（通用版）2020高考化学二轮复习 题型三 化学反应原理综合题的研究真题调研教案

化学反应原理综合题的研究1．(2019·全国卷Ⅰ，28)水煤气变换[CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)]是重要的化工过程，主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。回答下列问题：(1)Shibata曾做过下列实验：①使纯H2缓慢地通过处于721℃下的过量氧化钴CoO(s)，氧化钴部分被还原为金属钴Co(s)，平衡后气体中H2的物质的量分数为0.0250。②在同一温度下用CO还原CoO(s)，平衡后气体中CO的物质的量分数为0.0192。根据上述实验结果判断，还原CoO(s)为Co(s)的倾向是CO_____H2(填“大于”或“小于”)。(2)721℃时，在密闭容器中将等物质的量的CO(g)和H2O(g)混合，采用适当的催化剂进行反应，则平衡时体系中H2的物质的量分数为________(填标号)。A．0.25B．0.25C．0.25～0.50D．0.50E．0.50(3)我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程，如图所示，其中吸附在金催化剂表面上的物种用*标注。可知水煤气变换的ΔH________0(填“大于”“等于”或“小于”)。该历程中最大能垒(活化能)E正＝________eV，写出该步骤的化学方程式______________________________________________________________________________________________________。(4)Shoichi研究了467℃、489℃时水煤气变换中CO和H2分压随时间变化关系(如图所示)，催化剂为氧化铁，实验初始时体系中的2HOp和pCO相等、2COp和2Hp相等。计算曲线a的反应在30～90min内的平均速率v(a)＝________kPa·min－1。467℃时2Hp和pCO随时间变化关系的曲线分别是________、________。489℃时2Hp和pCO随时间变化关系的曲线分别是________、________。答案(1)大于(2)C(3)小于2.02COOH*＋H*＋H2O*===COOH*＋2H*＋OH*(或H2O*===H*＋OH*)(4)0.0047bcad解析(1)由题给信息①可知，H2(g)＋CoO(s)Co(s)＋H2O(g)(i)K1＝cH2OcH2＝1－0.02500.0250＝39，由题给信息②可知，CO(g)＋CoO(s)Co(s)＋CO2(g)(ii)K2＝cCO2cCO＝1－0.01920.0192≈51.08。相同温度下，平衡常数越大，反应倾向越大，故CO还原氧化钴的倾向大于H2。(2)第(1)问和第(2)问的温度相同，利用盖斯定律，由(ii)－(i)得CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)K＝K2K1＝51.0839≈1.31。设起始时CO(g)、H2O(g)的物质的量都为1mol，容器体积为1L，在721℃下，反应达平衡时H2的物质的量为xmol。CO(g)＋H2O(g)H2(g)＋CO2(g)起始/mol1100转化/molxxxx平衡/mol1－x1－xxxK＝x21－x2＝1.31，若K取1，则x＝0.5，φ(H2)＝0.25；若K取4，则x≈0.67，φ(H2)≈0.34。氢气的物质的量分数介于0.25与0.34之间，故选C。(3)观察起始态物质的相对能量与终态物质的相对能量知，终态物质相对能量低于始态物质相对能量，说明该反应是放热反应，ΔH小于0。过渡态物质相对能量与起始态物质相对能量相差越大，活化能越大，由题图知，最大活化能E正＝1.86eV－(－0.16eV)＝2.02eV，该步起始物质为COOH*＋H*＋H2O*，产物为COOH*＋2H*＋OH*。(4)由题图可知，30～90min内，v(a)＝4.08－3.80kPa90min－30min≈0.0047kPa·min－1。水煤气变换中CO是反应物，H2是产物，又该反应是放热反应，升高温度，平衡向左移动，重新达到平衡时，H2的压强减小，CO的压强增大。故a曲线代表489℃时2Hp随时间变化关系的曲线，d曲线代表489℃时pCO随时间变化关系的曲线，b曲线代表467℃时2Hp随时间变化关系的曲线，c曲线代表467℃时pCO随时间变化关系的曲线。2．(2019·全国卷Ⅱ，27)环戊二烯()是重要的有机化工原料，广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。回答下列问题：(1)已知(g)===(g)＋H2(g)ΔH1＝100.3kJ·mol－1①H2(g)＋I2(g)===2HI(g)ΔH2＝－11.0kJ·mol－1②对于反应：(g)＋I2(g)===(g)＋2HI(g)③ΔH3＝________kJ·mol－1。(2)某温度，等物质的量的碘和环戊烯()在刚性容器内发生反应③，起始总压为105Pa，平衡时总压增加了20%，环戊烯的转化率为________，该反应的平衡常数Kp＝________Pa。达到平衡后，欲增加环戊烯的平衡转化率，可采取的措施有________(填标号)。A．通入惰性气体B．提高温度C．增加环戊烯浓度D．增加碘浓度(3)环戊二烯容易发生聚合生成二聚体，该反应为可逆反应。不同温度下，溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示，下列说法正确的是________(填标号)。A．T1T2B．a点的反应速率小于c点的反应速率C．a点的正反应速率大于b点的逆反应速率D．b点时二聚体的浓度为0.45mol·L－1(4)环戊二烯可用于制备二茂铁[Fe(C5H5)2，结构简式为]，后者广泛应用于航天、化工等领域中。二茂铁的电化学制备原理如图所示，其中电解液为溶解有溴化钠(电解质)和环戊二烯的DMF溶液(DMF为惰性有机溶剂)。