2025届高三高考化学二轮复习 专题训练 化学反应原理大题(一)

2025高考化学二轮复习 微专题限时训练 专题七　化学反应速率　化学平衡 化学反应原理大题(一) （时间：40min 总分：100分） 真题演练 1.(16分)[2023·新课标卷，29(1)(2)(4)]氨是最重要的化学品之一，我国目前氨的生产能力位居世界首位。回答下列问题： (1)根据图1数据计算反应N2(g)+H2(g)===NH3(g)的ΔH=　　　　　　kJ·mol-1。  (2)研究表明，合成氨反应在Fe催化剂上可能通过图2机理进行(*表示催化剂表面吸附位，N2*表示被吸附于催化剂表面的N2)。判断上述反应机理中，速率控制步骤(即速率最慢步骤)为　　　　　(填标号)，理由是　　　　　　　　。  (4)在不同压强下，以两种不同组成进料，反应达平衡时氨的摩尔分数与温度的计算结果如下图所示。其中一种进料组成为=0.75、=0.25，另一种为=0.675、=0.225、xAr=0.10。(物质i的摩尔分数：xi=) ①图中压强由小到大的顺序为　　　　　　　，判断的依据是　　　　　　　　。  ②进料组成中含有惰性气体Ar的图是　　　　　　　　。  ③图3中，当p2=20 MPa、=0.20时，氮气的转化率α=　　　　　　　　。该温度时，反应N2(g)+H2(g)NH3(g)的平衡常数Kp=　　　　　　　　(MPa)-1(化为最简式)。  2.(16分)(2024·全国甲卷，28)甲烷转化为多碳化合物具有重要意义。一种将甲烷溴化再偶联为丙烯(C3H6)的研究所获得的部分数据如下。回答下列问题： (1)已知如下热化学方程式： CH4(g)+Br2(g)===CH3Br(g)+HBr(g)　ΔH1=-29 kJ·mol-1 3CH3Br(g)===C3H6(g)+3HBr(g)　ΔH2=+20 kJ·mol-1 计算反应3CH4(g)+3Br2(g)===C3H6(g)+6HBr(g)的ΔH=　　　　　　 kJ·mol-1。  (2)CH4与Br2反应生成CH3Br，部分CH3Br会进一步溴化。将8 mmol CH4和8 mmol Br2通入密闭容器，平衡时，n(CH4)、n(CH3Br)与温度的关系见下图(假设反应后的含碳物质只有CH4、CH3Br和CH2Br2)。 (ⅰ)图中CH3Br的曲线是　　　　(填“a”或“b”)。  (ⅱ)560 ℃时，CH4的转化率α=　　　　，n(HBr)=　　　　mmol。  (ⅲ)560 ℃时，反应CH3Br(g)+Br2(g)===CH2Br2(g)+HBr(g)的平衡常数K=　　　　　。  (3)少量I2可提高生成CH3Br的选择性。500 ℃时，分别在有I2和无I2的条件下，将8 mmol CH4和8 mmol Br2通入密闭容器，溴代甲烷的物质的量(n)随时间(t)的变化关系见下图。 (ⅰ)在11~19 s之间，有I2和无I2时CH3Br的生成速率之比=　　　　　　　。  (ⅱ)从图中找出I2提高了CH3Br选择性的证据：　　　　　　。  (ⅲ)研究表明，I2参与反应的可能机理如下： ①I2(g)===·I(g)+·I(g) ②·I(g)+CH2Br2(g)===IBr(g)+·CH2Br(g) ③·CH2Br(g)+HBr(g)===CH3Br(g)+·Br(g) ④·Br(g)+CH4(g)===HBr(g)+·CH3(g) ⑤·CH3(g)+IBr(g)===CH3Br(g)+·I(g) ⑥·I(g)+·I(g)===I2(g) 根据上述机理，分析I2提高CH3Br选择性的原因：　　　　　　　　。  模拟预测 1.(16分)(2023·湖南名校教研联盟联考)硫酸是一种重要的工业原料，可用于制造肥料、药物、炸药、颜料、洗涤剂、蓄电池等。硫酸工业较重要的一步反应为2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH=-196 kJ·mol-1，反应条件为高温、常压、催化剂。 (1)催化机理如下： 第1步：SO2(g)+V2O5(s)===SO3(g)+V2O4(s)　ΔH1=+60 kJ·mol-1 第2步：V2O4(s)+O2(g)+2SO2(g)===2VOSO4(g)　ΔH2=-113 kJ·mol-1 第3步：4VOSO4(s)+O2(g)===2V2O5(s)+4SO3(g)　ΔH3=　　　　　　kJ·mol-1  (2)反应进程中的能量变化如图1所示(E1>E2>E3)。常温下，向10 L密闭容器中加入V2O4(s)、SO2(g)各1 mol及一定量的O2，容器中没有生成SO3的原因可能是第　　　　步为控速步骤，且常温下反应速率很慢。  (3)向体积可变的密闭容器中加入V2O5(s)、SO2(g)各0.6 mol、0.3 mol O2(g)，此时容器的体积为10 L(忽略容器中固体体积)，保持恒压的条件下分别在T1、T2、T3三种温度下进行反应，测得容器中SO2的转化率如图2所示。 ①T3温度下反应速率最慢的原因可能是　　　　　　　。  ②T2温度下，反应达平衡时容器的体积为　　　　L，反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)的平衡常数K=　　　　　　。  (4)某研究小组用NaOH溶液吸收尾气中的SO2，将得到的Na2SO3溶液进行电解生产硫酸，其中阴、阳膜组合电解装置如图3所示。电极材料为石墨，A~E代表生产中的原料或产品，a、b为离子交换膜，则A为　　　　　　，可循环使用。阳极的电极反应式为　　　　。  2.(18分)(2024·湖北模拟)环己烯()是一种重要的化学试剂，主要用于有机合成和油类萃取。利用环己烷脱氢制备环己烯的反应原理如下。 直接脱氢：Ⅰ.C6H12(g)C6H10(g)+H2(g)　ΔH1 氧化脱氢：Ⅱ.C6H12(g)+CO2(g)C6H10(g)+CO(g)+H2O(g)　ΔH2 (1)已知几种化学键的键能数据如表所示。 化学键 H—H C—H C—C C==C 键能/(kJ·mol-1) 436 413 348 615 则ΔH1=　　　　 kJ·mol-1；从热力学角度分析，反应Ⅰ能自发进行的条件是　　　　(填“低温”或“高温”)。  (2)科技工作者结合实验与计算机模拟结果，研究环己烷直接脱氢制环己烯的反应历程(如图所示)，其中吸附在催化剂表面的物种用*表示。 ①C6H12+*→C6的焓变小于零的原因是　　　　。  ②C6H12 脱氢的速率　　　　(填“大于”“小于”或“等于”)C6脱氢的速率。  ③环己烷脱氢制备环己烯的副产物可能有　　　　、　　　　(填结构简式)。  ④在恒容密闭容器中充入一定量的环己烷，其初始压强为p kPa，发生直接脱氢反应达到平衡时，环己烷的转化率为x，则反应Ⅰ的标准平衡常数Kθ=　　　　[已知：分压=总压×物质的量分数，对于反应dD(g)+eE(g)gG(g)+hH(g)，Kθ=，其中pθ=100 kPa，pG、pH、pD、pE为各组分的平衡分压]。  (3)在压强恒为p kPa的密闭容器中充入不同投料比的环己烷和CO2，在不同温度下达到平衡时，环己烷的转化率如图所示，则a、b、c、d的大小关系为　　　　，判断的理由是　　　　　　　　。  3.(16分)(2024·江西赣州二模)甲醇的制取与应用在全球引发了关于“甲醇经济”的广泛探讨。 Ⅰ.在CO2催化加氢制CH3OH的反应体系中，发生的主要反应如下： 反应a：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-63 kJ·mol-1 反应b：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+36 kJ·mol-1 反应c：CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)　ΔH3 (1)已知反应b中相关化学键键能数据如下表： 化学键 H—H C==O C≡O H—O E/(kJ·mol-1) x 803 1 076 465 计算：x=　　　　　，ΔH3=　　　　　 kJ·mol-1。  (2)恒温恒容时，下列能说明反应a一定达到平衡状态的是　　　　(填字母)。  A.v正(CO2)=3v逆(H2) B.c(CO2)∶c(H2)=1∶3 C.混合气体的密度不再发生变化 D.混合气体中H2O(g)的百分含量保持不变 (3)在催化剂作用下，将物质的量之比为1∶2的CO2和H2的混合气体充入一恒容密闭容器中发生反应a、b，已知反应b的反应速率v正=k正·x(CO2)·x(H2)，v逆=k逆·x(CO)·x(H2O)，k正、k逆为速率常数，x为物质的量分数。 ①平衡时，CO2转化率为60%，CO2和H2的物质的量之比为1∶1，若反应b的k正=20 mol·L-1·s-1，则平衡v逆=　　　　　 mol·L-1·s-1。  ②Arrhenius经验公式为Rln k=-+C，其中Ea为活化能，T为热力学温度，k为速率常数，R和C为常数，则ΔH2=　　　　　 kJ·mol-1(用含k正、k逆、T、R的代数式表示)。  (4)其他条件相同时，反应温度对CH3OH选择性的影响如图所示。由图可知，温度相同时CH3OH选择性的实验值略高于其平衡值，可能的原因是　　　　　　。[已知CH3OH的选择性=×100%] Ⅱ.利用甲醇分解制取烯烃，涉及如下反应： a.2CH3OH(g)===C2H4(g)+2H2O(g) b.3CH3OH(g)===C3H6(g)+3H2O(g) c.3C2H4(g)2C3H6(g) (5)恒压条件下，平衡体系中各物质的量分数随温度变化如图所示。已知650 K时，2x(C2H4)=x(C3H6)，平衡体系总压强为p，则650 K反应c的平衡常数Kp=　　　　　。  4.(18分)(2023·福建厦门质检)天然气的主要成分甲烷可转化为合成气CO、H2。 Ⅰ.甲烷干法重整：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH (1)CH4、H2、CO的燃烧热分别为890.3 kJ·mol-1、285.8 kJ·mol-1、283 kJ·mol-1，则ΔH=　　　　　。  (2)在1 L恒容反应器中通入2 mol CH4和3 mol CO2，发生上述反应。 ①下列叙述中不能说明反应达到平衡状态的是　　　　　　(填字母)。  A.混合气体的平均相对分子质量保持不变 B.n(CH4)∶n(CO2)=1∶1 C.混合气体的密度保持不变 D.v正(CH4)=v逆(CO2) ②CH4的平衡转化率α平(CH4)与温度T、压强p的关系如图1所示。p1　　　　　p2(填“>”“<”或“=”)，T1时，K=　　　　　。  Ⅱ.甲烷化学链重整原理如图2所示。CeO2氧载体具有良好的储氧放氧能力。 (3)CeO2-x中x=　　　　　，Ce4+和Ce3+个数比为　　　　　。  (4)800 ℃时，以恒定气体流速通入反应气与氧载体反应，反应步骤及结果如下。 步骤1：氧化 步骤2：还原 反应气组成 CH4和N2，φ(CH4)=5% CO2和N2，φ(CO2)=10% 实验结果 ①氧载体中有表面氧(Oads)和晶格氧(Olat)，CH4与氧载体可能发生的反应如下： ⅰ.CH4+4Oads―→CO2+2H2O ⅱ.CH4+Olat―→CO+2H2 ⅲ.CH4―→C+2H2 步骤1中，600 s后φ(H2)∶φ(CO)>2∶1的原因为　　　　。  ②步骤2中CO2被CeO2-x还原，若CO2全部转化为CO，理论上φ(CO)=　　　　　　　　；φ(CO)实测最大值大于理论值的原因是　　　　　　　。  答案解析 真题演练 1.