第7章 第35讲 实际工业生产中图像问题分类突破（word教参）-【导学教程】2025年化学新编高考大一轮总复习（人教单选版）

第35讲　实际工业生产中图像问题分类突破 [课程标准]　认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。 类型一　转化率—投料比图像 　(2023·浙江1月卷节选)“碳达峰·碳中和”是我国社会发展重大战略之一，CH4还原CO2是实现“双碳”经济的有效途径之一，主要反应为： CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)　ΔH1＝＋247 kJ·mol－1。已知CH4还原能力(R)可衡量CO2转化效率，R＝Δn(CO2)/Δn(CH4)(同一时段内CO2与CH4的物质的量变化量之比)。常压下CH4和CO2按物质的量之比1∶3投料，某一时段内CH4和CO2的转化率随温度变化如图1，请在图2中画出400～1 000 ℃间R的变化趋势，并标明1 000 ℃时R值。 [解析]　600 ℃以下，甲烷转化率随温度升高增大程度大于二氧化碳转化率，该阶段R减小，600 ℃以上，二氧化碳转化率随温度升高增大程度大于甲烷转化率，该阶段R增大，根据图1可知1 000 ℃时，CH4转化率为100%，即Δn(CH4)＝1 mol，CO2转化率为60%，即Δn(CO2)＝3 mol×60%＝1.8 mol，故R＝Δn(CO2)/Δn(CH4)＝＝1.8，故400～1 000 ℃间R的变化趋势如图： [答案]　 投料比与转化率之间的关系 以N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)为例，当N2与H2的投料比为1∶3(系数比)时，N2与H2的平衡转化率相等，且平衡时NH3的体积分数最大；增大N2与H2的投料比，则α(H2)增大，α(N2)减小；减小N2与H2的投料比，则α(H2)减小，α(N2)增大。 1．(1)采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu­Mn合金)，利用CO和H2制备二甲醚(DME)。 主反应：2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) 副反应：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)、CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) 测得反应体系中各物质的产率或转化率与催化剂的关系如图所示。则催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为__________时最有利于二甲醚的合成。 (2)将燃煤废气中的CO2转化为二甲醚的反应原理为2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)。已知在压强为a MPa下，该反应在不同温度、不同投料比时，CO2的转化率如图： 此反应为__________(填“放热”或“吸热”)反应；若温度不变，提高投料比[n(H2)/n(CO2)]，则K将______(填“增大”“减小”或“不变”)。 答案　(1)2.0　(2)放热　不变 2．在保持体系总压为105 Pa的条件下进行反应：SO2(g)＋O2(g)SO3(g)，原料气中SO2和O2的物质的量之比m不同时，SO2的平衡转化率与温度(T)的关系如图所示： (1)图中m1、m2、m3的大小顺序为__________。反应的化学平衡常数Kp表达式为__________(用平衡分压代替平衡浓度表示)。 (2)图中A点原料气的成分：n(SO2)＝10 mol，n(O2)＝24.4 mol，n(N2)＝70 mol，达平衡时SO2的分压p(SO2)为__________Pa(分压＝总压×物质的量分数)。 解析　(1)在同温同压下，增加二氧化硫的量，会使原料气中SO2和O2的物质的量之比m变大，m越大，SO2的平衡转化率越小。 (2)A点二氧化硫的平衡转化率为88%，可列三段式： 　　 SO2(g) ＋ O2(g)  SO3(g) 起始/mol 10　　　　24.4　　　　　0 变化/mol 10×88% ×10×88% 10×88% 平衡/mol 10×12% 24.4－5×88% 10×88% 平衡时，混合气体总物质的量为[10×12%＋(24.4－5×88%)＋10×88%＋70]mol＝100 mol。达平衡时SO2的分压p(SO2)＝×105 Pa＝1 200 Pa。 答案　(1)m1>m2>m3　　(2)1 200 类型二　平衡常数—温度—选择性图像 　(2022·江苏卷)乙醇­水催化重整可获得H2。其主要反应为C2H5OH(g)＋3H2O(g)===2CO2(g)＋6H2(g)　ΔH＝173.3 kJ·mol－1，CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝41.2 kJ·mol－1，在1.0×105Pa、n始∶n始＝1∶3时，若仅考虑上述反应，平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。 