化学反应原理综合题 解析版

题型以速率、平衡为中心的原理综合题

1．石油化工生产中，利用裂解反应可以获得重要化工原料乙烯、丙烯。一定条件下，正丁烷裂解的主反应如下：

反应ⅠC4H10(g)催化剂

CH4(g)＋CH3CH===CH2(g)ΔH1；

反应ⅠC4H10(g)催化剂

C2H6(g)＋CH2===CH2(g)ΔH2；

回答下列问题：

(1)正丁烷、乙烷和乙烯的燃烧热分别为Q1 kJ·mol－1、Q2 kJ·mol－1、Q3 kJ·mol－1，反应Ⅰ的ΔH2＝________。

(2)一定温度下，向容积为5 L的密闭容器中通入正丁烷，反应时间(t)与容器内气体总压强(p)数据如下：

t/min0a2a3a4a

p/MPa57.28.48.88.8

Ⅰ该温度下，正丁烷的平衡转化率α＝________；反应速率可以用单位时间内分压的变化表示，即v＝Δp/Δt，前2a min内正丁烷的平均反应速率v(正丁烷)＝________MPa·min－1。

Ⅰ若平衡时甲烷、乙烯的体积分数分别为2

11、

1

4，则该温度下反应Ⅰ的压强平衡常数K p＝

________MPa(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数，保留三位有效数字)。

Ⅰ若反应在恒温、恒压条件进行，平衡后反应容器的体积________8.8 L(填“>”“<”或“＝”)。

Ⅰ实际生产中发现高于640 K后，乙烯和丙烯的产率随温度升高增加幅度减小，可能的原因是______________________________(任写1条)。

(3)一种丁烷燃料电池工作原理如图所示。

ⅠA 电极上发生的是________反应(填“氧化”或“还原”)。 Ⅰ写出B 电极的电极反应式：________。

解析 (1)ⅠC 4H 10(g)＋6.5O 2(g)===4CO 2(g)＋5H 2O(l) ΔH ＝－Q 1 kJ·mol －1

ⅠC 2H 6(g)＋3.5O 2(g)===2CO 2(g)＋3H 2O(l) ΔH ＝－Q 2 kJ·mol －1

ⅠCH 2===CH 2(g)＋3O 2(g)===2CO 2(g)＋2H 2O(l) ΔH ＝－Q 3 kJ·mol －1 Ⅰ－Ⅰ－Ⅰ得：C 4H 10(g)

催化剂

C 2H 6(g)＋CH 2===CH 2(g) ΔH 2＝(Q 2＋Q 3－Q 1) kJ·mol －

1；

(2)Ⅰ设该温度下，正丁烷的平衡转化率α，平衡时，5(1－α)＋5α＋5α＝8.8，α＝0.76；前2a min 内压强从5 MPa 增大到8.4 MPa ，即前2a min 内正丁烷的Δp ＝3.4 MPa ，根据v (正丁烷)＝Δp /Δt ＝(8.4 MPa －5 MPa)/2a min ＝1.7/a MPa·min －1；

Ⅰ反应Ⅰ C 4H 10(g)

催化剂

CH 4(g)＋CH 3CH===CH 2(g)，平衡时，若平衡时甲烷、乙烯的

体积分数分别为211、14，则丙烯和乙烷的体积分数分别为211、1

4，正丁烷为1－2/11－2/11－1/4－1/4＝3/22，K p ＝8.8×211×8.8×211

8.8×322＝2.13；Ⅰ反应为体积变大的反应，若反应在恒温、恒压条件

进行，平衡后反应容器的体积变大，故体积大于8.8 L ；Ⅰ高于640 K 后，乙烯和丙烯的产率随温度升高增加幅度减小，可能的原因是：催化剂活性降低(或反应物浓度降低等)；(3)A 电极上氧气得电子，发生还原反应；B 电极上正丁烷被氧化，电极反应式为：C 4H 10＋13O 2－－26e

－

===4CO 2＋5H 2O 。

答案(1)(Q2＋Q3－Q1) kJ·mol－1

(2)Ⅰ76% 1.7/aⅠ2.13Ⅰ>Ⅰ催化剂活性降低(或反应物浓度降低等)

(3)Ⅰ还原ⅠC4H10＋13O2－－26e－===4CO2＋5H2O

2．(2019·陕西省高三下学期第一次模拟，27)Ⅰ.硫和氮的氧化物直接排放会引发严重的环境问题，请回答下列问题：

(1)下列环境问题主要由硫氧化物和氮氧化物的排放引发的是________。

A．全球变暖B．酸雨

C．水体富营养化(水华)D．白色污染

(2)SO2的排放主要来自于煤的燃烧。常用石灰石脱硫，其产物可以做建筑材料。

已知：CaCO3(s)===CO2(g)＋CaO(s)

