届高考化学考前冲刺提分训练能量与化学平衡综合型答案+详解课后总结.docx

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届高考化学考前冲刺提分训练能量与化学平衡综合型答案+详解课后总结

——能量与化学平衡综合型

【提分训练】

1．中科院一项最新成果实现了甲烷高效生产乙烯，甲烷在催化作用下脱氢，在气相中经自由基偶联反应生成乙烯，其反应如下：

2CH4（g）

C2H4（g）＋2H2（g）　ΔH＞0

化学键

H—H

C—H

C==C

C—C

E（kJ/mol）

a

b

c

d

（1）已知相关化学键的键能如表，甲烷制备乙烯反应的ΔH＝____________（用含a、b、c、d的代数式表示）。

（2）T1温度时，向1L的恒容反应器中充入2molCH4，仅发生上述反应，反应过程中0～15minCH4的物质的量随时间变化如图1，测得10～15min时H2的浓度为1.6mol·L－1

①0～10min内CH4表示的反应速率为____________mol/（L·min）。

②若图1中曲线a、曲线b分别表示在温度T1时，使用质量相同但表面积不同的催化剂时，达到平衡过程中n（CH4）的变化曲线，其中表示催化剂表面积较大的曲线是________（填“a”或“b”）。

③15min时，若改变外界反应条件，导致n（CH4）发生图中所示变化，则改变的条件可能是______________________________________________________

（任答一条即可）。

（3）实验测得：

v正＝k正c2（CH4），v逆＝k逆c（C2H4）c2（H2），其中k正、k逆为速率常数仅与温度有关，T1温度时k正与k逆的比值为____________（填数值）。

若将温度由T1升高到T2，则反应速率增大的倍数v正________v逆（选填“＞”、“＜”或“＝”）；判断的理由是______________________________________________。

（4）科研人员设计了甲烷燃料电池并用于电解。

如图2所示，电解质是掺杂了Y2O3与ZrO2的固体，可在高温下传导O2－。

①C极的Pt为________极（选填“阳”或“阴”）。

②该电池工作时负极反应方程式为________________________________。

③用该电池电解饱和食盐水，一段时间后收集到标况下气体总体积为112mL，则电解后所得溶液在25℃时pH＝____________（假设电解前后NaCl溶液的体积均为500mL）。

解析　

（2）①10～15min时H2的浓度为1.6mol·L－1，根据反应方程式，甲烷的浓度变化为1.6mol·L－1,0～10min内CH4表示的反应速率v＝

＝

＝0.16mol/（L·min）；②催化剂表面积越大，反应速率越快，表示催化剂表面积较大的曲线是b；③2CH4（g）C2H4（g）＋2H2（g）正反应吸热、气体物质的量增多，所以升高温度或减小压强，平衡正向移动，n（CH4）减小，故15min时，改变外界反应条件可能是升高温度或减小压强。

（3）　　　2CH4（g）

C2H4（g）＋2H2（g）

开始200

转化1.60.81.6

平衡0.40.81.6

v正＝k正c2（CH4）＝k正（0.4）2，v逆＝k逆c（C2H4）c2（H2）＝k逆0.8×（1.6）2，平衡时正逆反应速率相等，即k正（0.4）2＝k逆0.8×（1.6）2，k正与k逆的比值为12.8；该反应ΔH＞0，温度升高，平衡正向移动，所以k正增大的倍数大于k逆。

（4）①电解池的C极与电源的正极相连，C极的Pt为阳极。

②通入甲烷的一极为负极，负极反应方程式为CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O。

③电解饱和食盐水的方程式是2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，生成气体（H2＋Cl2）0.005mol，则生成氢氧化钠0.005mol；c（OH－）＝

