(g)和0.5n mol Cl2(g)，在相同温度下再达到平衡时PCl5(g)的物质的量为x，则x为________(填标号)。 A．x＝a mol B．x＝0.5a mol C．x<0.5a mol D．0.5a mol<x<a mol (4)向恒容密闭容器中投入0.2 mol Cl2和0.2 mol PCl3(g)，发生反应：PCl3(g)＋Cl2(g)⥫⥬PCl5(g)，在不同条件下进行，反应体系总压强随时间的变化如图丙所示。 丙 ①相对曲线b，曲线a改变的条件可能是________________________________；曲线c改变的条件可能是____________________________________。 4．按要求回答下列问题。 Ⅰ．元素锑被广泛用于制造半导体和二极管，在电子工业中有重要地位。 (1)我国当前主流的炼锑工艺为鼓风炉挥发-反射炉熔炼法，其原理为利用硫化锑矿在高温挥发氧化转化成，再经还原熔炼，制得粗锑。以下为有关反应的热化学方程式： 反应1： 反应2： 反应3： ①碳燃烧的热化学方程式为 。 ②反应1、2和3的随温度的变化关系如下图所示。工业还原熔炼粗锑的温度一般为结合图像从热力学角度分析，宜选用 (填“C”或者“”)作还原剂，理由是 。 Ⅱ．有效去除大气中的是环境保护的重要课题。合理应用，在生产和生活中具有重要意义。 (2)用焦炭还原法可除去废气中的，发生反应：。 ①一定温度下，向恒容密闭容器中分别加入足量活性炭和一定的，一段时间达到平衡后，下列有关说法不正确的是 (填字母标号)。 A．高温条件下有利于该反应自发进行 B．增加活性炭的质量，平衡正向移动 C．再向容器中充入一定量的，的百分含量减小 D．混合气体颜色保持不变，说明反应达到平衡状态 ②一定温度下，向容积不等恒容密闭溶器中分别加入足量活性炭和，经过相同时间，测得各容器中的转化率与容器容积的关系如下图所示。请解释容器体积在范围内，转化率随体积增大而增大的原因 。 答案与解析 课堂学习任务 1．解析：(3)由题图可知，增大HCl的流速，HCl的转化率降低，A项错误；将温度升高40 ℃，即升温至400 ℃，由题图可知，HCl的转化率增大，B项正确；增大n(HCl)∶n(O2)，HCl的转化率减小，C项错误；M点该反应未达到平衡，使用更高效的催化剂，可以加快反应速率，提高HCl的转化率，D项正确。(4)图中较高流速时，反应未达到平衡状态，T3温度低，反应速率慢，故HCl的转化率低。 答案：(3)BD　(4)反应未达到平衡，T3温度低，反应速率慢，相同时间内HCl的转化率低 2．解析：图示温度范围内C(s)已完全反应，则反应Ⅰ已经进行完全，反应Ⅱ和Ⅲ均为放热反应，随温度升高，反应Ⅱ和Ⅲ平衡逆向移动，且温度高于T1后，反应Ⅲ已进行完全，依据反应Ⅱ，H2量减小，摩尔分数减小，CO量升高，摩尔分数增大，所以a曲线代表H2的摩尔分数的变化，则c曲线代表CO2的摩尔分数随温度的变化，开始到T1，CO2的摩尔分数升高，说明在这段温度范围内，反应Ⅲ占主导，当温度高于T1，CaCO3(s)已完全分解，只发生反应Ⅱ，所以CO2的摩尔分数减小。 答案：H2　当温度高于T1，CaCO3(s)已完全分解，只发生反应Ⅱ，温度升高，反应Ⅱ平衡逆向移动，所以CO2的摩尔分数逐渐降低 3．解析：由图可知，温度低于T4时，相同温度、催化剂Ⅰ条件下反应的甲烷转化率最高，则催化效果最佳的是催化剂Ⅰ；选择其他催化剂，在T3温度下反应相同时间可达更高的转化率，说明e点未达到平衡，正反应速率大于逆反应速率；f点甲烷的转化率小于d点，说明该反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动。 答案：Ⅰ　>　正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动 4．解析：由图可知，催化剂Ⅱ作用下a点氢气转化率最大，说明反应达到平衡状态，a点前反应未达到平衡，升高温度，反应速率加快，氢气转化率增大，a点后升高温度，平衡向逆反应方向移动，氢气转化率减小，所以在催化剂Ⅱ作用下氢气的转化率随温度升高先增大后减小；T3条件下，c点氢气转化率大于b点，说明催化剂Ⅰ的催化效率强于催化剂Ⅱ，所以c点逆反应速率大于b点。 答案：a点反应达到平衡，a点前反应未达到平衡，升高温度，反应速率加快，H2转化率增大，a点后升高温度，平衡向逆反应方向移动，H2转化率减小　大于　T3条件下，催化剂Ⅰ的催化效率强于催化剂Ⅱ 课后学习任务 1．解析：(1)反应ⅰ.CH4(g)―→C(s)＋2H2(g)　ΔH1＝＋74.6 kJ·mol-1　ΔS＝＋80.84 J·mol-1·K-1，在1000 K时，ΔG＝ΔH－TΔS＝＋74.6 kJ·mol-1－1000 K×80.84×10-3 kJ·mol-1·K-1＝－6.24 kJ·mol-1＜0，故反应ⅰ在1000 K时能自发进行。