化学反应原理综合题

1大题 化学反应原理综合题

类型一 热化学与电化学

1(2024·吉林延边·一模)利用CO2催化加氢制二甲醚，可以实现CO2的再利用，涉及以下主要反应：

I．CO

2(g)+H

2(g)⇌CO(g)+H

2O(g)　ΔH

1

Ⅱ．2CO2(g)+6H

2(g)⇌CH

3OCH

3(g)+3H

2O(g)　ΔH

2

相关物质及能量变化的示意图如图1所示。

回答下列问题：

(1)反应Ⅱ的ΔH

2

=kJ⋅mol-1，

该反应在(填“高温”、“低温”或“任何温度”)下能自发进行。

(2)恒压条件下，CO

2、H2起始量相等时，CO2的平衡转化率和CH3OCH

3的选择性随温度变化如图2所示。

已知：CH3OCH

3的选择性=2nCH

3OCH

3生成

nCO

2消耗×100%

①300°C时，通入CO2

、H2各2mol，平衡时CH3OCH

3的选择性、CO2的平衡转化率都为30%，平衡时生成

CH

3OCH

3的物质的量为mol，此温度下反应I的平衡常数KP=(保留2位有效数字。用平衡

分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)。

②300°C∼360°C区间，CO2平衡转化率随温度变化的曲线如图2所示，分析曲线变化的原因：。

(3)如图所示是绿色电源“二甲醚(CH

3OCH

3)燃料电池”的工作原理示意图(a、b均为多孔性Pt电极)。负

极是(填写“a”或“b”)，该电极的电极反应式是，若有8mol氢离子通过质子交换膜，则b电

极在标准状况下吸收L氧气。

2【答案】(1)-123.1低温

(2)0.090.20反应I为吸热反应，二氧化碳的平衡转化率随温度升高而增大，反应Ⅱ为放热反应，

二氧化碳的平衡转化率随温度升高而减小，300℃~360℃区间，反应I的趋势大于反应Ⅱ

(3)aCH

3OCH

3-12e-+3H

2O=2CO

2+12H+44.8

【解析】(1)根据图示，2CO2(g)+6H

2(g)⇌CH

3OCH

3(g)+3H

2O(g)　ΔH

2=(-99.2kJ⋅mol-1-23.9kJ⋅

mol-1)=-123.1kJ⋅mol-1；该反应ΔH2<0、△S<0，在低温下能自发进行。

(2)①300°C时，通入CO

2、H2各2mol，平衡时CH3OCH

3的选择性、CO2的平衡转化率都为30%，平衡时生

成CH3OCH

3的物质的量为2mol×30%×30%

2=0.09mol；设容器内压强为p，参加反应I的CO

2的物质的

量为2mol×30%×1-30%=0.42mol，反应生成CO的物质的量为0.42mol，反应生成水的物质的量为

0.42mol+0.009mol×3=0.69mol，根据氢元素守恒，参加反应的氢气的物质的量为0.42mol+0.009mol×

6=0.96mol，平衡时容器中氢气的物质的量为2mol-0.96mol=1.04mol，此温度下反应I的平衡常数K

P=

p×0.42

3.82×p×0.69

3.82

p×1.4

3.82×p×1.04

3.82=0.20。

②反应I为吸热反应，二氧化碳的平衡转化率随温度升高而增大，反应Ⅱ为放热反应，二氧化碳的平衡转化

率随温度升高而减小，300℃~360℃区间，反应I的趋势大于反应Ⅱ。

(3)根据图示，a极二甲醚失电子发生氧化反应生成二氧化碳，则负极是a，该电极的电极反应式是CH

3

OCH

3-12e-+3H

2O=2CO

2+12H+，若有8mol氢离子通过质子交换膜，说明电路中转移8mol电子，b电极

发生反应O2+4e-+4H++2H

2O，则b电极消耗2mol氧气，在标准状况下吸收44.8L氧气。

2(23-24高三下·上海·阶段练习)I．中国科学家首次实现了二氧化碳到淀粉的全合成，相关成果由国

际知名学术期刊《科学》在线发表。CO2的捕集、利用与封存是科学家研究的重要课题，利用CH4与CO2制

备“合成气”CO、H2，合成气可直接制备甲醇，反应原理为：CO(g)+2H2(g)⇌CH

3OH(g) ΔH=-99

kJ·mol-1。

(1)若要该反应自发进行，(填“高温”、“低温”或“任何温度”)更有利。

(2)在恒温、恒容的密闭容器中，对于合成气合成甲醇的反应，下列说法中能说明该反应达到化学平衡状态的

是。

A.混合气体中碳元素的质量分数不再改变B.混合气体的密度不再变化

C.CO的百分含量不再变化D.2v(H

2)正=v(CO)逆

(3)把CO

2转化为HCOOH是降碳并生产化工原料的常用方法，有关反应如下：

①CO(g)+H2O(g)⇌HCOOH(g) ΔH

1=-72.6kJ·mol-1

②2CO(g)+O2(g)⇌2CO

2(g) ΔH

2=-566kJ·mol-1

③O2(g)+2H

2(g)⇌2H

2O(g) ΔH

3=-483.6kJ·mol-1

则CO2(g)与H

2(g)合成HCOOH(g)反应的热化学方程式：。

(4)还可利用电化学方法可以将CO