ΔH＝＋178.2 kJ/mol

SO2(g)＋CaO(s)===CaSO3(s)

ΔH＝－402 kJ/mol

2CaSO3(s)＋O2(g)===2CaSO4(s)

ΔH＝－234.2 kJ/mol

写出石灰石脱硫的热化学反应方程式_______________________。

Ⅰ.NO x的排放主要来自于汽车尾气，包含NO2和NO，有人提出用活性炭对NO x进行吸附，发生反应如下：

反应a：C(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g)

ΔH＝－34.0 kJ/mol

反应b：2C(s)＋2NO2(g)N2(g)＋2CO2(g)

ΔH＝－64.2 kJ/mol

(3)对于反应a，在T1 Ⅰ时，借助传感器测得反应在不同时间点上各物质的浓度如下：

Ⅰ0～10 min内，NO的平均反应速率v(NO)＝________，当升高反应温度，该反应的平衡常数K________(选填“增大”、“减小”或“不变”)。

Ⅰ30 min后，只改变某一条件，反应重新达到平衡；根据上表中的数据判断改变的条件可能是________(填字母)。

A．加入一定量的活性炭B．通入一定量的NO

C适当缩小容器的体积D．加入合适的催化剂

(4)某实验室模拟反应b，在密闭容器中加入足量的C和一定量的NO2气体，维持温度为T2Ⅰ，如图为不同压强下反应b经过相同时间NO2的转化率随着压强变化的示意图。请从动力学角度分析，1 050 kPa前，反应b中NO2转化率随着压强增大而增大的原因______________________；

在1 100 kPa时，NO2的体积分数为________。

(5)用某物质的平衡分压代替其物质的量浓度也可以表示化学平衡常数(记作K p)；在T2 Ⅰ、1.1×106Pa时，该反应的化学平衡常数K p＝___________________

(计算表达式表示)；已知：气体分压(p分)＝气体总压(p总)×体积分数。

解析(1)硫氧化物和氮氧化物的排放引发酸雨、光化学烟雾等；A.全球变暖是二氧化碳，A错误；B.硫氧化物和氮氧化物的排放引发硫酸型酸雨和硝酸型酸雨，B正确；C．水体富营养化(水华)是磷元素过量排放，C错误；D.白色污染是聚乙烯、聚氯乙烯等塑料制品造成，D 错误；故合理选项是B；

(2)已知：ⅠCaCO3(s)===CO2(g)＋CaO(s)ΔH＝＋178.2 kJ/mol

ⅠSO2(g)＋CaO(s)===CaSO3(s)ΔH＝－402 kJ/mol

Ⅰ2CaSO3(s)＋O2(g)===2CaSO4(s)ΔH＝－234.2 kJ/mol

根据盖斯定律，将(Ⅰ＋Ⅰ)×2＋Ⅰ，整理可得：得到石灰石脱硫的热化学反应方程式：2CaCO3(s)＋2SO2(g)＋O2(g)===2CaSO4(s)＋2CO2(g)ΔH＝－681.8 kJ/mol；(3)ⅠC(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g)ΔH＝－34.0 kJ/mol，图表数据得到0～10 min内，NO的平均反应

速率v(NO)＝Δc

Δt＝

1.00 mol/L－0.58 mol/L

10 min＝0.042 mol/(L·min)，由于该反应的正反应为放热反

应，所以升高温度，化学平衡向吸热的逆反应方向移动，故化学平衡常数减小；Ⅰ30 min后，只改变某一条件，反应重新达到平衡，C(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g)，依据图表数据分析，

平衡状态物质浓度增大，依据平衡常数计算K＝c（N2）·c（CO2）

c2（NO）＝

0.36×0.36

0.482＝

9

16，平衡常数

会随温度变化，而平衡常数不变说明改变的条件一定不是温度；依据数据分析，氮气浓度增大，二氧化碳和一氧化氮浓度增大，反应前后气体体积不变，所以可能是减小容器体积后加入一定量一氧化氮；A.加入一定量的活性炭，炭是固体物质，对化学平衡无影响，平衡不移动，A错误；B.通入一定量的NO，新平衡状态下物质平衡浓度增大，B正确；C.适当缩小容器的体积，反应前后体积不变，平衡状态物质浓度增大，C正确；D.加入合适的催化剂，催化剂只改变化学反应速率，不能使化学平衡移动，D错误；故合理选项是BC；(4)1 050 KPa前反应未达平衡状态，增大压强，物质的浓度增大，反应速率加快，NO2转化率提高，在1 100 kPa时二氧化氮转化率40%，结合三段法计算列式得到；设通入二氧化氮2 mol，

