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主观题突破四 化学反应原理综合题
A 级夯基达标练
1.(14 分)(2025·安徽安庆模拟)2-甲基-1-丁烯(A)一定条件下可发生异构化反应生成(B),在
催化剂作用下可通过甲醇与这两种烯烃的液相反应制得汽油添加剂2-甲氧基-2-甲基丁
烷(
)。涉及反应如下:
反应Ⅰ:
ΔH1
反应Ⅱ:
+CH3OH
ΔH2
反应Ⅲ:
+CH3OH
ΔH3
试回答下列问题:
(1)以2.0×10-3 mol A 或 B 为初始原料,在353 K 下进行反应Ⅰ,达平衡时,以A 为原料,体
系向环境放热X kJ;以B 为原料,体系从环境吸热Y kJ,实验测得X>Y。反应Ⅰ的焓变
ΔH1(353 K)= kJ·mol-1(用含X、Y 的代数式表示)。反应Ⅱ和反应Ⅲ的热效应关系
为ΔH2(353 K) (填“>”“=”或“<”)ΔH3(353 K)。
(2)x(i)表示某物种i 的物质的量分数,反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别以平衡物质的量分数代替平衡
浓度表示平衡常数K1、K2、K3。为研究上述反应体系的平衡关系,向某反应容器中加入
1.0 mol 2-甲氧基-2-甲基丁烷(
),控制温度为353 K,x(A)、x(B)和x(CH3OH)随时间
t 变化关系如图1 所示。t1时刻达平衡,则图中表示x(A)变化的曲线是 ;t1时刻x(2-
甲氧基-2-甲基丁烷)= ,反应Ⅲ的平衡常数K3= (保留两位有效数字)。
图1
2
图2
(3)一定温度下,保持体系总物质的量一定,向某反应容器中按不同进料比投入CH3OH 和
A,若仅发生反应Ⅱ时,测定体系达平衡时的Δn(Δn=n0-n,n0为初始物质的量,n0=24 mol,n
为平衡时物质的量)。图2 曲线中能准确表示该温度下Δn 随进料比变化的是 (填
字母),随着进料比n(C H 3OH )
n( A )
的不断增大,平衡时2-甲氧基-2-甲基丁烷物质的量分数
的变化趋势是 。
2.(14 分)(2025·江苏无锡模拟)二氧化碳加氢制甲烷过程中的主要反应为
Ⅰ.CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O(g) ΔH1<0
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH2>0
Ⅲ.2CO(g)+2H2(g)
CO2(g)+CH4(g) ΔH3
图1
在密闭容器中,压强为1.01×105 Pa,n 起始(CO2)∶n 起始(H2)=
1∶4 时,在催化剂作用下反应相同时间所测得的CO2平衡转化率、CO2实际转化率随温
度的变化如图1 所示。CH4的选择性可表示为
n生成(C H 4)
n反应(C O2) ×100%。
(1)各物质的相对能量如图2 所示,ΔH3= kJ·mol-1,随着温度的升高平衡时CH4
的选择性 (填“增大”“减小”或“不变”),用该催化剂催化二氧化碳反应
的最佳温度为 。
3
图2
图3
(2)在密闭容器中,压强为1.01×105 Pa,CO2和H2的起始物质的量分别为1 mol 和4 mol,平
衡后反应体系中各物质的物质的量随温度的变化如图3 所示,图中表示CH4的物质的量
的曲线为 。在505 ℃,反应Ⅱ的平衡常数K= 。(保留两位有效
数字)
(3)CeO2催化CO2与H2转化为CH4的机理如图4 所示。反应体系中Ce 呈现
种价态,催化剂中掺入少量CaO,用Ca2+替代CeO2结构中部分Ce4+形成CaxCe1-xOy,可提高
催化效率的原因是 。
图4
3.(14 分)(2025·江苏南京、盐城模拟)研究CH4的综合利用具有重要的意义。
