高考化学一轮复习讲义 大单元四　第十章　第41讲　化学反应与规律综合大题突破

第41讲化学反应与规律综合大题突破[复习目标]1.熟悉探究反应变化与规律综合题的考查特点。2.通过研做近年高考真题，建立解答原理分析型综合题的思维路径。3.能从速率、平衡不同视角规范使用化学语言解答工业生产的相关问题。考点一化学平衡移动类归因问题1.工业生产图像中转化率、产率变化文字说理题答题要领2.平衡移动类文字说理题答题模板叙特点(反应特点或容器特点)→变条件→定方向→得结论(或结果)(1)温度：该反应正向为×××(放热或吸热)反应，其他条件不变，升高(或降低)温度，平衡×××(正向或逆向)移动，因此×××(得结论)。(2)压强：反应的正反应是气体分子数减小(或增大)的反应，当温度一定时，增大压强，平衡正向(或逆向)移动，因此×××(得结论)。1.[2023·江苏，17(2)]合成尿素[CO(NH2)2]反应Ⅰ：2NH3(g)+CO2(g)=NH2COONH4(l)反应Ⅱ：NH2COONH4(l)=CO(NH2)2(l)+H2①密闭体系中反应Ⅰ的平衡常数(K)与温度的关系如图所示，反应Ⅰ的ΔH(填“=0”“>0”或“<0”)。②反应体系中除发生反应Ⅰ、反应Ⅱ外，还发生尿素水解、尿素缩合生成缩二脲[(NH2CO)2NH]和尿素转化为氰酸铵(NH4OCN)等副反应。尿素生产中实际投入NH3和CO2的物质的量之比为n(NH3)∶n(CO2)=4∶1，其实际投料比值远大于理论值的原因是。答案①<0②适当抑制副反应的发生，氨气与二氧化碳的投料比越大，二氧化碳转化率越高解析①由图可知升高温度反应Ⅰ的lgK减小，说明温度升高平衡逆向移动，故正反应为放热反应，其ΔH<0。2.(2025·连云港一模)性能优越的催化剂是实现二氧化碳加氢制甲烷工业化的关键。反应Ⅰ：CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g)ΔH1=-143.9kJ·mol-1反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.2kJ·mol-1一定压强下，将一定比例的CO2和H2通过装有Ni/γ⁃Al2O3催化剂的反应器，反应相同时间，测得CO2转化率随温度变化情况如图所示(虚线代表平衡转化率)。高于320℃后，CO2转化率下降，可能原因是。答案320℃时，CO2和H2催化合成反应已达到平衡，升高温度，反应Ⅰ平衡向逆反应方向移动占主导，CO2的转化率下降考点二速率变化类归因问题模型构建分段解读，提取图表中有效信息(举例分析如下)(1)缓慢上升阶段(AB段)：温度升高，反应速率加快。由于温度较低，催化剂活性低，故转化率较低。(2)迅速上升阶段(BC段)：温度升高，反应速率加快；温度升高，催化剂活性增大。两者共同导致速率加快。(3)上升平缓或平台阶段(CD段)：温度升高，反应速率加快；由于催化剂基本已达到最大活性，对速率影响较小。可能由于温度较高发生副反应，与速率加快导致的转化率升高抵消；也可能反应趋于平衡状态或达到平衡状态。(4)下降阶段(DE段)：温度升高，反应速率加快，但温度过高，以副反应导致的转化率下降为主，催化剂失活(气体难以吸附、催化剂受热分解)，共同导致转化率降低；也可能是反应放热，平衡逆向移动，若变化明显下降，一般考虑催化剂活性降低或副反应占主导地位。1.[2023·江苏，14(2)]V2O5⁃WO3/TiO2催化剂能催化NH3脱除烟气中的NO，反应为4NH3(g)+O2(g)+4NO(g)=4N2(g)+6H2O(g)ΔH=-1632.4kJ·mol-1。