高考化学第二轮专项复习专题五　大题突破1　热化学、化学反应速率与平衡的综合分析(A、B两练)含答案或解析

热化学、化学反应速率与平衡的综合分析(A)1.(10分)(2024·贵州，17)在无氧环境下，CH4经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一定温度下，CH4芳构化时同时存在如下反应：ⅰ.CH4(g)→C(s)+2H2(g)ΔH1=+74.6kJ·mol-1ΔS=+80.84J·mol-1·K-1ⅱ.6CH4(g)→C6H6(l)+9H2(g)ΔH2回答下列问题：(1)反应ⅰ在1000K时(填“能”或“不能”)自发进行。

(2)已知25℃时有关物质的燃烧热数据如表，则反应ⅱ的ΔH2=kJ·mol-1(用含a、b、c的代数式表示)。

物质CH4(g)C6H6(l)H2(g)ΔH/(kJ·mol-1)abc(3)受反应ⅰ影响，随着反应进行，单位时间内甲烷转化率和芳烃产率逐渐降低，原因是

。

(4)对催化剂在不同的pH条件下进行处理，能够改变催化剂的活性。将催化剂在5种不同pH条件下处理后分别用于催化CH4芳构化，相同反应时间内测定相关数据如下表，其中最佳pH为，理由是

。

pHCH4平均转化率/%芳烃平均产率/%产物中积碳平均含量/%2.49.605.3540.754.09.804.6045.857.09.254.0546.8010.010.456.4533.1012.09.954.1049.45(5)973K、100kPa下，在某密闭容器中按n(C6H6)∶n(CH4)=1∶5充入气体，发生反应C6H6(g)+CH4(g)→C7H8(g)+H2(g)，平衡时C6H6与C7H8的分压比为4∶1，则C6H6的平衡转化率为，平衡常数Kp=(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数，列出计算式即可)。

(6)引入丙烷可促进甲烷芳构化制备苯和二甲苯，反应如下：(两个反应可视为同级数的平行反应)对于同级数的平行反应有v1v2=k1k2=A1A2e(Ea，2−Ea，1RT)，其中v、k分别为反应速率和反应速率常数，Ea为反应活化能，A12.(10分)(2023·辽宁，18)硫酸工业在国民经济中占有重要地位。(1)我国古籍记载了硫酸的制备方法——“炼石胆(CuSO4·5H2O)取精华法”。借助现代仪器分析，该制备过程中CuSO4·5H2O分解的TG曲线(热重)及DSC曲线(反映体系热量变化情况，数值已省略)如图1所示。700℃左右有两个吸热峰，则此时分解生成的氧化物有SO2、和(填化学式)。

(2)铅室法使用了大容积铅室制备硫酸(76%以下)，副产物为亚硝基硫酸，主要反应如下：NO2+SO2+H2O=NO+H2SO42NO+O2=2NO2ⅰ.上述过程中NO2的作用为。

ⅱ.为了适应化工生产的需求，铅室法最终被接触法所代替，其主要原因是

(答出两点即可)。

(3)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化：SO2(g)+12O2(g)SO3(g)ΔH=-98.9kJ·mol-1ⅰ.为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度，绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度的关系如图2所示，下列说法正确的是。

a.温度越高，反应速率越大b.α=0.88的曲线代表平衡转化率c.α越大，反应速率最大值对应温度越低d.可根据不同α下的最大速率，选择最佳生产温度ⅱ.为提高钒催化剂的综合性能，我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下，温度和转化率关系如图3所示，催化性能最佳的是(填标号)。

ⅲ.设O2的平衡分压为p，SO2的平衡转化率为αe，用含p和αe的代数式表示上述催化氧化反应的Kp=(用平衡分压代替平衡浓度计算)。

3.(14分)(2024·山东，20)水煤气是H2的主要来源，研究CaO对C-H2O体系制H2的影响，涉及主要反应如下：C(s)+H2O(g)CO(g)＋H2(g)(Ⅰ)ΔH1>0CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)(Ⅱ)ΔH2<0CaO(s)+CO2(g)CaCO3(s)(Ⅲ)ΔH3<0(1)C(s)+CaO(s)+2H2O(g)CaCO3(s)+2H2(g)的焓变ΔH=(用代数式表示)。

(2)压力p下，C-H2O-CaO体系达平衡后，图示温度范围内C(s)已完全反应，CaCO3(s)在T1温度时完全分解。气相中CO、CO2和H2摩尔分数随温度的变化关系如图所示，则a线对应物种为(填化学式)。当温度高于T1时，随温度升高c线对应物种摩尔分数逐渐降低的原因是