该电解池的阳极为________，总反应为__________________________。电解制备需要在无水条件下进行，原因为_______________________________________________。答案(1)89.3(2)40%3.56×104BD(3)CD(4)Fe电极Fe＋2＋H2↑(或Fe＋2C5H6===Fe(C5H5)2＋H2↑)水会阻碍中间物Na的生成；水会电解生成OH－，进一步与Fe2＋反应生成Fe(OH)2解析(1)根据盖斯定律，由反应①＋反应②得反应③，则ΔH3＝ΔH1＋ΔH2＝(100.3－11.0)kJ·mol－1＝89.3kJ·mol－1。(2)设容器中起始加入I2(g)和环戊烯的物质的量均为a，平衡时转化的环戊烯的物质的量为x，列出三段式：(g)＋I2(g)===(g)＋2HI(g)起始：aa00转化：xxx2x平衡：a－xa－xx2x根据平衡时总压强增加了20%，且恒温恒容时，压强之比等于气体物质的量之比，得a＋aa－x＋a－x＋x＋2x＝11.2，解得x＝0.4a，则环戊烯的转化率为0.4aa×100%＝40%，平衡时(g)、I2(g)、(g)、HI(g)的分压分别为p总4、p总4、p总6、p总3，则Kp＝p总6×p总32p总4×p总4＝827p总，根据p总＝1.2×105Pa，可得Kp＝827×1.2×105Pa≈3.56×104Pa。通入惰性气体，对反应③的平衡无影响，A项不符合题意；反应③为吸热反应，提高温度，平衡正向移动，可提高环戊烯的平衡转化率，B项符合题意；增加环戊烯浓度，能提高I2(g)的平衡转化率，但环戊烯的平衡转化率降低，C项不符合题意；增加I2(g)的浓度，能提高环戊烯的平衡转化率，D项符合题意。(3)由相同时间内，环戊二烯浓度减小量越大，反应速率越快可知，T1T2，A项错误；影响反应速率的因素有温度和环戊二烯的浓度等，a点时温度较低，但环戊二烯浓度较大，c点时温度较高，但环戊二烯浓度较小，故无法比较a点和c点的反应速率大小，B项错误；a点和b点温度相同，a点时环戊二烯的浓度大于b点时环戊二烯的浓度，即a点的正反应速率大于b点的正反应速率，因为b点时反应未达到平衡，b点的正反应速率大于逆反应速率，故a点的正反应速率大于b点的逆反应速率，C项正确；b点时，环戊二烯的浓度减小0.9mol·L－1，结合生成的二聚体浓度为环戊二烯浓度变化量的12，可知二聚体的浓度为0.45mol·L－1，D项正确。(4)结合图示电解原理可知，Fe电极发生氧化反应，为阳极；在阴极上有H2生成，故电解时的总反应为Fe＋2＋H2↑或Fe＋2C5H6===Fe(C5H5)2＋H2↑。结合相关反应可知，电解制备需在无水条件下进行，否则水会阻碍中间产物Na的生成，水电解生成OH－，OH－会进一步与Fe2＋反应生成Fe(OH)2，从而阻碍二茂铁的生成。3．(2019·全国卷Ⅲ，28)近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题：(1)Deacon发明的直接氧化法为：4HCl(g)＋O2(g)===2Cl2(g)＋2H2O(g)。如图为刚性容器中，进料浓度比c(HCl)∶c(O2)分别等于1∶1、4∶1、7∶1时HCl平衡转化率随温度变化的关系：可知反应平衡常数K(300℃)________K(400℃)(填“大于”或“小于”)。设HCl初始浓度为c0，根据进料浓度比c(HCl)∶c(O2)＝1∶1的数据计算K(400℃)＝______(列出计算式)。按化学计量比进料可以保持反应物高转化率，同时降低产物分离的能耗。进料浓度比c(HCl)∶c(O2)过低、过高的不利影响分别是_______________________________________________、________________。(2)Deacon直接氧化法可按下列催化过程进行：CuCl2(s)===CuCl(s)＋12Cl2(g)ΔH1＝83kJ·mol－1CuCl(s)＋12O2(g)===CuO(s)＋12Cl2(g)ΔH2＝－20kJ·mol－1CuO(s)＋2HCl(g)===CuCl2(s)＋H2O(g)ΔH3＝－121kJ·mol－1则4HCl(g)＋O2(g)===2Cl2(g)＋2H2O(g)的ΔH＝________kJ·mol－1。(3)在一定温度的条件下，进一步提高HCl的转化率的方法是________________。(写出2种)(4)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程，如图所示：负极区发生的反应有___________________________________________________________________________________________________________________(写反应方程式)。电路中转移1mol电子，需消耗氧气____L(标准状况)。答案(1)大于0.422×0.4221－0.844×1－0.21c0O2和Cl2分离能耗较高HCl转化率较低(2)－116(3)增加反应体系压强、及时除去产物(4)Fe3＋＋e－===Fe2＋，4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O5.6解析(1)由题给HCl平衡转化率随温度变化的关系图可知，随温度升高，HCl平衡转化率降低，则此反应为放热反应，温度越高，平衡常数越小，即K(300℃)大于K(400℃)。结合题图可知，c(HCl)∶c(O2)＝1∶1、400℃时HCl的平衡转化率为84%，列出三段式：4HCl(g)＋O2(g)===2Cl2(g)＋2H2O(g)起始c0c000转化0.84c00.21c00.42c00.42c0平衡(1－0.84)c0(1－0.21)c00.42c00.42c0则K(400℃)＝c2Cl2·c2H2Oc4HCl·cO2＝0.422×0.4221－0.844×1－0