通用版高考化学一轮复习课时突破练32　化学反应的方向与调控

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通用版高考化学一轮复习
课时突破练32　化学反应的方向与调控
必备知识基础练
1.(2024·浙江省七彩阳光联盟联考)下列对于化学反应方向说法正确的是(　　)
A.反应2A(g)+B(g)3C(s)+D(g)在一定条件下能自发进行,说明该反应的ΔH>0
B.常温下,反应2Na2SO3(s)+O2(g)2Na2SO4(s)能自发进行,则有ΔH<0
C.反应2Mg(s)+CO2(g)C(s)+2MgO(s)在一定条件下能自发进行,则该反应的ΔH>0
D.一定温度下,反应2NaCl(s)2Na(s)+Cl2(g)的ΔH<0,ΔS>0
2.(2024·浙江金丽衢十二校联考)放热反应可认为是化学反应(体系)将释放的能量传递给了周围的环境,导致环境的熵增加,增加的熵与焓变之间存在关系:ΔS环境=-。当ΔS体系+ΔS环境>0时,反应能自发进行。已知反应:A(g)+B(g)C(s)　ΔH=-176 kJ·mol-1,ΔS=-284 J·mol-1·K-1,下列说法正确的是(　　)
A.该反应在任意温度下都能自发进行
B.该反应在任意温度下都不能自发进行
C.T=298 K时该反应能自发进行
D.T=298 K时该反应不能自发进行
3.(2024·广东东莞四校联考)化学反应的调控对于工业生产具有积极意义,下列关于调控措施的说法错误的是(　　)
A.硫酸工业中,在高温高压、催化剂作用下,可提高生产效益
B.硫酸工业中,为提高SO2的转化率,可通入稍过量的空气
C.工业合成氨,考虑催化剂的活性,选择400~500 ℃的反应温度
D.工业合成氨,迅速冷却、液化氨是为了使化学平衡向生成氨的方向移动
4.(2024·湖北黄冈中学调研)“丁烯裂解法”是一种重要的丙烯生产法,在生产过程中会有生成乙烯的副反应发生。反应如下:
主反应:3C4H8(g)4C3H6(g);副反应:C4H8(g)2C2H4(g)。
测得上述两反应的平衡体系中,各组分的质量分数(ω)随温度(T)和压强(p)变化的趋势分别如图1和图2所示:
图1
图2
平衡体系中的C3H6(g)和C2H4(g)的质量比是工业生产C3H6(g)时选择反应条件的重要依据之一,从产物的纯度考虑,该数值越高越好,据图1和图2判断,反应条件应选择下列中的(　　)
A.300 ℃、0.1 MPa B.700 ℃、0.1 MPa
C.300 ℃、0.5 MPa D.700 ℃、0.5MPa
5.(2024·北京大兴区统考)CO可用于合成甲醇,反应的化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。
下列说法中正确的是(　　)
A.该反应ΔH>0
B.温度越高,反应速率越快,故实际生产中选择350 ℃
C.实际生产中常加入催化剂,加快反应速率,提高CH3OH的产率
D.实际生产条件可选择控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右
6.(2024·辽宁丹东二模)乙烷裂解制乙烯的主反应为C2H6(g)C2H4(g)+H2(g)　ΔH>0,副反应为2C2H6(g)C2H4(g)+2CH4(g)　ΔH>0。分别在100 kPa和200 kPa时,向同一密闭容器中充入一定量的C2H6(g),平衡时C2H6(g)和C2H4(g)的物质的量分数随温度变化如图所示。T ℃反应达到平衡时C2H6(g)的转化率为60%,H2与CH4的体积比为2∶1。下列说法正确的是(　　)
A.曲线Y表示200 kPa时平衡体系中乙烯的物质的量分数
B.T ℃,反应达到平衡时C2H4(g)的体积分数近似为26.7%
C.为提高H2(g)产率,实际生产中可使用主反应的选择性催化剂
D.为提高乙烯的产率,实际生产中应尽可能降低压强促进平衡正移
7.(2024·安徽师大附中模拟)已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)　ΔH=-197.8 kJ·mol-1。起始反应物为SO2和O2(物质的量之比为2∶1,且总物质的量不变)。SO2的平衡转化率(%)随温度和压强的变化如下表:
温度/K 压强/(105 Pa)
1.01 5.07 10.1 25.3 50.7
673 99.2 99.6 99.7 99.8 99.9
723 97.5 98.9 99.2 99.5 99.6
