第24讲 速率、平衡原理在工业生产中的应用和分析-2027年高考化学一轮复习专项训练.

**基本信息** 聚焦工业生产中速率与平衡原理的综合应用，通过真实反应情境构建“原理→分析→优化”的逻辑链条，突出化学观念与科学思维的融合。 **专项设计** |模块|题量/典例|题型特征|知识逻辑| |----|-----------|----------|----------| |工业反应平衡分析|8道选择（如CO₂制甲醇、DMO合成乙二醇）|结合热化学方程式与图表，分析平衡转化率、选择性、产率|从反应原理（平衡常数、焓变）到工业条件影响，构建“概念→推导→应用”链条| |生产条件优化与原理应用|4道非选择（如合成气转化、催化剂选择）|探究反应条件（温度、催化剂）对转化率的影响及原因阐释|以真实工业问题为载体，整合速率、平衡与物质转化，体现科学探究与实践|

第24讲 速率、平衡原理在工业生产中的应用和分析 一、 选择题(每小题只有一个选项符合题意) 1 [2025南师附中期中]在CO2与H2反应制甲醇的反应体系中，主要反应的热化学方程式如下： 反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－49.5 kJ/mol 反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)⥫⥬CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝＋40.9 kJ/mol 向恒压密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2，CO2平衡转化率、CH3OH平衡产率随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(　　) A. 反应Ⅰ的平衡常数K＝ B. 1 mol CO2(g)和1 mol H2(g)充分反应，吸收热量40.9 kJ C. 平衡时CH3OH的体积分数可能大于0.5 D. 曲线a代表的是CO2平衡转化率 2 [2026南京期初]由乙二酸二甲酯(，简称“DMO”)催化合成乙二醇，发生3个连续反应： 反应Ⅰ：(g)＋2H2(g)===(g)＋CH3OH(g)　ΔH<0 反应Ⅱ：(g)＋2H2(g)===(g)＋CH3OH(g)　ΔH<0 反应Ⅲ：(g)＋H2(g)===CH3CH2OH(g)＋H2O(g)　ΔH<0 在一定条件下，DMO与H2以一定投料比发生上述反应，出口处检测到DMO的实际转化率及(简称“MG”)、乙二醇占各主要产物的物质的量分数x[如x(MG)＝×100%]随温度的变化曲线如图所示。下列说法正确的是(　　) A. 初始加入1 mol DMO，175 ℃时生成1.2 mol CH3OH B. 温度高于210 ℃，x(乙二醇)随温度升高而降低的主要原因是反应Ⅱ的平衡逆向移动 C. 在170～230 ℃，出口处＜2 D. 延长原料与催化剂的接触时间可提高DMO的平衡转化率 3 [2025南京中华中学期初]利用甲醇(CH3OH)和甲苯(Tol)发生甲基化反应可以获得对二甲苯(p-X)、间二甲苯(m-X)和邻二甲苯(o-X)，反应过程中还有乙烯生成，涉及的反应如下： 反应Ⅰ：2CH3OH(g)===C2H4(g)＋2H2O(g) ΔH1＝－26 kJ/mol 反应Ⅱ：Tol(g)＋CH3OH(g)===pX(g)＋H2O(g) ΔH2＝－71.3 kJ/mol 反应Ⅲ：Tol(g)＋CH3OH(g)===mX(g)＋H2O(g) ΔH3＝－72.1 kJ/mol 反应Ⅳ：Tol(g)＋CH3OH(g)===oX(g)＋H2O(g) ΔH4＝－69.7 kJ/mol 研究发现，在密闭容器中，101 kPa、n起始(Tol)＝n起始(CH3OH)＝1 mol，平衡时甲苯的转化率、反应Ⅰ的选择性及反应Ⅳ的选择性随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(　　) A. p-X(g)===mX(g)　ΔH>0 B. 随着温度的升高，反应Ⅳ的平衡常数先增大后减小 C. 在400～600 K范围内，随着温度的升高，n(H2O)基本不变 D. 800 K下反应达平衡后，增大压强，n(Tol) 保持不变 4 [2025连云港期中]CO2氧化乙烷制备乙烯，主要发生如下两个反应(忽略其他副反应)： 反应①：C2H6(g)＋CO2(g)⥫⥬C2H4(g)＋CO(g)＋H2O(g)　ΔH1＝＋178.1 kJ/mol 反应②：C2H6(g)＋2CO2(g)⥫⥬4CO(g)＋3H2(g) ΔH2＝＋432.7 kJ/mol 在密闭容器中，1.0×105 Pa、n起始(C2H6) ∶n起始(CO2) ＝1∶1时，催化反应相同时间，测得不同温度下C2H6的转化率、C2H4的选择性如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下C2H6的平衡转化率随温度的变化)。C2H4选择性＝×100%。下列说法正确的是(　　) A. 反应过程中，C2H6的转化率大于CO2的转化率 B. 在300～700 ℃之间，C2H4的选择性下降的原因是随温度升高反应①平衡后又逆向移动 C. 保持其他条件不变，400 ℃时使用高效催化剂能使C2H6的转化率从a点的值升高到b点的值 D. 随温度升高，C2H6转化率接近平衡转化率的主要原因是温度和催化剂共同影响，加快了反应速率 5 [2025苏州期初]CH4和CO2联合重整能减少温室气体的排放。