主题10 第5讲 工业生产中的化学平衡图像分析（Word教师用书）-【新高考方案】2025年高考化学一轮总复习（广东专版）

第五讲　工业生产中的化学平衡图像分析(综合应用课) 工业生产过程中，如何提升原料利用率、降低化学反应条件、提高产物的产率等是化学工作者研究的重要课题。命题者往往根据实际工业生产、结合图像，从分析投料比、转化率、产率等角度来命题。此类题目的信息量大，能充分考查学生读图、提取信息、解决实际问题的能力，此类试题成为高考命题的“新宠”。 一、单一变量的平衡图像——“先拐先平”法 以mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)　ΔH＝Q kJ·mol－1为例。 1．“转化率—时间”四种图像 p一定时，ΔH<0 T一定时，m＋n>p＋q T一定时，m＋n<p＋q T一定时，m＋n＝p＋q 注意：纵坐标也可以是某组分的含量。 2．解答这类图像题应遵循的原则和方法 “先拐先平，数值大”原则 分析反应由开始(起始物质的量相同时)至达到平衡所用时间的长短可推知反应条件的变化。 ①若为温度变化引起，温度较高时，反应达平衡所需时间短。如甲图500 ℃先达平衡。 ②若为压强变化引起，压强较大时，反应达平衡所需时间短。如乙、丙、丁图1.01×107 Pa先达平衡 掌握图像中反应规律的判断方法 ①图甲中，升高温度，A的转化率降低，平衡逆向移动，正反应为放热反应。 ②图乙中，增大压强，A的转化率升高，平衡正向移动，则正反应为气体体积减小的反应。 ③若纵坐标表示A的百分含量，则甲中正反应为吸热反应，乙中正反应为气体体积增大的反应 [例1]　已知：4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)　ΔH＝－1 025 kJ·mol－1，若反应起始物质的量相同，下列关于该反应的示意图不正确的是(　 ) [解析]　由于该反应的正反应为放热反应，温度升高平衡逆向移动，NO的含量降低，A正确，C错误；该反应的正反应是气体体积增大的反应，压强减小平衡正向移动，NO的含量增大，B正确；催化剂的使用只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，NO的含量不变，D正确。 [答案]　C [应用体验] 1．在恒容密闭容器中通入X并发生反应：2X(g)Y(g)，温度T1、T2下X的物质的量浓度c(X)随时间t变化的曲线如图所示，下列叙述正确的是(　 ) A．该反应进行到M点放出的热量大于进行到W点放出的热量 B．T2下，在0～t1时间内，v(Y)＝ mol·L－1·min－1 C．M点的正反应速率v正大于N点的逆反应速率v逆 D．M点时再加入一定量X，平衡后X的转化率减小 解析：选C　根据图示可由先拐先平数值大原则知，T1＞T2，温度越高平衡时c(X)越高，则正反应为放热反应，M点X的转化率小于W点X的转化率，M点放出的热量小于W点放出的热量，A项错误；T2下，Δt＝t1，Δc(Y)＝ mol·L－1，v(Y)＝ mol·L－1·min－1，B项错误；M点温度比W点温度高，所以M点的正反应速率大于W点的逆反应速率，而W点的逆反应速率大于N点的逆反应速率，则M点的正反应速率大于N点的逆反应速率，C项正确；由于在恒容密闭容器中反应，再加入一定量X，相当于增加压强，平衡向正反应方向移动，再次平衡时X的转化率增大，D项错误。 2．以下图像对应的叙述正确的是(　 ) A．图甲：A的平衡转化率为50% B．图乙：t1时刻改变的条件只能是加入催化剂 C．图丙：对图中反应升高温度，该反应平衡常数减小 D．图丁：该正向反应在任何温度下都能自发进行 解析：选A　由图可知，反应生成C 0.4 mol、剩余A 0.8 mol，根据化学方程式可知，反应A 0.8 mol，则A的平衡转化率为50%，A正确；反应为气体分子数不变的反应，根据图中信息得到t1时刻改变的条件可能是加入催化剂，也可能是加压，B错误；对图中反应升高温度，正反应增大的速率大于逆反应增大的速率，说明平衡正向移动，该反应是吸热反应，升高温度平衡正向进行，该反应平衡常数增大，C错误；根据下面两根曲线得到p2＞p1，增大压强，C%增大，说明正向移动，反应为气体分子数减小的反应，为熵减反应；根据上面两根曲线得到T2<T1，升高温度，C%减小，说明逆向移动，反应为放热反应，焓变小于零；则反应为放热的熵减反应，在低温下利于反应的自发进行，D错误。 二、多种变量的平衡图像——“定一议二”法 1．“A的转化率(或C的含量)—温度—压强”四种图像 以mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)　ΔH＝Q kJ·mol－1为例 m＋n>p＋q，ΔH>0 m＋n<p＋q，ΔH<0 m＋n>p＋q，ΔH<0 m＋n<p＋q，ΔH>0 2．