773 93.5 96.9 97.8 98.6 99.0
下列说法不正确的是(　　)
A.一定压强下降低温度,SO2平衡转化率增大
B.在不同温度、压强下,转化相同物质的量的SO2所需要的时间相等
C.使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间
D.工业生产通常不采取加压措施是因为常压下SO2转化率已相当高
关键能力提升练
8.(2024·江苏镇江调研)恒压条件下,密闭容器中将CO2、H2按照体积比为1∶3合成CH3OH,其中涉及的主要反应:
Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49 kJ·mol-1
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41 kJ·mol-1
在不同催化剂作用下发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,在相同的时间段内CH3OH的选择性和产率随温度的变化如图所示。
已知:CH3OH的选择性=×100%
下列说法正确的是(　　)
A.保持恒温恒压下充入氮气,不影响CO的产率
B.合成甲醇的适宜工业条件是约230 ℃,选择CZ(Zr-1)T催化剂
C.使用CZ(Zr-1)T催化剂、230 ℃以上,升高温度甲醇的产率降低,原因是催化剂的活性降低
D.使用CZT催化剂、230 ℃以上,升高温度甲醇的产率降低,是因为反应Ⅰ平衡逆向移动
9.(2024·辽宁锦州三模)甲烷重整制合成气,体系中主要反应如下:
Ⅰ.CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)　ΔH1
Ⅱ.CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH2
各反应平衡常数与温度的关系如图所示,下列说法不正确的是(　　)
A.体系温度高于1 000 K时,升温对反应Ⅱ的平衡影响更大
B.理论上,反应Ⅱ在高温下能自发进行
C.1 000 K时,反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)的平衡常数K=0.1
D.1 000 K时,若平衡时=2,则=2,应控制起始投料比=2
10.(5分)(2024·浙江金华十校联考)主要成分为H2S的工业废气的回收利用有重要意义。根据文献,将H2S和CH4的混合气体导入石英管反应器热解(一边进料,另一边出料),发生如下反应:
Ⅰ.2H2S(g)2H2(g)+S2(g)　ΔH1=+170 kJ·mol-1
Ⅱ.CH4(g)+S2(g)CS2(g)+2H2(g)　ΔH2=+64 kJ·mol-1
总反应:Ⅲ.2H2S(g)+CH4(g)CS2(g)+4H2(g)
投料按体积之比V(H2S)∶V(CH4)=2∶1,并用N2稀释;常压、不同温度下反应相同时间后,测得H2和CS2的体积分数如下表:
温度/℃ 950 1 000 1 050 1 100 1 150
H2/V(%) 0.5 1.5 3.6 5.5 8.5
CS2/V(%) 0.0 0.0 0.1 0.4 1.8
请回答下列问题:
(1)下列说法正确的是　　　　　。
A.其他条件不变时,用Ar替代N2作稀释气体,对实验结果几乎无影响
B.其他条件不变时,温度越高,H2S的转化率越高
C.由实验数据推出H2S中的S—H键强于CH4中的C—H键
D.恒温恒压下,增加N2的体积分数,H2的浓度升高
(2)若将反应Ⅲ看成由反应Ⅰ和反应Ⅱ两步进行,画出由反应原料经两步生成产物的反应过程能量示意图。
(3)在1 000 ℃、常压下,保持通入的H2S体积分数不变,提高投料比[V(H2S)∶V(CH4)],H2S的转化率不变,原因是 　。
(4)在950~1 150 ℃范围内(其他条件不变),S2(g)的体积分数随温度升高发生变化,写出该变化规律并分析原因: 　。
11.(2025·八省联考云南卷)氮化钒(VN)广泛用于钢铁产业、储能、工业催化等领域。工业上可采用碳热还原氮化法制备VN,100 kPa、1 317.0 K时热化学方程式及平衡常数如下:
Ⅰ.V2O3(s)+3C(s)+N2(g)2VN(s)+3CO(g)　ΔH　Kp
回答下列问题:
(1)钒元素在元素周期表中属于　　　区。
(2)反应Ⅰ分两步进行:
Ⅱ.V2O3(s)+4C(s)V2C(s)+3CO(g)　ΔH1=+742.0 kJ·mol-1　Kp1