2有效地转化为HCOO-，后续经酸化转化为HCOOH，原理示意图如图

3所示，

下列说法错误的是。

A.电解池的阴极电极反应式为2CO

2+2e-+H

2O=HCOO-+HCO-

3

B.b为电源正极

C.电解一段时间后，阳极区的KHCO

3溶液浓度降低

D.若以氢氧碱性燃料电池作直流电源，那么负极的电极反应式为H

2-2e-+2OH-=2H

2O

Ⅱ．我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了NO-CO的反应历程。在催化剂作用下，此反应为

2CO(g)+2NO(g)⇌2CO

2(g)+N

2(g) ΔH<0可有效降低汽车尾气污染物排放。

(5)探究温度、压强(2MPa，5MPa)对反应的影响，如图所示，表示2MPa的是。

(6)一定温度下，向容积1L的恒容密闭容器按体积比3：2的比例充入CO和NO，当反应达到平衡时NO的

体积分数为1

3，此温度下该反应的平衡常数K==。(第一空写表达式，第二空保留三位有

效数字)

(7)使用相同催化剂，测得相同时间内NO的转化率随温度的变化曲线如图，解释NO的转化率在

100~900℃范围内随温度升高先上升后下降，且下降由缓到急的主要原因是；。

【答案】(1)低温

(2)C

(3)CO

2(g)+H

2(g)⇌HCOOH(g)ΔH=-31.4kJ·mol-1

(4)B

(5)A

4(6

)cN

2c2CO

2

c2COc2NO1.85×10-3

(7)400℃~700℃随温度升高，平衡向逆向移动，转化率逐渐减小700℃以后，催化剂失去活性，反应速

率急剧下降导致转化率迅速变小

【解析】(1)已知CO(g)+2H2(g)⇌CH

3OH(g) ΔH=-99kJ·mol-1，即该反应的△H<0，反应前后气体体积

减小，熵变△S<0，满足△H-T△S<0，应在低温下能自发进行，故答案为：低温。

(2)A．由元素守恒可知，该反应过程中混合气体中碳元素的质量分数是定值，当混合气体中碳元素的质量

分数不再改变时，不能说明反应达到平衡，故A不选；

B．反应前后混合气体的质量和容器容积均是不变的，混合气体的密度一直不变，混合气体的密度不再变化

时，不能说明反应达到平衡，故B不选；

C．CO的百分含量不再变化，即浓度不再发生变化，达平衡状态，故C选；

D．2v(H

2)正=v(CO)逆时，不满足反应速率之比是化学计量数之比，所以没有达到平衡状态，故D不选；

答案选C。

(3)则根据盖斯定律可知①+1

2×③-1

2×②即得到反应：CO

2(g)+H

2(g)⇌HCOOH(g)ΔH=ΔH

1+2ΔH

3

-2ΔH

2=-72.6kJ·mol-1-1

2×483.6kJ·mol-1+1

2×566kJ·mol-1=-31.4kJ·mol-1。

(4)A．CO

2在阴极得到电子生成HCOO-，根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极方程式为：2CO2+2e-

+H

2O=HCOO-+HCO-

3，故A正确；

B．CO

2在阴极得到电子生成HCOO-，Sn电极为阴极，b为电源负极，故B错误；

C．H

2O在阳极失去电子生成O

2，电极方程式为：2H2O-4e-=O

2↑+4H+，生成的H+会和HCOO-反应，阳

极区的KHCO3溶液浓度降低，故C正确；

D．若以氢氧碱性燃料电池作直流电源，H

2负极失去电子生成H2O，电极反应式为H

2-2e-+2OH-=2H

2O，

故D正确；

故选B。

(5)可逆反应2CO(g)+2NO(g)⇌2CO

2(g)+N

2(g)ΔH<0，是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，NO的转

化率减小，减小压强，平衡逆向移动，NO的转化率减小，根据图示可知，表示2MPa的是反应a。

(6)根据已知条件列出“三段式”

2COg+2NOg⇌2CO

2g+N

2g

起始mol/L3

转化mol/L2x

平衡mol/L3-2x20

2x2x

2-2x2x0

x

x

当反应达到平衡时NO的体积分数为1

3=2-2x

5-x，x=0.2mol，此温度下该反应的平衡常数K=

cN

2c2CO

2

c2COc2NO=0.2×0.42

1.62×2.62=1.85×10-3。

(7)如图，400℃时，达到平衡状态，NO转化率达到最大，400℃~700℃随温度升高，平衡向逆向移动，转化率

逐渐减小；700℃以后，催化剂失去活性，反应速率急剧下降导致转化率迅速变小。

3(23-24高三下·上海·开学考试)Ⅰ.烟气脱硝是指通过一系列化学反应将烟气中的NO、NO2等氮的

氧化物转化为无污染的含氮物质的过程。

(1)已知NO

2为角形分子。下列关于NO、NO2说法正确的是。

A.均属于酸性氧化物B.均属于离子化合物C.均属于极性分子D.均属于电解质

(2)比较N与O的电负性大小，并说明理由。

Ⅱ.臭氧-氨水法是一种高效的工业脱硝技术，主要流程图如下所示：