解答这类图像题时应运用“定一议二”原则 相同温度下不同压强 由反应物A的转化率大小来判断平衡移动的方向，从而确定反应方程式中反应物与产物气体物质间的化学计量数的大小关系。如图甲中任取一条温度曲线研究，压强增大，A的转化率增大，平衡正向移动，正反应为气体体积减小的反应，图丙中任取横坐标一点作横坐标垂直线，也能得出相同结论 相同压强下不同温度 由反应物A的转化率的大小来判断平衡移动的方向，从而确定反应的热效应。如图丙中任取一条压强曲线研究，温度升高，A的转化率减小，平衡逆向移动，正反应为放热反应，图乙中任取横坐标一点作横坐标垂直线，也能得出相同结论 [例2]　乙烯气相直接水合反应制备乙醇：C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)。乙烯的平衡转化率随温度、压强的变化关系如下[起始时，n(H2O)＝n(C2H4)＝1 mol，容器体积为1 L]。下列分析不正确的是(　 ) A．乙烯气相直接水合反应的ΔH<0 B．图中压强的大小关系为p1<p2<p3 C．图中a点对应的平衡常数K＝ D．达到平衡状态a、b所需要的时间：a>b [解析]　如图，温度越高，乙烯的转化率越低，平衡逆向移动，该反应为放热反应，ΔH<0，A正确；压强越大，平衡正向移动，乙烯的平衡转化率越大，所以p1<p2<p3，B正确；a点时，乙烯转化率为20%，根据三段式： 　C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g) n0　　　　1　　　　1　　　　 　0 Δn　　 　0.2　　　0.2　　　 　0.2 n平　　　0.8　　 　0.8　　　　0.2 K＝＝，C错误；与a点相比，b点温度高，压强大，反应速率较快，达平衡所需时间较短，D正确。 [答案]　C [应用体验] 1．(2024·梅州联考)纳米二氧化钛催化剂可用于工业上合成甲醇：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH，按＝2投料比将H2与CO充入V L恒容密闭容器中，在一定条件下发生反应，测得CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。下列说法错误的是(　 ) A．ΔH<0 B．p1>p2>p3 C．N点CO转化率、平衡常数均大于M点 D．T1 ℃、p3压强下，Q点对应的v正>v逆 解析：选C　由题图可知，随温度升高CO的平衡转化率下降，说明升温平衡逆向移动，则正向为放热反应，ΔH<0，故A正确；该反应正向气体分子数减小，增大压强平衡正向移动，减小压强平衡逆向移动，由图：压强由p3→p2→p1过程中CO转化率增大，可知平衡正向移动，则压强：p1>p2>p3，故B正确；N、M点温度相同，则K相同，故C错误；T1 ℃、p3压强下M点为平衡状态，Q点转化率低于平衡转化率，则反应正向进行，v正>v逆，故D正确。 2．(2023·湖南卷)向一恒容密闭容器中加入1 mol CH4 和一定量的H2O，发生反应：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)。CH4的平衡转化率按不同投料比x随温度的变化曲线如图所示。下列说法错误的是(　 ) A．x1<x2 B．反应速率：vb正<vc正 C．点a、b、c对应的平衡常数：Ka<Kb＝Kc D．反应温度为T1，当容器内压强不变时，反应达到平衡状态 解析：选B　由题意分析 结合图像分析可知，A项正确、B项错误；该反应为吸热反应，温度升高，平衡常数增大，结合题图可知，平衡常数：Ka<Kb＝Kc，C项正确；该反应反应前后气体分子数不相等，恒温恒容时，容器内压强不再发生变化，即反应达到平衡状态，D项正确。 三、化工生产中的复杂图像——“两步分析”法 第一步：通过读图识图获取有用信息 轴 横坐标 外界条件变化 纵坐标 反应体系变化 点 起点 始态 特殊点 中间态(突变点、拐点等) 终点 终态 线 趋势 化学反应的连续变化过程 面 曲线的相互关系 图像的基本意义 在依据化学反应原理中反应速率和平衡移动知识解读图像的基础上，还需要进行如下思考： 明标 在明确横、纵坐标含义的基础上，用变量的观点分析坐标，找出横、纵坐标的关系，再联想相应的已学化学知识 找点 在找出曲线中的起点、拐点、终点、交叉点、平衡点等的基础上，分析这些点的意义及影响这些点的主要因素有哪些 析线 正确分析曲线的变化趋势(上升、下降、平缓、转折等)，同时对走势有转折变化的曲线要分段分析，研究各段曲线变化趋势及其含义 第二步：对获取的图像信息进行加工处理 (对图像信息加工处理的角度如图所示) [例3]　(2023·辽宁卷·节选)接触法制硫酸的关键反应为SO2的催化氧化： SO2(g)＋O2(g)SO3(g)ΔH＝－98.9 kJ·mol－1 (1)为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度，绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度的关系如图1所示，下列说法正确的是________。 