特训9 化学反应原理综合题1．(2023·辽宁阜新模拟预测)氮氧化物对环境及人类活动影响日趋严重，如何消除大气污染物中的氮氧化物成为人们关注的主要问题之一。Ⅰ.利用NH3的还原性可以消除氮氧化物的污染，其中除去NO的主要反应如下：反应①：4NH3(g)＋6NO(g)5N2(g)＋6H2O(l)ΔH1已知：4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(l)ΔH2＝－902kJ·mol－1N2(g)＋O2(g)===2NO(g)ΔH3＝＋182.4kJ·mol－1(1)ΔH1＝______________kJ·mol－1，已知反应①的ΔS＝－0.5kJ·mol－1·K－1，则常温下(298K)，该反应______(填“能”或“不能”)自发。(2)温度为400K时，在恒容密闭容器中按照n(NH3)∶n(NO)＝1∶3充入反应物，发生上述反应①。下列不能判断该反应达到平衡状态的是________________(填字母)。A．c(H2O)保持不变B．混合气体的密度保持不变C．混合气体的平均摩尔质量保持不变D．有3molN—H断裂的同时，有6molO—H生成(3)某研究小组将4molNH3、6molNO和一定量的O2充入2L密闭容器中，在催化剂表面发生反应，NO的转化率随温度变化的情况如图所示。从图像可以看到，在有氧条件下，温度升高到580K之后，NO生成N2的转化率开始降低，可能的原因是___________________________________________________________________。Ⅱ.在一定条件下，用H2还原NO的反应为2H2(g)＋2NO(g)N2(g)＋2H2O(g) ΔH＜0。为研究H2和NO的起始投料比对NO平衡转化率的影响，分别在不同温度下，向三个体积均为2L的刚性密闭容器中通入amolH2和3molNO发生反应，实验结果如图：(4)①反应温度T1、T2、T3从低到高的关系为________________。②T1温度下，充入H2、NO分别为3mol、3mol，容器内的起始压强为pkPa，反应进行到10min时达到平衡，0～10min内N2的平均反应速率为______________mol·L－1·s－1，该反应的平衡常数Kp＝________________kPa－1。答案 (1)－1814 能 (2)BD (3)平衡逆向移动(或催化剂失活等其他合理答案) (4)①T1＜T2＜T3 ②5×10－4 eq\f(40,81p)(或eq\f(0.5,p)或eq\f(0.49,p))解析 (1)运用盖斯定律，ΔH1＝ΔH2－ΔH3×5＝－902kJ·mol－1－182.4kJ·mol－1×5＝－1814kJ·mol－1；已知反应①的ΔS＝－0.5kJ·mol－1·K－1，则常温下(298K)，ΔG＝ΔH—T·ΔS＝－1814－(－0.5)×298＜0，该反应能自发进行。(2)400K时，水为气态，c(H2O)不变，该反应达到平衡状态，A不符合题意；根据质量守恒定律，混合气体的质量始终不变，该反应在恒容条件下进行，体积不变，混合气体的密度不变，不能判断该反应达到平衡状态，B符合题意；400K时，该反应是气体体积增大的反应，随着反应的进行，混合气体的平均摩尔质量eq\x\to(M)＝eq\f(m,n)减小，当混合气体的平均摩尔质量不变，说明反应达到平衡状态，C不符合题意；有3molN—H断裂说明消耗1molNH3，有6molO—H生成说明生成3molH2O，二者反应速率之比为1∶3，不等于化学计量数之比，不能判断该反应达到平衡状态，D符合题意。(3)从图像可知，在有氧条件下，温度升高到580K之后，反应达到平衡状态，该反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，NO生成N2的转化率开始下降；或者温度高于580K之后催化剂失活。(4)①2H2(g)＋2NO(g)N2(g)＋2H2O(g) ΔH＜0，属于放热反应，升高温度，平衡逆向移动，NO转化率下降，反应温度T1、T2、T3从低到高的关系为T1＜T2＜T3。②由图像可知，T1温度下，当充入H2、NO分别为3mol、3mol时，即n(H2)∶n(NO)＝1∶1，NO平衡转化率为0.4，则平衡时，v(NO)＝eq\f(3×0.4,10×2×60)mol·L－1·s－1＝0.001mol·L－1·s－1，则N2的平均反应速率为v(N2)＝eq\f(0.001,2)mol·L－1·s－1＝0.0005mol·L－1·s－1；通过“三段式”法可计算该反应的平衡常数：2H2(g)＋2NO(g)N2(g)＋2H2O(g)起始/mol3 3 0 0转化/mol1.2 1.2 0.6 1.2平衡/mol1.8 1.8 0.6 1.2平衡时气体总物质的量为(1.8＋1.8＋0.6＋1.2)mol＝5.4mol，恒温恒容条件下压强之比等于气体的物质的量之比，所以平衡时总压强为eq\f(5.4mol,6mol)×pkPa＝0.9pkPa，p(H2)＝p(NO)＝eq\f(1.8mol,5.4mol)×0.9pkPa＝0.3pkPa，p(H2O)＝eq\f(1.2mol,5.4mol)×0.9pkPa＝0.2pkPa，p(N2)＝eq\f(0.6mol,5.4mol)×0.9pkPa＝0.1pkPa，该反应的平衡常数Kp＝eq\f(pN2·p2H2O,p2H2·p2NO)＝eq\f(0.1pkPa·0.2pkPa2,0.3pkPa2·0.3pkPa2)＝eq\f(40,81p)kPa－1。2．(2023·湖南郴州统考三模)将煤炭转化为烯烃(乙烯、丙烯等)既可以减少CO2的排放，又可以制备重要的化工原料。该过程先转化为二甲醚CH3OCH3，再转化为烯烃。