。

(3)压力p下、温度为T0时，图示三种气体的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05，则反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的平衡常数Kp=；此时气体总物质的量为4.0mol，则CaCO3(s)的物质的量为_____________mol；若向平衡体系中通入少量CO2(g)，重新达平衡后，分压p(CO2)将(填“增大”“减小”或“不变”)，p(CO)将(填“增大”“减小”或“不变”)。

4.(16分)二氧化碳、甲烷等是主要的温室气体。研发二氧化碳和甲烷的利用技术对治理生态环境具有重要意义。已知：常温常压下，一些物质的燃烧热如表所示。物质CH4(g)H2(g)CO(g)ΔH/(kJ·mol-1)-890.3-285.8-283.0(1)在催化剂作用下，甲烷的催化重整是制备合成气的重要方法，写出CH4(g)与CO2(g)反应生成CO(g)和H2(g)的热化学方程式：

。

(2)在恒温恒容密闭容器中，通入一定量的CH4、CO2发生催化重整反应。①下列能说明该反应达到化学平衡状态的是(填字母)。

A.混合气体的平均相对分子质量不再变化B.v正(CH4)=2v逆(CO)C.CO与H2浓度的比值不再变化D.容器内混合气体的密度不再变化②当投料比n(CH4)n(CO2)=1.0时，CO2的平衡转化率(α)与温度(T)、初始压强(p)的关系如图所示。由图可知：压强p1(填“>”“<”或“=”)2MPa；当温度为T3K、初始压强为2MPa时，a点的v逆(填“>”“<”或“=”)v正。起始时向1L恒容容器中加入2molCH4和2molCO2，在温度为T(3)我国科学家对甲烷和水蒸气催化重整反应机理也进行了广泛研究，通常认为该反应分两步进行。第一步：CH4催化裂解生成H2和碳(或碳氢物种)，其中碳(或碳氢物种)吸附在催化剂上，如CH4→Cads/[C(H)n]ads+(2-n2)H2；第二步：碳(或碳氢物种)和H2O反应生成CO2和H2，如Cads/[C(H)n]ads+2H2O→CO2+(2+n2)H判断过程(填序号)加入了催化剂，原因是

。

控制整个过程②反应速率的是第Ⅱ步，其原因为。

热化学、化学反应速率与平衡的综合分析(B)1.(10分)(2024·湖南益阳高三模拟)煤的间接液化是煤的综合利用的一种重要方法。首先是煤燃烧生成CO2，再在钼系催化剂的催化作用下与H2O反应，最终生成C2H5OH。过程中主要发生如下反应：反应Ⅰ：C(s)+O2(g)=CO2(g)ΔH1=-393.5kJ·mol-1反应Ⅱ：2CO2(g)+2H2O(g)=C2H4(g)+3O2(g)ΔH2=+1323kJ·mol-1反应Ⅲ：C2H4(g)+H2O(g)=C2H5OH(l)ΔH3=-88.2kJ·mol-1(1)已知H2O(l)=H2O(g)ΔH4=+44.0kJ·mol-1，C2H5OH的燃烧热ΔH5=kJ·mol-1。

(2)为更好地研究煤的液化过程，某学习小组对反应Ⅱ进行了系统的研究。在一个2L的刚性容器中加入2molCO2气体及4mol水蒸气，在500℃及钼系催化剂(固体)存在条件下只发生反应Ⅱ。①下列能说明该反应已达到平衡状态的是(填字母)。

A.CO2的体积分数不再改变B.n(CO2)∶n(H2O)不再改变C.容器的总压不再改变D.容器中气体的密度不再改变②如图为平衡时四种组分的物质的量分数随温度的变化曲线。图中曲线b表示的物质是，原因是

。

③T1K时该反应的平衡常数为。

④T1K时，某同学在该容器中加入mmolCO2和nmolH2O(g)，同时加入了1molC2H4和3molO2，达到平衡后CO2的体积分数仍与N点相同，则n=(用含m的代数式表示)。

2.(10分)(2023·辽宁抚顺普通高中高三模拟)我国承诺在2030年前实现碳达峰即二氧化碳的排放量不再增长。因此，研发二氧化碳利用技术、降低空气中二氧化碳含量成为研究热点。请回答下列问题：(1)以CO2和NH3为原料合成尿素是利用CO2的成功范例。在尿素合成塔中的主要反应可表示如下：反应①：2NH3(g)+CO2(g)NH2COONH4(s)ΔHl=-159.5kJ·mol-1反应②：NH2COONH4(s)CO(NH2)2(s)+H2O(g)ΔH2总反应③：2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g)ΔH3=-87.0kJ·mol-1反应②的ΔH2=kJ·mol-1。