a．温度越高，反应速率越大 b．α＝0.88的曲线代表平衡转化率 c．α越大，反应速率最大值对应温度越低 d．可根据不同α下的最大速率，选择最佳生产温度 (2)为提高钒催化剂的综合性能，我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下，温度和转化率关系如图2所示，催化性能最佳的是______(填标号)。 (3)设O2的平衡分压为p，SO2的平衡转化率为αe。用含p和αe的代数式表示上述催化氧化反应的Kp＝________________(用平衡分压代替平衡浓度计算)。 [方法演示]　 第一步：通过读图识图获取有用信息 由图1可得以下信息： (1)根据不同转化率下的反应速率曲线可以看出，随着温度的升高反应速率先加快后减慢； (2)从图中所给出的速率曲线可以看出，相同温度下，转化率越低反应速率越快； (3)从图像可以看出随着转化率的增大，最大反应速率不断减小。 由图2可得以下信息： 从图中可以看出在300～550 ℃区间内，在相同温度下，催化剂(V­K­Cs­Ce)对应SO2的转化率好。 第二步：对获取的图像信息进行加工处理 (1)由题图可知，温度高于一定值时，温度升高，反应速率减小，a错误；由题图可知，相同温度下，转化率越低，反应速率越大，但转化率小于0.88时的反应速率图像没有给出，故无法判断α＝0.88的曲线能否代表平衡转化率，b错误；由题图可知，α越大，反应速率最大值对应温度越低，c正确；可根据不同α下的最大速率，选择最佳生产温度，d正确。 (2)由题图可知，在相同温度下d催化剂对应的SO2转化率最高，故其催化性能最佳。 (3)设SO2的起始分压为2x，结合题中信息可得： 　　　SO2(g) ＋ O2(g)  SO3(g) 起始分压　2x　　　　p＋xαe　　　0 变化分压　2xαe　　　　xαe　　 　2xαe 平衡分压　2x(1－αe)　　p　　 　2xαe 则Kp＝＝＝。 [答案]　(1)cd　(2)d　(3) [应用体验] 一、根据图像推断反应方程式及相关信息 1．NO直接催化分解(如生成N2与O2)也是一种脱硝途径，且在不同条件下，NO的分解产物不同。在高压下，NO在40 ℃下分解生成两种化合物，体系中各组分物质的量随时间变化曲线如图所示。请写出NO分解的化学方程式：____________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：如图可知3 mol NO在40 ℃下分解生成Y、Z两种化合物各1 mol,3X===Y＋Z，根据氧化还原得失电子守恒和原子守恒可知反应方程式为3NON2O＋NO2。 答案：3NON2O＋NO2 二、根据图像选择反应最佳条件 2．采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu－Mn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。 则催化剂中约为________时最有利于二甲醚的合成。 解析：由图可知当催化剂中约为2.0时，CO的转化率最大，而CO2和CH3OH的产率都较小，生成的二甲醚最多，最有利于二甲醚的合成。 答案：2.0 3．用氨气催化氧化还原法脱硝(NOx)原理如下：4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)催化剂,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______________________________________________________ ________________________________________________________________________。 答案：在氨氮物质的量之比为1，温度在400 ℃时　在400 ℃时催化剂的活性最好，催化效率最高，同时400 ℃温度较高，反应速率快 三、根据图像解释某种现象产生的原因 4．已知H2S高温热分解制H2的反应如下：2H2S(g)2H2(g)＋S2(g)。在恒容密闭容器中，控制不同温度进行H2S的分解实验。以H2S的起始浓度均为c mol·L－1测定H2S的转化率，结果如图所示。图中曲线a为H2S的平衡转化率与温度关系曲线，曲线b表示不同温度下反应经过相同时间且未达到化学平衡时H2S的转化率。