Ⅲ.V2C(s)+N2(g)2VN(s)+C(s)　ΔH2=-304.2 kJ·mol-1　Kp2
①反应Ⅰ的ΔH=　　　 kJ·mol-1,Kp=　　　(用Kp1和Kp2表示)。
②升温有利于提高VN的产率,从平衡移动角度解释: 　。
(3)通过热力学计算,不同压强下反应Ⅰ的ΔG随T变化如图所示,　　　　　　　　(填“高温低压”或“低温高压”)有利于该反应自发进行(已知ΔG<0时,反应可自发进行)。
(4)N2参与反应可能的机理示意图如下。下列说法错误的是　　　(填字母)。
A.反应过程中有非极性键断裂
B.N2与V原子直接反应生成VN
C.该反应中活性位点是碳原子
(5)反应过程中,含钒化合物的物质的量随时间变化如图所示,前30 min内化学反应速率v(VN)=　　　 mol·h-1,30 min时的氮化率为　　　%[保留一位小数,已知氮化率=×100%]。
参考答案
1.B　解析 反应2A(g)+B(g)3C(s)+D(g)是熵减的反应,在一定条件下能自发进行,据ΔH-TΔS<0可知,该反应的ΔH<0,A错误。反应2Na2SO3(s)+O2(g)2Na2SO4(s)是熵减的反应,常温下能自发进行,据ΔH-TΔS<0可知,该反应的ΔH<0,B正确。反应2Mg(s)+CO2(g)C(s)+2MgO(s)在一定条件下能自发进行,据ΔH-TΔS<0可知,该反应的ΔH<0,C错误。反应2NaCl(s)2Na(s)+Cl2(g)是分解反应,该反应的ΔH>0,D错误。
2.C　解析 ΔS体系+ΔS环境>0时反应能自发进行,即-284 J·mol-1·K-1+>0,解得T<619.8 K,这说明当温度低于619.8 K时反应可以自发进行。
3.A　解析 高温高压、催化剂是合成氨的条件,硫酸工业不需要高压,A错误。为提高SO2的转化率,不是通入的空气越多越好,通入空气越多,导致体系温度下降,需要更多的能量,为提高SO2的转化率,可通入稍过量的空气,B正确。升高温度可加快反应速率,为放热反应,升高温度平衡逆向移动,且催化剂的活性与温度有关,则反应温度选择400~500 ℃是该反应催化剂的催化活性、反应速率、反应限度等角度综合考虑的结果,C正确。工业合成氨,迅速冷却、液化氨,是为了使化学平衡向生成氨的方向移动,D正确。
4.C　解析 由图1可知,300 ℃时C2H4(g)的质量分数接近于0,而温度升高,C2H4(g)的质量分数增大,选择300 ℃;由图2可知,压强增大,C2H4(g)的质量分数减小,C3H6(g)的质量分数增大,选0.5 MPa,因此控制反应条件是300 ℃、0.5 MPa。
5.D　解析 由图可知,压强一定时,随着温度的升高,CO的转化率变小,说明升高温度,平衡逆向移动,故该反应ΔH<0,A错误。该反应是放热反应,温度越高,反应正向进行的程度越小,故应选择250 ℃,B错误。实际生产中常加入催化剂,可增大反应速率,缩短达到平衡所需时间,但不能使平衡移动,故不能提高CH3OH的产率,C错误。由图可知,压强在1×104 kPa时,CO的转化率较高,随后增大压强,CO转化率变化较小,故实际生产条件可选择控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右,D正确。
6.C　解析 升高温度,平衡正向移动,C2H6(g)物质的量减小,C2H4(g)物质的量增大,增大压强,平衡逆向移动,C2H6(g)含量增大,C2H4(g)含量减小,故X代表压强为200 kPa时C2H6(g)的变化曲线,Z代表100 kPa时C2H6(g)的变化曲线,Y代表100 kPa时C2H4(g)的变化曲线,W代表200 kPa时C2H4(g)的变化曲线,A错误。T ℃反应达到平衡时C2H6(g)的转化率为60%,恒温恒压下,气体的体积与物质的量成正比,H2与CH4的体积比为2∶1即物质的量比为2∶1,假设生成2 mol H2与1 mol CH4,需消耗3 mol C2H6(g),生成2.5 mol C2H4(g),则起始投入=5 mol C2H6(g),平衡时剩余2 mol C2H6(g),平衡时总物质的量为7.5 mol,平衡时C2H4(g)的体积分数即物质的量分数近似为×100%≈33.3%,B错误。为提高H2(g)产率,可提高主反应的反应速率,实际生产中可使用主反应的选择性催化剂,C正确。降低压强平衡正向移动,可提高乙烯的产率,但压强减小也会造成反应速率减小,实际生产中降低压强会影响反应速率,单位时间内乙烯的产率可能降低,D错误。