(2)利用工业废气中的CO2可以制取甲醇：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，一定条件下往恒容密闭容器中充入1molCO2和3molH2，在不同催化剂作用下发生反应Ⅰ、反应Ⅱ与反应Ⅲ，相同时间内CO2的转化率随温度变化如图所示。①催化剂效果最佳的反应是(填“反应Ⅰ”“反应Ⅱ”或“反应Ⅲ”)。

②一定温度下，下列不能说明上述反应Ⅰ达到化学平衡状态的是(填字母)。

A.CO2的质量分数在混合气体中保持不变B.反应中CO2与H2的物质的量之比为1∶3C.3v正(CO2)=v逆(H2)D.容器内气体总压强不再变化E.容器内混合气体的密度不再变化③若反应Ⅲ在a点时已达平衡状态，a点CO2转化率高于b点和c点的原因是

。

④c点时总压强为0.1MPa，该反应的平衡常数=MPa-2(用平衡分压代替平衡浓度，分压=总压×物质的量分数，计算结果用最简分式表示)。

3.(14分)(2024·江西九江高三二模)CO2与H2反应合成HCOOH，是实现“碳中和”的有效途径。(1)已知：CO2(g)+H2(g)HCOOH(g)ΔH=。

(2)在催化作用下，温度为T1℃时，将一定量CO2和H2充入密闭容器中发生如下反应：主反应Ⅰ：CO2(g)+H2(g)HCOOH(g)K=α；副反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.2kJ·mol-1。①如图是不同催化剂电化学还原CO2生产HCOOH的催化性能及机理，并通过DFT计算催化剂表面该还原过程的物质的相对能量，如图所示(带“*”表示物质处于吸附态)。电化学还原CO2生产HCOOH，使用作催化剂较优。

②实验测得反应Ⅰ：v正=k正c(CO2)·c(H2)，v逆=k逆c(HCOOH)，k正、k逆为速率常数。温度为T2℃时，k正=0.8αk逆，则T2(填“大于”“小于”或“等于”)T1，判断依据是

。

③实验测得平衡时CO2的转化率及HCOOH和CO的选择性(产物的选择性：生成的HCOOH或CO与转化的CO2的比值)随温度变化如图所示。曲线b表示，200~360℃，升高温度曲线b对应纵坐标值减小的原因是。240℃时，平衡体系中氢气的分压为p0kPa，主反应Ⅰ的Kp=kPa-1(用x、y、p0表示)。

4.(16分)CH4是重要的资源，CH4⁃H2O催化重整不仅可制得H2，还对温室气体的减排具有重要意义。工业上常用甲烷水蒸气重整制备氢气，体系中发生如下反应：Ⅰ.CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)ΔH1=+205.8kJ·mol-1Ⅱ.CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)ΔH2=-41.2kJ·mol-1总反应：Ⅲ.CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)ΔH3(1)反应Ⅲ的ΔH3=；该反应自发进行的条件是。

(2)常向反应体系中通入一定比例的O2，有利于重整反应。试从能量角度分析其原因：

；

进料中氧气量不能过大，原因是

。

(3)生产中向重整反应体系中加入适量多孔CaO，其优点是。

(4)在8MPa、840℃条件下，甲烷水蒸气重整反应达到平衡时体系中各组分摩尔分数与投料水碳比[n(H2O)n(C①曲线②④分别代表体系中、的变化曲线(填化学式)。

