第8单元 素养提升练(十四) 平衡思想——化学平衡原理的应用(Word练习)-【高考快车道】2026年高考化学大一轮专题复习总复习

素养提升练(十四)　平衡思想——化学平衡原理的应用 探究点一　应用平衡原理控制反应条件 1.CO2催化加氢制取甲醇的研究,对于环境、能源问题都具有重要的意义。反应如下: 反应ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49 kJ·mol-1 反应ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+42 kJ·mol-1 下列说法不正确的是 (　) A.增大氢气浓度能提高二氧化碳的转化率 B.增大压强,有利于反应向生成甲醇的方向进行,反应ⅰ的平衡常数增大 C.升高温度,生成甲醇的速率增大,反应ⅱ的限度同时增大 D.选用理想的催化剂可以提高甲醇的产率 2.[2025·辽宁抚顺六校联考] NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应。工业尾气中的NH3可通过催化氧化为N2除去。将一定比例的NH3、O2和N2的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应管,NH3的转化率、生成N2的选择性[×100%]与温度的关系如图所示。 下列说法正确的是 (　) A.其他条件不变,升高温度,NH3的平衡转化率增大 B.其他条件不变,在175~300 ℃范围,随温度的升高,出口处N2和氮氧化物的量均不断增大 C.催化氧化除去尾气中的NH3应选择反应温度高于250 ℃ D.高效除去尾气中的NH3,需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂 3.CO2催化加氢合成甲醇是重要的碳捕获利用与封存技术,该过程主要发生下列反应: 反应①:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-49.5 kJ·mol-1 反应②:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1 在0.5 MPa条件下,将n(CO2)∶n(H2)为1∶3的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应器,实验测得CO2的转化率、CH3OH的选择性 [×100%]与温度的关系如图所示。下列有关说法正确的是 (　) A.图中曲线②表示CH3OH的选择性随温度的变化 B.一定温度下,增大起始n(CO2)∶n(H2)的比值,可提高H2的平衡转化率 C.升高温度时,CO的选择性降低 D.一定温度下,选用高效催化剂可提高CH3OH的平衡产率 4.[2025·湖北武汉调研] CH4-CO2催化重整是实现“碳中和”的一种理想的CO2利用技术,具有广阔的市场前景和经济、社会价值。该过程中涉及的反应如下。 反应Ⅰ:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH1 反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41 kJ·mol-1 反应Ⅲ:CH4(g)C(s)+2H2(g) ΔH3=+75 kJ·mol-1 反应Ⅳ:CO2(g)+C(s)2CO(g) ΔH4=+172 kJ·mol-1 回答下列问题: (1)ΔH1=　　　　kJ·mol-1。  (2)有利于提高平衡时CH4转化率的条件是　　　(填标号)。  A.高温高压 B.高温低压 C.低温高压 D.低温低压 (3)该过程中,催化剂的活性会因积碳而降低。在使用不同催化剂时,反应Ⅲ和Ⅳ活化能的相关数据如下表所示。 催化剂 活化能/(kJ·mol-1) 反应Ⅲ 反应Ⅳ M 43 72 N 33 91 催化剂M　　　　N(填“优于”或“劣于”),其理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  (4)100 kPa,以CH4和CO2的起始总物质的量为2.0 mol,分别为0.5、1.0、2.0和3.0投料,反应温度对积碳量的影响如下图所示。 ①在573~853 K,=0.5时,积碳量随着温度的升高而增大的理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  ②=3.0的曲线是　　　　(填“a”“b”或“c”)。  探究点二　应用平衡原理分析变化的原因 5.二甲醚(CH3OCH3)是优良的洁净燃料,利用CO2催化加氢制二甲醚过程中发生的化学反应为 反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1<0 反应Ⅱ:2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)　ΔH2<0 反应Ⅲ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH3>0 一定条件下,在恒容密闭容器中按=3投料进行上述反应,CO2的平衡转化率及CO、CH3OCH3、CH3OH的平衡体积分数随温度变化如图所示。 温度从453 K上升至573 K,CO2的平衡转化率变化的原因是  　。  6.(1)利用光能和光催化剂,可将CO2和H2O(g)转化为CH4和O2。紫外光照射时,在不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下,CH4产量随光照时间的变化如图所示。