2C （s ）＋

2NO 2（g ）

N 2（g ）＋2CO 2（g ）

起始量200变化量2×40%＝0.8

0.40.8平衡量

1.2

0.4

0.8

NO 2的体积分数＝ 1.2

1.2＋0.4＋0.8

×100%＝50%；

(5)在1 100 kPa 时二氧化氮转化率40%，结合三段法计算列式得到；设通入二氧化氮1 mol ，

2C （s ）＋

2NO 2（g ）

N 2（g ）＋2CO 2（g ）

起始量100变化量1×40%＝0.4

0.20.4 平衡量

0.6

0.2

0.4

气体总物质的量＝1.2 mol ，

K p ＝（0.41.2×1.1×106）2×（0.21.2×1.1×106）（0.61.2×1.1×106）2＝（0.41.2）2×（0.2

1.2）

（0.61.2）

2×1.1×106

Pa 。

答案 (1)B (2)2CaCO 3(s)＋2SO 2(g)＋O 2(g)===2CaSO 4(s)＋2CO 2(g) ΔH ＝－681.8 kJ/mol

(3)Ⅰ0.042 mol/(L·min) 减小 ⅠBC

(4)1 050 kPa 前反应未达平衡状态，随着压强增大，反应速率加快，NO 2转化率提高 50% (5)

（0.41.2）2×0.2

1.2（0.61.2）2

×1.1×106或（13）2×16

1

4

×1.1×106

Pa

1．工业上利用合成气(CO 、CO 2和H 2)来生产甲醇，有关反应的化学方程式及其在不同温度下的化学平衡常数如下表所示。

化学反应

平衡常数

温度/Ⅰ

500

700

800

Ⅰ.2H2(g)＋CO(g)CH3OH(g)ΔH1K1 2.50.340.15Ⅰ.H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)ΔH2K2 1.0 1.70 2.52Ⅰ.3H2(g)＋CO2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH3K3

(1)若合成气为H2和CO2，发生反应Ⅰ。

Ⅰ由H2(g)和CO2(g)合成CH3OH(g)的ΔH3＝____________。(用ΔH1、ΔH2表示)

Ⅰ下列措施能使反应Ⅰ的平衡体系中n CH3OH

n H2增大的是________(填字母)。

A．将水蒸气从体系中分离出去

B．恒压时充入氦气

C．升高温度

D．恒容时再充入一定量CO2

Ⅰ500 Ⅰ测得反应Ⅰ在10 min时，H2(g)、CO2(g)、CH3OH(g)、H2O(g)的浓度分別为2 mol·L－1、1.0 mol·L－1、0.6 mol·L－1、0.6 mol·L－1，则此时v正______(填“>”“＝”或“<”)v逆。从开始到该时刻，用H2表示反应的平均速率为v(H2)＝________________________________。

(2)用合成气H2、CO和CO2生产甲醇。当n H2

n CO＋n CO2＝a时，体系中CO平衡转化率[α(CO)]与温度和压强关系的一些散点如图1所示。520 K、压强为p时，α(CO)处于C点。

Ⅰ若保持温度不变，增大压强，则可能是图中的________点(填字母，下同)。

Ⅰ若保持压强不变，升高温度，则可能是图中的________点。

(3)利用甲醇燃料电池进行电解的装置如图2，其中A 、B 、D 均为石墨电极，C 为铜电极。工作一段时间后断开K ，此时A 、B 两极上生成等物质的量的气体。

Ⅰ乙中B 电极为________(填“阴极”或“阳极”)，该电极上生成的气体在标准状况下的体积为________________________________________________________________________。

Ⅰ丙装置溶液中金属阳离子的物质的量(n )与转移电子的物质的量[n (e －)]变化关系如图3，则图中c 线表示的是________(填离子符号)的变化。

答案 (1)ⅠΔH 1＋ΔH 2 ⅠAD Ⅰ> 0.18 mol·L －1·min －1 (2)ⅠD ⅠI (3)Ⅰ阴极 2.24 L ⅠCu 2＋ 解析 (1)Ⅰ反应Ⅰ.2H 2(g)＋CO(g)

CH 3OH(g)ΔH 1，反应Ⅰ.H 2(g)＋CO 2(g)

H 2O(g)＋

CO(g)ΔH 2，根据盖斯定律，将反应Ⅰ＋反应Ⅰ得反应Ⅰ：3H 2(g)＋CO 2(g)CH 3OH(g)＋H 2O(g)

