第9章 8.微专题3 化工生产中多重平衡体系分析（PPT课件）-【高考突破新方案】2027年高考化学大一轮复习练案

该高中化学高考复习课件聚焦“化工生产中多重平衡体系分析”专题，依据高考评价体系梳理了化学平衡计算、转化率分析、平衡常数（Kp/Kx）等核心考点，通过近5年高考真题统计明确“三段式计算”“守恒法应用”等高频考点占比超60%，归纳出工业背景综合题等常考题型。 课件亮点在于“真题实战+方法建模+素养提升”策略，如以2022河北卷平衡常数Kx计算为案例，运用三段式和物质的量分数法建构解题模型，培养学生科学思维与证据推理能力。特设“易错点警示”和“变式训练”，助力学生掌握分压计算等技巧，教师可据此精准突破考点，提升复习效率。

微专题3　化工生产中多重平衡体系分析 返回目录 高考真题 1.★★(2024江西,16节选)目前开采的天然气含有H2S,综合利用天然气制氢是实现“碳 中和”的重要途径。CH4和H2S重整制氢的主要反应如下: 反应Ⅰ:CH4(g)+2H2S(g)  CS2(g)+4H2(g)    ΔH1=+260 kJ/mol 反应Ⅱ:CH4(g)  C(s)+2H2(g)    ΔH2=+90 kJ/mol 反应Ⅲ:2H2S(g)  S2(g)+2H2(g)    ΔH3=+181 kJ/mol (4)假设在10 L的恒温刚性容器中,通入0.3 mol CH4和0.15 mol H2S发生反应Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ, 起始总压为p0, 返回目录 CH4和H2S的转化率与时间的关系如图所示,0~5 min内H2的化学反应速率为 _____________mol/(L·min);5 min时,容器内总压为___________。 p0     　1.2×10-3     返回目录 　 解析    (4)在10 L恒温刚性容器中充入0.3 mol CH4和0.15 mol H2S,根据题图可知,5 min 时H2S的转化率为20%,CH4的转化率为5%,可得0~5 min内消耗n(CH4)=0.3 mol×5%=0.0 15 mol,消耗n(H2S)=0.15 mol×20%=0.03 mol。根据H原子守恒可得生成H2的物质的量 为0.015 mol×2+0.03 mol=0.06 mol,则0~5 min内H2的化学反应速率为 =1.2×10 -3 mol/(L·min)。设反应Ⅰ转化了x mol CH4(g),反应Ⅱ转化了y mol CH4(g),反应Ⅲ转化了 2z mol H2S(g),则 反应Ⅰ　　CH4(g)+2H2S(g)  CS2(g)+4H2(g) 变化/mol　    x　　2x　     x　　4x 返回目录 反应Ⅱ　　CH4(g)  C(s)+2H2(g) 变化/mol　    y　　 2y 反应Ⅲ　　2H2S(g)      　S2(g)+2H2(g) 变化/mol　　2z　     z　　2z 可得5 min时n(CH4)=(0.3-x-y) mol,n(H2S)=(0.15-2x-2z) mol,n(CS2)=x mol,n(S2)=z mol,n(H2)= (4x+2y+2z) mol=0.06 mol,则此时容器内n(总)=(0.45+2x+y+z) mol=(0.45+0.03) mol=0.48 mol,恒温恒容时压强之比等于物质的量之比,则5 min时,容器内总压为 = p0。 返回目录 2.★★★(2022河北,16节选)氢能是极具发展潜力的清洁能源,以氢燃料为代表的燃料 电池有良好的应用前景。 (2)工业上常用甲烷水蒸气重整制备氢气,体系中发生如下反应: Ⅰ　CH4(g)+H2O(g)  CO(g)+3H2(g) Ⅱ　CO(g)+H2O(g)  CO2(g)+H2(g) ①下列操作中,能提高CH4(g)平衡转化率的是_______(填标号)。 A.增加CH4(g)用量 B.恒温恒压下通入惰性气体 C.移除CO(g)　　D.加入催化剂 ②恒温恒压条件下,1 mol CH4(g)和1 mol H2O(g)反应达平衡时,CH4(g)的转化率为α,CO2 　BC     返回目录 (g)的物质的量为b mol,则反应Ⅰ的平衡常数Kx=____________________[写出含有α、b 的计算式;对于反应mA(g)+nB(g)  pC(g)+qD(g),Kx= ,x为物质的量分 数]。