CO的选择性＝×100%，下列说法正确的是(　　) A．图中曲线①表示平衡时H2产率随温度的变化 B．升高温度，平衡时CO的选择性增大 C．一定温度下，增大可提高乙醇平衡转化率 D．一定温度下，加入CaO(s)或选用高效催化剂，均能提高平衡时H2产率 [解析]　根据已知反应①C2H5OH(g)＋3H2O(g)===2CO2(g)＋6H2(g)　ΔH＝173.3 kJ·mol－1，反应②CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝41.2 kJ·mol－1，且反应①的热效应更大，温度升高的时候对反应①影响更大一些，根据选择性的含义，升温时CO选择性增大，同时CO2的选择性减小，所以图中③代表CO的选择性，①代表CO2的选择性，②代表H2的产率，以此解题。 由分析可知②代表H2的产率，故A错误；由分析可知升高温度，平衡时CO的选择性增大，故B正确；一定温度下，增大，可以认为开始时水蒸气物质的量不变，增大乙醇物质的量，乙醇的平衡转化率降低，故C错误；加入CaO(s)或者选用高效催化剂，不会影响平衡时H2产率，故D错误。 [答案]　B 　(2023·湖南卷节选)在913 K、100 kPa下，以水蒸气作稀释气、Fe2O3作催化剂，乙苯除脱氢生成苯乙烯外[④C6H5C2H5(g)C6H5CH===CH2(g)＋H2(g)]，还会发生如下两个副反应： ⑤C6H5C2H5(g)C6H6(g)＋CH2===CH2(g) ⑥C6H5C2H5(g)＋H2(g)C6H5CH3(g)＋CH4(g) 以上反应体系中，芳香烃产物苯乙烯、苯和甲苯的选择性S随乙苯转化率的变化曲线如图所示，其中曲线b代表的产物是____________________，理由是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 [解析]　生成苯乙烯的反应为主反应，则苯乙烯的选择性最高，主反应生成的氢气能使副反应⑥的平衡正向移动，则甲苯的选择性大于苯的选择性，故b代表的产物为甲苯。 [答案]　甲苯　主反应生成的氢气能使副反应⑥的平衡正向移动，甲苯的选择性大于苯的选择性 1．CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2资源化利用的方法，其过程中主要发生如下两个反应： 反应Ⅰ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH1 反应Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)　ΔH2＝－122.5 kJ·mol－1 在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下，CO2的平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图所示。 已知：CH3OCH3的选择性＝×100% 下列说法不正确的是(　　) A．反应2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)的焓变为ΔH2－2ΔH1 B．根据图像推测ΔH1>0 C．其他条件不变时，温度越高，CO2主要还原产物中碳元素的价态越低 D．其他条件不变时，增大体系压强可以提高A点CH3OCH3的选择性 解析　由盖斯定律可知，反应2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)可由Ⅱ－2×Ⅰ得到，其焓变为ΔH2－2ΔH1，A正确；反应Ⅱ为放热反应，升高温度平衡逆向移动，由图可知随着温度的升高，二氧化碳的平衡转化率下降速率小于二甲醚的选择性下降速率，且高于300 ℃时二氧化碳的平衡转化率升高，说明反应Ⅰ正向进行，正反应为吸热反应，ΔH1>0，B正确；由B分析可知，其他条件不变时，温度越高，反应Ⅰ占据主导地位，CO2主要还原产物为CO，CO中碳元素的价态较高，C错误；反应Ⅰ为气体分子数不变的反应，反应Ⅱ为气体分子数减小的反应，其他条件不变时，增大体系压强，导致反应Ⅱ平衡正向移动，可以提高A点CH3OCH3的选择性，D正确。 答案　C 2．CO2催化加氢合成甲醇是重要的碳捕获利用与封存技术，该过程发生下列反应： 反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝－58.6 kJ·mol－1 反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH＝＋41.2 kJ·mol－1 2.5 MPa下，将n(H2)∶n(CO2)＝3的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应器，测得CO2的转化率、CH3OH或CO的选择性以及CH3OH的收率(CO2的转化率×CH3OH的选择性)随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(　　) A．CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH＝＋99.8 kJ·mol－1 B．曲线a表示CH3OH的选择性随温度的变化 C．图中所示270 ℃时，对应CO2的转化率为21% D．在210～250 ℃之间，CH3OH的收率增大是由于CH3OH的选择性增大导致 解析　将反应Ⅰ－反应Ⅱ得，CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH＝(－58.6－41.2)kJ·mol－1＝－99.8 kJ·mol－1，A错误；曲线a代表CO的选择性随温度的变化，B错误；图中所示270 ℃时，CO的选择性为70%，则甲醇的选择性为30%，故CO2的转化率为＝21%，C正确；在210～250 ℃之间，反应Ⅰ未达平衡，CH3OH的收率增大是由于温度升高，生成CH3OH的反应速率增大导致，D错误。 答案　C 3．丙烯是制造一次性医用口罩的重要原料。丙烷催化脱氢法是工业生产丙烯的重要途径，丙烷催化脱氢技术主要分为氧化脱氢和直接脱氢两种。回答下列问题： (1)丙烷催化氧化脱氢法制备丙烯的主要反应如下： 2C3H8(g)＋O2(g)2C3H6(g)＋2H2O(g)　ΔH1＝－236 kJ·mol－1(ⅰ) 反应过程中消耗的C3H8和生成的C3H6的物质的量随温度的变化关系见下表。 　　　　反应温度/K n(消耗)或n(生成)/mol　　　　　　 535 550 575 C3H8 6 13 33 C3H6 4 8 17 分析表中数据得到丙烯的选择性随温度的升高而__________(填“不变”“升高”或“降低”)；出现此结果的原因除生成乙烯等副产物外还可能是__________________________________________________。(C3H6的选择性＝×100%) (2)丙烷催化直接脱氢反应：C3H8(g)C3H6(g)＋H2(g)　ΔH2＝＋124.3 kJ·mol－1(ⅱ)　副反应：C3H8 (g)C2H4 (g)＋CH4(g)　ΔH3(ⅲ) ①反应ⅱ的平衡常数、产物丙烯选择性、副产物乙烯选择性与温度关系如上图所示，分析工业生产中采用的温度为650 ℃左右的原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②温度为670 ℃时，若在1 L的容器中投入8 mol C3H8，充分反应后，平衡混合气体中有2 mol CH4和一定量C3H8、C3H6、H2、C2H4，计算该条件下C3H6的选择性为__________%。 ③欲使丙烯的产率提高，下列措施可行的是__________(填字母)。 a．恒压条件下向原料气中掺杂水蒸气 b．增大氢气与丙烷的投料比 c．选择对脱氢反应更好选择性的催化剂 d．增大压强 解析　(1)根据表格数据可知各温度下C3H6的选择性分别为、、，>>，所以随温度升高丙烯的选择性降低；反应ⅰ为放热反应，升高温度，反应ⅰ的化学平衡逆向移动，也会导致丙烯的选择性下降； (2)①据题图可知，温度控制在650 ℃，丙烯选择性高，且此时温度较高，反应速率快，而且该温度条件下平衡常数较大；②平衡混合气体中有2 mol CH4，则根据反应ⅲ可知平衡时该反应消耗的n1(C3H8)＝2 mol；设平衡时C3H6的物质的量为x，根据反应ⅱ可知平衡时n(H2)＝x，反应ⅱ消耗的n2(C3H8)＝x，则平衡时容器中n(C3H8)＝(8－2－x)mol，据图可知该温度下反应ⅱ的lg＝0，所以K＝1，容器体积为1 L，则有＝1，解得x＝2 mol，C3H6的选择性＝×100%＝×100%＝50%；③恒压条件下向原料气中掺杂水蒸气，则反应物和生成物的分压减小，该反应的正反应为气体体积增大的反应，减小压强平衡正向移动，可以提高丙烯的产率，故a正确；氢气为产物，增大氢气的量会使平衡逆向移动，丙烯的产率降低，故b错误；选择对脱氢反应更好选择性的催化剂，增大丙烯的选择性，提高产率，故c正确；该反应的正反应为气体体积增大的反应，增大压强会使平衡逆向移动，降低产率，故d错误；综上所述选ac。 答案　(1)降低　升高温度，反应ⅰ的化学平衡逆向移动 (2)①温度控制在650 ℃，丙烯选择性高，反应速率快，平衡常数较大　②50　③ac 类型三　选择最佳反应条件 　(2023·湖北卷节选)纳米碗C40H10是一种奇特的碗状共轭体系。高温条件下，C40H10可以由C40H20分子经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应生成。C40H20(g)C40H18(g)＋H2(g)的反应机理和能量变化如下： 下列措施既能提高反应物的平衡转化率，又能增大生成C40H10的反应速率的是__________(填标号)。 a．升高温度　 b．增大压强　 c．加入催化剂 [解析]　由反应历程可知，该反应为吸热反应，升温，反应正向进行，提高了平衡转化率，反应速率也加快，a符合题意；由化学方程式可知，该反应为正向体积增大的反应，加压，反应逆向进行，降低了平衡转化率，b不符合题意；加入催化剂，平衡不移动，不能提高平衡转化率，c不符合题意。 [答案]　a 　(2023·浙江1月卷节选)“碳达峰·碳中和”是我国社会发展重大战略之一，CH4还原CO2是实现“双碳”经济的有效途径之一，相关的主要反应有： Ⅰ：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)ΔH1＝＋247kJ·mol－1，K1 Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝＋41 kJ·mol－1，K2 CH4还原能力(R)可衡量CO2转化效率，R＝Δn(CO2)/Δn(CH4)(同一时段内CO2与CH4的物质的量变化量之比)。催化剂X可提高R值，一时段内CH4转化率、R值随温度变化如下表： 温度/℃ 480 500 520 550 CH4转化率/% 7.9 11.5 20.2 34.8 R 2.6 2.4 2.1 1.8 下列说法不正确的是__________。 A．R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应Ⅱ的速率 B．温度越低，含氢产物中H2O占比越高 C．温度升高，CH4转化率增加，CO2转化率降低，R值减小 D．改变催化剂提高CH4转化率，R值不一定增大 [解析]　R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应Ⅱ的速率，使单位时间内反应Ⅱ中CO2的转化率增大，Δn(CO2)增大的倍数比Δn(CH4)大，则R提高，A正确；根据表中数据可知，温度越低，CH4转化率越小，而R越大，Δn(CO2)增大的倍数比Δn(CH4)大，含氢产物中H2O占比越高，B正确；温度升高，CH4转化率增加，CO2转化率也增大，且两个反应中的CO2转化率均增大，增大倍数多，故R值增大，C不正确；改变催化剂使反应有选择性按反应Ⅰ而提高CH4转化率，若CO2转化率减小，则R值不一定增大，D正确。 [答案]　C 1．(1)汽车尾气是雾霾形成的原因之一。研究氮氧化物的处理方法可有效减少雾霾的形成，可采用氧化还原法脱硝： 4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)4N2(g)＋6H2O(g)　ΔH<0 根据下图判断提高脱硝效率的最佳条件是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________； 氨氮比一定时，在400 ℃时，脱硝效率最大，其可能的原因是________________________________________________________________________。 (2)丙烷氧化脱氢法制备丙烯的主要反应如下： C3H8(g)＋O2(g)C3H6(g)＋H2O(g)ΔH2＝－118 kJ·mol －1 在催化剂作用下，C3H8氧化脱氢除生成C3H6外，还生成CO、CO2等物质。C3H8的转化率和C3H6的产率随温度变化关系如图所示。 ①575 ℃时，C3H6的选择性为__________(C3H6的选择性＝×100%)。 ②基于本研究结果，能提高C3H6选择性的措施是_________________________。 解析　(2)①根据题图，575 ℃时，C3H8的转化率为33%，C3H6的产率为17%，假设参加反应的C3H8为100 mol，生成的C3H6为17 mol，C3H6的选择性＝×100%≈51.5%。②根据图像，535 ℃时，C3H6的选择性＝×100%≈66.7%,550 ℃时，C3H6的选择性＝×100%≈61.5%,575 ℃时，C3H6的选择性＝×100%≈51.5%，故选择相对较低的温度能够提高C3H6选择性。 答案　(1)氨氮物质的量之比为1，温度为400 ℃　在400 ℃时催化剂的活性最好，催化效率最高，同时400 ℃温度较高，反应速率较快 (2)①51.5%　②选择相对较低的温度 2．(1)一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化剂对燃煤烟气回收。反应为2CO(g)＋SO2(g)2CO2(g)＋S(l)　ΔH＝－270 kJ·mol－1。某科研小组用Fe2O3作催化剂。在380 ℃时，分别研究了[n(CO)∶n(SO2)]为1∶1、3∶1时SO2转化率的变化情况(图1)。则图1中表示n(CO)∶n(SO2)＝3∶1的变化曲线为__________(填字母)。 (2)目前，科学家正在研究一种以乙烯作为还原剂的脱硝(NO)原理，其脱硝机理示意图如图2，脱硝率与温度、负载率(分子筛中催化剂的质量分数)的关系如图3所示。 ①写出该脱硝原理总反应的化学方程式：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②为达到最佳脱硝效果，应采取的条件是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案　(1)a (2)①6NO＋3O2＋2C2H43N2＋4CO2＋4H2O ②350 ℃、负载率3.0% 学科网（北京）股份有限公司 $$