2025届高三高考化学二轮复习 微专题练习 化学平衡图像分析、条件控制及原因解释

2025届高三高考化学二轮复习微专题练习　 化学平衡图像分析、条件控制及原因解释 1.[2024·湖北荆州二模] CO2是当今最主要的温室气体,各国都面临着严峻的减排压力。与此同时,CO2也是一种“碳源”,转化为高附加值的燃料或化学品不仅可以解决CO2的问题,还可变废为宝得到有用的化学品。CO2加氢制甲醇是实现这一过程的理想方法之一。 主要发生以下反应: 反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49.5 kJ·mol-1 反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41.2 kJ·mol-1 反应Ⅲ:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)　ΔH3 (1)Fujta等学者开展了在Cu/ZnO催化剂上进行CO2+H2合成甲醇机理的研究。机理如下: ①过程2的化学方程式为 　　　　 　　　　　　。  ②研究表明,过程3的活化能小但实际反应速率慢,是速控步骤,导致该步反应速率小的原因可能是　　　　。  A.温度变化导致活化能增大 B.CO2的存在削弱了同一吸附位上H2的吸附 C.H2O对该反应有阻碍作用 D.温度变化导致平衡常数减小 (2)甲醇水蒸气重整制氢(SRM)系统可作为电动汽车燃料电池的理想氢源。系统中的两个反应如下: 主反应:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)　ΔH1>0 副反应:H2(g)+CO2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2>0 单位时间内,CH3OH转化率与CO生成率随温度的变化如图所示: 升温过程中CH3OH实际反应转化率不断接近平衡状态转化率的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　;温度升高,CO实际反应生成率并没有不断接近平衡状态的生成率,其原因可能是　　　 　　　　　。  2.[2024·安徽宣城第二次调研] 我国力争于2030年前做到碳达峰,2060年前实现碳中和,因此CO2的综合利用是研究热点之一。 (1)利用CO2与H2合成甲醇涉及的主要反应如下: Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(g)　ΔH1=-49 kJ·mol-1 Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41 kJ·mol-1 一定条件下向某刚性容器中充入物质的量之比为1∶3的CO2和H2,发生上述反应,在不同催化剂(cat.1,cat.2)下经相同反应时间,CO2的转化率和甲醇的选择性随温度变化如图所示: ①由图可知,催化效果cat.1　　　　cat.2(填“>”“<”或“=”)。  ②在210~270 ℃,CH3OH的选择性随温度的升高而下降,可能原因为 　　 　　　　　　。  (2)利用制备的甲醇可以催化制取丙烯,过程中发生如下反应:3CH3OH(g)C3H6(g)+3H2O(g)。该反应的实验数据遵循Arrhenius经验公式,如图中曲线a所示,已知Arrhenius经验公式为Rln k=-+C(Ea为活化能,假设受温度影响忽略不计,k为速率常数,R和C为常数),则反应的活化能为　　　　kJ·mol-1。当改变外界条件时,实验数据如图中的曲线b所示,则实验可能改变的外界条件是　　　　　　　　　　;此经验公式说明对于某个基元反应,当升高相同温度时,其活化能越大,反应速率增大得　　　　(填“越多”或“越少”)。  3.[2024·江西重点中学第二次模拟] 为应对全球气候变暖, 《巴黎气候协定》提出“碳中和”目标。CO2转化利用是碳治理的重要方法,有利于实现碳资源的有效循环。其中由CO2转化制甲醇具有重要的经济效益。 (1)不同催化剂有不同催化活性,也有不同最佳反应温度。一定投料比和压强下,测定甲醇时空收率(单位物质的量催化剂表面甲醇的平均生成速率)随温度的变化曲线如图所示。 1 在适宜温度下,甲醇的时空收率随着温度升高而增大,请解释原因:　 　　 　　　　　。  ②该反应最佳条件:　 。  (2)CO2催化加氢制甲醇反应历程中某一步基元反应的Arrhenius经验公式的实验数据如图所示,已知Arrhenius经验公式为Rln k=-+C(其中Ea为活化能,k为速率常数,R和C均为常数)。 ①该反应的活化能Ea=　　　　 kJ·mol-1。  ②当使用更高效的催化剂时,在图中画出Rln k与关系的示意图。 4.[2024·辽宁协作校二模] 化工原料丙烯腈()广泛应用于纤维、橡胶及树脂等工业合成生产中。以3-羟基丙酸乙酯()为原料合成丙烯腈,主要反应过程如下: 反应Ⅰ:(g)(g)+H2O(g)　ΔH1>0 反应Ⅱ:(g)+NH3(g)(g)+H2O(g)+　ΔH2>0 在盛有催化剂TiO2、压强为80 kPa的恒压密闭容器中按体积比1∶7充入(g)和NH3(g)发生反应,通过实验测得平衡体系中含碳物质(乙醇除外)的物质的量分数随温度的变化如图所示。 (1)随着温度的升高,(g)的平衡物质的量分数先增大后减小的原因为 　　 　　　　　　。  (2)如图,科学家通过计算得出反应Ⅱ的反应历程有两步,其中第一步反应的化学方程式为(g)+NH3(g)(g)+,则第二步反应的化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　;实验过程中未检测到(g)的原因可能为　　　 　　　　　。  (3) 若充入一定量N2(不参与反应)可提高丙烯腈的平衡产率,原因为 　　 　　　　　　。  　 参考答案 1.(1)①H2(g)+2CO2(Cu)2HCOO—Cu　②BC　(2)温度升高,反应速率加快,单位时间内甲醇消耗量增多　催化剂对副反应的选择性低 [解析] (1)①过程1为CO2在催化剂Cu/ZnO被吸附转化为CO2(Cu),过程2为H2与CO2(Cu)反应转化成HCOO—Cu,反应的化学方程式为H2(g)+2CO2(Cu)2HCOO—Cu;②过程3的反应为2H2(g)+HCOO—CuCH3O—Cu+H2O;由题意知,过程3的活化能小,而改变温度不能改变控速步,A项错误;CO2的存在削弱了同一吸附位上H2的吸附,导致反应速率慢,B项正确;该过程中有H2O生成,该过程的活化能小但实际反应速率慢可能是生成的H2O对反应有阻碍作用,C项正确;平衡常数的大小与反应速率快慢无关,D项错误。 (2)图示为单位时间内,CH3OH转化率与CO生成率随温度的变化,温度升高,反应速率加快,单位时间内甲醇消耗量增多,从而使得升温过程中CH3OH实际反应转化率不断接近平衡状态转化率;温度升高,CO实际反应生成率并没有不断接近平衡状态的生成率,其原因可能是催化剂对副反应的选择性低。 2.(1)①>　②升高温度,催化剂更有利于反应Ⅱ,使反应Ⅱ速率增大程度大于反应Ⅰ (2)31　使用更高效的催化剂　越多 [解析] (1)①由图可知,相同温度时,二氧化碳的转化率和甲醇的选择性均为cat.1高于cat.2,则催化效果cat.1强于cat.2。 (2)根据图像并结合公式可得:9.2 J·mol-1·K-1=-3.2×10-3 K-1×Ea+C,3.0 J·mol-1·K-1=-3.4×10-3 K-1×Ea+C,联立方程,解得Ea=31 kJ·mol-1。 当改变外界条件时,实验数据如图中的曲线b所示,此时满足:9.2 J·mol-1·K-1=-3.2×10-3 K-1×Ea+C,1.0 J·mol-1·K-1=-3.6×10-3 K-1×Ea+C,联立方程,解得Ea=20.5 kJ·mol-1,活化能减小,则实验可能改变的外界条件是更换了更高效的催化剂。 ③此经验公式说明对于某个基元反应,当升高相同温度时,其活化能越大,反应速率增大得越多。 3.(1)①随温度升高,催化剂活性增强,反应速率加快 ②Ni5Ga3作催化剂,210 ℃(或210 ℃左右) (2)①30.0　② 或 [解析] (1)适宜温度下,随温度升高,催化剂活性增强,反应速率加快,甲醇时空收率曲线上升;由图像可知,选择Ni5Ga3作催化剂,210 ℃左右时甲醇的时空收率最大。 (2)由数学关系可知活化能Ea即一次函数Rln k=-+C的斜率的相反数,为 J·mol-1=30.0 kJ·mol-1。使用高效催化剂后,活化能降低,即Rln k与关系图像中直线更平缓,由此可画出图像。 4.(1)反应Ⅰ和反应Ⅱ都是吸热反应,温度升高,平衡都向正向移动;温度较低时反应Ⅰ正向进行的程度大,温度较高时反应Ⅱ正向进行的程度增大 (2)(g)(g)+H2O(g)　第二步反应非常快　(3)反应Ⅱ为气体分子数增大的反应,恒压密闭容器中充入一定量N2,降低各气体分压(相当于扩大容器容积),会使反应Ⅱ的平衡正向移动 [解析] (1)反应Ⅰ、Ⅱ均为吸热反应,丙烯酸乙酯对应曲线最高点前反应Ⅰ进行程度大,最高点后反应Ⅱ进行程度大,所以随着温度升高,丙烯酸乙酯的平衡体积分数先增大后减小。 (2)第二步反应为总反应-第一步反应,则第二步反应的化学方程式为(g)(g)+H2O(g);第二步反应的活化能小于第一步,第二步反应的速率远大于第一步的速率,故实验过程中未检测出。 学科网（北京）股份有限公司 $$