2020-2021高考化学 化学反应原理综合考查 综合题含答案

2020-2021高考化学 化学反应原理综合考查 综合题含答案

一、化学反应原理综合考查

1．碳元素形成的有机化合物在动植物体内及人类生存环境中有着相当广泛的存在，起着非常重要的作用。请结合下列有关含碳化合物的研究，完成下列填空。

（1）为了高效利用能源并且减少CO2的排放，可用下列方法把CO2转化成甲醇燃料：

①CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) △H=akJ•mol−1

②2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) △H=bkJ•mol−1

③CH3OH(g)=CH3OH(l) △H=ckJ•mol−1

④H2O(g)=H2O(l) △H=dkJ•mol−1

则表示CH3OH(l)燃烧热的热化学方程式为___。

（2）用甲醇燃料电池电解处理酸性含铬废水(主要含有Cr2O72−)，用如图装置模拟该过程：

①请完成电解池中Cr2O72−转化为Cr3+的离子方程式___。

②当甲池中消耗甲醇1.6g时，乙池中两电极的质量差为___g。

（3）葡萄糖和果糖为同分异构体，在一定条件下，C6H12O6（葡萄糖）C6H12O6（果糖） △H﹤0。该反应的速率方程式可表示为v(正)=k(正)c(葡)、v(逆)=k(逆)c(果)，k(正)和k(逆)在一定温度下为常数，分别称作正、逆反应速率常数。T1温度下，k(正)=0.06s−1，k(逆)=0.002s−1。

①T1温度下，该反应的平衡常数K1=___。

②该反应的活化能Ea(正)___Ea(逆)(填“大于”、“小于”或“等于”）。

③该T2温度下，从开始反应到平衡的过程中，葡糖糖的质量分数变化如图所示。可以确定温度T2___T1（填“大于”、“小于”或“等于”）。

（4）H2A为二元弱酸。室温下配制一系列c(H2A)+c(HA−)+c(A2−)=0.100mol•L−1的H2A与NaOH的混合溶液。测得H2A、HA−、A2−的物质的量分数c(x)%（c(x)%=--2-2c(X)c(HA)+c(HA)+c(A)×100%）随pH变化如图所示。

①当c(Na+)=0.100mol•L−1时，溶液中离子浓度的大小顺序为___。

②室温下，若将0.100mol•L−1的H2A与amol•L−1的NaOH溶液等体积混合，使溶液的pH=7。则H2A的Ka2=___mol•L−1（用a表示）。

【答案】CH3OH(l)+32O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H=3b+4d2-a-c（或-a+1.5b-c+2d) Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O 8.4 30 小于 大于 c(Na+)﹥c(HA-)﹥c(H+)﹥c(A2-)﹥c(OH-)

-7(a-0.1)100.2-a

【解析】

【分析】

（1）利用盖斯定律推算出CH3OH(l)燃烧热的热化学方程式；

（2）甲池为甲醇燃料电池，其中M为负极，N为正极；乙池为电解池，乙池中左边铁为阳极，右边的铁为阴极，阳极产生的Fe2+还原Cr2O72-，将Cr2O72−转化为Cr3+；利用串联电路中转移的电子数相等，计算当甲池中消耗甲醇1.6g时，乙池中两电极的质量差；

（3）①根据速率方程式，当达到平衡时，v(正)= v(逆)，k(正)c(葡) = k(逆)c(果)，该反应的平衡常数K=c()c()果糖葡萄糖=()()KK正逆，然后根据k(正)和k(逆)在一定温度下的数值，带入计算；

②根据该反应为放热反应，故正反应的活化能小于逆反应的活化能；

③根据图像信息，计算T2温度下的平衡常数，然后与T1温度下的平衡常数相比，对应放热反应而言，温度越高平衡常数越小；

（4）①当c(Na+)=0.100mol•L−1时，H2A与NaOH恰好反应生成NaHA，结合图中的信息，溶液中离子浓度的大小；

②由电荷守恒可知，c(H+)+c(Na+)=c(OH-)+c(HA-)+2c(A2-)，由物料守恒可知c(H2A)+c(HA−)

+c(A2−)=0.050mol•L−1，结合图像信息，计算出c(HA-)、c(A2-)、c(H+)，然后计算H2A的Ka2=2c(H)(A)c(HA)c。

【详解】

（1）利用盖斯定律：1.5×②-①-③+2×④，得CH3OH(l)燃烧热的热化学方程式：CH3OH(l)+32O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H=（-a+1.5b-c+2d) kJ•mol−1；

（2）①乙池中左边铁为阳极，其电极反应式为Fe-2e-= Fe2+，Fe2+还原Cr2O72-，将Cr2O72−转化为Cr3+，其反应方程式为Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O； ②1.6gCH3OH的物质的量为11.6g32gmol=0.05mol，M为负极，其电极反应式为CH3OH-6e-+

H2O= 6H++ CO2↑，n(e-)=6n(CH3OH)=6×0.05mol=0.3mol，串联电路中转移的电子数相等，乙池中左边铁为阳极，其电极反应式为Fe-2e-= Fe2+，故消耗Fe的物质的量为0.15mol，乙池中左边铁消耗的质量为0.15mol×56g/mol=8.4g，右边的铁为阴极，电极反应式为2 H++2e-=

