大单元四 第十一章 热点强化20 反应变化图像的分析与绘制（教师用书word）-【步步高】2025年高考化学大一轮复习讲义（人教版 浙江专用）

热点强化20　反应变化图像的分析与绘制 类型一　反应过程能量变化图像绘制 1.[2022·浙江1月选考，29(3)④]工业上，以煤炭为原料，通入一定比例的空气和水蒸气，经过系列反应，已知，一氧化碳变换反应：CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH＝－41 kJ·mol－1。 以固体催化剂M催化变换反应，若水蒸气分子首先被催化剂的活性表面吸附而解离，能量—反应过程如图所示。 用两个化学方程式表示该催化反应历程(反应机理)： 步骤 Ⅰ：_____________________________________________________________________； 步骤 Ⅱ：_____________________________________________________________________。 答案　M＋H2O===MO＋H2　MO＋CO===M＋CO2 解析　④水分子首先被催化剂吸附，根据元素守恒推测第一步产生H2，第二步吸附CO产生CO2，对应反应历程依次为M＋H2O===MO＋H2、MO＋CO===M＋CO2。 2．[2020·浙江7月选考，29(1)③]研究CO2氧化C2H6制C2H4对资源综合利用有重要意义。 已知：298 K时，相关物质的相对能量如图1所示。 有研究表明，在催化剂存在下，反应C2H6(g)＋CO2(g)C2H4(g)＋H2O(g)＋CO(g)　ΔH＝＋177 kJ·mol－1分两步进行的过程如下： [C2H6(g)＋CO2(g)]―→[C2H4(g)＋H2(g)＋CO2(g)]―→[C2H4(g)＋CO(g)＋H2O(g)]，且第二步速率较慢(反应活化能为210 kJ·mol－1)。根据相关物质的相对能量，画出反应分两步进行的“能量—反应过程图”，起点从[C2H6(g)＋CO2(g)]的能量－477 kJ·mol－1开始(如图2)。 答案　 3．[2022·浙江6月选考，29(2)]热解H2S制H2。根据文献，将H2S和CH4的混合气体导入石英管反应器热解(一边进料，另一边出料)，发生如下反应： Ⅰ.2H2S(g)2H2(g)＋S2(g)　ΔH1＝＋170 kJ·mol－1 Ⅱ.CH4(g)＋S2(g)CS2(g)＋2H2(g)　ΔH2＝＋64 kJ·mol－1 总反应： Ⅲ.2H2S(g)＋CH4(g)CS2(g)＋4H2(g) 投料按体积之比V(H2S)∶V(CH4)＝2∶1，并用N2稀释；常压，不同温度下反应相同时间后，测得H2和CS2体积分数如下表： 温度/℃ 950 1 000 1 050 1 100 1 150 H2/V(%) 0.5 1.5 3.6 5.5 8.5 CS2/V(%) 0.0 0.0 0.1 0.4 1.8 请回答： ①反应Ⅲ能自发进行的条件是______________________________________________。 ②下列说法正确的是______。 A．其他条件不变时，用Ar替代N2作稀释气体，对实验结果几乎无影响 B．其他条件不变时，温度越高，H2S的转化率越高 C．由实验数据推出H2S中的S—H强于CH4中的C—H D．恒温恒压下，增加N2的体积分数，H2的浓度升高 ③若将反应Ⅲ看成由反应Ⅰ和反应Ⅱ两步进行，画出由反应原料经两步生成产物的反应过程能量示意图。 ④在1 000 ℃，常压下，保持通入的H2S体积分数不变，提高投料比[V(H2S)∶V(CH4)]，H2S的转化率不变，原因是__________________________________________________________。 ⑤在950 ℃～1 150 ℃范围内(其他条件不变)，S2(g)的体积分数随温度升高发生变化，写出该变化规律并分析原因____________________________________________________________。 答案　①高温　②AB　③　④1 000 ℃时CH4不参与反应，相同分压的H2S经历相同的时间转化率相同　⑤先升后降；在低温段，以反应Ⅰ为主，随温度升高，S2(g)的体积分数增大；在高温段，随温度升高，反应Ⅱ消耗S2(g)的速率大于反应Ⅰ生成S2(g)的速率，S2(g)的体积分数减小 解析　①根据盖斯定律可知Ⅰ＋Ⅱ即得到反应Ⅲ的ΔH＝＋234 kJ·mol－1，这说明反应Ⅲ是吸热的体积增大(即ΔS＞0)的反应，根据ΔG＝ΔH－TΔS＜0时反应可自发进行可知，反应Ⅲ能自发进行的条件是高温。