请说明随温度的升高，曲线b向曲线a逼近的原因：_________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：曲线a为H2S的平衡转化率，随温度升高而增大，即该反应正向吸热；曲线b表示不同温度下反应经过相同时间且未达到化学平衡时H2S的转化率，因温度低速率慢，所以温度低时H2S转化率较小，随温度升高，反应速率加快，达到平衡所需的时间缩短，故曲线b向曲线a靠近。 答案：温度升高，反应速率加快，达到平衡所需的时间缩短，故曲线b向曲线a靠近 5．COx选择性甲烷化是有望实现“双碳目标”、具有良好应用前景的处理方法。富氢气氛围下，CO、CO2均可与H2发生甲烷化反应： Ⅰ.CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g)　ΔH＝－206.2 kJ·mol－1 Ⅱ.CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－165 kJ·mol－1 其他条件相同，反应Ⅱ使用两种不同催化剂，反应相同的时间，测得CO2的转化率随温度变化的影响如图所示。 (1)请解释使用Ni­CeO2催化剂时，随着温度的升高，为何CO2转化率先升高后降低。________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (2)根据图像分析，下列说法错误的是__________(填字母)。 A．在200～360 ℃范围内，Ni­CeO2的催化效果比Ni更好 B．可以通过改变催化剂种类的方式调控CO2平衡转化率 C．在240 ℃附近，可以通过延长反应时间的方式提高CO2的转化率 解析：(2)根据图像可知，在200～360 ℃范围内，Ni­CeO2的催化效果比Ni更好，A正确；催化剂只能影响反应速率，不能使平衡发生移动，B错误；反应平衡之前，可以延长时间提高CO2的转化率，当反应到达限度，延长时间，转化率不变，C错误。 答案：(1)随温度升高，反应速率逐渐加快，转化率增大；当到达反应限度，升高温度，平衡逆向移动，转化率减小　(2)BC [课时跟踪检测] A卷——能力达标 1．已知：A(g)＋2B(g)3C(s)＋3D(g)　ΔH＜0。若在容积可变的密闭容器中进行反应，下列对图像的分析中不正确的是(　 ) A．图Ⅰ研究的是t0时升高温度对反应速率的影响 B．图Ⅱ可能是t0时使用催化剂对反应速率的影响 C．图Ⅲ研究的是温度对化学平衡的影响，且乙的温度较高 D．图Ⅲ研究的是压强对化学平衡的影响，且乙的压强较大 解析：选D　反应A(g)＋2B(g)3C(s)＋3D(g)　ΔH＜0是放热反应，升高温度反应速率加快，平衡逆向移动，图像Ⅰ符合，A正确；图Ⅱ中t0时正逆反应速率都增大且相等，说明平衡没有发生移动，由于反应前后气体的体积不变，则增大压强反应速率加快，平衡不移动，催化剂只加快反应速率，不影响平衡移动，图Ⅱ可能是t0时使用催化剂或增大压强对反应速率的影响，B正确；该反应放热，升高温度平衡向逆反应方向移动，图中乙先达到平衡，则温度高于甲，而A的转化率低，图像符合，C正确；增大压强，反应速率增大，图中乙先达到平衡，反应速率更大，则压强高于甲，反应A(g)＋2B(g)3C(s)＋3D(g)是气体体积不变的反应，增大压强平衡不移动，A的转化率不变，D错误。 2．下列图示与对应的叙述相符的是(　 ) A．图一表示反应：mA(s)＋nB(g)pC(g)　ΔH>0，在一定温度下，平衡时B的体积分数(B%)与压强变化的关系如图一所示，反应速率x点比y点时的快 B．图二是可逆反应A(g)＋B(g)C(s)＋D(g)　ΔH>0的速率­时间图像，在t1时刻改变条件一定是加入催化剂 C．图三表示对于化学反应mA(s)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，一定时间内A的百分含量与温度(T)的变化情况，则升高温度，该反应平衡常数增大 D．图四所示图中的阴影部分面积的含义是(v正－v逆) 解析：选B　由图像可以看出，x点的压强小于y点压强，压强越大，反应速率越大，故x点比y点的反应速率慢，A错误；可逆反应A(g)＋B(g)C(s)＋D(g)　ΔH>0，反应前后气体体积改变，在t1时刻改变条件使正逆反应速率增大且相等，改变条件是加入催化剂，B正确；图像上反映随着温度升高，A的百分含量先逐渐下降到最低点，再上升，说明反应先是正向进行，到达一定温度后反应到达平衡状态，反应逆向进行，说明图像反应的应是放热反应，所以升高温度，该反应平衡常数减小，C错误；阴影部分面积为曲边几何图形的面积，对于化学反应速率的定义式，在某时刻的化学反应速率定义为v＝，则阴影部分的面积表示浓度变化量Δtv正－Δtv逆，而不是(v正－v逆)，D错误。 