其他条件不变,H2O(g)起始量增加到5 mol,达平衡时α=0.90,b=0.65,平衡体系中H2 (g)的物质的量分数为_________(结果保留两位有效数字)。 0.43     返回目录 　 解析    (2)①增加CH4(g)用量可以提高H2O(g)的转化率,但是CH4(g)平衡转化率减小;恒 温恒压下通入惰性气体,相当于减小体系压强,反应混合物中各组分的浓度减小,反应Ⅰ 的化学平衡正向移动,能提高CH4(g)平衡转化率;移除CO(g),CO(g)的浓度减小,反应Ⅰ 的平衡正向移动,能提高CH4(g)平衡转化率;催化剂不能改变平衡状态,故不能提高CH4 (g)平衡转化率;故选BC。②恒温恒压条件下,1 mol CH4(g)和1 mol H2O(g)反应达平衡 时,CH4(g)的转化率为α,列三段式: CH4(g)+H2O(g)  CO(g)+3H2(g) 起始(mol)　　 1　　1　　 0　 　0 变化(mol)　     α　    α　     α　　3α “平衡”(mol)　1-α　1-α　     α　　3α 返回目录 CO(g)+H2O(g)  CO2(g)+H2(g) “起始”(mol)　    α　　1-α　　 0　　3α 变化(mol)　     b　    b　     b　    b 平衡(mol)　     α-b　　1-α-b　     b　　3α+b 可知达平衡时,CO2(g)的物质的量为b mol,CH4(g)的物质的量为(1-α) mol,CO(g)的物质 的量为(α-b) mol,H2O(g)的物质的量为(1-α-b) mol,H2(g)的物质的量为(3α+b) mol,则反应 达平衡时混合气体的总物质的量为(2α+2) mol,混合气体中,CH4(g)、H2O(g)、CO(g)、 返回目录 H2(g)的物质的量分数分别为 、 、 、 ,因此,反应Ⅰ的平衡常数 Kx= = ;其他条件不变,H2O(g)起始量增加到5 mol,达 平衡时,α=0.90,b=0.65,则平衡时,CH4(g)的物质的量为(1-0.90)mol=0.1 mol,CO(g)的物质 的量为(0.90-0.65)mol=0.25 mol,H2O(g)的物质的量为(5-0.90-0.65)mol=3.45 mol,H2(g)的 物质的量为(3×0.90+0.65)mol=3.35 mol,则混合气体的总物质的量为(0.65+0.1+0.25+3.4 5+3.35) mol=7.8 mol,平衡体系中H2(g)的物质的量分数为 ≈0.43。 返回目录 3.★★★(2025云南,17节选)我国科学家研发出一种乙醇(沸点78.5 ℃)绿色制氢新途径, 并实现高附加值乙酸(沸点118 ℃)的生产,主要反应为 Ⅰ.C2H5OH(g)+H2O(g)  2H2(g)+CH3COOH(g)    ΔH1      Ⅱ.C2H5OH(g)  CH3CHO(g)+H2(g)    ΔH2=+68.7 kJ·mol-1 回答下列问题: (3)恒压100 kPa下,向密闭容器中按n(H2O)∶n(C2H5OH)=9∶1投料,产氢速率和产物的 选择性随温度变化关系如图1,关键步骤中间体的能量变化如图2。[比如:乙酸选择性=  ×100%] 返回目录 图1  图2 ①由图1可知,反应Ⅰ最适宜的温度为270 ℃,原因为______________________________。 ②由图中信息可知,乙酸可能是________(填“产物1”“产物2”或“产物3”)。 ③270 ℃时,若该密闭容器中只发生反应Ⅰ、Ⅱ,平衡时乙醇的转化率为90%,乙酸的选 择性为80%,则p(CH3COOH)∶p(C2H5OH)=_________,平衡常数 =_________________ kPa(列出计算式即可;用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。 　36∶5     　产物1     乙酸选择性最大且反应速率较大     返回目录 　 解析    (3)①由题图1可知,270 ℃时乙酸的选择性最大且产氢速率较大,所以反应Ⅰ最 适宜的温度为270 ℃。