在0~15 h内,CH4的平均生成速率Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ从大到小的顺序为　 。  (2)甲烷是一种重要的化工原料,常用于制H2和CO。甲烷裂解制氢的反应为CH4(g)C(s)+2H2(g)　ΔH=+75 kJ·mol-1,Ni和活性炭均可作该反应催化剂。CH4在催化剂孔道表面反应,若孔道堵塞会导致催化剂失活。 ①向反应系统中通入水蒸气可有效减少催化剂失活,其原因是  　。  ②在相同气体流量条件下,不同催化剂和进料比[]对甲烷转化率的影响如图所示。使用活性炭催化剂,且其他条件相同时,随着进料比的增大,甲烷的转化率逐渐增大的原因是  　。  7.[2024·河北沧州二模] 二甲醚(DME)作为一种新兴的基本有机化工原料,在制药、燃料、农药等化学工业中有许多独特的用途,其制备方法有CO氢化法、CO2氢化法、CO2电化法等。回答下列问题: (1)CO氢化法所涉及的反应如下: 反应ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49.01 kJ·mol-1; 反应ⅱ.2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)　ΔH2=-24.52 kJ·mol-1; 反应ⅲ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH3=+41.17 kJ·mol-1。 ①反应ⅳ.2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)　ΔH=　　　　 kJ·mol-1,利于该反应正向进行的条件是　　　　(填“高温”“低温”或“任意温度”)。  ②将2.0 mol CO(g)和4.0 mol H2(g)充入密闭容器中仅发生反应ⅳ,平衡体系中CH3OCH3(g)的物质的量分数与压强和温度的关系如图所示,关于温度和压强的关系判断正确的是　　　　(填字母)。  A.p3>p2,T3>T2 B.p2>p3,T1>T3 C.p3>p4,T4>T2 D.p1>p4,T2>T3 (2)CO2氢化法反应原理为反应ⅴ.2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH<0。在一定压强、CO2和H2的起始投料一定的条件下,发生反应ⅲ、反应ⅴ,实验测得CO2平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图所示。 ①CH3OCH3的选择性=×100%,其中表示平衡时CH3OCH3的选择性的是曲线　　　(填“x”或“y”)。  ②温度高于300 ℃时,曲线y随温度升高而升高的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。  ③为同时提高CO2的平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性,应选择的反应条件为　　　　(填字母)。  a.低温、低压 b.高温、高压 c.高温、低压 d.低温、高压 8.[2024·河北邢台二模] 工业废气中的二氧化碳加氢制甲醇是“碳中和”的一个重要研究方向,在催化剂作用下,主要发生以下反应: 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; ⅲ.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)　ΔH3。 (1)已知反应ⅲ正反应的活化能为Ea kJ·mol-1,则其逆反应的活化能为　　　　　kJ·mol-1(用含有Ea的式子表示)。  (2)在=3时,反应ⅰ在不同条件下达到平衡,设体系中甲醇物质的量分数为x(CH3OH),在T1 ℃下的 x(CH3OH)~p、在p0 Pa下的x(CH3OH)~T如图所示。 图中对应恒温过程的曲线是　　　　。当CO2的平衡转化率为时,反应条件可能为　　　　　　或　　　　　　　。  (3)为探究原料气中混入CO气体对反应的影响。测得平衡时CO2的转化率α(CO2)、γ=随原料气中的变化如图所示。请解释α(CO2)、γ呈现该变化的趋势的原因:  　。  学科网（北京）股份有限公司 $ 素养提升练(十四)　平衡思想——化学平衡原理的应用 1.B　[解析] 增大压强,平衡向气体分子数减小的方向移动,则有利于反应ⅰ向生成甲醇的方向进行,但是平衡常数只与温度有关,温度不变,平衡常数不变,故B错误。 2.D　[解析] NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应,根据勒夏特列原理,升高温度,平衡向逆反应方向移动,氨气的平衡转化率降低,故A错误;根据图像,在225~300 ℃范围,随温度的升高,NH3的转化率变化不大,N2的选择性降低,即产生氮气的量减少,故B错误;根据图像,温度高于250 ℃,且氨气的转化率变化并不大,而N2的选择性降低,则应选择温度应略小于225 ℃,此时氨气的转化率、氮气的选择性较大,故C错误;氮气对环境无污染,氮的氧化物污染环境,因此高效除去尾气中的NH3,需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂,故D正确。 