《2025年5年高考3年模拟高中化学全一册人教B版》

36.(2022海南，16，10分)某空间站的生命保障系统功能之一是实现氧循环。其中涉及反应：
CO₂(g)+4H₂(g)→(催化剂)2H₂O(g)+CH₄(g)
回答问题：
(1)已知：电解液态水制备1 mol O₂(g)，电解反应的ΔH=+572 kJ·mol⁻¹。由此计算H₂(g)的燃烧热(焓)ΔH=______kJ·mol⁻¹。
(2)已知：CO₂(g)+4H₂(g)⇌2H₂O(g)+CH₄(g)的平衡常数(K)与反应温度(t)之间的关系如图1所示。

①若反应为基元反应，且反应的ΔH与活化能(Eₐ)的关系为|ΔH|＞Eₐ。补充完成该反应过程的能量变化示意图(图2)。

②某研究小组模拟该反应。温度t下，向容积为10 L的抽空的密闭容器中通入0.1 mol CO₂和0.4 mol H₂，反应平衡后测得容器中n(CH₄)=0.05 mol。则CO₂的转化率为______，反应温度t约为______℃。
(3)在相同条件下，CO₂(g)与H₂(g)还会发生不利于氧循环的副反应：
CO₂(g)+3H₂(g)⇌H₂O(g)+CH₃OH(g)
在反应器中按n(CO₂)∶n(H₂)=1∶4通入反应物，在不同温度、不同催化剂条件下，反应进行到2 min时，测得反应器中CH₃OH、CH₄浓度(μmol·L⁻¹)如下表所示。

在选择使用催化剂Ⅰ和350 ℃条件下反应，0～2 min生成CH₃OH的平均反应速率为______μmol·L⁻¹·min⁻¹；若某空间站的生命保障系统实际选择使用催化剂Ⅱ和400 ℃的反应条件，原因是______________________________。

答案：
答案
(1)- 286
(2)①

②50% 660.2(或660.1或660.3，其他合理答案也可)
(3)5.4 相同催化剂，400℃的反应速率更快；相同温度，催化剂Ⅱ副产物浓度低，而甲烷的比例高
解析
(1)根据题给信息写出$2H_{2}O(l)\xlongequal{电解}2H_{2}(g)+O_{2}(g)$ $\Delta H=+572\ kJ\cdot mol^{-1}$可得$2H_{2}(g)+O_{2}(g)\longrightarrow 2H_{2}O(l)$ $\Delta H=-572\ kJ\cdot mol^{-1}$，则$H_{2}(g)$的燃烧热[1 mol可燃物]为$\Delta H=(-572\div2)\ kJ\cdot mol^{-1}=-286\ kJ\cdot mol^{-1}$。
(2)①根据题图1可知温度越高，平衡常数越小，则$CO_{2}(g)+4H_{2}(g)\xrightarrow{催化剂}2H_{2}O(g)+CH_{4}(g)$ $\Delta H＜0$；$|\Delta H|＞E_{a}=a$，则反应物总能量与生成物总能量之差大于a，故生成物总能量低于a[不仅算清，作图时还要看清纵坐标数据]。
②利用三段式法解答：
$CO_{2}(g)+4H_{2}(g)\xrightarrow{催化剂}2H_{2}O(g)+CH_{4}(g)$
起始(mol) 0.1 0.4 0 0
转化(mol) 0.05 0.2 0.1 0.05
平衡(mol) 0.05 0.2 0.1 0.05
$CO_{2}$的平衡转化率为$\frac{0.05}{0.1}×100\%=50\%$，反应的平衡常数$K=\frac{(\frac{0.1}{10})^{2}×\frac{0.05}{10}}{\frac{0.05}{10}×(\frac{0.2}{10})^{4}}=625$，由题图1可知对应温度约为660.2℃。
(3)$v(CH_{3}OH)=\frac{\Delta c(CH_{3}OH)}{\Delta t}=\frac{10.8\ \mu mol\cdot L^{-1}}{2\ min}=5.4\ \mu mol\cdot L^{-1}\cdot min^{-1}$。催化剂相同时，温度越高反应速率越快；对比表格中数据可知温度相同时，使用催化剂Ⅱ比催化剂Ⅰ生成的甲醇(副产物)浓度小。
方法指导
第
(2)问中①题画图时，关键要找到生成物总能量数值(即最低点)；第
(3)问分析表格中数据时，注意控制变量分析外界条件对反应的影响。