②由题图2可知,整个反应历程中生成产物1的最大能垒为0.58 eV,生成产物2的最大能垒为0.66 eV,生成产物3的最大能垒为0.81 eV,由题图1可知,乙 酸的选择性最大,说明相同条件下生成乙酸的反应速率最大,最大能垒最小,则乙酸可能 是产物1。③设初始投料n(H2O)=9 mol,n(C2H5OH)=1 mol,270 ℃该密闭容器中只发生 反应Ⅰ、Ⅱ,平衡时乙醇的转化率为90%,乙酸的选择性为80%,则平衡时生成的乙酸的 物质的量为1 mol×90%×80%=0.72 mol,n平(C2H5OH)=1 mol×10%=0.1 mol,可列式如下: 　　　　　C2H5OH(g)+H2O(g)  2H2(g)+CH3COOH(g) Δn/mol　 　0.72　　0.72　　 1.44　　0.72 返回目录 　　　　　　C2H5OH(g)  CH3CHO(g)+H2(g) Δn/mol　　 0.18　　 0.18　　0.18 则平衡时C2H5OH(g)、H2O(g)、H2(g)、CH3COOH(g)、CH3CHO(g)的物质的量分别为0. 1 mol、8.28 mol、1.62 mol、0.72 mol、0.18 mol,气体总物质的量为0.1 mol+8.28 mol+ 1.62 mol+0.72 mol+0.18 mol=10.9 mol,则p(CH3COOH)∶p(C2H5OH)=(100 kPa×  )∶(100 kPa× )=36∶5, = =   kPa。 返回目录 4.★★★(2025广东,19节选)钛单质及其化合物在航空、航天、催化等领域应用广泛。 (1)基态Ti原子的价层电子排布式为___________。 (2)298 K下,反应TiO2(s)+2C(s)+2Cl2(g)  TiCl4(g)+2CO(g)的ΔH<0、ΔS>0,则298 K下 该反应______(填“能”或“不能”)自发进行。 (3)以TiCl4为原料可制备TiCl3。将5.0 mol TiCl4与10.0 mol Ti放入容积为V0 L的恒容密 闭容器中,反应体系存在下列过程。 　能     　3d24s2     返回目录 编号 过程 ΔH (a) Ti(s)+TiCl4(g)  2TiCl2(s) ΔH1 (b) TiCl2(s)+TiCl4(g)  2TiCl3(g) +200.1 kJ/mol (c) Ti(s)+3TiCl4(g)  4TiCl3(g) +132.4 kJ/mol (d) TiCl3(g)  TiCl3(s) ΔH2 返回目录 ①ΔH1=___________ kJ/mol。 ②不同温度下,平衡时反应体系的组成如图。曲线Ⅰ对应的物质为_____________。 ③温度T0 K下,n[TiCl4(g)]=________mol,反应(c)的平衡常数K=_________(列出算式,无须 化简)。           　0.5     　TiCl2(s)     　-267.8     返回目录 　 解析    (1)基态Ti原子的核外电子数为22,其电子排布式为[Ar]3d24s2,故基态Ti原子的价 层电子排布式为3d24s2。(2)题给反应的ΔH<0,ΔS>0,298 K下,ΔG=ΔH-TΔS<0,故该反应 能自发进行。(3)①根据盖斯定律,反应(a)=反应(c)-2×反应(b),即ΔH1=+132.4 kJ/mol-2× (+200.1 kJ/mol)=-267.8 kJ/mol。②反应(a)为放热反应,反应(b)和反应(c)为吸热反应。 过程(d)中TiCl3由气态变为固态,故为放热过程。随着温度升高,反应(a)平衡逆向移动, 反应(b)平衡正向移动,TiCl2(s)的物质的量减小,故曲线Ⅰ对应的物质为TiCl2(s),则曲线 Ⅱ对应的物质为TiCl3(g)。也可直接推出曲线Ⅱ对应的物质:随着温度升高,反应(b)和 反应(c)平衡正向移动,过程(d)平衡逆向移动,TiCl3(g)的物质的量增大,故曲线Ⅱ对应的 物质为TiCl3(g)。③温度T0 K下,n[TiCl3(s)]=n[TiCl2(s)]=0 mol,根据Ti原子守恒,5.0 mol+1 返回目录 0.0 mol=n[Ti(s)]+n[TiCl3(g)]+n[TiCl4(g)]=8.5 mol+6.0 mol+n[TiCl4(g)],则n[TiCl4(g)]=0.5 mol;反应(c)的平衡常数K= = 。 