H2↑，即右边的铁电极的质量不变，所以当甲池中消耗甲醇1.6g时，乙池中两电极的质量差为8.4g；

（3）①根据速率方程式，当达到平衡时，v(正)= v(逆)，k(正)c(葡) = k(逆)c(果)，该反应的平衡常数K=

c()c()果糖葡萄糖=()()KK正逆，T1温度下，k(正)=0.06s−1，k(逆)=0.002s−1，故T1温度下，K=110.06s0.002s=30；

②室温下，若将0.100mol•L−1的H2A与amol•L−1的NaOH溶液等体积混合，使溶液的pH=7，c(H+)=10-7 mol•L−1，由电荷守恒可知，c(H+)+c(Na+)=c(OH-)+c(HA-)+2c(A2-)，因为溶液呈中性，c(H+)=c(OH-)，c(Na+)= c(HA-)+2c(A2-)=0.5a mol•L−1，由物料守恒可知c(H2A)+c(HA−)+c(A2−)

=0.050mol•L−1，结合图像信息，当溶液呈中性时，c(H2A)比较小，忽略不计，c(A2−)=(0.5a-0.050) mol•L−1，c(HA−)=(0.1-0.5a) mol•L−1，室温下，Ka2=2c(H)(A)c(HA)c=71.010(0.50.050)0.10.5aa =-7(a-0.1)100.2-a。

2．研究煤的合理利用及 CO2的综合应用有着重要的意义。请回答以下问题：

I.煤的气化

已知煤的气化过程涉及的基本化学反应有：

①C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) △H=+131kJ·mol-1

②CO(g)+3H2(g) CH4(g) +H2O(g) △H=akJ·mol-1

查阅资料反应②中相关化学键能数据如下表：

化学键 C≡O H—H H—C H—O

E(kJ·mol-1) 1072 436 414 465

(1)则反应②中 a =_____________。

(2)煤直接甲烷化反应 C(s) + 2 H2 (g) CH4(g) 的△H=为 _____kJ • mol-1， 该反应在_____________（填“高温”或“低温 ”）下自发进行。

II.合成低碳烯烃

在体积为1 L 的 密闭容器中，充入 1mol CO2和 2 .5 mol H2, 发生 反应： 2CO2 ( g) + 6

H2(g)C2H4(g)+4 H2O(g) △H=-128kJ·mol-1，测得温度对催化剂催化效率和CO2 平衡转化率的影响如右图 所 示 ：

(3) 图中低温时， 随着温度升高催化剂的催化效率提高， 但 CO2的平衡转化率却反而降低 ，其原因是_______________．

(4) 250℃时，该反应的平衡常数K 值为____________。

III.合成甲醇

在恒温 2 L 容积不变的密闭容器中，充入 1molCO2 和 3 molH2, 发生反应：. CO2(g)+3H2(g)

CH3OH(g)+ H2O(g),测得不同时刻反应前后容器内压强变化（p后/p前）如下表：

时间/h 1 2 3 4 5 6

p后/p前 0.90 0.85 0.82 0.81 0.80 0.80

(5) 反应前 1 小时内的平均反应速率 v(H2）为_______mol•L-1h-1 , 该温度下CO2的平衡转化率为_____________。

【答案】-206 -75 低温 该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，所以二氧化碳的转化率降低 1 0.3 40%

【解析】

【分析】

【详解】

（1）焓变△H=反应物的总键能-生成物的总键能=a=1072 kJ/mol +3×436 kJ/mol -（4×414

kJ/mol +2×465 kJ/mol）=-206kJ/mol，故答案为：-206；

（2）由盖斯定律，方程式①+②得到C(s) + 2H2 (g)CH4(g)，则△H=-75 kJ/mol，反应△H<0，△S<0，则低温下能使△H-T△S<0，所以低温能自发进行，故答案为：-75；低温；

（3）该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，则二氧化碳的平衡转化率降低，故答案为：该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，所以二氧化碳的转化率降低；

（4）250℃时，二氧化碳的平衡转化率为50%，可列三段式为：

2CO2 ( g) + 6 H2(g)C2H4(g)+4 H2O(g)

(mol/L)12.500(mol/L)0.51.50.251(mol/L)0.510.251起始态转化态平衡态

42610.25K=10.51，故答案为：1；

（5）在恒温2L容积不变的密闭容器中，充入1molCO2和3molH2，发生反应，设1h消耗二氧化碳的物质的量为x，则有三段式：

CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+ H2O(g) (mol)1300(mol)x3xxx1h(mol)1-x3-3xxx起始态转化态时

气体压强之比等于气体的物质的量之比，则4-2x=0.94，x=0.2mol，氢气的反应速率c30.2molv===0.3mol/(Lh)2Lt1hg；

平衡状态下气体压强之比为0.8，设消耗二氧化碳的物质的量为y，则有三段式：

CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+ H2O(g)

(mol)1300(mol)y3yyy(mol)1-y3-3yyy起始态转化态平衡态

4-2y=0.84，y=0.4，二氧化碳的平衡转化率= 0.4mol100%=40%1mol，故答案为：0.3；40%。

3．磷酸是重要的化学试剂和工业原料。请回答下列问题：

(1)已知：25℃时，磷酸和氢氟酸的电离常数如下表所示。