18.主观题突破(四) 化学反应原理的综合分析(B)(专题微练Word)-【赢在微点·考前顶层设计】2026年高考化学大二轮专题复习

主观题突破(四)　化学反应原理的综合分析(B) 1.(2025·泰山联考)“一碳化学”是指以分子中只含有一个碳原子的化合物(如CO、CO2、CH3OH等)为原料合成一系列化工产品的化学。回答下列问题: Ⅰ.CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)　ΔH1=-205.8 kJ/mol Ⅱ.CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)　ΔH2 Ⅲ.CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)　ΔH3 (1)相关的化学键键能数据如下表所示: 化学键 H—H H—O C—H CO E/(kJ·mol-1) 436 463 413 803 估算反应Ⅱ的ΔH2= -51.8 kJ·mol-1 。 (2)反应Ⅱ的速率v=v正-v逆=k正·c(CO)·c(H2O)-k逆·c(CO2)·c(H2),其中k正、k逆分别为正、逆反应速率常数。升高温度时lg k正-lg k逆 减小 (填“增大”“减小”或“不变”)。 (3)已知:温度为T1时,向某固定容积的容器中充入一定量的H2(g)和1 mol CO(g),仅发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,平衡时H2(g)和CO(g)的转化率(α)及CH4(g)和CO2(g)的物质的量(n)随起始投料比变化的情况如图所示。 ①图中表示H2(g)的转化率α(H2)变化的曲线为 b (填“a”“b”“c”或“d”)。 ②m= 0.125 ,起始投料比=1时,CO2的选择性= 33.3 %(保留3位有效数字)。 ③若温度为T2,起始投料比=1时,反应Ⅱ的Kp=1,则T1 > (填“>”“=”或“<”)T2,该温度下α(H2)可能对应图中X、Y、Z、W四点中的 Y 。 解析　(1)反应ΔH=反应物键能之和-生成物键能之和,则反应Ⅲ的ΔH3=(413×4+463×4)-(803×2+436×4) kJ·mol-1=+154 kJ·mol-1,由盖斯定律可知,反应Ⅱ=反应Ⅰ+反应Ⅲ,则ΔH2=ΔH1+ΔH3=(-205.8)+(+154) kJ·mol-1=-51.8 kJ·mol-1。(2)反应Ⅱ是放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,正反应速率小于逆反应速率,所以lg k正-lg k逆减小。(3)①起始投料比增大相当于增大氢气的浓度,反应Ⅰ的平衡向正反应方向移动,一氧化碳的转化率增大、甲烷的物质的量增大,但氢气的转化率减小,反应Ⅱ的平衡向逆反应方向移动,二氧化碳的物质的量会减小,所以曲线a、b、c、d分别表示一氧化碳的转化率、氢气的转化率、甲烷的物质的量、二氧化碳的物质的量随投料比变化的情况。②由图可知,起始投料比=1时,一氧化碳和氢气的转化率分别为37.5%、62.5%,二氧化碳的物质的量为m mol,则平衡时一氧化碳的物质的量为1 mol-1 mol×37.5%=0.625 mol、氢气的物质的量为1 mol-1 mol×62.5%=0.375 mol,由碳原子个数守恒可知,甲烷的物质的量为1 mol-0.625 mol-m mol=(0.375-m)mol,由氧原子个数守恒可知,水的物质的量为1 mol-0.625 mol-2m mol=(0.375-2m)mol,由氢原子个数守恒可得0.375 mol×2+(0.375-m)mol×4+(0.375-2m)mol×2=1 mol×2,解得m=0.125,则二氧化碳的选择性为×100%≈33.3%。③反应Ⅱ为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,反应的平衡常数减小,设温度为T1条件下反应达到平衡时混合气体的总物质的量为n mol、压强为p,由②所得数据可知,反应的平衡常数Kp==0.6,由题意可知,温度为T2条件下反应的平衡常数Kp=1,则温度T1大于T2,反应Ⅰ为放热反应,降低温度,平衡向正反应方向移动,氢气的转化率增大,所以温度为T2条件下氢气的转化率对应Y点。 