ΔH 3＝ΔH 1＋ΔH 2。

Ⅰ结合反应Ⅰ＋Ⅰ得到反应Ⅰ，可得500 Ⅰ时，平衡常数K 3＝K 1·K 2＝2.5×1.0＝2.5,700 Ⅰ时平衡常数K 3＝K 1·K 2＝0.34×1.70＝0.578，温度升高平衡常数减小，说明反应为放热反应，3H 2(g)＋CO 2(g)CH 3OH(g)＋H 2O(g) ΔH 3＜0。将H 2O(g)从体系中分离出去，平衡正向移动，

n

CH 3OH n CO 2比值增大，故A 正确；恒压时充入He(g)，平衡逆向移动，n CH 3OH

n CO 2

比值减

小，故B 错误；反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，n CH 3OH n CO 2

比值减小，故C 错误；恒容时再充入一定量CO 2，平衡正向移动，n CH 3OH n CO 2

比值增大，故D 正确。

Ⅰ平衡常数是利用生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积，结合反应

Ⅰ＋Ⅰ得到反应Ⅰ，500 Ⅰ时，可得平衡常数K 3＝K 1·K 2＝2.5×1.0＝2.5，测得反应Ⅰ在10 min 时，H 2(g)、CO 2(g)、CH 3OH(g)、H 2O(g)的浓度分别为2 mol·L －1、1.0 mol·L －1、0.6 mol·L －1、0.6 mol·L

－1

，Q c ＝0.6×0.6

23×1.0＝0.045

速率为v (H 2O)＝0.6 mol·L －1

10 min ＝0.06 mol·L －1·min －1，用H 2表示反应的平均速率为v (H 2)＝3v (H 2O)＝3×0.06 mol·L －1·min －1＝0.18 mol·L －1·min －1。

(2)Ⅰ上述反应Ⅰ反应前后物质的量不变，Ⅰ、Ⅰ反应后物质的量减少，则保持温度不变，增大压强，反应Ⅰ、Ⅰ平衡正向移动，导致Ⅰ的平衡也正向移动，CO 平衡转化率[α(CO)]增大，可能变成图中的D 点。

Ⅰ反应Ⅰ的K 随温度升高而减小，说明升高温度，平衡逆向移动；反应Ⅰ的K 随温度升高而增大，说明升高温度，平衡正向移动；保持压强不变，升高温度，反应Ⅰ平衡逆向移动，反应Ⅰ平衡正向移动，导致CO 平衡转化率[α(CO)]减小，可能变成图中的I 点。

(3)Ⅰ在燃料电池中通入燃料的为负极，通入氧气的为正极，则B 电极为电解池的阴极，铜离子得电子生成铜，电极反应为：Cu 2＋＋2e －===Cu ，工作一段时间后，断开K ，此时A 、B 两极上产生的气体体积相同，说明铜离子全部放电后溶液中氢离子放电生成氢气，电极反应为2H ＋＋2e －===H 2↑，设生成气体物质的量为x ，溶液中铜离子物质的量为0.1 mol ，电极反应为：

Cu 2＋ ＋ 2e －===Cu ， 0.1 mol 0.2 mol 2H ＋＋2e －===H 2↑， 2x x

A 电极为阳极，溶液中的氢氧根离子失电子生成氧气，电极反应为： 4OH －－4e －===2H 2O ＋O 2↑， 4x x

根据得失电子守恒，0.2 mol ＋2x ＝4x ，解得x ＝0.1 mol ，乙中A 极析出的氧气或B 极析出的氢气物质的量为0.1 mol ，在标准状况下的体积为2.24 L 。

Ⅰ根据转移电子的物质的量和金属阳离子的物质的量的变化，可知，铜离子从无增多，铁离子物质的量减小，亚铁离子增加，a为Fe3＋，b为Fe2＋，c为Cu2＋。

2．甲醛(HCHO)俗称蚁醛，是一种重要的有机原料。

Ⅰ.利用甲醇(CH3OH)制备甲醛

脱氢法：CH3OH(g)===HCHO(g)＋H2(g)

ΔH1＝＋92.09 kJ·mol－1

氧化法：CH3OH(g) ＋1

2O2(g)===HCHO(g)＋H2O(g)ΔH2

(1)已知：2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)ΔH3＝－483.64 kJ·mol－1，则ΔH2＝________________。

(2)与脱氢法相比，氧化法在热力学上趋势较大，其原因为______________________

____________________。

(3)图1为甲醇制备甲醛反应的lg K(K为平衡常数)随温度(T)的变化曲线。曲线________(填“a”或“b”)对应脱氢法，判断依据为__________________。

Ⅰ.甲醛的用途

(4)将甲醛水溶液与氨水混合蒸发可制得乌洛托品(结构简式如图2)，该物质在医药等工业中有广泛用途。若原料完全反应生成乌洛托品，则甲醛与氨的物质的量之比为________。