②Ar是稀有气体，与体系中物质不反应，所以其他条件不变时，用Ar替代N2作稀释气体，对实验结果几乎无影响，A正确；正反应吸热，升高温度平衡正向移动，温度越高，H2S的转化率越高，B正确；根据表中数据得出H2的体积分数大于CS2的体积分数的4倍，说明反应Ⅰ进行程度大于反应Ⅱ进行程度，即反应Ⅰ更易发生，H2S中化学键更易断裂，故H2S中的S—H键能弱于CH4中的C—H键能，C错误；恒温恒压下，增加N2的体积分数，相当于减压，平衡正向移动，H2的物质的量增加，但容器容积增加，H2的浓度减小，D错误。③反应Ⅰ、反应Ⅱ和反应Ⅲ均是吸热反应，则反应过程能量示意图可表示为 。 ④根据表中数据可知1 000 ℃时CH4不参与反应，只发生反应Ⅰ，相同分压的H2S经历相同的时间转化率相同，所以在1 000 ℃常压下，保持通入的H2S体积分数不变，提高投料比时H2S的转化率不变。 类型二　反应速率、平衡移动图像 4．[2023·浙江1月选考，19(4)]“碳达峰·碳中和”是我国社会发展重大战略之一，CH4还原CO2是实现“双碳”经济的有效途径之一，相关反应：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)　ΔH1＝＋247 kJ·mol－1。 CH4还原能力(R)可衡量CO2转化效率，R＝(同一时段内CO2与CH4的物质的量变化量之比)。 常压下CH4和CO2按物质的量之比1∶3投料，某一时段内CH4和CO2的转化率随温度变化如图1，请在图2中画出400～1 000 ℃之间R的变化趋势，并标明1 000 ℃时R值。 答案　 5．(1)一定条件下，由CO2和H2制备甲醇的过程中发生下列反应。 反应1：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH1 反应2：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH2 反应3：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH3 其对应的平衡常数分别为K1、K2、K3，它们随温度变化的曲线如图所示。 则ΔH2________(填“大于”“小于”或“等于”)ΔH3，理由是_______________________ ______________________________________________________________________________。 (2)在温度为T1时，使体积比为3∶1的H2和CO2在体积恒定的密闭容器内进行反应。T1温度下甲醇浓度随时间变化曲线如图所示。不改变其他条件，假定t时刻迅速降温到T2，一段时间后体系重新达到平衡。试在图中画出t时刻后甲醇浓度随时间变化至达到平衡状态的示意曲线。 答案　(1)小于　由图可知，随着温度升高，K1增大，则ΔH1>0，根据盖斯定律又得ΔH3＝ΔH1＋ΔH2，所以ΔH2<ΔH3 (2) 解析　(1)由图可知，随着温度的升高，K1增大，K2、K3减小，可知ΔH1>0，ΔH2<0，ΔH3<0，由盖斯定律可知ΔH1＋ΔH2＝ΔH3，可得ΔH2<ΔH3。(2)由ΔH3<0，当温度降低时，反应会向着放热的反应方向移动，即向正反应方向移动，c(CH3OH)会继续增大，但反应速率会降低，即其浓度随时间变化会较温度改变前有所放缓，即曲线的斜率应偏小，并在某一时刻达到平衡。 6．[2021·浙江6月选考，29(3)③]已知2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)　ΔH＝－198 kJ·mol－1。对于放热的可逆反应，某一给定转化率下，最大反应速率对应的温度称为最适宜温度。在图中画出反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的转化率与最适宜温度(曲线Ⅰ)、平衡转化率与温度(曲线Ⅱ)的关系曲线示意图(标明曲线Ⅰ、Ⅱ)。 答案　 解析　对于放热的可逆反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)，该反应的最适宜温度为催化剂的催化活性最好时所对应的温度，在该温度下化学反应速率最大，SO2的转化率也最大；当温度高于最适宜温度后，催化剂的催化活性逐渐减小，催化剂对化学反应速率的影响超过了温度升高对化学反应速率的影响，因此化学反应速率逐渐减小，SO2的转化率也逐渐减小；由于该反应为放热反应，随着温度的升高，SO2的平衡转化率减小；由于反应混合物与催化剂层的接触时间较少，在实际的反应时间内反应还没有达到化学平衡状态，故在相应温度下SO2的转化率低于其平衡转化率。