Ⅰ.CH4催化重整制氢气
一种CO2与CH4催化重整制取H2的过程如图1 所示。在反应管中加入CaO 和催化剂,
先通入CO2,待步骤Ⅰ完成后,再将CH4以一定流速通入,并控制温度为800 ℃,进行步骤
Ⅱ。
4
图1
(1)写出步骤Ⅱ中发生主要反应的化学方程式: 。
图2
(2)步骤Ⅱ中还存在少量副反应:H2(g)+CO2(g)
H2O(g)+CO(g),测得出口处H2和CO 的
流量随时间变化如图2 所示。
①0~7 min 时出口处气体流量CO 略高于H2的原因是 。
②反应进行15 min 后,反应管中仍残留较多CaCO3,但CO 流量迅速降低,H2流量升高,可
能的原因是 。
Ⅱ.CH4用于烟气脱硝
(3)CH4烟气脱硝相关反应如下:
反应Ⅰ CH4(g)+2NO(g)+O2(g)
CO2(g)+N2(g)+2H2O(g) ΔH1=-985.2 kJ·mol-1
反应Ⅱ 2NO(g)+O2(g)
2NO2(g) ΔH2=-116.2 kJ·mol-1
反应Ⅲ CH4(g)+2NO2(g)
CO2(g)+N2(g)+2H2O(g) ΔH3
①反应Ⅲ的ΔH3= kJ·mol-1。
②反应Ⅰ和反应Ⅱ的平衡常数分别为K1、K2,则相同温度下反应Ⅲ的K= (用
K1、K2表示)。
图3
5
(4)模拟烟气脱硝:一定条件下,将CH4、NO 和O2按物质的量之比为1∶1∶50 匀速通过
催化脱硝反应器,测得NOx去除率和CH4转化率随反应温度的变化如图3 所示。
①当温度低于780 K 时,NOx的去除率随温度升高而升高,可能原因是
。
②当温度高于780 K 时,NOx的去除率随温度升高而降低,可能原因是
。
4.(15 分)(2025·黑吉辽蒙联合模拟)氮氧化物(NOx)是大气污染物的重要成分之一。
(1)下列污染与氮氧化物有关的是 (填字母)。
A.酸雨
B.臭氧破坏
C.白色污染
D.光化学烟雾
(2)目前,选择性催化还原(SCR)技术因其经济性和高效性而成为减少NOx排放的主要方
法。SCR 技术主要涉及的反应如下:
4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)
4N2(g)+6H2O(g) ΔH1
2NH3(g)+NO(g)+NO2(g)
2N2(g)+3H2O(g) ΔH2
8NH3(g)+6NO2(g)
7N2(g)+12H2O(g) ΔH3
已知:N2(g)+O2(g)
2NO(g) ΔH=+180.5 kJ·mol-1
2NO(g)+O2(g)
2NO2(g) ΔH=-57.15 kJ·mol-1
4NH3(g)+5O2(g)
4NO(g)+6H2O(g) ΔH=-930.74 kJ·mol-1
则ΔH1和ΔH2之间的关系可以用等式表示为 。
(3)NO2、O2和熔融KNO3可制作燃料电池,其原理如图所示。该电池在放电过程中石墨
Ⅰ电极上生成可循环使用的氧化物N2O5。
①放电时,该电池的负极是 (填“石墨Ⅰ”或“石墨Ⅱ”)。
②若电路中有1 mol 电子转移,则理论上石墨Ⅱ处需消耗标准状况下的O2体积为
L。
(4)一定条件下,将4 mol NH3和5.2 mol O2混合于容积为4 L 的恒容密闭容器中发生反应
4NH3(g)+5O2(g)
4NO(g)+6H2O(g),经过10 s 后达到平衡,测得NO 的浓度为0.4
6
mol·L-1,则0 到10 s 内,用NH3表示该反应的平均反应速率为 ,该反应的平
衡常数为 (保留2 位有效数字)。
(5)反应温度为180 ℃、SO2体积分数为0 μL·L-1和90 μL·L-1条件
下,7Mn0.5Fe0.5Ce/HAC 催化剂持续反应10 h 的脱硝效率如图所示。
烟气中SO2对催化剂持续反应脱硝效率的影响
在90 μL·L-1 SO2气氛下,5 h 之后催化剂的催化效率下降,经分析发现,这是由于随着反应