7.B　解析 一定压强下,降低温度,平衡正向移动,则SO2平衡转化率增大,A正确。不同温度和压强下,该反应的速率不同,故转化相同物质的量的SO2所需时间不同,B错误。使用催化剂可增大反应速率,从而缩短达到平衡所需时间,C正确。由表中数据可知,常压(1.01×105 Pa)、673 K时SO2的平衡转化率为99.2%,故工业生产中不需要采用加压措施,D正确。
8.B　解析 充入氮气,反应Ⅰ压强减小平衡逆向移动,H2和CO2增加从而导致反应Ⅱ的反应物浓度增大平衡正向移动,故CO的产率增大,A错误。相同条件下CZ(Zr-1)T催化剂选择性更高,此催化剂在230 ℃选择性较高且CH3OH的产率最高,故甲醇的最适宜条件为约230 ℃、选择CZ(Zr-1)T催化剂,B正确。反应Ⅰ为放热反应,升温平衡逆向移动,而反应Ⅱ为吸热反应,升温平衡正向移动,导致甲醇的产率降低,C错误。CZT催化剂、230 ℃以上时甲醇的选择性低,且升温反应Ⅱ正向进行,故该条件下主要以反应Ⅱ为主,导致甲醇的产率降低,D错误。
9.C　解析 由图可知,体系温度高于1 000 K时,升温反应Ⅰ曲线变化程度较小,故升温对反应Ⅱ的平衡影响更大,A正确。反应Ⅱ为吸热的熵增反应,故根据ΔH-TΔS<0判断,理论上反应Ⅱ在高温下可自发进行,B正确。根据盖斯定律可知,反应Ⅱ-反应Ⅰ得到反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)。1 000 K时,反应Ⅱ、反应Ⅰ的K值相等,则反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)的平衡常数K==1,C错误。1 000 K时,反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)的平衡常数K==1,若平衡时=2,则=2,由于反应在同一容器中进行,且反应中二氧化碳、水的化学计量数相等,则起始投料比=2,D正确。
10.答案 (1)AB
(2)
(3)1 000 ℃时CH4不参与反应,相同分压的H2S经历相同的时间转化率相同
(4)先升后降;在低温段,以反应Ⅰ为主,随温度升高,S2(g)的体积分数增大;在高温段,随温度升高,反应Ⅱ消耗S2的速率大于反应Ⅰ生成S2的速率,S2(g)的体积分数减小
解析 (1)Ar是稀有气体,与体系中物质不反应,其他条件不变时,用Ar替代N2作稀释气体,对实验结果几乎无影响,A正确。升高温度,平衡正向进行,温度越高,H2S的转化率越高,B正确。根据表中数据无法得出H2S中S—H键和CH4中C—H键的相对强弱,C错误。恒温恒压下,增加N2的体积分数,相当于减小压强,根据勒夏特列原理可知,H2浓度减小,D错误。
11.答案 (1)d　(2)①+437.8　Kp1×Kp2　②V2O3(s)+3C(s)+N2(g)2VN(s)+3CO(g)正反应吸热,升温时平衡正向移动　(3)高温低压　(4)B　(5)17.16　56.1
解析 (1)钒是23号元素,钒元素在元素周期表中位于第四周期ⅤB族,属于d区元素。
(2)①Ⅱ.V2O3(s)+4C(s)V2C(s)+3CO(g)　ΔH1=+742.0 kJ·mol-1　Kp1
Ⅲ.V2C(s)+N2(g)2VN(s)+C(s)　ΔH2=-304.2 kJ·mol-1　Kp2
根据盖斯定律,由Ⅱ+Ⅲ得V2O3(s)+3C(s)+N2(g)2VN(s)+3CO(g)　ΔH=ΔH1+ΔH2=+742.0 kJ·mol-1-304.2 kJ·mol-1=+437.8 kJ·mol-1,Kp=Kp1×Kp2。
②V2O3(s)+3C(s)+N2(g)2VN(s)+3CO(g)正反应吸热,升温时平衡正向移动,所以有利于提高VN产率。
(3)ΔG<0的反应能自发进行,根据不同压强下反应Ⅰ的ΔG随T变化图示可知,高温低压有利于该反应自发进行。
(4)根据图示,反应过程中有非极性键氮氮三键的断裂,A正确;由图示可知,N2不能与V原子直接反应生成VN,B错误;由图示可知,C原子直接参与了反应,则该反应中活性位点是碳原子,C正确;选B。
(5)30 min时VN的物质的量为8.58 mol,前30 min内化学反应速率v(VN)==17.16 mol·h-1;30 min时VN的物质的量为8.58 mol、VO的物质的量为5.4 mol、V2O3的物质的量为2.35 mol、V2C的物质的量为0.66 mol,则氮化率为×100%≈56.1%。
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