3.B　[解析] 反应①为放热反应,升高温度后平衡逆向移动,CH3OH的选择性降低;反应②为吸热反应,平衡正向移动生成CO,CH3OH的选择性也降低,所以升高温度之后,CH3OH的选择性降低,曲线①表示CH3OH的选择性随温度的变化,A错误;一定温度下,增大n(CO2)∶n(H2)的比值,相当于增加CO2而H2浓度不变,平衡正向移动,氢气的平衡转化率提高,B正确;升高温度,反应①为放热反应,平衡逆向移动,反应②为吸热反应,平衡正向移动生成CO,CO的选择性升高,C错误;选用高效催化剂只能改变反应速率,不能改变平衡转化率,D错误。 4.(1)+247　(2)B (3)优于　使用催化剂M时,反应Ⅲ的活化能比使用催化剂N时高,反应Ⅳ的活化能比使用催化剂N时低,相同时间内积碳量更少 (4)①温度升高对反应Ⅲ的促进程度比反应Ⅳ的促进程度大　②a [解析] (1)由盖斯定律可知,反应Ⅲ+反应Ⅳ可得反应Ⅰ,CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),则有ΔH1=ΔH3+ΔH4=+75 kJ·mol-1+172 kJ·mol-1=+247 kJ·mol-1。(2)反应Ⅰ、反应Ⅱ、反应Ⅲ和反应Ⅳ都是吸热反应,且反应Ⅰ、Ⅲ过程中气体体积增大,则升高温度和减小压强可以促进平衡正向移动,有利于提高平衡时CH4转化率,故选B。(4)①反应Ⅲ生成碳,反应Ⅳ消耗积碳,这两个反应都是吸热反应,在573~853 K,=0.5时,积碳量随着温度的升高而增大的理由是温度升高对反应Ⅲ的促进程度比反应Ⅳ的促进程度大。②反应Ⅲ生成碳,反应Ⅳ消耗积碳,越大,相当于增大CO2的物质的量,反应Ⅳ平衡正向移动,积碳量会减小,则=3.0的曲线是a。 5.453 K到553 K,主要发生反应Ⅰ,反应Ⅰ正反应放热,温度升高CO2的平衡转化率下降;553 K到573 K,主要发生反应Ⅲ,反应Ⅲ正反应吸热,温度升高CO2的平衡转化率升高 6.(1)Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ　(2) ①水蒸气与碳反应生成CO与氢气,减少固体碳对孔道的堵塞　②进入反应的甲烷含量越低,甲烷分子与催化剂接触的机会越大,转化率越高 [解析] (1)过横坐标“15”处作垂直于横轴的垂线,则CH4产量越高,CH4平均生成速率越大,故速率:Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ。(2) ①当加入水蒸气后,加入的水蒸气能与碳反应生成CO和氢气,减少固体碳对孔道的堵塞,从而有效减少催化剂失活。②随着进料比的加大,甲烷的含量将降低,甲烷分子与催化剂接触的机会增大,转化率增大。 7.(1)①-204.88　低温　②BD (2)①x　②反应ⅲ为吸热反应,反应ⅴ是放热反应,温度高于300 ℃时,升高温度,反应ⅲ平衡向正向移动消耗CO2的量大于反应ⅴ平衡逆向移动生成CO2的量　③d [解析] (1)①依据盖斯定律ⅰ×2+ⅱ-ⅲ×2得到反应ⅳ:2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)　ΔH=-204.88 kJ·mol-1,由于正反应是放热的熵减反应,依据ΔG=ΔH-TΔS<0可知,利于该反应正向进行的条件是低温。②反应ⅳ正反应是放热反应,压强相同时,升高温度平衡逆向进行,二甲醚的物质的量分数减小,因此T1>T2>T3>T4。反应ⅳ正反应气体分子数减小,温度相同时,增大压强平衡正向进行,二甲醚的物质的量分数增大,因此p1>p2>p3>p4,答案选BD。(2)①升高温度反应ⅲ平衡正向移动,反应ⅴ平衡逆向移动,CH3OCH3的选择性减小,故表示平衡时CH3OCH3的选择性的是曲线x。②由于反应ⅲ为吸热反应,反应ⅴ为放热反应,温度高于300 ℃时,升高温度,反应ⅲ平衡正向移动消耗CO2的量大于反应ⅴ平衡逆向移动生成CO2的量,所以温度高于300 ℃时,曲线y随温度升高而升高。③升高温度反应ⅲ平衡正向移动,反应ⅴ平衡逆向移动,其中反应ⅲ气体分子数不变,反应ⅴ气体分子数减小,所以为同时提高CO2的平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性,应选择的反应条件为低温、高压。 8.(1)(Ea+90)　(2)a　T1 ℃、9×105 Pa　210 ℃、p0 Pa (3)增大,与CO反应的H2变多,与CO2反应的H2变少,所以α(CO2)降低;增大,更有利于反应ⅲ的正向进行,产生CH3OH变多,所以γ升高 [解析] (1)由盖斯定律可知,反应ⅰ-反应ⅱ可得反应ⅲ,则CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)　ΔH3=ΔH1-ΔH2= -49 kJ·mol-1-41 kJ·mol-1=-90 kJ·mol-1=正反应活化能-逆反应活化能,已知反应ⅲ正反应的活化能为Ea kJ·mol-1,则其逆反应的活化能为(Ea+90) kJ·mol-1。(2)反应ⅰ是气体分子数减小的反应,恒温条件下增大压强,平衡正向移动,x(CH3OH)增大,则图中对应恒温过程的曲线是a,对应恒压过程的曲线是b,设起始物n(H2)=3 mol,n(CO2)=1 mol,平衡时CO2的物质的量为1 mol- mol= mol,H2的物质的量为3 mol-1 mol=2 mol,CH3OH和H2O的物质的量为 mol,气体的总物质的量为 mol+ mol+ mol+2 mol= mol,x(CH3OH)==0.1,由图可知,反应条件可能为T1 ℃、9×105 Pa或210 ℃、p0 Pa。(3)增大,与CO反应的H2变多,与CO2反应的H2变少,α(CO2)降低;增大,更有利于反应ⅲ的正向进行,产生CH3OH变多,γ升高。 学科网（北京）股份有限公司 $