持续进行,在催化剂的作用下SO2与NH3反应生成 、 物
种,覆盖了催化剂表面活性位点所致。
B 级素能提升练
5.(12 分)(2025·黑龙江齐齐哈尔模拟)利用可再生能源和绿色氢气将CO2转化为甲醇,可
以减少碳排放同时将CO2固定为有价值的化学品,是国家能源条件与环境现状的共同选
择。所涉及的反应如下:
反应1:CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41.2 kJ·mol-1
反应2:CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g) ΔH2=-90.6 kJ·mol-1
反应3:CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3
回答下列问题:
(1)ΔH3= 。
(2)有人提出“CO2(g)+2H2O(g)
CH3OH(g)+3
2O2(g)也适宜于工业合成甲醇”,判断这
种说法是否正确并说明原因:
(假设反应的焓变和熵变不随温度的改变而变化)。
(3)在传统的热反应中,恒压(压强分别为3 MPa、5 MPa)下,按n 起始(CO2)∶n 起始(H2)=1∶3
投料,在密闭容器中发生反应1 和反应3,改变反应温度,CO2的平衡转化率(α)以及生成
CH3OH(或CO)选择性(S)的变化如图所示。已知:CH3OH(或CO)选择性S=
n(C H 3OH 或CO)
n(C O2)起始-n(C O2)平衡
×100%。
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①随着温度升高,a、b 两条曲线接近重合的原因是 。
②下列有关反应体系的说法正确的是 (填字母)。
A.当CH3OH 的分压不再改变时,体系达到平衡状态
B.曲线S-(X)表示CH3OH 的选择性
C.使用催化剂可以降低活化能,提高合成效率
D.体系达到平衡后,压缩气体体积,则反应3 平衡正向移动,反应1 平衡不移动
③P 点对应的反应1 的平衡常数Kp= (以分压计算,分压=总压×物质的量分
数)(保留两位有效数字)。
④分子筛膜反应器可提高反应3 的平衡转化率且实现CH3OH 选择性100%,原理如图所
示。分子筛膜反应器可提高转化率的原因是 。
6.(15 分)(2025·河南新乡多校联考)Na2S 俗称“臭碱”,因水解生成H2S 而得名。
(1)已知:①2H2S(g)+3O2(g)
2SO2(g)+2H2O(g) ΔH1=-1 036 kJ·mol-1
②4H2S(g)+2SO2(g)
3S2(g)+4H2O(g) ΔH2=+94 kJ·mol-1
则S2(g)+2O2(g)
2SO2(g) ΔH= kJ·mol-1。
图1
8
(2)工业上,制备“臭碱”的反应:Na2SO4(s)+4CO(g)
Na2S(s)+4CO2(g)。在恒容密闭容
器中充入1 mol Na2SO4(s)和4 mol CO(g),在不同温度下发生反应并达到平衡时,各组分
的物质的量n 随温度T 的变化如图1 所示。下列叙述正确的是 (填字母)。
A.该反应的正反应ΔH>0
B.a 为n(Na2S)随温度的变化曲线
C.向平衡体系通入惰性气体,平衡不移动
D.向平衡体系中加入Na2SO4(s),CO 的平衡转化率增大
图2
(3)可用废弃活性炭吸收剂作为H2S 选择性氧化的高效碳催化剂,相关反应为2H2S(g)
+O2(g)
2
nSn(g)+2H2O(g)。在密闭容器中充入2 mol H2S 和1 mol O2,发生上述反应,测
得四种物质的物质的量随时间的变化如图2 所示。
①n= 。C 代表的物质是 (填化学式)。