将一定物质的量浓度的NO、O2、NH3(其余为N2)气体匀速通过装有V2O5⁃WO3/TiO2催化剂的反应器，测得NO的转化率随温度的变化如图所示。反应温度在320~360℃范围内，NO转化率随温度变化不明显的原因是；反应温度高于380℃，NO转化率下降，除因为进入反应器的NO被还原的量减少外，还有(用化学方程式表示)。答案该温度范围内，催化剂活性变化不大，且有生成NO的副反应发生，消耗的NO与生成的NO相抵消4NH3+5O24NO+6H2O、N2+O22NO解析反应温度高于380℃，NO转化率下降，有可能体系产生了NO，如4NH3+5O24NO+6H2O、N2+O22NO等。2.[2024·江苏，17(2)②(3)①](2)一定条件下，将氮气和氢气按n(N2)∶n(H2)=1∶3混合匀速通入合成塔，发生反应N2+3H22NH3。海绵状的α⁃Fe作催化剂，多孔Al2O3作为α⁃Fe的“骨架”和气体吸附剂。Al2O3含量与α⁃Fe表面积、出口处氨含量关系如图所示。Al2O3含量大于2%，出口处氨含量下降的原因是。(3)反应H2+HCO3-HCOO-+H2O可用于储氢。密闭容器中，其他条件不变，向含有催化剂的0.1mol·L-1NaHCO3溶液中通入H2，HCOO-产率随温度变化如图所示。温度高于70℃，HCOO-产率下降的可能原因是答案(2)多孔Al2O3可作为气体吸附剂，含量过多会吸附生成的NH3，且Al2O3含量大于2%时，α⁃Fe表面积减小，催化效率降低(3)NaHCO3受热分解且温度升高不利于H2溶解3.(2025·苏州模拟)三种不同形状的MoS2(Mo的化合价为+4)作NH3传感器检测材料，对NH3气敏性能进行研究。传感器对NH3的响应值越大，气敏性能越好。(1)一定氨气浓度下，响应值随时间变化如图1所示。随气体通入，400s后响应值急剧增加；随气体排出，响应值又回到基线附近。响应值结果表明：(填形状)MoS2晶体具有灵敏易观察的优异性能，其原因是。(2)为进一步探究MoS2传感器的重复性、长期稳定性等性能，将传感器暴露在另一种氨气浓度中进行循环测试，4周内测试结果如图2所示，第3、4周气敏性能有所下降的可能原因是。答案(1)纳米花状纳米花状MoS2晶体有更大的表面积，反应速率更快(2)MoS2长时间暴露在空气中，被氧气氧化失效解析(1)根据题目已知条件，传感器对NH3的响应值可以认为是吸附NH3的量，越容易吸附氨气，气敏性能越好，接触面积越大，吸附效果越好。纳米花状MoS2晶体有更大的表面积，反应速率更快。(2)MoS2中硫元素为-2价，具有较强的还原性，易被空气中的氧气氧化。考点三有关多重平衡及选择性的问题1.最佳反应条件归因分析通过综合分析热力学和动力学因素，结合图表数据，特别是曲线的峰值，可确定反应的最佳条件。(1)最佳温度：需权衡反应速率与平衡移动，通常选择转化率或产率峰值对应的温度。(2)最佳催化剂：选择高活性、高选择性且在操作温度下稳定的催化剂。(3)其他条件：优化反应物比例、压力(恒压或恒容)及避免副反应干扰。2.在多重平衡中，几个可逆反应是相互影响的。(1)如果主反应的生成物又与主反应的某一反应物发生另一个可逆反应，那么该反应物的平衡转化率就会增大。(2)在一定温度下，特定的混合体系，多重平衡选择性为定值。因为平衡常数只与温度有关，且催化剂不能改变某一物质的平衡转化率。(3)如果在同一条件下，两个物质同时可以发生几个可逆反应，那么催化剂的选用就可以使其中某一反应的选择性提高。3.连续反应的思维模型ABC1.(2025·江苏，17)合成气(CO和H2)是重要的工业原料气。(1)合成气制备甲醇：CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)。