2025年下学期高三化学化学反应原理综合题专项训练（二）

2025年下学期高三化学化学反应原理综合题专项训练（二）一、工业合成氨反应机理与平衡调控（20分）背景：合成氨反应（N₂+3H₂⇌2NH₃ΔH=-92.4kJ/mol）是人工固氮的重要途径，其反应机理和条件优化一直是化工领域的研究热点。某科研团队在Fe₃O₄催化剂表面进行反应时，通过原位红外光谱捕捉到以下中间体转化过程：N₂(g)→N₂*（吸附态）→2N*（解离）→N*+H*→NH*→NH₂*→NH₃*→NH₃(g)（*表示催化剂活性位点）问题：能量与机理分析（6分）（1）根据中间体能量变化曲线（图1），判断哪一步是反应的决速步骤，并说明理由。（2）计算N₂(g)+H₂(g)→NH₃(g)的焓变ΔH（已知N≡N键能946kJ/mol，H-H键能436kJ/mol，N-H键能391kJ/mol）。速率与平衡计算（8分）在恒温恒容容器中，初始投入n(N₂)=1mol、n(H₂)=3mol，反应达平衡时NH₃体积分数为20%。（1）列式计算该温度下的平衡常数Kc（保留两位有效数字）。（2）若压缩容器体积至原体积的1/2，再次平衡时NH₃体积分数______（填“增大”“减小”或“不变”），结合平衡移动原理解释。条件优化与图像分析（6分）图2为不同温度、压强下NH₃平衡产率变化曲线。（1）解释500℃、30MPa时产率高于400℃、10MPa的原因。（2）工业上常选择400~500℃而非更低温度的主要原因是______。二、甲醇燃料电池与电解精炼（24分）背景：直接甲醇燃料电池（DMFC）具有能量密度高、环境友好等优点，其工作原理如图3所示（质子交换膜只允许H⁺通过）。同时，利用该电池产生的电能可实现CuSO₄溶液中Cu²⁺的电解精炼。问题：电极反应与能量转化（8分）（1）写出DMFC负极的电极反应式：。（2）若电池工作时消耗1molCH₃OH，理论上外电路通过______mol电子，正极区溶液pH（填“增大”“减小”或“不变”）。电解精炼与计算（10分）以DMFC为电源电解200mL0.5mol/LCuSO₄溶液（惰性电极），电解过程中溶液pH随时间变化曲线如图4。（1）t₁时刻阳极的电极反应式为______，此时电路中通过的电子数为______。（2）若电解后溶液体积不变，计算阳极产生气体的体积（标准状况下）。腐蚀与防护（6分）若将DMFC的负极材料换为铁，在中性溶液中会发生吸氧腐蚀。（1）写出正极反应式：。（2）为防止腐蚀，可在铁表面镀铜或镀锌，其中防护效果更好的是，理由是______。三、弱电解质电离与沉淀溶解平衡（26分）背景：25℃时，某工厂废水中含有H⁺、Cu²⁺、Pb²⁺等离子，其处理流程如下：①调节pH至4.0，沉淀部分离子；②加入Na₂S溶液，使Cu²⁺、Pb²⁺完全沉淀。已知：25℃时，Ka(CH₃COOH)=1.8×10⁻⁵，Ksp(CuS)=6.3×10⁻³⁶，Ksp(PbS)=9.0×10⁻²⁹，Kw=1.0×10⁻¹⁴。问题：电离平衡与pH计算（8分）（1）计算0.1mol/LCH₃COOH溶液的pH（已知lg1.34=0.13）。（2）若用NaOH溶液调节废水pH，当pH=4.0时，溶液中c(OH⁻)=______mol/L，此时水电离出的c(H⁺)=______mol/L。沉淀溶解与离子浓度比较（10分）（1）向含Cu²⁺、Pb²⁺的混合溶液中滴加Na₂S溶液，当PbS开始沉淀时，c(Cu²⁺)=mol/L（假设c(Pb²⁺)=c(Cu²⁺)=0.1mol/L）。（2）完全沉淀后，上层清液中c(S²⁻)=1.0×10⁻¹⁸mol/L，此时溶液pH=10，通过计算说明S²⁻的水解程度：（填“主要以HS⁻存在”或“主要以S²⁻存在”，已知H₂S的Ka₂=7.1×10⁻¹⁵）。沉淀转化与图像分析（6分）图5为CuS和PbS的沉淀溶解平衡曲线（pM=-lgc(M²⁺)，pS=-lgc(S²⁻)）。（1）曲线______（填“a”或“b”）代表CuS，判断依据是______。