②达到平衡时,该可逆反应的平衡常数Kp为 (Kp为用分压计算的平衡常数,分压=
总压×物质的量分数)。
图3
(4)在总压保持不变的条件下,向密闭容器中充入一定量H2S(g)和Ar,发生反应:2H2S(g)
S2(g)+2H2(g) ΔH=+170 kJ·mol-1。测得H2S 平衡转化率与投料比η[η= n( Ar )
n( H 2S)]、
温度的关系如图3 所示。
正反应速率:m (填“>”“<”或“=”)n,判断依据是 。
温度不变,投料比增大,H2S 平衡转化率增大的原因是 。
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参考答案
1.答案 (1)-500(X+Y) <
(2)c 0.260 2.1
(3)C 先增大后减小
解析:(1)依题意,可推知在同温下,以2.0×10-3 mol 的A 或B 为初始原料,达到平衡时的状
态相同,两个平衡完全等效;以A 为原料,体系向环境放热,则反应Ⅰ的焓变ΔH1(353
K)=-500(X+Y) kJ·mol-1。由盖斯定律可知,反应Ⅰ=反应Ⅱ-反应Ⅲ,则ΔH2(353 K)-ΔH3(353
K)=ΔH1(353 K)<0,因此ΔH2(353 K)<ΔH3(353 K)。
(2)实验测定X>Y,则达到平衡时B 的量大于A 的量,CH3OH 的量等于A 与B 的量之和,
所以图中a、b、c 依次表示x(CH3OH)、x(B)、x(A)的变化;体系中只有四种组分,所以t1
时刻x(2-甲氧基-2-甲基丁烷)=1-0.370-0.333-0.037=0.260,反应Ⅲ的平衡常数K3=
0.260
0.370×0.333≈2.1。
(3)一定温度下,体系总物质的量一定,依据“等效平衡”原理可知n(C H 3O H )
n( A )
=2.0 与
n(C H 3OH )
n( A )
=0.5 时等效,Δn 相等,据此判断曲线C 能准确表示该温度下Δn 随进料比变
化;当n(C H 3OH )
n( A )
=1.0 时,平衡时2-甲氧基-2-甲基丁烷物质的量分数最大,故随着
n(C H 3OH )
n( A )
的不断增大,2-甲氧基-2-甲基丁烷物质的量分数的变化趋势是先增大后减
小。
2.答案 (1)-246 减小 400 ℃
(2)B 0.17
(3)2 导致催化剂结构中出现较多的氧空位,利于二氧化碳的催化转化
解析:(1)ΔH=生成物总能量-反应物总能量,则ΔH3=[(-393)+(-75)-2×(-111)-2×0]
kJ·mol-1=-246 kJ·mol-1;生成甲烷的反应均为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,则平衡时
CH4的选择性随着温度的升高而减小;由图1 可知,温度400 ℃左右时二氧化碳实际转化
率最高,催化剂的活性最大,此时为最适温度。
(2)结合图1 可知,低于300 ℃二氧化碳的平衡转化率接近100%,此时图3 中A、B 的量
分别接近2 mol、1 mol,D、E 的量均接近0 mol,升高温度,反应Ⅰ、Ⅲ逆向移动、Ⅱ正向
移动,导致CO 量增大、甲烷的量减小,结合碳守恒可知,含碳物质的量不会超过1 mol,则
A 为水、B 为甲烷、C 为氢气、E 为一氧化碳、D 为二氧化碳,故图中表示CH4的物质
的量的曲线为B;在505 ℃,水、氢气均为1.35 mol,结合氢元素守恒可知,甲烷为
10
4×2-1.35×2-1.35×2
4
mol=0.65 mol,设二氧化碳、一氧化碳分别为a mol、b mol,由
碳元素守恒可知,a+b+0.65=1,由氧元素守恒可知,2a+b+1.35=1×2,解得a=0.3,b=0.05,反应
Ⅱ的平衡常数K=
1.35
V
× 0.05
V
1.35
V
× 0.3
V
≈0.17。