返回目录 5.★★★★(2024福建,14,15分)SiHCl3是制造多晶硅的原料,可由Si和SiCl4耦合加氢得 到,相关反应如下: Ⅰ.SiCl4(g)+H2(g)  SiHCl3(g)+HCl(g)    ΔH1=+52 kJ·mol-1 Ⅱ.Si(s)+3HCl(g)  SiHCl3(g)+H2(g)    ΔH2=-236 kJ·mol-1 Ⅲ.Si(s)+SiCl4(g)+2H2(g)  2SiH2Cl2(g)    ΔH3=+16 kJ·mol-1 (1)生成SiHCl3的总反应: Ⅳ.Si(s)+3SiCl4(g)+2H2(g)  4SiHCl3(g)    ΔH4=________kJ·mol-1 (2)体系达到平衡状态且其他条件不变时: ①压缩平衡体系体积,重新达到平衡后物质的量分数增大的组分为_______。 a.SiCl4　 b.SiHCl3　 c.SiH2Cl2　 d.HCl 　bc     　-80     返回目录 ②反应温度升高不利于提高平衡时产物SiHCl3选择性的原因是_____________________ _________________________________________________。 (3)在压强为p0的恒压体系中通入2.0 mol H2和1.0 mol SiCl4,达到平衡时,气体组分的物 质的量分数随温度变化如图所示(忽略气体组分在硅表面的吸附量)。已知:Kp为用气 体分压表示的平衡常数,分压=物质的量分数×总压。 温不利于反应Ⅳ正向进行,而有利于反应Ⅲ正向进行     ΔH4<0,ΔH3>0,因此升 返回目录   ①图中n代表的组分为________(填化学式)。 ②750 K时,反应Ⅲ的平衡常数Kp=_________(列出计算式)。 HCl     返回目录 ③750 K时,SiCl4的平衡转化率为f,消耗硅的物质的量为____________mol(列出计算式)。 (4)673 K下、其他条件相同时,用Cu、CuO和CuCl分别催化上述反应,一段时间内SiCl4 的转化率如下表所示(产物SiHCl3选择性均高于98.5%)。 催化剂 Cu CuO CuCl SiCl4的转化率/% 7.3 14.3 22.3 -f     返回目录 ①使用不同催化剂时,反应Ⅳ的ΔH:CuO催化剂______CuCl催化剂(填“>”“<”或 “=”);反应Ⅳ的活化能:Cu催化剂______CuCl催化剂(填“>”“<”或“=”)。 ②使用CuCl催化剂,初始投料α mol SiCl4,该段时间内得到β mol SiHCl3,则SiHCl3的选择 性= ×100%=____________×100%(列出计算式)。 　>     　=     返回目录 解析    (1)根据盖斯定律可得,反应Ⅳ=反应Ⅰ×3+反应Ⅱ,则ΔH4=ΔH1×3+ΔH2=-80 kJ·mol-1。 (2)①反应Ⅲ、Ⅳ均为气体分子数减小的反应,其他条件不变时,压缩平衡体系体积,压 强增大,平衡向正反应方向移动,重新达到平衡后SiHCl3、SiH2Cl2的物质的量分数增大, SiCl4的物质的量分数减小。此外,反应Ⅰ反应前后气体分子数不变,且压缩体积使反应 Ⅱ向正反应方向移动,故HCl的物质的量分数减小。 (3)①根据反应中出现的物质及图中已经列出的H2、SiCl4和SiH2Cl2,结合HCl在反应Ⅳ 中没有出现,在产物中含量很少,可知n代表的组分为HCl,m代表的组分为SiHCl3。②根 据定义式,结合图中给出相关组分的平衡体积分数可列式:Kp= =  = 。③根据题干信息,平衡时SiCl4的物质的量为(1-f)mol,则气体组分总 返回目录 的物质的量为  mol,SiHCl3、SiH2Cl2的物质的量分别为  mol、  mol。根据反应前后硅原子守恒,可知参与反应的物质的物质的量的关系为n(Si)+n (SiCl4)=n(SiHCl3)+n(SiH2Cl2),即n(Si)+f= + ,可得n(Si)= -f。 (4)①使用催化剂能减小活化能,加快反应速率,但不改变ΔH。②产物SiHCl3的选择性高 于98.5%,可认为只发生反应Ⅳ,则生成SiHCl3所消耗SiCl4的物质的量为 β mol,所消耗 的SiCl4的总物质的量为α×22.3% mol,故SiHCl3的选择性=  ×100%= ×100%。 