重整时发生如下反应： 反应Ⅰ：CH4(g)＋CO2(g)===2H2(g)＋2CO(g) ΔH1＝＋247.1 kJ/mol 反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝＋41.2 kJ/mol 其他条件相同，n(CH4)∶n(CO2)投料比为1∶1.5时，CH4和CO2的平衡转化率与温度变化关系如图所示。下列说法不正确的是(　　) A. 其他条件不变，n(CH4)∶n(CO2)投料比为1∶1，则平衡时CO2转化率一定高于CH4 B. 一定条件下，使用高效催化剂可以提高单位时间内H2的产量 C. n(H2)∶n(CO)始终低于1.0，是因为发生了反应Ⅱ D. 其他条件不变，550～650 ℃升高温度更有利于反应Ⅱ进行 6 [2025南京一中、金陵中学、南通海安中学期中联考]碳与水反应可获得H2，添加CaO后，其主要反应如下： 反应Ⅰ：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)　ΔH1>0 反应Ⅱ：CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH2<0 反应Ⅲ：CaO(s)＋CO2(g)===CaCO3(s)　ΔH3<0 恒压条件下，CH2OCaO体系达到平衡后，气相中CO、CO2和H2的物质的量分数随温度的变化关系如图所示[图示温度范围内C(s)已完全反应，CaCO3(s)在T1温度时完全分解]。下列说法不正确的是(　　) A. CaO(s)＋CO(g)＋H2O(g)===CaCO3(s)＋H2(g)低温时可自发进行 B. 图中曲线a对应物质为H2 C. 当温度高于T1时，随温度升高，曲线c逐渐降低的原因是温度升高，反应Ⅱ逆向移动 D. 保持压强不变、温度为T0，向平衡体系中通入少量CO2(g)，重新达到平衡后，CO2的物质的量分数变大 7 [2026苏州中学期中]利用CH4和CO2重整技术可获得合成气(主要成分为CO、H2)，重整过程中部分反应的热化学方程式如下： 反应Ⅰ：CH4(g)＋CO2(g)===2H2(g)＋2CO(g)　ΔH1＝＋247 kJ/mol 反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41 kJ/mol 反应Ⅲ：CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)　ΔH3＝＋206 kJ/mol 不同随温度变化对出口合成气中的影响如图所示。下列说法正确的是(　　) A. 对于反应Ⅰ，M点的平衡常数大于N点 B. M点CO2的转化率比N点CO2的转化率小 C. 高温高压有利于提高原料的平衡转化率 D. ＝2.5、温度高于900 ℃时，减小是由反应Ⅱ导致的 8 [2025南通如皋适应性一]一碘甲烷(CH3I)热裂解可制取乙烯等低碳烯烃化工原料。CH3I热裂解时发生如下反应： 反应Ⅰ：2CH3I(g)⥫⥬C2H4(g)＋2HI(g)　ΔH1>0 反应Ⅱ：3C2H4(g)⥫⥬2C3H6(g)　ΔH2<0 反应Ⅲ：2C2H4(g)⥫⥬C4H8(g)　ΔH3<0 p＝0.1 MPa，向密闭容器中起始投入1 mol CH3I(g)，维持压强恒定，平衡时容器内C2H4、C3H6和C4H8所占容器内气体的物质的量分数(X)与温度(T)的关系如图所示。C2H4的分压 p(C2H4)＝p总·X(C2H4)，反应Ⅰ的压强平衡常数Kp＝。下列说法正确的是(　　) A. 图中a对应的物质是C2H4 B. 750 K时，反应Ⅲ的Kp＝1 C. 300 K时，要提高C3H6的物质的量分数可以使用C3H6选择性高的催化剂 D. 1 000 K时，其他条件不变，若增大容器的压强，C2H4平衡时的物质的量分数一定会减小 二、 非选择题 9 [2025南通如皋适应性三]一种合成气(含体积分数为54%的H2、35%的 CO、7%的CO2和4%的N2)可通过如图所示转化制取合成氨的原料。 (1) 若转化Ⅰ中CO、CO2完全反应，得到的Fe3O4和CaCO3的物质的量之比为__________。 (2) 实际进行转化Ⅰ反应时，合成气中需添加一定量的水蒸气。添加水蒸气的目的是______________________________________________________________。 (3) 其他条件一定，将添加了水蒸气的合成气通过装有Fe2O3和CaO的反应管，测得出口处CO的体积分数与反应温度的关系如图所示。 Ⅰ. 400～550 ℃，温度越高，出口处CO体积分数越低的原因是___________ ___________________________________________。 Ⅱ. 高于550 ℃，出口处CO体积分数随温度升高增大的原因是__________ ______________________________________________________________________。 10 [2025苏锡常镇一调]一氧化碳还原反应原理：2CO(g)＋SO2(g)===2CO2(g)＋S(l)　ΔH＝－270 kJ/mol。其他条件相同，分别选取Fe2O3、NiO作上述反应的催化剂时，SO2的转化率随反应温度的变化如图所示。 (1) 与NiO相比，选择Fe2O3作催化剂的优点是__________________________ ______________________________________________________________________。 (2) 已知：硫的沸点约为445 ℃。反应温度高于445 ℃时，SO2的平衡转化率增大，其原因是_____________________________________________________ ______________________________________________________________________。 11 [2026常州期中]工业上进行水煤气变换反应时，需在多个催化剂层间进行降温操作以去除反应过程中的余热(如图1所示)，保证反应在最适宜温度附近进行。 图1 (1) 图2中折线“a→b→c→d”反映了某一阶段CO转化率随温度变化的实际过程，其中“b→c”段对应降温操作。写出一种该降温过程可能采用的操作：____ ______________________________________________________________________。 图2 图3 (2) 若采用喷入冷水蒸气的操作进行降温，在图3中作出CO平衡转化率随温度变化的曲线。 12 [2025连云港期中]工业上常用CeO2催化除去重整气(主要成分为H2、CO2、CO、N2、H2O和少量O2等)中含有的少量CO。主要反应为2CO＋O2===2CO2；CO＋3H2===CH4＋H2O。 (1) 用大孔径的催化剂载体可以提高催化氧化CO的效果。 ①制备泡沫铜载体。三羟甲基氨基甲烷(C4H11NO3)和硝酸铜混合均匀，在氩气的保护下点燃，冷却清洗后得到泡沫铜。三羟甲基氨基甲烷作用为___________ ______________________________________________________________________。 ②Al2O3作载体。Al2O3导热性差，会导致反应管温度过高。CO去除率明显降低，除因为催化剂失活外，还有_________________________________________ (用化学方程式表示)。 (2) CeO2(Ce是活泼金属)中添加CuO能提高反应催化效果。将n(CO)∶n(O2)∶n(H2)∶n(CO2)∶n(H2O)＝1∶1∶50∶15∶10的混合气体(其余为N2)以一定流速通过装有aCuO·bCeO2催化剂的反应管，实验表明催化剂中氧空位的数量影响反应速率，可能机理如图1所示。 图1 ①CeO2中加入少量CuO能提高CO的去除率，其原因是__________________ ______________________________________________________________________。 ②催化剂aCuO·bCeO2中铜原子上会形成少量碱性基团( )，其存在会降低CO去除率的原因是____________________________________________ ______________________________________________________________________。 ③步骤ⅱO2也会参与反应。若参加反应的H2O和O2物质的量相等，则每转化1 mol CO产生H2的物质的量为________。 (3) aCuO·bCeO2、aCu·bCeO2均能催化CO反应。重整气通过装有aCuO·bCeO2催化剂的反应管，CO转化率和生成CO2选择性随温度变化的曲线如图2所示。 图2 ①产物CO2选择性下降的原因可能是__________________________________ ______________________________________________________________________。 ②aCuO·bCeO2相对于aCu·bCeO2催化剂，其优点是______________________ _________________________________________。 1 D 2 A 3 C　 4 D　 5 D　 6 D 7 D　 8 D 9 (1) 5∶3　(2) 抑制H2与Fe2O3的反应、将部分CO转化为CO2与H2　 (3) Ⅰ. 温度越高，CO与Fe2O3的反应速率越快 Ⅱ. 温度越高，CO2与CaO反应程度越小(或CaCO3分解程度越大)，CO2浓度增大，抑制了CO与Fe2O3(或H2O)的反应正向进行的程度 10 (1) 在相对较低温度可获得较高SO2的转化率，从而节约大量能源　(2) 当温度高于445 ℃后，硫汽化吸热，使反应变为吸热反应，升高温度，有利于反应正向进行 解析：(2) 反应温度高于445 ℃时，SO2的平衡转化率却增大，说明反应转变为吸热反应。由硫的沸点约为445 ℃推知，硫汽化时吸收的热量超过了2CO(g)＋SO2(g)===2CO2(g)＋S(l)放出的热量，由盖斯定律知，2CO(g)＋SO2(g)===2CO2(g)＋S(g)　ΔH＞0。 11 (1) 按原水碳比通入冷的原料气，或通过热交换器散热 (2) 12 (1) ①作燃料，产生大量气体造孔，提供还原性气体还原硝酸铜为铜单质　②CO2＋H2CO＋H2O　(2) ①增强了CO在CuO上的吸附量；Cu2+代替Ce4+增加了催化剂中氧空位的数量　②CO2与CO产生竞争吸附(使CO不易吸附)；CO2与碱性基团产生碳酸盐覆盖催化剂表面，阻碍反应发生　③ mol　(3) ①H2还原CuO为Cu，aCu·bCeO2催化剂有利于甲烷的生成　②产物CO2选择性高，不消耗H2 学科网（北京）股份有限公司 $