(1)-45　(2)(ⅱ)　N≡N的键能比H—H的大，使其断裂需要的能量多　(4)①p1<p2<p3　合成氨的反应为气体分子数减少的反应，压强越大，平衡时氨的摩尔分数越大 ②图4　③33.33%　 解析　(1)在化学反应中，断开化学键要消耗能量，形成化学键要释放能量，反应的焓变等于反应物的键能总和与生成物的键能总和的差，因此，由图1数据可知，反应N2(g)+H2(g)===NH3(g)的ΔH=(473+654-436-397-339) kJ·mol-1=-45 kJ·mol-1。(2)由图1中的信息可知，N2(g)===N(g)的ΔH=+473 kJ·mol-1，则N≡N的键能为946 kJ·mol-1；H2(g)===3H(g)的ΔH=+654 kJ·mol-1，则H—H的键能为436 kJ·mol-1。由于N≡N的键能比H—H的大很多，因此，在上述反应机理中，速率控制步骤为(ⅱ)。(4)②该反应为气体分子数减少的反应，在相同温度和相同压强下，惰性气体Ar不利于合成氨，进料组成中含有惰性气体Ar的图是图4。③图3中，进料组成为=0.75、=0.25，两者物质的量之比为3∶1。假设进料中氢气和氮气的物质的量分别为3 mol和1 mol，达到平衡时氮气的变化量为x mol，则有： 　　　　N2(g)+3H2(g)2NH3(g) 始/mol　1　　　　3　　　　0 变/mol　x　　　　3x　　　　2x 平/mol　1-x　　　3-3x　　　2x 当p2=20 MPa、=0.20时，==0.20，解得x=，则氮气的转化率α=≈33.33%，平衡时N2、H2、NH3的物质的量分别为 mol、2 mol、 mol，其物质的量分数分别为、、，则该温度下K'p== (MPa)-2，因此，该温度时反应N2(g)+H2(g)NH3(g)的平衡常数Kp=== (MPa)-1。 2.(1)-67　(2)(ⅰ)a　(ⅱ)80%　7.8　(ⅲ)10.92 (3)(ⅰ)(或3∶2)　(ⅱ)有I2的条件下，反应平衡时，CH3Br的物质的量比无I2的条件下多，CH2Br2的物质的量比无I2的条件下少　(ⅲ) I2的投入消耗了部分CH2Br2，生成的IBr与·CH2Br分别与·CH3和HBr反应生成了CH3Br 解析　(1)将两个反应依次标为反应①和反应②，根据盖斯定律，①×3+②得热化学方程式：3CH4(g)+3Br2(g)C3H6(g)+6HBr(g)　ΔH=(-29×3+20)kJ·mol-1=-67 kJ·mol-1。(2)(ⅰ)升高温度，反应向吸热反应方向移动。反应①为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，CH4(g)的含量增多，CH3Br(g)的含量减少，即表示CH3Br变化的曲线为a。(ⅱ)560 ℃反应达到平衡时，剩余的CH4(g)的物质的量为1.6 mmol，其转化率α=×100%=80%；若只发生一步反应，则生成6.4 mmol CH3Br，但此时剩余CH3Br的物质的量为5.0 mmol，说明还有1.4 mmol CH3Br发生反应生成CH2Br2，则此时生成的HBr的物质的量n=(6.4+1.4) mmol=7.8 mmol。(ⅲ)平衡时，反应中各组分的物质的量分别为n(CH3Br)=5.0 mmol、n(Br2)=0.2 mmol、n(CH2Br2)=1.4 mmol、n(HBr)=7.8 mmol，设容器容积为V L，该反应的平衡常数K===10.92。(3)(ⅰ)设容器容积为V L，11~19 s时，有I2时CH3Br的生成速率v= mmol·L-1·s-1= mmol·L-1·s-1，无I2时CH3Br的生成速率v= mmol·L-1·s-1= mmol·L-1·s-1，==。 模拟预测 1.(1)-482　(2)1　(3)①T3温度过高，催化剂活性降低 ②7　1.89×104　(4)NaOH溶液　S-2e-+H2O===2H++S 解析　(1)根据盖斯定律可知，ΔH3=3ΔH-2(ΔH1+ΔH2)=-196×3 kJ·mol-1-2×[60+(-113)] kJ·mol-1=-482 kJ·mol-1。