2.(2025·南宁测试)CO2资源化在推进能源绿色转型,实现“碳达峰、碳中和”中具有重要意义。 Ⅰ.CO2与H2在固载金属催化剂上可发生以下反应: 反应ⅰ.CO2(g)+H2(g)HCOOH(g)　ΔH1 反应ⅱ.CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g)　ΔH2>0 反应ⅲ.…… 可能的反应机理如图所示(M为催化剂)。 (1)反应ⅲ的化学方程式为 CO2(g)+2H2(g)HCHO(g)+H2O(g) 。 (2)已知下列几种物质的标准摩尔生成焓(在101 kPa时,由最稳定单质合成1 mol指定产物的反应热): 物质 CO2(g) H2(g) HCOOH(g) 标准摩尔生成焓/(kJ·mol-1) -393.51 0 -362.3 依据以上信息,ΔH1= +31.21 kJ·mol-1 ,反应ⅱ在 较高 (填“较高”“较低”或“任意”)温度下能自发进行。 (3)在一定压强下,按n(H2)∶n(CO2)=1∶1 投料,发生反应ⅰ和反应ⅱ(忽略反应ⅲ),反应相同时间,CO2的转化率及HCOOH选择性随温度变化曲线如图所示。 ①一定温度下,为了提高甲酸选择性可采取的措施有 加压、换用高选择性催化剂 (任写一条)。 ②若M点反应已达到平衡状态,体系中H2的分压为a MPa,则673.15 K时反应ⅰ的分压平衡常数计算式Kp= 或 MPa-1。 ③当温度高于673.15 K,随温度升高,反应ⅰ与反应ⅱ中CO2的变化量相比,增加更显著的是反应 ⅱ (填“ⅰ”或“ⅱ”),判断的依据是 随温度升高,CO2的转化率升高,但HCOOH的选择性却迅速下降 。 Ⅱ.利用电化学装置可实现CO2和CH4两种分子的耦合转化,其原理如下图所示。 (4)装置工作时,电极A应连接电源的 负 (填“正”或“负”)极,电极A的电极反应式为 CO2+2e-+2H+CO+H2O 。 解析　(1)由反应机理图可知,二氧化碳和氢气在固载金属催化剂上反应可以生成甲酸、一氧化碳和甲醛,则反应ⅲ为催化剂作用下二氧化碳和氢气生成甲醛和水,反应的化学方程式为CO2(g)+2H2(g)HCHO(g)+H2O(g)。(2)由化学反应反应热等于生成物的标准摩尔生成焓之和与反应物的标准摩尔生成焓之和的差值,即ΔH1=[-362.3-0-(-393.51)] kJ·mol-1=+31.21 kJ·mol-1;反应ⅱ的ΔH>0,根据ΔG=ΔH-TΔS<0可知,高温下可自发进行。(3)①由方程式可知,反应ⅰ为气体体积减小的反应,而反应ⅱ为气体体积不变的反应,则一定温度下,增大压强,有利于反应ⅰ向正反应方向移动,能够提高甲酸选择性,或换用高选择性催化剂促进反应ⅰ发生,也能够提高甲酸选择性。②设起始二氧化碳和氢气的物质的量都为1 mol,由图可知,673.15 K时,二氧化碳的转化率为95%、甲酸的选择性为0.3%,则平衡时甲酸的物质的量为1 mol×95%×0.3%,由方程式可知,平衡时二氧化碳和氢气的物质的量都为1 mol-1 mol×95%=1 mol×5%,由体系中氢气分压为a MPa可知,二氧化碳、甲酸的分压分别为a MPa和a MPa,则反应ⅰ的分压平衡常数计算式Kp==。③由图可知,当温度高于673.15 K时,随温度升高,二氧化碳的转化率升高,但甲酸的选择性却迅速下降,说明反应ⅱ的反应速率增加更显著。(4)由图可知,二氧化碳转化为一氧化碳,发生还原反应,所以通入二氧化碳的电极A为阴极,与直流电源负极直接相连,酸性条件下二氧化碳在阴极得到电子发生还原反应生成一氧化碳的电极反应式为CO2+2e-+2H+CO+H2O。 3.(2025·江西联考)我国提出争取在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和,这对于改善环境、实现绿色发展至关重要,其中二氧化碳转化甲醇技术是当前研究热点之一。 