（2）向曲线b上一点（pM=20，pS=15）加入Cu(NO₃)₂固体，溶液组成将沿______（填“曲线b”或“横轴”）移动。四、含硫废水处理与氧化还原平衡（32分）背景：某化工厂用NaClO氧化法处理含硫废水（主要成分为Na₂S），发生反应：Ⅰ.ClO⁻+S²⁻→Cl⁻+S↓（碱性条件）Ⅱ.3ClO⁻+S+2OH⁻→3Cl⁻+SO₄²⁻+H₂O问题：方程式配平与电子转移（8分）（1）用双线桥法标出反应Ⅰ中电子转移方向和数目：ClO⁻+S²⁻→Cl⁻+S↓。（2）写出反应Ⅱ的离子方程式并配平。氧化还原计算与滴定分析（12分）取20.00mL处理后的废水，用0.0100mol/LKMnO₄酸性溶液滴定（SO₄²⁻不反应，Cl⁻被氧化为Cl₂），消耗KMnO₄溶液15.00mL。（1）写出MnO₄⁻与Cl⁻反应的离子方程式：______。（2）计算废水中Cl⁻的浓度（mg/L，保留整数）。条件控制与综合探究（12分）实验测得不同pH下S²⁻氧化率如图6所示。（1）pH=9时，S²⁻氧化率低于pH=11的原因是______。（2）若pH过低，会产生有毒气体Cl₂，用平衡移动原理解释：（已知HClO的Ka=2.9×10⁻⁸）。（3）设计实验验证反应Ⅱ中S是中间产物：（简述操作、现象和结论）。参考答案与解析一、工业合成氨反应机理与平衡调控（1）N₂→2N*为决速步骤*，因其活化能最高（中间体能量差最大）。（2）ΔH=反应物总键能-生成物总键能=（946+3×436）-（6×391）=-92kJ/mol。（1）设转化n(N₂)=xmol，列三段式：N₂+3H₂⇌2NH₃起始：130转化：x3x2x平衡：1-x3-3x2x由2x/(4-2x)=0.2，解得x=0.333，Kc=(0.666)²/[(0.667)(2.00)³]=0.067L²/mol²。（2）增大，压缩体积使压强增大，平衡向气体分子数减小的方向（正反应）移动。（1）500℃、30MPa时，高压促进平衡正向移动，抵消了高温导致的平衡逆向移动；（2）兼顾反应速率和催化剂活性，低温虽平衡产率高，但反应速率过慢。二、甲醇燃料电池与电解精炼（1）CH₃OH-6e⁻+H₂O=CO₂↑+6H⁺（2）6，正极反应O₂+4e⁻+4H⁺=2H₂O，H⁺被消耗，pH增大。（1）4OH⁻-4e⁻=O₂↑+2H₂O，t₁时pH=1，c(H⁺)=0.1mol/L，n(e⁻)=0.1×0.2=0.02mol，电子数=0.02Nₐ。（2）n(O₂)=0.02/4=0.005mol，V=0.005×22.4=0.112L。（1）O₂+2H₂O+4e⁻=4OH⁻（2）镀锌，锌比铁活泼，形成原电池时锌作负极被腐蚀，铁作正极保护。三、弱电解质电离与沉淀溶解平衡（1）c(H⁺)=√(Ka·c)=√(1.8×10⁻⁵×0.1)=1.34×10⁻³mol/L，pH=2.87（2）1.0×10⁻¹⁰，1.0×10⁻¹⁰（pH=4时，水电离出的H⁺等于OH⁻浓度）。（1）c(Cu²⁺)=Ksp(CuS)/[Ksp(PbS)/c(Pb²⁺)]=6.3×10⁻³⁶×0.1/9.0×10⁻²⁹=7.0×10⁻⁹mol/L（2）主要以HS⁻存在，c(HS⁻)/c(S²⁻)=Ka₂/c(H⁺)=7.1×10⁻¹⁵/10⁻¹⁰=7.1×10⁻⁵＜1，故HS⁻为主。（1）a，CuS的Ksp更小，相同c(S²⁻)时c(Cu²⁺)更低，pM更大。（2）曲线b，加入Cu²⁺使c(Cu²⁺)增大，c(S²⁻)减小，沿曲线移动。四、含硫废水处理与氧化还原平衡（1）ClO⁻+S²⁻=Cl⁻+S↓（Cl得2e⁻，S失2e⁻）（2）3ClO⁻+S+2OH⁻=3Cl⁻+SO₄²⁻+H₂O（1）2MnO₄⁻+10Cl⁻+16H⁺=2Mn²⁺+5Cl₂↑+8H₂O（2）n(Cl⁻)=5×n(MnO₄⁻)=5×0.01×0.015=7.5×10⁻⁴mol，c(Cl⁻)=7.5×10⁻⁴×35.5×10³/0.02=133mg/L。（1）pH=9时OH⁻浓度低，反应Ⅱ难以进行，S²⁻