(3)由图可知,Ce 可以与1 个O 或2 个O 结合,故Ce 呈现2 种价态。
3.答案 (1)CaCO3+CH4
CaO+2CO+2H2
(2)①步骤Ⅱ主反应生成的CO 与H2的物质的量相等,副反应消耗H2同时生成CO
②CH4分解生成C 和H2,使CH4浓度降低,生成的C 覆盖在催化剂表面,使活性降低
(3)①-869 ②
K 1
K 2
(4)①温度低于780 K,催化剂活性增强和温度升高共同使CH4脱硝反应速率加快 ②高
于780 K 时,CH4与氧气发生燃烧,参加脱硝反应CH4的量减少,使脱硝反应速率减慢
解析:(3)①根据盖斯定律,反应Ⅰ-反应Ⅱ可得反应Ⅲ,则ΔH3=[-985.2-(-116.2)]
kJ·mol-1=-869 kJ·mol-1。②反应Ⅰ-反应Ⅱ可得反应Ⅲ,则相同温度下反应Ⅲ的K=
K 1
K 2
。
4.答案 (1)ABD
(2)ΔH1=2ΔH2-57.15
(3)①石墨Ⅰ ②5.6
(4)0.04 mol·L-1·s-1 0.028
(5)(NH4)2SO4 NH4HSO4
解析:(1)氮氧化物(如NO2)会与水反应生成硝酸等,硝酸随雨水降下形成酸雨,所以酸雨与
氮氧化物有关;氮氧化物能催化臭氧分解,从而破坏臭氧层,所以臭氧破坏与氮氧化物有
关;白色污染是指废弃塑料等引起的污染,与氮氧化物无关;氮氧化物在光照条件下,会与
碳氢化合物等发生一系列复杂的反应,形成光化学烟雾,所以光化学烟雾与氮氧化物有关。
(2)根据盖斯定律,从给出的反应①4NH3(g)+4NO(g)+O2(g)
4N2(g)+6H2O(g) ΔH1,
②2NH3(g)+NO(g)+NO2(g)
2N2(g)+3H2O(g) ΔH2,③2NO(g)+O2(g)
2NO2(g)
ΔH=-57.15 kJ·mol-1,可以推导出①=2×②+③,则ΔH1和ΔH2之间的关系可以用等式表示为
ΔH1=2ΔH2-57.15。
(3)①NO2、O2和熔融KNO3可制作燃料电池,NO2为燃料,O2为氧化剂,所以放电时石墨
Ⅰ为电池的负极。
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②石墨Ⅱ为正极,O2得电子,1 mol O2转移4 mol 电子,若电路中有1 mol 电子转移,则理论
上石墨Ⅱ处需消耗标准状况下O2的体积为1
4 mol×22.4 L·mol-1=5.6 L。
(4)一定条件下,将4 mol NH3和5.2 mol O2混合于容积为4 L 的恒容密闭容器中,则起始
时c(NH3)=4 mol
4 L =1 mol·L-1,c(O2)=5.2mol
4 L
=1.3 mol·L-1,经过10 s 后达到平衡,测得NO 的
浓度为0.4 mol·L-1,列三段式
4NH3(g) + 5O2(g)
4NO(g) + 6H2O(g)
起始时浓度
(mol· L
-1)
1
1.3
0
0
转化的浓度
(mol· L
-1)
0.4
0.5
0.4
0.6
平衡时浓度
(mol· L
-1)
0.6
0.8
0.4
0.6
则v(NH3)=0.4 mol· L
-1
10 s
=0.04 mol·L-1·s-1,该反应的平衡常数K=
c
4( NO)·c
6( H 2O)
c
4( N H 3)·c
5(O2)
=(0.4 )
4×(0.6)
6
(0.6)
4×(0.8)
5 ≈0.028。
5.答案 (1)-49.4 kJ·mol-1
(2)不正确,这个反应ΔH>0 且ΔS<0,其ΔG>0,在任何温度下都不能自发进行
(3)①温度升高到一定程度时,整个过程以反应1 为主 ②AC ③0.009 6 ④分子筛膜
反应器可以及时分离反应3 生成的H2O,同时也带走热量,降低温度,促进反应3 正向进行,
提高转化率
解析:(1)根据盖斯定律,反应1+反应2