37.(2022河北，16，14分)氢能是极具发展潜力的清洁能源，以氢燃料为代表的燃料电池有良好的应用前景。
(1)298 K时，1 g H₂燃烧生成H₂O(g)放热121 kJ，1 mol H₂O(l)蒸发吸热44 kJ。表示H₂燃烧热的热化学方程式为______________________________。
(2)工业上常用甲烷水蒸气重整制备氢气，体系中发生如下反应：
Ⅰ CH₄(g)+H₂O(g)⇌CO(g)+3H₂(g)
Ⅱ CO(g)+H₂O(g)⇌CO₂(g)+H₂(g)
①下列操作中，能提高CH₄(g)平衡转化率的是______(填标号)。
A.增加CH₄(g)用量
B.恒温恒压下通入惰性气体
C.移除CO(g)
D.加入催化剂
②恒温恒压条件下，1 mol CH₄(g)和1 mol H₂O(g)反应达平衡时，CH₄(g)的转化率为α，CO₂(g)的物质的量为b mol，则反应Ⅰ的平衡常数Kₓ=________________[写出含有α、b的计算式；对于反应mA(g)+nB(g)⇌pC(g)+qD(g)，Kₓ=xᵖ(C)·xᵠ(D)/[xᵐ(A)·xⁿ(B)]，x为物质的量分数]。其他条件不变，H₂O(g)起始量增加到5 mol，达平衡时α=0.90，b=0.65，平衡体系中H₂(g)的物质的量分数为______(结果保留两位有效数字)。
(3)氢氧燃料电池中氢气在______(填“正”或“负”)极发生反应。
(4)在允许O²⁻自由迁移的固体电解质燃料电池中，CₙH₂ₙ₊₂放电的电极反应式为______________________________。
(5)甲醇燃料电池中，吸附在催化剂表面的甲醇分子逐步脱氢得到CO，四步可能脱氢产物及其相对能量如图，则最可行途径为a→________(用b～j等代号表示)。