②投料水碳比为4时，反应Ⅲ的平衡常数Kp=(以分压表示，分压=总压×物质的量分数，结果保留3位有效数字)。

答案精析A1.(1)能(2)6a-b-9c(3)反应ⅰ有积炭生成，随着反应的进行，生成的积炭逐渐增多，覆盖在催化剂表面，使催化剂催化性能逐渐降低，化学反应速率减小(4)10.0pH=10.0时，产物中积炭平均含量最低，CH4平均转化率最大，芳烃平均产率最高(5)20%0.26×100kPa2(6)适当降低温度，加入合适的催化剂(合理即可)解析(1)反应ⅰ.CH4(g)C(s)+2H2(g)ΔH1=+74.6kJ·mol-1ΔS=+80.84J·mol-1·K-1，在1000K时，ΔG=ΔH-TΔS=+74.6kJ·mol-1-1000K×80.84×10-3kJ·mol-1·K-1=-6.24kJ·mol-1<0，故反应ⅰ在1000K时能自发进行。(2)ⅱ.6CH4(g)C6H6(l)+9H2(g)ΔH2由题给数据可得出以下热化学方程式：①CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)ΔH=akJ·mol-1②C6H6(l)+152O2(g)6CO2(g)+3H2O(l)ΔH=bkJ·mol-1③H2(g)+12O2(g)=H2O(l)ΔH=ckJ·mol依据盖斯定律，将反应①×6-②-③×9得，反应ⅱ的ΔH2=(6a-b-9c)kJ·mol-1。(5)设起始时C6H6的物质的量为1mol，CH4的物质的量为5mol，参加反应的C6H6的物质的量为xmol，则可建立如下三段式：平衡状态时v正=v逆，得k正k逆=x(CO)·xCO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)始/(mol·L-1) 1100转/(mol·L-1) 0.60.60.60.6CO2转化率为60%时/(mol·L-1) 0.40.40.60.6v正v逆=k2.(1)CuOSO3(2)ⅰ.催化剂ⅱ.铅室法制得的产品中存在亚硝基硫酸杂质，生产过程中需使用有毒的氮氧化物(3)ⅰ.cdⅱ.dⅲ.α解析(1)由图可知，起始时有2.5mgCuSO4·5H2O，其物质的量是0.01mmol，所含结晶水的质量为0.9mg，则固体质量剩余1.6mg时所得固体为CuSO4，加热过程中Cu元素的质量不变，则固体质量剩余0.8mg时所得的固体是CuO，结合题图DSC曲线有两个吸热峰可知，700℃发生的反应为CuSO4→CuO+SO3、SO3→SO2+O2，则生成的氧化物除SO2外，还有CuO、SO3。(2)ⅰ.根据所给的反应方程式，NO2在反应过程中先消耗再生成，说明NO2在反应中起催化剂的作用。(3)ⅰ.根据不同转化率下的反应速率曲线可以看出，随着温度的升高反应速率先加快后减慢，a错误；由图像可知，相同温度下，转化率可以达到0.90和0.92，则α=0.88不是平衡转化率，b错误；随着转化率的增大，最大反应速率不断减小，最大反应速率出现的温度也逐渐降低，c正确；ⅲ.利用分压代替浓度计算平衡常数，反应的平衡常数Kp=p(SO3)p(SO2)·p12(O2)=n(SO3)n总p总n(SO2)n总·p总3.(1)ΔH1+ΔH2+ΔH3(2)H2当温度高于T1，CaCO3(s)已完全分解，只发生反应Ⅱ，温度升高，反应Ⅱ平衡逆向移动，所以CO2的摩尔分数逐渐降低(3)59解析(1)根据盖斯定律，目标总反应=反应(Ⅰ)+反应(Ⅱ)+反应(Ⅲ)，则其ΔH=ΔH1+ΔH2+ΔH3。(2)图示温度范围内C(s)已完全反应，则反应Ⅰ已经进行完全，反应Ⅱ和Ⅲ均为放热反应，从开始到T1，温度不断升高，反应Ⅱ和Ⅲ平衡逆向移动，依据反应Ⅱ，H2量减小，摩尔分数减小，CO量升高，摩尔分数增大，所以a线代表H2的摩尔分数的变化，b线代表CO的摩尔分数的变化。T1时，CaCO3(s)已完全分解，当温度高于T1，相当于只发生反应Ⅱ，CO2的摩尔分数减小，则c线代表CO2的摩尔分数随温度的变化。(3)压力p下、温度为T0时，H2、CO、CO2的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05，则H2O(g)的摩尔分数为1-0.5-0.15-0.05=0.3，则反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的平衡常数Kp=p(CO2)·p(H2)p(CO)·p(H2Ⅰ：C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)Ⅳ：C(s)+2H2O(g)=CO2(g)+2H2(g)Ⅴ：C(s)+CaO(s)+2H2O(g)CaCO3(s)+2H2(g)平衡时气体n(总)=4mol，根据H2、CO、CO2的摩尔分数可计算三者的物质的量分别为：n(H2)=4mol×0.5=2mol，同理，n(CO)=0.6mol，n(CO2)=0.2mol，平衡时，由反应(Ⅰ)生成的H2：n(H2)Ⅰ=n(CO)=0.6mol，由反应(Ⅳ)生成的H2：n(H2)Ⅳ=2n(CO2)=2×0.2mol=0.4mol，则由反应(Ⅴ)生成的H2：n(H2)Ⅴ=2mol-0.6mol-0.4mol=1mol，由反应(Ⅴ)产物关系可得n(CaCO3)=12n(H2)Ⅴ=12×1mol=0.5mol；若向平衡体系中通入少量CO2(g)后，反应ⅢCaO(s)+CO2(g)=CaCO3(s)重新达平衡，Kp=1p(CO2)，温度不变，Kp不变，则分压p(CO2)不变，Kc=1c(CO4.