反应3,故ΔH3=+41.2 kJ·mol-1-90.6 kJ·mol-1=-49.4
kJ·mol-1。
(3)①反应3 是放热反应,升高温度,平衡逆向移动,α(CO2)减小,反应1 是吸热反应,升高温
度,平衡正向移动,α(CO2)增大,随着温度升高,a、b 两条曲线先减小再增大至接近重合的
原因是温度升高到一定程度时,整个过程以反应1 为主。
②反应体系中CH3OH 的分压是变量,当其不变时达到平衡状态,A 正确;随温度升高反应
3 逆向移动,CH3OH 的量减少,其选择性降低,B 错误;使用催化剂降低反应活化能,提高反
应速率,提高合成效率,C 正确;根据反应3 分析,压缩气体体积,反应3 正向移动,随着反应
3 正向移动会引起体系中CO2和H2的量减少的同时H2O 的量增多,这就打破了反应1 的
平衡,使其也发生移动,D 错误。
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③若起始时二氧化碳和氢气的物质的量分别为1 mol、3 mol,P 点时甲醇的选择性、CO
选择性均为50%,二氧化碳的平衡转化率为20%,体系压强为3 MPa,平衡时:n(CO2)=1
mol×(1-20%)=0.8 mol,设n(H2)=x mol,n(CH3OH)=n(CO)=y mol,n(H2O)=z mol,根据C、
H、O 原子守恒可知,0.8+2y=1,2x+4y+2z=6,0.8×2+2y+z=2,解得x=2.6,y=0.1,z=0.2,体系中
气体的总物质的量为2.6 mol+0.1 mol+0.1 mol+0.2 mol+0.8 mol=3.8 mol,p(CO2)=0.8mol
3.8mol
×3 MPa=24
38 MPa,同理可知:p(H2)=78
38 MPa,p(CO)= 3
38 MPa,p(H2O)= 6
38 MPa,反应1 的平
衡常数Kp=
p( H 2O)· p(CO)
p(C O2)· p( H 2) =
6
38 MPa× 3
38 MPa
24
38 MPa× 78
38 MPa
≈0.009 6。
6.答案 (1)-722
(2)AC
(3)①2 H2O ②3.375
(4)> 该反应ΔH>0,温度升高,H2S 平衡转化率增大,T1>T2;m 点投料比小于n,说明m 点
H2S 分压大于n 点,故正反应速率:m>n(合理即可) 总压不变,投料比增大,平衡体系的分
压减小,平衡向右移动(合理即可)
解析:(1)根据盖斯定律,①×2-②
3
得:S2(g)+2O2(g)
2SO2(g) ΔH=(-1 036×2-94)
3
kJ·mol-1=-722 kJ·mol-1。
(2)升高温度,CO 平衡物质的量减小,说明平衡向正反应方向移动,正反应方向是吸热反应,
A 正确;硫化钠是产物,CO2也是产物,CO2的物质的量是硫化钠的4 倍,观察图1 可知,a 代
表CO2的物质的量随温度的变化曲线,B 错误;恒容密闭容器中充入惰性气体,平衡体系
中各物质浓度不变,平衡不移动,C 正确;硫酸钠是固体,加入固体不影响平衡移动,D 错误。
(3)①根据图2 中4 min 时数据可得:2A+B
2C+D,则A 为H2S,B 为O2,C 为H2O,D 为Sn,
根据原子守恒,可得n=2。
②结合图2 中数据可列三段式:
2H2S(g) + O2(g)
S2(g) + 2H2O(g)
开始/mol
2
1
0
0
反应/mol
1.2
0.6
0.6
1.2
平衡/mol
0.8
0.4
0.6
1.2
Kp= p( S2)· p
2( H 2O)
p
2( H 2S )· p(O2)
= 1.2
2×0.6
0.8
2×0.4=3.375。
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