(2)活化能越高，反应速率越慢。由图1可知，生成SO3的反应为第1步反应和第3步反应，第1步的活化能(E1)最高，为控速步骤。(3)①由图2结合该反应为放热反应可知，T3温度高但反应速率最慢，原因可能是温度过高，催化剂活性降低，反应速率降低。②由图2可知，T2温度下反应达到平衡时，SO2的转化率为90%，即消耗SO2的物质的量为0.6 mol×90%=0.54 mol，可列三段式： 　　　　　 2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) 起始/mol　　0.6　　　0.3　　　0 转化/mol　　0.54　　0.27　　　0.54 平衡/mol　　0.06　　0.03　　　0.54 恒压、恒温条件下，则=，解得V平=7 L；反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)的平衡常数K===1.89×104。 2.(1)+123　高温　(2)①环己烷吸附在催化剂表面时会释放能量　②小于　③　　④ (3)a>b>c>d　一定温度和压强下，在C6H12的量不变的情况下增大CO2的量，平衡向正反应方向移动，环己烷的平衡转化率增大 解析　(1)ΔH=[348×6+413×12-(615+348×5+413×10+436)] kJ·mol-1=+123 kJ·mol-1；ΔH>0，ΔS>0，ΔG=ΔH-TΔS，当ΔG<0时反应自发进行，即反应Ⅰ在高温下可自发进行。 (2)②C6H12脱氢过程中C6到TS1的活化能很大，活化能越大，反应速率越慢，导致C6H12脱氢的速率小于C6。 ③环己烷脱氢制备环己烯可能脱去过多的H，得到的副产物可能有、。 ④设初始时，充入环己烷的物质的量为a mol，可得三段式： 　　　　　　C6H12(g)C6H10(g)+H2(g) 起始/mol　　　a　　　　　0　　　0 转化/mol　　　ax　　　　　ax　　ax 平衡/mol　　　a-ax　　　　ax　　ax 总物质的量为(a+ax)mol，总压强为 kPa=(1+x)p kPa，C6H12、C6H10、H2物质的量分数分别为、、，Kθ===。 3.(1)436　+99　(2)D　(3)①0.8　②RTln　(4)在该条件下反应a的速率大于反应b，单位时间内生成甲醇的量比生成CO的量多　(5) 解析　(1) ΔH2=反应物的总键能-生成物的总键能=2×803 kJ·mol-1+x kJ·mol-1-1 076 kJ·mol-1-2×465 kJ·mol-1=+36 kJ·mol-1，解得x=436；由盖斯定律可知，反应b-反应a可得反应c，ΔH3=ΔH2-ΔH1=+36 kJ·mol-1+63 kJ·mol-1=+99 kJ·mol-1。 (3)①在催化剂作用下，将物质的量之比为1∶2的CO2和H2的混合气体充入一恒容密闭容器中发生反应a、b，设反应a消耗x mol CO2，反应b消耗y mol CO2，则有 　　　　　　　　CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) 起始/mol　　　　　1　　　2　　　　　0　　　0 转化/mol　　　　　x　　　3x　　　　　x　　　x 平衡/mol　　　　　1-x　　2-3x　　　　x　　　x 　　　　　　　　CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) 起始/mol　　　　　1-x　　2-3x　　　0　　　x 转化/mol　　　　　　y　　y　　　　　y　　y 平衡/mol　　　　　1-x-y　2-3x-y　　　y　　x+y 当CO2转化率达到60%时，反应达到平衡状态，则×100%=60%，这时CO2和H2的物质的量之比为1∶1，则1-x-y=2-3x-y，解得x=0.5，y=0.1，则CH3OH、H2O、CO2、H2、CO的物质的量分别为0.5 mol、0.6 mol、0.4 mol、0.4 mol、0.1 mol，v正=k正·x(CO2)·x(H2)=0.8 mol·L-1·s-1，故v逆=v正=0.8 mol·L-1·s-1。