答案： 答案
(1)$H_{2}(g)+\frac{1}{2}O_{2}(g)\longrightarrow H_{2}O(l)$ $\Delta H=-286\ kJ\cdot mol^{-1}$
(2)①BC ②$\frac{(\alpha - b)(3\alpha + b)^{3}}{(1 - \alpha)(1 - \alpha - b)(2 + 2\alpha)^{2}}$ 0.43
(3)负
(4)$C_{n}H_{2n + 2}-(6n + 2)e^{-}+(3n + 1)O^{2-}\longrightarrow nCO_{2}+(n + 1)H_{2}O$
(5)b→e→h→j
解析
(1)298 K时，1 g即0.5 mol $H_{2}$燃烧生成$H_{2}O(g)$放热121 kJ，1 mol $H_{2}O(l)$蒸发吸热44 kJ，则1 mol $H_{2}$燃烧生成1 mol $H_{2}O(l)$放热$2×121\ kJ+44\ kJ=286\ kJ$，表示$H_{2}$燃烧热的热化学方程式为$H_{2}(g)+\frac{1}{2}O_{2}(g)\longrightarrow H_{2}O(l)$ $\Delta H=-286\ kJ\cdot mol^{-1}$。
(2)①增加$CH_{4}(g)$用量可以提高$H_{2}O(g)$的转化率，但是$CH_{4}(g)$平衡转化率减小[注意总结规律]；恒温恒压下通入惰性气体，相当于减小体系压强，反应Ⅰ的化学平衡正向移动，能提高$CH_{4}(g)$平衡转化率；移除$CO(g)$，$CO(g)$的浓度减小，反应Ⅰ的平衡正向移动，能提高$CH_{4}(g)$平衡转化率；催化剂不能改变平衡状态，故不能提高$CH_{4}(g)$平衡转化率；故选BC。
②恒温恒压条件下，1 mol $CH_{4}(g)$和1 mol $H_{2}O(g)$反应达平衡时，$CH_{4}(g)$的转化率为$\alpha$，列三段式[假设反应Ⅰ平衡后再发生反应Ⅱ]：
$CH_{4}(g)+H_{2}O(g)\rightleftharpoons CO(g)+3H_{2}(g)$
起始(mol) 1 1 0 0
转化(mol) $\alpha$ $\alpha$ $\alpha$ 3$\alpha$
平衡(mol) 1 - $\alpha$ 1 - $\alpha$ $\alpha$ 3$\alpha$
$CO(g)+H_{2}O(g)\rightleftharpoons CO_{2}(g)+H_{2}(g)$
起始(mol) $\alpha$ 1 - $\alpha$ 0 3$\alpha$
转化(mol) b b b b
平衡(mol) $\alpha - b$ 1 - $\alpha - b$ b 3$\alpha + b$
可知达平衡时，$CO_{2}(g)$的物质的量为b mol，$CH_{4}(g)$的物质的量为(1 - $\alpha$) mol，$CO(g)$的物质的量为($\alpha - b$) mol，$H_{2}O(g)$的物质的量为(1 - $\alpha - b$) mol，$H_{2}(g)$的物质的量为(3$\alpha + b$) mol，则反应达平衡时混合气体的总物质的量为(2$\alpha + 2$) mol[不要忘记体系中所有气体的物质的量都要算]，混合气体中，$CH_{4}(g)$、$H_{2}O(g)$、$CO(g)$、$H_{2}(g)$的物质的量分数分别为$\frac{1 - \alpha}{2 + 2\alpha}$、$\frac{1 - \alpha - b}{2 + 2\alpha}$、$\frac{\alpha - b}{2 + 2\alpha}$、$\frac{3\alpha + b}{2 + 2\alpha}$，因此，反应Ⅰ的平衡常数$K_{x}=\frac{\frac{\alpha - b}{2 + 2\alpha}×(\frac{3\alpha + b}{2 + 2\alpha})^{3}}{\frac{1 - \alpha}{2 + 2\alpha}×\frac{1 - \alpha - b}{2 + 2\alpha}}=\frac{(\alpha - b)(3\alpha + b)^{3}}{(1 - \alpha)(1 - \alpha - b)(2 + 2\alpha)^{2}}$；其他条件不变，$H_{2}O(g)$起始量增加到5 mol，达平衡时，$\alpha = 0.90$，$b = 0.65$，则平衡时$CH_{4}(g)$的物质的量为(1 - 0.90) mol = 0.1 mol，$CO(g)$的物质的量为(0.90 - 0.65) mol = 0.25 mol，$H_{2}O(g)$的物质的量为(5 - 0.90 - 0.65) mol = 3.45 mol，$H_{2}(g)$的物质的量为(3×0.90 + 0.65) mol = 3.35 mol，则混合气体的总物质的量为(0.65 + 0.1 + 0.25 + 3.45 + 3.35) mol = 7.8 mol，平衡体系中$H_{2}(g)$的物质的量分数为$\frac{3.35\ mol}{7.8\ mol}\approx0.43$。
(3)燃料电池中燃料在负极发生氧化反应。
(4)在允许$O^{2-}$自由迁移的固体电解质燃料电池中，$C_{n}H_{2n + 2}$在负极发生氧化反应生成$CO_{2}$和$H_{2}O$。
(5)$CH_{3}OH$脱氢个数相同时，脱氢产物的相对能量越低，越有利于反应进行，所以最可行的途径为a→b→e→h→j。
快解方法
对于连锁可逆反应的三段式关系，在计算时可将第一个反应的平衡状态视为第二个反应的起始状态；同时注意题给信息中物质的量分数平衡常数表达式的应用。