因此，反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)的转化率与最适宜温度(曲线Ⅰ)、平衡转化率与温度(曲线Ⅱ)的关系曲线示意图可表示为。 7．已知在催化剂M作用下，发生反应：NO2(g)＋CO(g)CO2(g)＋NO(g)　ΔH<0。 (1)催化剂M的活性随温度变化的情况如图1所示，相同时间测得NO2的转化率随反应温度变化的情况如图2所示，写出NO2的转化率出现上述变化的可能原因：________________ ______________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________(写出两点)。 (2)在图2中画出，其他条件不变，增大压强(催化剂不失活)情况下，NO2的转化率随温度的变化图。 答案　(1)①T0之前，没有达到平衡，温度升高，反应速率变快，NO2的转化率增加，T0之后，反应达到平衡，温度升高平衡逆向移动，NO2的转化率下降；②T0之前，没有达到平衡，温度升高，催化剂活性变大，促进反应速率变快，NO2的转化率增加，T0之后，温度升高，催化剂活性减小，反应速率变慢，NO2的转化率下降 (2) 解析　此反应为反应前后气体总分子数不变的反应，其他条件不变，增大压强，化学反应速率变大，转化率增大，所以相同温度下纵坐标较之前要大，即对应的NO2转化率大，但平衡不移动，平衡转化率是不变的。 8．为减少SO2的排放，工业上常将SO2转化为CaSO4固定，但存在CO又会同时发生以下两个反应： 序号 反应 活化能 平衡常数 Ⅰ CaSO4(s)＋CO(g)CaO(s)＋SO2(g)＋CO2(g)　ΔH1＝＋218.4 kJ·mol－1 Ea1 KⅠ Ⅱ CaSO4(s)＋4CO(g)CaS(s)＋4CO2(g) ΔH2＝－175.6 kJ·mol－1 Ea2(Ea2>Ea1) KⅡ(KⅡ>KⅠ) (1)恒容、恒温(T1)条件下，反应体系中c(SO2)随时间t变化的总趋势如图。结合已知信息分析c(SO2)随时间变化的原因：_______________________________________________________ ______________________________________________________________________________。 (2)恒容、恒温(T2：T2>T1)条件下，请在图中画出c(SO2)随时间t的变化图。 答案　(1)由于反应Ⅰ的活化能小于反应Ⅱ，反应Ⅰ速率大于反应Ⅱ，c(SO2)变大；由于反应Ⅱ的平衡常数大于反应Ⅰ，反应Ⅱ进行的程度更大，随反应进行，以反应Ⅱ为主，c(CO2)变大，使反应Ⅰ平衡逆向移动，c(SO2)变小 (2) 解析　(2)T2>T1，可知开始时T2条件下反应速率更快，单位时间内c(SO2)变化更大，即开始曲线的斜率比原来大，由于反应Ⅱ是放热反应，温度升高，平衡逆向移动，c(CO2)变小，反应Ⅰ是吸热反应，温度升高，且c(CO2)变小，平衡正向移动，两个因素都使T2时终点c(SO2)比T1时高，即曲线终点比原来高。 9．以“水煤气”为原料合成氨，需在交换塔中将CO变换成H2，交换塔中主要发生的反应为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH<0 交换塔中主反应正逆反应速率可以表示为v正＝k正·c(CO)·c(H2O)，v逆＝k逆·c(CO2)·c(H2)，k正和k逆都是温度的函数。在图中画出k正、k逆随温度变化的趋势。 答案　 解析　交换塔中主反应是放热反应，随着温度的升高正逆反应速率都要增大，但逆反应速率增大的更多，平衡逆向移动。 10．已知Arrhenius经验公式：Rln k＝－＋C(Ea为活化能，假设受温度影响忽略不计，k为速率常数，R和C为常数)，为探究催化剂m、n的催化效率，进行了相应的实验，依据实验数据获得如图曲线，在催化剂m作用下，该反应的活化能Ea＝________ J·mol－1。假设催化剂n的催化效率大于m的催化效率，请在图中画出催化剂n的相应曲线图和标注。 答案　9.0×104 解析　将图中的数据代入得到54＝－7.2×10－3Ea＋C，27＝－7.5×10－3Ea＋C，解得Ea＝9.0×104 J·mol－1。催化剂n的催化效率大于m，即能进一步降低活化能，相同条件下催化剂n对应的Ea小于m，－Ea为曲线斜率，则催化剂n的斜率更大，且两条线与Y轴交点相同。 学科网（北京）股份有限公司 $