Ⅰ.CO2加氢合成CH3OH的反应体系中主要包含以下反应: 反应①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1 反应②CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ· mol-1 (1)已知:CO(g)+H2(g)CH3OH(g) ΔH3=-45.3 kJ· mol-1。反应①的ΔH1= -49.4 kJ· mol-1 ,反应①在 低温 (填“高温”“低温”或“任何温度”)下有利于正反应自发进行。 (2)在恒容、绝热密闭容器中只发生反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),下列能说明该反应已达到平衡状态的是 AC (填字母)。 A.气体的平均摩尔质量不再随时间而变化 B.气体的密度不再随时间而变化 C.反应体系的温度保持不变 D.单位时间内断裂CO键数目与断裂O—H键数目相等 (3)当原料组成为n(CO2)∶n(H2)=1∶3时,上述反应体系在一定条件下建立平衡后,含碳产物中CH3OH的物质的量分数(Y)及CO2的转化率与反应温度的关系曲线如图甲所示。 ①分析压强对CO2加氢合成CH3OH的影响,可知图甲中x 小于 (填“大于”或“小于”)5,理由是 反应①是气体分子数减小的反应,而反应②气体分子数不变,增大压强,反应①平衡向正反应方向移动,有利于合成甲醇,在相同温度下,压强为5 MPa时甲醇的含量高,所以x<5 。 ②Q点时,只发生反应①,此时p(CH3OH)= (或0.83) MPa,反应①的平衡常数Kp= (或0.053) (MPa)-2(Kp以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。 Ⅱ.电化学还原二氧化碳制甲醇:其中将双极膜应用于二氧化碳制备甲醇过程中的电解原理如图乙所示。已知:双极膜由阳离子交换膜和阴离子交换膜构成,在直流电场的作用下,双极膜间H2O解离成H+和OH-,并向两极迁移。 (4)催化电极上的电极反应式为 CO2+6HC+6e-CH3OH+6C+H2O ,双极膜内每消耗54 g水,理论上石墨电极上产生 16.8 L O2(标准状况)。 解析　(1)反应②CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41.2 kJ· mol-1,反应③CO(g)+H2(g)CH3OH(g)　ΔH3=-45.3 kJ· mol-1,根据盖斯定律:②+③×2计算反应①的焓变ΔH1=+41.2 kJ· mol-1+(-45.3 kJ· mol-1)×2=-49.4 kJ· mol-1,该反应的ΔH<0,ΔS<0,则该反应在低温下可自发进行。(2)反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)是气体体积变化的反应,正向进行时气体的物质的量减小,则气体的平均摩尔质量不再随时间而变化的状态是平衡状态,A项正确;恒容、绝热密闭容器中气体的密度始终不变,则气体的密度不再随时间而变化的状态不一定是平衡状态,B项错误;恒容、绝热密闭容器中反应正向进行时放热,容器内温度升高,则反应体系的温度保持不变的状态是平衡状态,C项正确;反应逆向进行时CH3OH和H2O均断裂O—H键,单位时间内断裂CO键数目与断裂O—H键数目相等,则反应正向进行,反应未达到平衡状态,D项错误。(3)①反应①是气体体积减小的反应,反应②是气体体积不变的反应,增大压强,反应①的平衡正向移动,CH3OH的含量增大,即压强越大,CH3OH的含量越大,所以图中Y2对应的压强小于5 MPa,即x<5。对于反应①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),设通入原料1 mol CO2、3 mol H2,Q点时CO2转化率为50%,压强为5 MPa,则 p(H2)=×5 MPa= MPa;p(CO2)=p(CH3OH)=p(H2O)=×5 MPa= MPa。则反应①的平衡常数Kp=== (MPa)-2。