3．(2024·咸阳统考一模)体积均为1 L的两个恒容密闭容器Ⅰ、Ⅱ中，均充入2 mol CO(g)和2 mol NO(g)，发生反应：2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)　ΔH，相对容器Ⅱ，容器Ⅰ只改变一个外界条件，测得N2的物质的量与时间关系如图所示。下列叙述正确的是(　 ) A．该反应是吸热反应，容器Ⅰ改变的条件可能是使用了催化剂 B．相对容器Ⅱ，容器Ⅰ改变的条件可能是升温或者加压 C．容器Ⅱ中NO的平衡转化率为80% D．容器Ⅱ中0～10 min内，v(NO)＝0.05 mol·L－1·min－1 解析：选C　从图中信息可知，平衡时容器Ⅱ与容器Ⅰ中N2的物质的量不等，所以容器Ⅰ改变的条件不可能是使用了催化剂，A不正确；加压，则平衡正向移动，N2的物质的量应比容器Ⅱ中的大，B不正确；容器Ⅱ中，平衡时N2的物质的量为0.8 mol，则参加反应NO的物质的量为1.6 mol，NO的平衡转化率为×100%＝80%，C正确；容器Ⅱ中0～10 min内，N2的物质的量为0.5 mol，则参加反应NO的物质的量为1 mol，v(NO)＝＝0.1 mol·L－1·min－1，D不正确。 4.(2024·广州二模)汽车尾气中NO产生的反应为N2(g)＋O2(g)2NO(g)　ΔH。一定条件下，等物质的量N2和O2在恒容密闭容器中反应，曲线a表示该反应在温度T下c(N2)随时间(t)的变化，曲线b表示该反应在某一起始条件改变时c(N2)随时间(t)的变化。下列叙述不正确的是(　 ) A．温度T下、0～40 s内v(N2)＝ mol·L－1·s－1 B．M点v正(N2)小于N点v逆(N2) C．曲线b对应的条件改变可能是充入氧气 D．若曲线b对应的条件改变是升高温度，则ΔH>0 解析：选B　温度T下、0～40 s内氮气的浓度从c0 mol·L－1减少到c1 mol·L－1，故v(N2)＝ mol·L－1·s－1，A正确；M点、N点还在向正向进行，故正反应速率大于逆反应速率，M点v正大于N点v正，B错误；曲线b可能是充入氧气，反应速率加快，更快地到达平衡，且平衡时氮气的浓度比a少， C正确；若曲线b为升温，则说明升温平衡正向移动，则正反应为吸热，D正确。 5．(2024·深圳二模)恒温、恒压下，向密闭容器中充入少量正丁烷，可同时发生以下反应： 已知：ln K＝－＋C，其中R、C均为常数。反应1和反应2的ln K随变化关系曲线如图所示，下列说法正确的是(　 ) A．ΔH1<0，ΔH2<0 B．稳定性：反­2­丁烯>顺­2­丁烯 C．a为反应3中ln K随的变化曲线 D．再向平衡体系中充入少量Ar，反应3的平衡常数增大 解析：选B　由题干图示信息可知，反应1和反应2的ln K随增大而减小，故ΔH1＞0，ΔH2＞0，A错误；由题干图示信息可知，相同时反应2的ln K更大，则有ΔH1＞ΔH2，反应3为反应2－反应1得到，则ΔH3＝ΔH2－ΔH1小于0，即顺­2­丁烯具有的总能量高于反­2­丁烯，能量越高越不稳定，故稳定性：反­2­丁烯>顺­2­丁烯，B正确；由B项分析可知ΔH3＜0，则ln K随的增大而增大，故a不为反应3中ln K随的变化曲线，C错误；平衡常数仅仅是温度的函数，温度不变平衡常数不变，故再向平衡体系中充入少量Ar，反应3的平衡常数不变，D错误。 6．(2024·佛山一模)向1 L的恒容密闭容器中加入1 mol X和3 mol Y，发生反应X(g)＋3Y(g)2Z(g)，X的转化率α随温度t的变化如图所示(不同温度下的转化率均为反应第10 min数据)。下列说法正确的是(　 ) A．a点的反应速率v(Z)＝0.03 mol·L－1·min－1 B．a、b、c点对应的v(Y)逆大小关系为b>c>a C．c点时，每消耗3 mol Y的同时，消耗2 mol Z D．若将容器体积扩大为2倍，则c点对应温度下的α(X)增大 解析：选C　由题干图像信息可知，a点X的转化率为30%，故a点X的反应速率为v(X)＝＝0.03 mol·L－1·min－1，根据反应速率之比等于化学计量系数之比，故a点的反应速率v(Z)＝2v(X)＝2×0.03 mol·L－1·min－1＝0.06 mol·L－1·min－1，A错误；由题干图像信息可知，a、b两点时未达到平衡，而c点达到平衡，温度越高，正、逆反应速率越快，故a、b、c点对应的v(Y)逆大小关系为c>b>a，B错误；由题干图像信息可知，c点时反应达到化学平衡，故有每消耗3 mol Y的同时消耗2 mol Z，即正、逆反应速率相等，C正确；由反应方程式可知X(g)＋3Y(g)2Z(g)正反应是一个气体体积减小的反应，若将容器体积扩大为2倍，即减小容器压强，平衡逆向移动，则c点对应温度下的α(X)减小，D错误。 7．