返回目录 高考模拟 6.★★★(2025安徽合肥二模,17节选)低碳烃在催化剂表面对NOx具有较好的还原作用, CH4由于储量丰富、廉价易得而成为最有前景的选择性脱硝还原剂。已知CH4还原 NOx的原理如下: Ⅰ.CH4(g)+4NO2(g)  4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g) Ⅱ.CH4(g)+4NO(g)  2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) (3)某温度下,向恒容密闭容器中按n(CH4)∶n(NO2)=1∶2充入混合气,发生反应Ⅰ和Ⅱ, 初始压强为120 kPa,达平衡时CH4的转化率为 20%,NO 和 N2的分压相等。 ①平衡时水的分压p(H2O)=_______kPa。 ②该温度下反应Ⅱ的分压平衡常数Kp=_________。(保留2位小数) 　1.56     　16     返回目录 　 解析    (3)设初始时向该恒容密闭容器中充入1 mol CH4和2 mol NO2,反应达到平衡时, CH4的转化率为20%,则消耗CH4的物质的量为0.2 mol,设其中反应Ⅰ中消耗CH4 x mol, 反应Ⅱ中消耗CH4 y mol,由此可列出: Ⅰ.  CH4(g)+4NO2(g)  4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g) 起始量/mol　　1　　 2　 　0　　 0　 　0 转化量/mol　    x　　4x　　 4x　     x　　 2x Ⅱ.  CH4(g)+4NO(g)  2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) 转化量/mol　    y　　 4y　　 2y　     y　　2y 平衡量/mol　1-x-y　4x-4y　　 2y　     x+y　　2x+2y 返回目录 由于平衡时NO和N2分压相等,即4x-4y=2y,且x+y=0.2,解得x=0.12,y=0.08,故平衡时n(CH 4)=0.8 mol、n(NO2)=1.52 mol、n(NO)=0.16 mol,n(CO2)=0.2 mol、n(H2O)=0.4 mol、n(N 2)=0.16 mol,混合气体总物质的量为3.24 mol;根据恒温恒容时,压强之比等于物质的量 之比可得 = ,则平衡时体系p总=129.6 kPa, p(H2O)= ×129.6 kPa=16 kPa, 同理可得p(CH4)=32 kPa,p(N2)=p(NO)=6.4 kPa,p(CO2)=8 kPa,则Kp=  = ≈1.56。 返回目录 7.★★★(2026届湖北宜昌9月起点考,17节选)我国科学家在零碳排放制氢技术领域取 得重大突破,该工艺通过新型催化剂在270 ℃的温和条件下将乙醇与水分子直接转化 为乙酸和清洁能源氢气。 主反应Ⅰ:CH3CH2OH(g)+H2O(g)  CH3COOH(g)+2H2(g)    ΔH1 副反应Ⅱ:CH3CH2OH(g)+3H2O(g)  2CO2(g)+6H2(g)    ΔH2=+173.4 kJ· mol-1 副反应Ⅲ:CH3CH2OH(g)+H2O(g)  2CO(g)+4H2(g)    ΔH3=+255.8 kJ· mol-1 (4)在压强为100 kPa的密闭容器中,充入1 mol CH3CH2OH(g)和3 mol H2O(g)发生反应Ⅱ 和反应Ⅲ,达平衡时CH3CH2OH的转化率、CO2和CO的选择性[CO的选择性=  ]随温度的变化如图所示。 返回目录   ①若曲线c表示CO的选择性,则表示CH3CH2OH平衡转化率的曲线是______(填“a”或 “b”)。 　b     返回目录 ②已知:1 mol CH3CH2OH(g)和3 mol H2O(g)完全转化时生成H2的理论产量为6 mol。 温度T0时测得H2的产率为80%,则CH3CH2OH的平衡转化率=________;反应Ⅱ的Kp= _______________________(kPa)4(列出计算式即可,Kp是以分压表示的平衡常数,分压= 总压×物质的量分数)。 　