(1)CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)ΔH=+247.3kJ·mol-1(2)①A②<>4(3)②催化剂降低了活化能第Ⅱ步的活化能大，反应速率慢解析(1)根据已知燃烧热可得热化学方程式：①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)ΔH=-890.3kJ·mol-1；②H2(g)+12O2(g)=H2O(l)ΔH=-285.8kJ·mol-1；③CO(g)+12O2(g)=CO2(g)ΔH=-283.0kJ·mol-1。根据盖斯定律，将热化学方程式①-②×2-③×2，整理可得CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)ΔH=+247.3kJ·mol-1。(2)①在恒温恒容密闭容器中，通入一定量的CH4、CO2发生催化重整反应：CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)，该反应的正反应是气体体积增大的反应，反应后气体的物质的量增大，根据M=mn可知，混合气体m不变，n变化，平均相对分子质量变化，当平均相对分子质量不再变化，反应达到平衡状态，A正确；反应速率之比等于化学计量数之比，当2v正(CH4)=v逆(CO)，反应达到平衡状态，故v正(CH4)=2v逆(CO)时反应未达到平衡状态，B错误；CO与H2都是生成物，二者的浓度比始终保持不变，因此不能据此判断反应是否达到平衡状态，C错误；该反应的反应物都是气体，气体的质量不变，反应在恒温恒容密闭容器中进行，气体的体积不变，则根据ρ=mV可知容器内混合气体的密度始终不变化，因此不能据此判断反应是否达到平衡状态，D错误。②该反应的正反应为气体分子数增多的反应，在其他条件不变时，增大压强，化学平衡逆向移动α(CO2)减小，故压强：p1<2MPa；根据图示可知，当温度为T3K、初始压强为2MPa时，反应进行到a点时CO2的转化率大于该压强下的CO2平衡转化率，则说明反应逆向进行，故反应速率关系：v逆>v正；根据图示可知，在温度为T6K，起始压强为2MPa时，CO2的平衡转化率为0.5。由于开始时加入n(CH4)=n(CO2)=2mol，则根据CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)中反应转化关系可知平衡时n(CH4)=n(CO2)=1mol，n(H2)=n(CO)=2mol，气体总物质的量为n(总)=6mol，反应在恒温恒容密闭容器中进行，气体的压强与气体的物质的量呈正比，则平衡时气体总压强为p(平衡)=6mol2mol+2mol×2MPa=3MPa，则压强平衡常数Kp=(3×13)2×(3×13)2(3×16)×(3×B1.(1)-1366.8(2)①AB②C2H4随温度升高，平衡正向移动，C2H4的含量增大，且O2物质的量分数增大量是C2H4的3倍③2716④2m解析(2)①CO2的体积分数不再改变，浓度不变，反应达到平衡状态，A选；充入的反应物不是按系数比充入，n(CO2)∶n(H2O)不再改变，反应达到平衡状态，B选；该反应反应前后气体总物质的量不变，容器的总压不再改变，不能判断反应已达到平衡状态，C不选；该反应反应前后气体总物质的量不变，容器的体积不变，密度为定值，容器中气体的密度不再改变，不能判断反应已达到平衡状态，D不选。③列出三段式：2CO2(g)+2H2O(g)=C2H4(g)+3O2(g)初始/mol2400转化/mol2x2xx3x平衡/mol2-2x4-2xx3x平衡时2-2x=x，解得x=23，则平衡时c(CO2)=13mol·L-1，c(H2O)=43mol·L-1，c(C2H4)=13mol·L-1，c(O2)=1mol·L-1，故T1K时反应的平衡常数K=13×13132×432=2716。④加入1molC2H4和3molO2，等效于加入2molCO2和22.(1)+72.5(2)①反应Ⅰ②BE③该反应为放热反应，c点所在温度高，平衡逆向移动，转化率低于a点；b点所在温度低，反应速率慢，相同时间内反应未达到平衡，转化率低于a点④256003.(1)-31.4kJ·mol-1(2)①BiIn②大于K(T2)=0.8α<K(T1)=α，该反应ΔH<0，温度越高，K越小③CO2的转化率升高温度，反应Ⅰ平衡逆向移动程度大于反应Ⅱ平衡正向移动程度y解析(1)由盖斯定律得ΔH