掺杂硒的纳米氧化亚铜催化剂可用于工业上合成甲醇。 反应原理：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH＝a kJ·mol－1。 已知：v正＝k正·c(CO)·c2(H2)，v逆＝k逆·c(CH3OH)。 (1)若按＝1的投料比将H2与CO充入V L的刚性恒容密闭容器中，在一定条件下发生反应，测定CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。 ①压强p1、p2、p3由大到小的顺序是__________(选填编号)。 A．p1>p2>p3　　　　B．p3>p2>p1 ②T1 ℃，若向该容器中充入3.0 mol H2和3.0 mol CO发生上述反应，5 min后反应达到平衡(M点)，则0～5 min内，v(H2)＝__________。 ③N点的＝__________。X、Y、M、N四点，平衡常数从大到小关系是________________________________________________________________________。 (2)若向起始温度为325 ℃的10 L刚性恒容密闭容器中充入2 mol CO和3 mol H2，发生反应，体系总压强(p)与时间(t)的关系如图中曲线Ⅰ所示；曲线Ⅱ为只改变某一条件的变化曲线，曲线中平衡温度与起始温度相同。 ①曲线Ⅱ所对应的改变的条件可能为________。 ②体系总压强先增大后减小的原因为_________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ③该条件下H2的平衡转化率为____________%(保留一位小数)。 解析：(1)①由图可知，温度一定时，CO的转化率α(p3)＜α(p2)＜α(p1)，该正反应是气体体积减小的反应，增大压强平衡向正反应进行，CO的转化率升高，故压强p3＜p2＜p1；②由图可知，T1℃，CO的平衡转化率是40%，向该容器中充入3.0 mol H2 和3.0 mol CO发生上述反应，CO反应了3.0 mol×40%＝1.2 mol，可得三段式 CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) 初始/(mol·L－1)　　　　　　　　0 转化/(mol·L－1)　　 　　　　 平衡/(mol·L－1)　　 　　　　 5 min后反应达到平衡(M点)，则0～5 min内，v(H2)＝＝ mol·L－1·min－1；③M点已平衡，此时K＝＝，M、N点的温度相同，即K相同，v正＝v逆＝k正·c(CO)·c2(H2)＝k逆·c(CH3OH)，即＝＝＝；平衡常数只与温度有关，从图像来看温度升高CO的转化率降低，反应向逆反应方向进行，为放热反应，平衡常数减小，则平衡常数从大到小的关系为K(M)＝K(N)＞K(X)＞K(Y)；(2)①由曲线Ⅰ、曲线Ⅱ可以看出只是反应速率加快，化学平衡不移动，改变的条件为加入催化剂；②反应开始正向进行，该反应放热，气体膨胀，压强增大，之后气体总物质的量减小，压强减小；③设反应过程中转化CO的物质的量为x mol，可得三段式 　 　　CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) 初始/mol　2　　　　3　　　　0 转化/mol　x　 　 　2x　　 　x 平衡/mol　2－x 　 3－2x　 　x 恒温恒容时，压强之比等于气体物质的量之比，即＝，解得x＝0.5 mol，H2的转化率为×100%≈33.3%。 答案：(1)①A　② mol·L－1·min－1 ③　K(M)＝K(N)＞K(X)＞K(Y) (2)①加入催化剂　②反应开始正向进行，该反应放热，气体膨胀，压强增大，之后气体总物质的量减小，压强减小　③33.3 8．二氧化碳甲烷化可实现资源化利用。 (1)主反应：__________________________________________________________。 副反应Ⅰ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH1＝＋41.2 kJ·mol－1 副反应Ⅱ：CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g)ΔH2＝－206.1 kJ·mol－1 请写出主反应由CO2加氢直接生成CH4的热化学方程式：______________________ ________________________________________________________________________。 (2)向某密闭容器中投入1 mol CO2和4 mol H2，在不同温度和压强条件下发生CO2甲烷化反应，CO2的平衡转化率如图所示： ①a、b、c三点比较，主反应CH4的生成速率va、vb和vc由大到小的顺序为________________，温度高于1 000 ℃时，曲线汇于一点的原因是 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②已知c(400,80)，若此时CH4的产率为70%，且n(H2)＋0.4 mol＝n(H2O)，则此时n(CO)＝________，副反应Ⅰ的Kx＝_________保留两位小数，对于反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，Kx＝，x为物质的量分数。 解析：(1)根据盖斯定律：主反应＝副反应Ⅰ＋副反应Ⅱ，则CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol－1；(2)①CO2转化率由主反应和副反应Ⅰ共同决定，副反应Ⅰ是Δn＝0的反应，主反应Δn<0，则压强越大CO2平衡转化率越大，因此p1>p2>p3，等温条件下压强越大反应速率越大，则va>vb>vc；高温时副反应Ⅰ占主导，Δn＝0，压强对平衡几乎无影响；②投入1 mol CO2转化率为80%，则n(CO2)＝0.2 mol，甲烷产率为70%，则n(CH4)＝0.7 mol，根据碳守恒可知n(CO)＝0.1 mol；根据氢守恒可知，平衡时2n(H2)＋2n(H2O)＋4n(CH4)＝8 mol，又n(H2)＋0.4 mol＝n(H2O)，则n(H2)＝1.1 mol，n(H2O)＝1.5 mol，平衡时副反应Ⅰ的平衡常数Kx＝＝＝≈0.68。 答案：(1)CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.9 kJ·mol－1 (2)①va>vb>vc　主反应和副反应Ⅰ共同影响CO2的平衡转化率，高温时副反应Ⅰ占主导，Δn＝0，压强对平衡几乎无影响　②0.1 mol　0.68 B卷——难点强化 9．研究NOx、CO等大气污染气体的处理及利用的方法具有重要意义，可实现绿色环保、节能减排、废物利用等目的。 (1)T ℃时，存在如下平衡：2NO2(g)N2O4(g)。该反应正、逆反应速率与NO2、N2O4的浓度关系为v正＝k正c2(NO2)，v逆＝k逆c(N2O4)(k正、k逆是速率常数)，且lg v正～lg c(NO2)与lg v逆～lg c(N2O4)的关系如图1所示。 ①图中表示lg v正～lg c(NO2)的线是_________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。 ②T ℃时，往刚性容器中充入一定量NO2，平衡后测得c(N2O4)为1.0 mol·L－1，则平衡时，v逆＝________(用含a的表达式表示)。 ③T ℃时，该反应的平衡常数K＝____________ L·mol－1。 (2)NO可用氨水­臭氧组合高效脱除，与臭氧反应的过程如下：NO(g)＋O3(g)NO2(g)＋O2(g)　ΔH＝－200.9 kJ·mol－1。在恒容密闭容器中，NO氧化率随值以及温度的变化曲线如图2 所示。 ①NO氧化率随值增大而增大的主要原因是______________________________ ________________________________________________________________________。 ②当温度高于100 ℃时，O3分解产生活性极高的氧原子，此时NO氧化率随温度升高而降低可能的原因有____________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)①由化学方程式可知，v正的斜率更大一些，图中表示lg v正～lg c(NO2)的线是Ⅰ；②lg v正＝lg k正＋2lg c(NO2)，由图可知，lg k正＝a＋2，k正＝10(a＋2)，lg v逆＝lg k逆 ＋lg c(N2O4)，由图可知，lg k逆＝a，k逆＝10a，平衡后测得c(N2O4)为1.0 mol·L－1，则平衡时，v逆＝10a；③T ℃时，该反应达到平衡时，v正＝v逆，即k正c2(NO2)＝k逆c(N2O4)，则平衡常数K＝＝＝＝100；(2)①NO氧化率随值增大而增大，是因为值增大，n(O3)增大，O3浓度增加，有利于平衡NO(g) ＋O3(g)NO2(g)＋O2(g)正向移动，NO氧化率增大；②根据反应NO(g)＋O3(g)NO2(g)＋O2(g)　ΔH＝－200.9 kJ·mol－1可知该反应为放热反应，NO氧化率随温度升高而降低可能的原因有平衡后，升高温度，平衡向逆反应方向移动。 