CO的结构式为C≡O，估算该反应的ΔH需要(填数字)种化学键的键能数据。(2)合成气经“变换”“脱碳”获得纯H2。①合成气变换。向绝热反应器中通入CO、H2和过量的H2O(g)：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)ΔH<0催化作用受接触面积和温度等因素影响，H2O(g)的比热容较大。H2O(g)过量能有效防止催化剂活性下降，其原因有。②脱碳在钢制吸收塔中进行，吸收液成分：质量分数30%的K2CO3吸收剂、K2CrO4(Cr正价有+3、+6)缓蚀剂等。K2CO3溶液浓度偏高会堵塞设备，导致堵塞的物质是(填化学式)。K2CrO4减缓设备腐蚀的原理是。(3)研究CH4、H2O(g)与不同配比的铁铈载氧体[x2Fe2O3·(1-x)CeO2，0≤x≤1，Ce是活泼金属，正价有+3、+4]反应，气体分步制备原理示意如图甲所示。相同条件下，先后以一定流速通入固定体积的CH4、H2O(g)步骤ⅠCH4CO+2H2步骤ⅡH2OH2甲①步骤Ⅰ中，产物气体积分数、CH4转化率、n(H2)n(CO)与x的关系如图乙所示。x=0时，n(H2)n(CO)大于理论值2的可能原因有：；x=0.5时，通入标准状况下300mL的CH4至反应结束，CO的选择性=乙②x=0.5时，新制载氧体、与CH4反应后的载氧体的X射线衍射谱图如图丙所示(X射线衍射用于判断某晶态物质是否存在，不同晶态物质出现衍射峰的衍射角不同)。步骤Ⅱ中，能与H2O(g)反应的物质有(填化学式)。丙③结合图示综合分析，步骤Ⅰ中Fe2O3的作用、气体分步制备的价值：。答案(1)5(2)①该反应为放热反应，H2O(g)比热容较大，可防止绝热反应器中温度过高，导致催化剂失活；水蒸气可以与积碳反应生成CO和H2，防止积碳覆盖催化剂②KHCO3CrO42-将Fe2+氧化为Fe3+，自身被还原为Cr3+，Fe3+、Cr(3)①部分CH4分解生成C和H2432②C、Fe、FeO③步骤Ⅰ中Fe2O3作供氧剂，促进甲烷转化为CO和H2，减少积碳产生；采用分步制备可提高原料利用率，且可以有效消除积碳使催化剂再生，同时步骤Ⅰ需要的温度较高，步骤Ⅱ需要的温度较低，分步制备也可节约能源解析(1)ΔH=反应物总键能-生成物总键能，结合该反应中发生变化的化学键可知，估算该反应的ΔH需要C≡O、H—H、C—O、C—H、O—H共5种化学键的键能。(2)②脱碳时产生的CO2可与K2CO3发生反应：K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3，若K2CO3溶液浓度过高，则易导致KHCO3析出而堵塞设备；K2CrO4具有氧化性，可将Fe2+氧化为Fe3+，自身被还原为Cr3+，Fe3+、Cr3+在钢制设备表面形成致密的Fe2O3、Cr2O3膜或Fe(OH)3、Cr(OH)3膜，从而阻止设备被进一步腐蚀。(3)①x=0时，载氧体为CeO2，CeO2供氧能力较弱，部分甲烷未完全氧化，分解产生C和H2，故n(H2)n(CO)大于理论值2；x=0.5时，CH4转化率为60%、n(H2)n(CO)=2，CO的选择性为80%，故生成的V(CO)=V(CH4)×CH4转化率×CO的选择性=144mL，生成的V(H2)=2V(CO)=288mL，则V(CO)+V(H2)=432mL。②由X射线衍射图可知，载氧体与CH4反应后产生C、Fe、FeO，根据制备原理图可知，经过步骤Ⅱ载氧体可循环使用，故能与H2.(2025·苏州阶段练习)CO2与H2合成甲烷也是CO2资源化利用的重要方法。