(1)制备二甲醚的主要反应：反应Ⅰ：C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)ΔH1＝＋131.3kJ·mol－1反应Ⅱ：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH2＝－547.4kJ·mol－1反应Ⅲ：2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)ΔH3＝＋85.2kJ·mol－1①“反应Ⅰ”能自发进行的条件是________(填“高温”“低温”或“任意温度”)。②某反应X的平衡常数表达式为Kp＝eq\f(pCH3OCH3,pCO·p3H2)，则反应X的热化学方程式为__________________________________________________________________________________________。(2)二甲醚制备烯烃的主要反应：反应Ⅳ：2CH3OCH3(g)C2H4(g)＋2CH3OH(g)ΔH4＝＋196.3kJ·mol－1反应Ⅴ：C2H4(g)＋CH3OCH3(g)C3H6(g)＋CH3OH(g) ΔH5＝－48.1kJ·mol－1①该反应过程常用的催化剂有两种，ZSM-5以及SAPO-34，它们都是多孔笼状结构，ZSM-5笼状孔径约为0.55nm，SAPO-34约为0.4nm。相同条件下，催化剂SAPO-34反应(如图)获得的产物中，n(C2H4)∶n(C3H6)更大的原因是________________________________________________________________________________________________________________________。②一定温度下，在体积为1L的密闭容器中投入2molCH3OCH3发生“反应Ⅳ”和“反应Ⅴ”，初始总压为p0，反应到达平衡时总压为1.2p0，且n(C2H4)∶n(C3H6)＝1∶1。则平衡时体系CH3OCH3转化率α(CH3OCH3)＝____________。“反应Ⅴ”的平衡常数Kp＝______________。(3)用如图装置电解二氧化碳可制取甲醇，控制在一定温度，持续通入二氧化碳，电解过程中HCOeq\o\al(－,3)物质的量基本不变。a是电源的____________极，阴极电极反应式为_______________。答案 (1)①高温 ②C(s)＋CO(g)＋3H2(g)CH3OCH3(g) ΔH＝－878.3kJ·mol－1(2)①SAPO-34孔径较小，体积较小的乙烯更易在其表面吸附、脱吸附 ②50% 1(3)正 7CO2＋6e－＋5H2O===CH3OH＋6HCOeq\o\al(－,3)解析 (1)①反应Ⅰ中，ΔS＞0，ΔH＞0，则能自发进行的条件是高温。②利用盖斯定律，将反应Ⅰ＋反应Ⅱ×2＋反应Ⅲ，得热化学方程式为C(s)＋CO(g)＋3H2(g)CH3OCH3(g) ΔH＝(＋131.3kJ·mol－1)＋(－547.4kJ·mol－1)×2＋(＋85.2kJ·mol－1)＝－878.3kJ·mol－1。(2)①在CH3OH的转化反应中，生成物C2H4、C3H6由分子筛的孔隙流出，体积小的分子更容易从分子筛的孔隙中流出，则相同条件下，催化剂SAPO-34反应获得的产物中，n(C2H4)∶n(C3H6)更大。②设反应Ⅳ中生成C2H4的物质的量为x，反应Ⅴ中生成C3H6的物质的量为y，则可建立如下两个三段式： 2CH3OCH3(g)2CH3OH(g)＋C2H4(g)起始量/mol2 0 0变化量/mol2x 2x x平衡量/mol2－2x－y 2x＋y x－y C2H4(g)＋CH3OCH3(g)C3H6(g)＋CH3OH(g)起始量/mol 0 2 0 0变化量/mol y y y y平衡量/mol x－y 2－2x－y y 2x＋y则(x－y)∶y＝1∶1、eq\f(2＋x,2)＝1.2，从而求出x＝0.4mol、y＝0.2mol。平衡时体系CH3OCH3转化率α(CH3OCH3)＝eq\f(2x＋y,2)＝50%。“反应Ⅴ”的平衡常数Kp＝eq\f(\f(0.2,2.4)×1.2p0×\f(1,2.4)×1.2p0,\f(0.2,2.4)×1.2p0×\f(1,2.4)×1.2p0)＝eq\f(0.2×1,0.2×1)＝1。(3)CO2中C显＋4价，CH3OH中C显－2价，则CO2得电子，多晶铜为阴极，b是电源的负极，a是电源的正极；在阴极，CO2得电子产物与电解质反应，生成CH3OH等，电极反应式为7CO2＋6e－＋5H2O===CH3OH＋6HCOeq\o\al(－,3)。3．(2023·福建漳州统考三模)CO2的回收及综合利用越来越受到国际社会的重视，将CO2转化为高附加值化学品已成为有吸引力的解决方案。Ⅰ.以CO2、H2为原料合成CH3OH(1)CO2和H2在某催化剂表面上合成CH3OH的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。该反应历程中活化能最小步骤的化学方程式为_______________________________________。(2)已知相关化学键的键能数据如下：化学键H—HC—HO—HC—OC==OE/(kJ·mol－1)436414464326803结合表中数据及反应历程图，写出由CO2和H2合成CH3OH的热化学方程式：_____________________________________________________________________________________________。(3)在一容积可变的密闭容器中，充入1molCO2与3molH2，发生上述反应，实验测得CO2在不同温度下的平衡转化率与总压强的关系如图所示：①T1、T2、T3从高到低排序为___________