(2)ⅱ.6CH4(g)―→C6H6(l)＋9H2(g)　ΔH2 由题给数据可得出以下热化学方程式： ③CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l) ΔH＝a kJ·mol-1 ④C6H6(l)＋7.5 O2(g)===6CO2(g)＋3H2O(l) ΔH＝b kJ·mol-1 ⑤H2(g)＋0.5 O2(g)===H2O(l)　ΔH＝c kJ·mol-1 依据盖斯定律，将反应③×6－④－⑤×9得，反应ⅱ的ΔH2＝(6a－b－9c)kJ·mol-1。(3)由于反应ⅰ生成固态炭，会覆盖在催化剂表面，从而减小气体与催化剂的接触面积，因此随着反应进行，单位时间内甲烷转化率和芳烃产率逐渐降低。(4)比较表中数据可以看出，pH＝10.0时，CH4平均转化率为最大值10.45%，芳烃平均产率为最大值6.45%，产物中积炭平均含量为最小值33.10%，所以最佳pH为10.0。 答案：(1)能　(2)6a－b－9c　(3)反应ⅰ有积炭生成，随着反应的进行，生成的积炭逐渐增多，覆盖在催化剂表面，使催化剂催化性能逐渐降低，化学反应速率减小　(4)10.0　pH＝10.0时，产物中积炭平均含量最低，CH4平均转化率最大，芳烃平均产率最高 2．解析：(1)根据图中信息，“热Fe”高于体系温度，N2在“热Fe”表面断裂，有利于提高合成氨反应速率；“冷Ti”低于体系温度，氨气在“冷Ti”表面生成，有利于提高氨的平衡产率；(2)反应a的ΔH＜0，ΔS＞0，则ΔG＝ΔH－TΔS＜0，任意温度下反应都能自发进行；(3)由信息可知，a、b、c三个反应均为放热反应，升高温度平衡逆向移动，NH3的平衡转化率减小；(4)①其他条件不变，反应温度范围为200 ℃～225 ℃之间时NH3的转化率较大，且氮气的选择率较高，副产物较少；②由图可知，低温下NH3转化率和N2选择率均较高，随温度的升高，N2选择率下降的原因可能为催化剂对生成N2的反应活性下降，副反应的速率变大；(5)①活化能越大，反应速率越慢，慢反应决定反应速率，第二步反应决定了生产尿素的快慢，则第二步的活化能大于第一步活化能，即E1＜E3；②催化剂只改变化学反应速率，不影响平衡移动，所以不能提高平衡时氨气的转化率，A错误；尿素是固体，从体系转移出生成的尿素，平衡不移动，氨气的转化率不变，B错误；降低反应体系的温度，平衡正向移动，氨气转化率增大，C正确；增大二氧化碳的浓度，平衡正向移动，使氨气消耗量增多，氨气转化率增大，D正确； 答案：(1)N≡N键在“热Fe”表面断裂，利于提高合成氨的反应速率；氨气在“冷 Ti”表面生成，利于提高氨的平衡产率 (2)任意温度 (3)减小　a、b、c三个反应均为放热反应，温度升高，平衡均逆向移动　(4)①该温度范围NH3的转化率较大，且氮气的选择率较高，副产物较少　②催化剂对生成氮气的反应活性下降，副反应的反应速率加快　(5)①<　②CD　 3．解析：(1)PCl3分子中P原子价层电子对数为4，其中孤电子对数为1，VSEPR模型为四面体形。PCl5分子含5个单键，需要5个杂化轨道。基态P原子电子排布式为1s22s22p63s23p3，3s、3p、3d能量相近，可以参与杂化，杂化类型为sp3d。 (2)根据盖斯定律可知，(②－①)÷4得目标热化学方程式，则ΔH＝－ kJ·mol-1，由于b>a，则a－b<0，三氯化磷与氯气反应生成五氯化磷是放热反应。 (3)①根据经验关系式可知，图中直线的斜率为－Ea，则直线斜率越大，Ea越小，催化剂的催化效能越高。由图乙可知，Cat1对应直线的斜率较大。②恒温恒容下，移走一半反应物，相当于减小压强，减压平衡逆向移动，即平衡时PCl5的物质的量小于原平衡的一半，故选C。 (4)①曲线a、b起始状态时，容器体积相同，反应物的物质的量相同，温度越高，压强越大，即温度：a>b。曲线c和b起始压强相同，且达到相同的平衡状态，只是前者先达到平衡，c反应速率较大，故c改变条件是加入催化剂。 答案：(1)四面体形　D　(2)－　(3)①Cat1　直线的斜率为活化能Ea的相反数，直线斜率越大，活化能越小，催化剂的催化效能越高　②C　(4)①升高温度　加入催化剂 4.【答案】(1) C 在区间内，用C作还原剂时，更小，热力学趋势更大 (2) BC 容积范围内，反应达到平衡，增大容器体积，压强减小，平衡正向移动，转化率增大 【详解】（1）①燃烧热是在时，物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量；由盖斯定律可知，反应反应反应2，可得，其； ②工业还原熔炼粗锑的温度一般为，结合图，用C作还原剂，原因是在区间内，用C作还原剂时，更小，热力学趋势更大； （2）①A．反应为吸热的熵增反应，则高温条件下有利于该反应自发进行，A正确； B．碳为固态，增加活性炭的质量，不影响各物质浓度，不影响平衡移动，B错误； C．反应为气体分子数增大的反应，再向容器中充入一定量的，达到平衡后相当于在原平衡基础上增大压强，平衡逆向移动，则的百分含量增大，C错误； D．二氧化氮为红棕色气体，混合气体颜色保持不变，说明平衡不再移动，则反应达到平衡状态，D正确； 故选BC； ②反应为气体分子数增大的反应，容积范围内，反应达到平衡，增大容器体积，压强减小，平衡正向移动，转化率增大； 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$