＝0.01mol/L,pH＝12。

答案　

（1）＋（4b－c－2a）kJ·mol－1

（2）①0.16　②b　③升高温度或减小压强

（3）12.8　＞　ΔH＞0，温度升高，k正增大的倍数大于k逆

（4）①阳　②CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O　③12

2．（2019·全国卷Ⅲ）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）。

下图为刚性容器中，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）＋

Cl2（g）　ΔH1＝83kJ·mol－1

CuCl（s）＋

O2（g）===CuO（s）＋

Cl2（g）

ΔH2＝－20kJ·mol－1

CuO（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，如下图所示：

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）。

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℃）＝

＝

；进料浓度比c（HCl）∶c（O2）过低会使O2和Cl2分离的能耗较高，过高则会造成HCl转化率较低。

（2）将已知热化学方程式依次编号为①、②、③，根据盖斯定律，由（①＋②＋③）×2得4HCl（g）＋O2（g）===2Cl2（g）＋2H2O（g）　ΔH＝－116kJ·mol－1。

（3）题述反应是气体体积减小的反应，增大反应体系压强可使反应正向移动，提高HCl的转化率，及时分离出产物也能提高HCl的转化率。

（4）负极区发生还原反应Fe3＋＋e－===Fe2＋，生成的二价铁又被氧气氧化成三价铁，发生反应4Fe2＋＋O2＋4H＋===4Fe3＋＋2H2O，由反应可知电路中转移4mol电子消耗1molO2，则转移1mol电子消耗氧气

mol，其在标准状况下的体积为

mol×22.4L·mol－1＝5.6L。

答案　

（1）大于　

　O2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＋＋2H2O　5.6

3．（2019·全国卷Ⅰ）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．<0.25　B．0.25　C．0.25～0.50　D．0.50　E．>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（如下图所示），催化剂为氧化铁，实验初始时体系中的pH2O和pCO相等、pCO2和pH2相等。

计算曲线a的反应在30～90min内的平均速率

（a）＝________kPa·min－1。

467℃时pH2和pCO随时间变化关系的曲线分别是________、________。

489℃时pH2和pCO随时间变化关系的曲线分别是________、________。

解析　

（1）由题给信息①可知，H2（g）＋CoO（s）

Co（s）＋H2O（g）（ⅰ）　K1＝

＝

＝39，由题给信息②可知，CO（g）＋CoO（s）

Co（s）＋CO2（g）（ⅱ）　K2＝

＝

≈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＝

＝

≈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1mol1mol00

转化xmolxmolxmolxmol

平衡（1－x）mol（1－x）molxmolxmol

K＝

＝1.31，若K取1，则x＝0.5，φ（H2）＝0.25；若K取4，则x≈0.67，φ（H2）≈0.33。

氢气的物质的量分数介于0.25与0.33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

（a）＝

＝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pH2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pH2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。

答案　

（1）大于　

（2）C　（3）小于　2.02　COOH*＋H*＋H2O*===COOH*＋2H*＋OH*（或H2O*===H*＋OH*）　（4）0.0047　b　c　a　d

4．二氧化碳是潜在的碳资源，无论是天然的二氧化碳气藏，还是各种炉气、尾气、副产气，进行分离回收和提浓，合理利用，意义重大。

（1）在空间站中常利用CO2（g）＋2H2（g）

C（s）＋2H2O（g），再电解水实现O2的循环利用，350℃时，向体积为2L的恒容密闭容器中通入8molH2和4molCO2发生以上反应。

①若反应起始和平衡时温度相同（均为350℃），测得反应过程中压强（p）随时间（t）的变化如图中a所示，则上述反应的ΔH________0（填“＞”或“＜”）；其他条件相同时，若仅改变某一条件，测得其压强（p）随时间（t）的变化如图中曲线b所示，则改变的条件是_________________________________________________。

②图是反应平衡常数的对数与温度的变化关系图，m的值为________________。

（2）CO2在Cu－ZnO催化下，同时发生如下反应Ⅰ，Ⅱ，是解决温室效应和能源短缺的重要手段。

Ⅰ.CO2（g）＋3H2（g）

CH3OH（g）＋H2O（g）

ΔH1＜0

Ⅱ.CO2（g）＋H2（g）

CO（g）＋H2O（g）　ΔH2＞0

保持温度T时，在容积不变的密闭容器中，充入一定量的CO2及H2，起始及达平衡时，容器内各气体物质的量及总压强如下表：

CO2

H2

CH3OH（g）

CO

H2O（g）

总压强/kPa

起始/mol

0.5

0.9

0

0

0

p0

平衡/mol

n

0.3

p

若反应Ⅰ、Ⅱ均达平衡时，p0＝1.4p，则表中n＝___________________________________________________________________；