对于反应：CO2(g)+4H2(g)⥬CH4(g)+2H2O(g)ΔH=-165kJ·mol-1，催化剂的选择是CO2甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂条件下反应相同时间，测得CO2转化率和CH4选择性随温度变化的影响如图所示：(1)高于320℃后，以Ni⁃CeO2为催化剂，CO2转化率略有下降，而以Ni为催化剂，CO2转化率仍在上升，其原因是。(2)对比上述两种催化剂的催化性能，工业上应选择的催化剂是，使用的合适温度为。答案(1)320℃时，以Ni⁃CeO2为催化剂，CO2甲烷化反应已达平衡，升高温度平衡左移；以Ni为催化剂，CO2甲烷化反应速率较慢，升高温度反应速率加快，CO2转化率增加(2)Ni⁃CeO2320℃解析(2)根据图像分析可知，温度适宜(320℃)时，以Ni⁃CeO2为催化剂明显比以Ni为催化剂时CO2转化率高，且CH4选择性大，所以应选择Ni⁃CeO2为催化剂，最佳温度为320℃。课时精练[分值：50分]1.(16分)(2025·泰州中学一模)氢气是一种清洁能源，氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点。(1)液氨是一种重要的载氢材料。已知：N2(g)+3H2(g)⥬2NH3(g)ΔH<0，Fe⁃TiO2-xHy双催化剂双温催化合成氨机理如图1所示，该方法通过光辐射产生温差，可以实现高速率、高产率合成氨。①高温区纳米Fe催化剂能提高合成氨效率的原因是。②低温区TiO2-xHy能提高合成氨效率的原因是。③氨燃料电池以KOH溶液为电解质溶液，放电时负极的电极反应式为。(2)十氢萘(C10H18)是具有高储氢密度的氢能载体，可经历“C10H18→C10H12→C10H8”的脱氢过程释放氢气，催化剂对反应活化能的影响如图2所示。一定条件下，向恒容密闭容器加入1mol十氢萘进行催化脱氢实验，测得C10H12和C10H8的物质的量随时间的变化关系如图3所示。①C10H12的物质的量显著低于C10H8，可能的原因是。②7h时，反应体系内氢气的物质的量为mol。(3)以H2、CO2和二甲胺为原料，在Cu/ZnO催化下合成DMF()的机理如图4所示。①该过程合成DMF的化学方程式为。②由机理图可知，反应过程会产生一种有机副产物，其结构简式为。③若改用D2、CO2和二甲胺为原料，产物水的结构式为。答案(1)①纳米铁可以吸附更多N2，高温有利于N≡N、H—H断裂，加快反应速率②反应放热，低温区促进N、H合成氨，平衡正向移动，提高NH3平衡产率③2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O(2)①催化剂显著降低了C10H12转化为C10H8的活化能，C10H12分解速率大于其生成速率②2.028(3)①H2+CO2+HN(CH3)2H2O+DMF②HCOOH③H—O—D解析(1)③氨燃料电池以KOH溶液为电解质溶液，放电时NH3为燃料作负极，负极的电极反应式为2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2O。(2)②C10H18(l)→C10H12(l)+3H2(g)、C10H18(l)→C10H8(l)+5H2(g)，反应体系内氢气的物质的量为(0.021×3+0.393×5)mol=2.028mol。(3)②由[HCOO]-[NH2(CH3)2]+产生DMF和H2O，同时过程中也会产生[H]+[HCOONH(CH3)2]-，生成一种副产物为HCOOH。③水中有一个氢来自于氢气，故产物水的结构式为H—O—D。2.