(4)催化电极为阴极,CO2发生得电子的还原反应生成CH3OH,阴极电极反应式为CO2+6HC+6e-CH3OH+6C+H2O;双极膜内每消耗54 g水,移向左室的OH-为3 mol,故石墨电极上有3 mol OH-放电,由4OH--4e-O2↑+2H2O可知,生成0.75 mol O2,标准状况下体积为0.75 mol×22.4 L· mol-1=16.8 L。 4.(2025·衡水模拟)环己烯是工业常用的化工品。工业上通过热铂基催化剂重整将环己烷脱氢制备环己烯,化学反应为C6H12(g)C6H10(g)+H2(g)　ΔH。 (1)几种共价键的键能数据如表: 共价键 H—H C—H C—C CC 键能/(kJ· mol-1) 436 413 348 615 ΔH= +123 kJ· mol-1。 (2)在恒温恒容密闭容器中充入环己烷气体,仅发生上述反应。下列叙述错误的是 BD (填字母)。 A.气体平均摩尔质量不随时间变化时反应达到平衡状态 B.平衡后再充入C6H12气体,平衡向右移动,转化率增大 C.加入高效催化剂,单位时间内C6H10的产率可能会增大 D.增大固体催化剂的质量,一定能提高正、逆反应速率 (3)环己烷的平衡转化率和环己烯的选择性随温度的变化如图所示。 ①随着温度升高,环己烷平衡转化率增大的原因是 正反应是吸热反应,升高温度,平衡正向移动 。随着温度升高,环己烯的选择性变化的可能原因是 BC (填字母)。 A.平衡向逆反应方向移动 B.环己烷裂解发生副反应 C.环己烯易发生聚合反应 D.催化剂的选择性增大 ②当温度高于600 ℃时,可能的副产物有 或或 (任写一种结构简式)。 (4)在873 K、100 kPa条件下,向反应器中充入氩气和环己烷的混合气体,仅发生反应:C6H12(g)C6H10(g)+H2(g)。 ①环己烷的平衡转化率随的增大而升高,其原因是 恒压条件下,增大Ar的物质的量,相当于减小压强,平衡正向移动 。 ②当=1∶3时,达到平衡所需时间为20 min,环己烷的平衡转化率为,则环己烷分压的平均转化速率为 2.92 kPa·min-1。该环己烷脱氢反应的压强平衡常数Kp= 66.67 kPa。[均保留2位小数,用分压计算的平衡常数为压强平衡常数(Kp),分压=总压×物质的量分数] (5)“　”表示铂基催化剂,“*”表示吸附在该催化剂表面,环己烷脱氢反应的机理如下,请补充基元反应③: * +　 。 ①+　* ②*　+　*　+　*H2 ③ ④*H2H2+ 解析　(1)焓变=反应物的总键能-生成物的总键能,C6H12(g)C6H10(g)+H2(g)　ΔH=348×6+413×12-(348×5+615+413×10+436)=+123 kJ· mol-1。 (2)反应过程中气体总质量不变,气体物质的量增大,气体平均摩尔质量是变量,所以气体平均摩尔质量不随时间变化时反应达到平衡状态,A项正确;平衡后再充入C6H12气体,相当于增大压强,转化率减小,B项错误;加入高效催化剂,反应速率加快,单位时间内C6H10的产率可能会增大,C项正确;催化剂通过参与化学反应改变反应历程,加快反应速率,增大固体催化剂的质量,如果不能增大接触面积,不一定能提高正、逆反应速率,D项错误。(3)①C6H12(g)C6H10(g)+H2(g)正反应吸热,升高温度平衡正向移动,所以随着温度升高环己烷平衡转化率增大。C6H12(g)C6H10(g)+H2(g)正反应吸热,升高温度平衡正向移动,A项不符合题意; 环己烷裂解发生副反应,使环己烷平衡转化率增大而环己烯的选择性降低,B项符合题意;环己烯易发生聚合反应,环己烯产率降低,使环己烯的选择性降低,C项符合题意;若催化剂的选择性增大,生成的环己烯增多,使环己烯的选择性增大,D项不符合题意。②当温度高于600 ℃时,环己烷脱氢,可能的副产物有、、等。(4)①恒压条件下,增大Ar的物质的量,相当于减小压强,平衡正向移动,环己烷的平衡转化率随的增大而升高。②当=1∶3时,初始时,环己烷的分压为×100 kPa=75 kPa,达到平衡所需时间为20 min,环己烷的平衡转化率为,则: 达到平衡时环己烷的分压为100×= kPa、环己烯的分压为 kPa、氢气的分压为 kPa ,则环己烷分压的平均转化速率为=2.92 kPa·min-1。该环己烷脱氢反应的压强平衡常数Kp= kPa=66.67 kPa。(5)根据基元反应④,可知基元反应③为*　+　。 学科网（北京）股份有限公司 $