反应1的平衡常数Kp＝____________（kPa）－2。

（用含p的式子表示）

（3）Al－CO2电池是一种以低温熔融盐[Al2（CO3）3]为电解质，以完全非碳的钯Pd包覆纳米多孔金属为催化剂正极的可充电电池。

正极反应为：

3CO2＋4e－===2CO

＋C，则生成Al的反应发生在________极（填“阳”或“阴”），该电池充电时反应的化学方程式为___________________________________________。

解析　

（1）①根据PV＝nRT，此反应V一定，正反应n在减小，图像显示压强在增大，确定温度在升高，所以正反应为放热反应，ΔH＜0；根据图像分析发现b线相对于a线不同点只是速率加快，达到平衡时间缩短，确定改变的条件是催化剂；

②　　　　CO2（g）＋2H2（g）C（s）＋2H2O（g）

c（初）240

Δcx2x2x

c（平）2－x4－2x2x

（2－x＋4－2x＋2x）/（2＋4）＝5/6，解得x＝1。

K＝

＝1，lgK＝lg1＝0

（2）根据表格列出各物质物质的量变化：

Ⅰ　CO2（g）＋3H2（g）

CH3OH（g）＋H2O（g）　ΔH1＜0

Δn　n　　　3n　　　　　n　　　n

Ⅱ.CO2（g）＋H2（g）

CO（g）＋H2O（g）　ΔH2＞0

Δn0.3－n0.3－n0.3－n0.3－n

平衡时各物质的量为：

CO2（g）：

0.5－n－0.3＋n＝0.2mol

H2（g）：

0.9－3n－0.3＋n＝0.6－2n

CH3OH（g）：

n　H2O（g）∶0.3　CO（g）：

0.3－n

根据T、V一定时，压强比等于物质的量之比，

＝

＝1.4，

计算得出n＝0.2。

平衡后物质的总量：

0．2＋0.6－2×0.2＋0.2＋0.3＋0.3－0.2＝1.0mol

平衡后各物质分压：

CO2（g）：

（0.2/1）p＝0.2p

H2（g）：

（0.2/1）p＝0.2p

CH3OH（g）：

（0.2/1）p＝0.2p

H2O（g）：

（0.3/1）p＝0.3p

Kp＝

＝

。

（3）因为放电时Al－3e－===Al3＋，则充电时应该是Al3＋＋3e－===Al，得电子为阴极反应；充电时总反应方程式为放电时的逆反应。

答案　

（1）①＜　加入催化剂　②　0

（2）0.2　

（3）阴　2Al2（CO3）3＋3C

4Al＋9CO2

【课后总结】

1．题型特点

这类试题往往以化学反应速率，化学平衡知识为主题，借助图像、图表的手段，综合考查关联知识，关联知识主要有：

（1）ΔH符号的判断、热化学方程式的书写、应用盖斯定律计算ΔH。

（2）化学反应速率的计算与比较，外因对化学反应速率的影响（浓度、压强、温度、催化剂）。

（3）平衡常数、转化率的计算，温度对平衡常数的影响；化学平衡状态的判断，用化学平衡的影响因素进行分析和解释。

（4）在多层次曲线图中反映化学反应速率、化学平衡与温度、压强、浓度的关系。

2．解答化学平衡移动问题的步骤

（1）正确分析反应特点：

包括反应物、生成物的状态，气体体积变化、反应的热效应。

（2）明确外界反应条件：

恒温恒容、恒温恒压、反应温度是否变化、反应物配料比是否变化。

（3）结合图像或K与Q的关系，平衡移动原理等，判断平衡移动的方向或结果。

（4）结合题意，运用“三段式”，分析计算、确定各物理量的变化。

3．分析图表与作图时应注意的问题

（1）仔细分析并准确画出曲线的最高点、最低点、拐点和平衡点。

（2）找准纵坐标与横坐标的对应数据。

（3）描绘曲线时注意点与点之间的连接关系。

（4）分析表格数据时，找出数据大小的变化规律。