(18分)(2025·南京中华中学二模)氢能是一种极具发展潜力的绿色能源，制氢方法是当前研究的热点，制氢方法很多，如甲烷与水蒸气重整制氢、硼氢化钠(NaBH4)水解制氢等。(1)甲烷水蒸气重整制氢涉及如下两步反应：Ⅰ.CH4(g)+H2O(g)⥬CO(g)+3H2(g)ΔH1=+206kJ·mol-1Ⅱ.CO(g)+H2O(g)⥬CO2(g)+H2(g)ΔH2=-41kJ·mol-1①实验发现，其他条件不变，向体系中加入CaO可明显提高平衡体系中H2的含量。分析投入CaO时，H2含量增大的原因是。②CH4(g)+2H2O(g)⥬CO2(g)+4H2(g)，该反应需在高温下才能自发进行，其理由是。(2)NaBH4水解制氢：常温下，NaBH4自水解过程缓慢，需加入催化剂提高其产氢速率。NaBH4在某催化剂表面制氢的微观过程如图1所示。已知：浓度较大时，NaB(OH)4易以NaBO2形式结晶析出。①其他条件不变时，以D2O代替H2O催化释氢，所得气体的分子式为，其中过程b步用化学方程式表示为。②在催化剂的作用下，NaBH4与水反应，释氢体积及温度随反应时间的变化如图2所示。0~20min内，温度随时间快速升高的原因是。(3)NaBH4转化为NaBO2后，电解NaBO2溶液又可制取NaBH4，实现物质的循环利用，电解装置如图3所示。①阴极上的电极反应式是。②两电极区间使用阳离子交换膜，不能用阴离子交换膜的原因是。答案(1)①CaO为碱性氧化物，能吸收酸性氧化物CO2，导致CO2浓度减小，促使反应Ⅱ平衡正向移动，导致CO浓度减小，引起反应Ⅰ平衡也正向移动，从而提高平衡体系中H2的含量②ΔH=+206kJ·mol-1-41kJ·mol-1=+165kJ·mol-1，该反应的ΔS>0，根据ΔG=ΔH-TΔS<0时反应自发进行，可知该反应高温下可自发进行(2)①H2、HD、D2BH3+D2O=BH2OD+HD②NaBH4与水反应放热，随着时间推移，体系温度升高反应速率增大，温度升高催化剂的活性增强(3)①BO2-+8e-+6H2O=BH4-+8OH-②防止阴极的BO解析(3)根据电解装置可知，电解NaBO2可制取NaBH4，则电解装置右侧与电源负极相连，为阴极，电极反应为BO2-+8e-+6H2O=BH4-+8OH-，左侧为阳极，电极反应为4OH--4e-=O2↑+2H2O。②在电解池中，阴离子向阳极移动，两电极区间使用阳离子交换膜可以防止阴极产生的BH4-通过阴离子交换膜进入阳极区，发生反应而损耗，BO23.(16分)(2025·南京、盐城一模)研究脱除烟气中的NOx是环境保护、促进社会可持续发展的重要课题。(1)催化脱硝。用CeO2催化脱除汽车尾气中的CO和NO。①已知：N2(g)+O2(g)=2NO(g)ΔH=+180kJ·mol-1。CO的标准燃烧热ΔH=-283kJ·mol-1。则反应2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)ΔH=kJ·mol-1。②CeO2催化脱硝的反应机理如图1所示。“过程①”部分Ce4+转化成Ce3+。当1molCeO2氧化标准状况下2.24LCO时，生成的CeO2-x中n(Ce3+)∶n(Ce4+)=。(2)络合吸收脱硝。用FeSO4、Na2SO3混合液吸收烟气中NO的反应机理为[NO络合]NO+FeSO4⥬Fe(NO)SO4[Fe2+再生]反应ⅰ.Fe(NO)SO4+2Na2SO3+2H2O=Fe(OH)3+Na2SO4+NH(SO3Na)2反应ⅱ.Fe(OH)3+3H+=Fe3++3H2O反应ⅲ.……①从结构上分析FeSO4与NO成键络合的原理为。②反应ⅲ的离子方程式为