答案：(1)①Ⅰ　②10a ③100　(2)①值增大，O3浓度增加，有利于平衡NO(g)＋O3(g)NO2 (g) ＋O2(g)正向移动　②该反应为放热反应，平衡后，升高温度，平衡向逆反应方向移动 10．(2024年1月·安徽高考适应性演练)丙烷价格低廉且产量大，而丙烯及其衍生物具有较高的经济附加值，因此丙烷脱氢制丙烯具有重要的价值。回答下列问题： (1)已知下列反应的热化学方程式： ①直接脱氢：CH3CH2CH3(g)===CH2===CHCH3(g)＋H2(g)ΔH1＝123.8 kJ·mol－1 ②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)ΔH2＝－483.6 kJ·mol－1 计算O2氧化丙烷脱氢反应③CH3CH2CH3(g)＋O2(g)===CH2===CHCH3(g)＋H2O(g)的ΔH3＝　　　　　 kJ·mol－1。 (2)已知下列键能数据，结合反应①数据，计算C===C的键能是　　　　　kJ·mol－1。 化学键 C—C C—H H—H 键能/(kJ·mol－1) 347.7 413.4 436.0 (3)一定条件下，反应①中丙烷平衡转化率x与平衡常数Kp的关系可表示为x2＝，式中p为系统总压。p分别为0.10 MPa和0.010 MPa时，丙烷平衡转化率与温度的关系如图所示，其中表示0.10 MPa下的关系曲线是　　　(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。570 ℃时，Kp＝　　　 MPa(保留2位有效数字)。 (4)研究人员利用V2O5作催化剂，对反应③的机理开展研究。以C3H8和18O2为原料，初期产物中没有检测到18O；以含有C3D8的C3H8和O2为原料，反应过程中没有检测到C3H8－nDn(0<n<8)。下列推断合理的是　　　　　(填标号)。 A．V2O5先吸附氧气，吸附的氧气直接与吸附的丙烷反应 B．V2O5直接氧化吸附的丙烷，吸附的氧气补充V2O5中反应掉的氧 C．V2O5催化丙烷脱氢过程中，碳氢键的断裂是可逆的 (5)研究人员尝试利用CO2氧化丙烷脱氢制丙烯，与O2氧化丙烷脱氢制丙烯相比，使用CO2的优点有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(写出两点即可)。 (6)一种基于ZnO的锌基催化剂，可高效催化丙烷转化为丙烯。立方ZnO的晶 O2－与Zn2＋间的最小距离为　　　 pm，晶体密度为　　　　　 g·cm－3(列出计算式，阿伏加德罗常数的值为NA)。 解析：(1)反应③＝反应①＋×反应②，即ΔH3＝ΔH1＋ΔH2＝kJ·mol－1＝－118 kJ·mol－1；(2)反应①CH3CH2CH3(g)===CH2===CHCH3(g)＋H2(g) ΔH1＝123.8 kJ·mol－1，设C===C的键能是x，根据ΔH＝反应物键能之和－生成物的键能之和，可得ΔH1＝[2×347.7＋8×413.4－(x＋347.7＋6×413.4＋436.0)]kJ·mol－1＝123.8 kJ·mol－1，解得x＝614.7；(3)由关系式x2＝可知，温度相同时，p越大，x越小，0.10 MPa下的关系曲线是Ⅱ；570 ℃时，0.010 MPa时，丙烷平衡转化率x＝80%，假设丙烷起始时物质的量为a mol，可得三段式 CH3CH2CH3(g)===CH2===CHCH3(g)＋H2(g) 始/mol　　a　　　　　　　0　　　　　　0 转/mol 　0.8a　　　 　 　0.8a　　　　　0.8a 平/mol　0.2a　　　　　　0.8a　　　　　0.8a 总物质的量为1.8a，Kp＝＝＝×0.01 MPa≈0.018 MPa；(4)以C3H8和18O2为原料，初期产物中没有检测到18O，可知V2O5直接氧化吸附的丙烷，吸附的氧气补充V2O5中反应掉的氧，导致初期产物中没有检测到18O，以含有C3D8的C3H8和O2为原料，反应过程中没有检测到C3H8－nDn(0<n<8)，即碳氢键的断裂不可逆，故选B；(5)使用O2氧化，可能将烷烃部分氧化为醛、醇等，也可以氧化为CO、CO2，当发生反应氧化为CO、CO2，反应热很大，导致反应温度急剧上升，不仅丙烷容易反应，生成的丙烯也容易氧化为CO、CO2，因此利用二氧化碳的弱氧化性进行氧化可减少副反应的发生，还可以减少丙烯被氧化，提高产率；(6)图中Zn2＋的数目为4，O2－的数目为×6＋×8＝4，Zn2＋填充在由4个O2－构成的正四边体的体心，Zn2＋到O2－最短的距离是晶胞体对角线的，即a，晶胞边长为a pm，体积为a3 pm3，质量为 g，晶体密度为。 答案：(1)－118　(2)614.7　(3)Ⅱ　0.018 (4)B　(5)减少副反应的发生、还可以减少丙烯被氧化，提高产率　(6)a　 学科网（北京）股份有限公司 $$