②Rln k=-+C，Ea=TC-RTln k，ΔH=反应物键能之和-生成物键能之和=Ea正-Ea逆=-RTln k正+RTln k逆=RTln 。 (5)已知650 K时，2x(C2H4)=x(C3H6)，设在650 K时，向容器中加入5 mol CH3OH(g)使其发生反应a、b，得到n0(C2H4)=1 mol，n0(C3H6)=1 mol，n0(H2O)=5 mol，反应c可列三段式： 　　　　　3C2H4(g)2C3H6(g) n0/mol　　　1　　　　　　1 Δn/mol　　　3n　　　　　2n nt/mol　　　1-3n　　　　1+2n 因为，2x(C2H4)=x(C3H6)，所以2(1-3n)=1+2n，解得n=，所以最终平衡体系中含有 mol C2H4(g)、 mol C3H6(g)，以及5 mol H2O(g)，则x(C3H6)= =，x(C2H4)= =，代入Kp===。 4.(1)+247.3 kJ·mol-1　(2)①BC　②<　8　(3)0.25　1∶1　(4)①反应时间超过600 s后，不仅发生反应ⅱ，还发生反应ⅲ　②10%　CO2与生成的C反应也生成CO 解析　(1)根据题意可得，CH4、H2、CO燃烧热的热化学方程式分别为①CH4(g)+2O2(g)===CO2(g)+2H2O(l)　ΔH1=-890.3 kJ·mol-1，②H2(g)+O2(g)===H2O(l)　ΔH2=-285.8 kJ·mol-1，③CO(g)+O2(g)===CO2(g)　ΔH3=-283 kJ·mol-1，由盖斯定律可知，①-②×2-③×2得反应：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH=ΔH1-2ΔH2-2ΔH3=+247.3 kJ·mol-1。(2)①该反应过程中气体总质量不变，总物质的量增大，混合气体的平均相对分子质量减小，当混合气体的平均相对分子质量保持不变时，说明反应达到平衡；n(CH4)∶n(CO2)=1∶1时，不能说明正、逆反应速率相等，即不能说明反应达到平衡；该反应过程中气体总质量不变，总体积也不变，混合气体的密度是定值，则当混合气体的密度保持不变，不能说明反应达到平衡；v正(CH4)=v逆(CO2)时，说明v正(CH4)=v正(CO2)=v逆(CO2)，正、逆反应速率相等，即说明反应达到平衡。②CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)为反应前后气体分子数增大的反应，温度一定时，增大压强，平衡逆向移动，α平(CH4)减小，则p1<p2；由图1可知，T1时，α平(CH4)=50%，可列三段式： 　　　　　CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) 始/mol　　　2　　　3　　　　0　　　　0 转/mol　　　1　　　1　　　　2　　　　2 平/mol　　　1　　　2　　　　2　　　　2 K===8。 (3)由图2可知，CeO2-x中Ce原子的个数为8×+6×=4，O2-的个数为7，则1∶(2-x)=4∶7，x=0.25；由化合物中各元素化合价的代数和为零可知，N(Ce4+)+N(Ce3+)=4，4N(Ce4+)+3N(Ce3+)=7×2，解得N(Ce4+)=N(Ce3+)=2，则Ce4+和Ce3+个数比为1∶1。 (4)②步骤2中φ(CO2)=10%，若CO2全部转化为CO，根据元素守恒可知，理论上φ(CO)=10%。 学科网（北京）股份有限公司 $$