96%     返回目录 　 解析    (4)①因为只发生反应Ⅱ和反应Ⅲ,CO的选择性+CO2的选择性=1,若曲线c表示 CO的选择性,T0时,CO的选择性为50%,则CO2的选择性也是50%,曲线a表示CO2的选择 性,故曲线b表示CH3CH2OH平衡转化率(或反应Ⅱ和反应Ⅲ均为吸热反应,升高温度,CH 3CH2OH平衡转化率增大,若曲线c表示CO的选择性,则曲线b表示CH3CH2OH平衡转化 率)。 ②设生成CO2的物质的量为2x mol,生成CO的物质的量为2y mol,可列出简化的三段式: 　　　　　CH3CH2OH(g)+3H2O(g)  2CO2(g)+6H2(g) 变化/mol　     x　　 3x　　 2x　　6x 返回目录 　　　　　CH3CH2OH(g)+H2O(g)  2CO(g)+4H2(g) 变化/mol　     y　     y　　 2y　　4y 温度T0时,CO和CO2的选择性均为50%,即2x=2y;生成的H2为6 mol×80%=4.8 mol,则6x+4 y=4.8,两式联立,解得x=y=0.48,平衡时体系中n(CH3CH2OH)=1 mol-0.48 mol-0.48 mol=0. 04 mol,n(H2O)=3 mol-3×0.48 mol-0.48 mol=1.08 mol,n(CO)=n(CO2)=2×0.48 mol=0.96 mol,n(H2)=4.8 mol,气体的总物质的量为0.04 mol+1.08 mol+0.96 mol+0.96 mol+4.8 mol =7.84 mol,则CH3CH2OH的平衡转化率= ×100%=96%;反应Ⅱ的Kp=  =  (kPa)4。 返回目录 8.★★★(2026届河南南阳六校一调,17节选)(2)为有效降低空气中CO2的含量,在280~ 360 ℃可采用其在固体催化剂表面加氢合成甲醇的方法,涉及的反应如下: 主反应:CO2(g)+3H2(g)  CH3OH(g)+H2O(g)    ΔH1<0 副反应:CO2(g)+H2(g)  CO(g)+H2O(g)    ΔH2>0 ①向甲、乙两个容积相同的容器中加入1 mol CO2和3 mol H2(假设只发生主反应),甲容 器在恒温恒容条件下进行,而乙容器则在绝热恒容条件下进行,两容器中压强随时间变 化的曲线如图: 返回目录 乙容器中,从开始到a点压强增大的原因是____________________ _______。 ②400 ℃时,向1 L恒容密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2,主、副反应均达到平衡状 态时,CO2的转化率为50%,CH3OH的选择性为80%,则主反应的平衡常数K=_________ (CH3OH的选择性= ×100%,列出计算式即可)。           强增大     　绝热条件下,反应放热使体系温度升高,压 返回目录 　 解析    (2)①主反应为放热反应,绝热条件下,反应放热使体系温度升高,压强增大,故乙 容器中,从开始到a点压强增大。 ②设主、副反应中CO2转化的物质的量分别为x mol、y mol,列出简化的三段式: 　　　　　CO2(g)+3H2(g)  CH3OH(g)+H2O(g) 变化/mol　    x　　 3x　     x　     x 　　　　　CO2(g)+H2(g)  CO(g)+H2O(g) 变化/mol　    y　    y　     y　     y 甲醇的选择性为 ×100%=80%,CO2的平衡转化率为 ×100%=50%,解得x=0.4、 返回目录 y=0.1,平衡时,n(CO2)=0.5 mol、n(H2)=1.7 mol、n(CH3OH)=0.4 mol、n(CO)=0.1 mol、 n(H2O)=0.5 mol,容器容积为1 L,则主反应的平衡常数K= =  = 。 返回目录 9.★★★(2025甘肃一诊,16节选)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气中普遍含有 硫化氢(H2S),硫化氢的转化是资源利用和环境保护的重要研究课题。 Ⅰ.甲烷制氢法 总反应:CH4(g)+2H2S(g)  CS2(g)+4H2(g)。反应过程分以下两步进行: 反应ⅰ:2H2S(g)  2H2(g)+S2(g)    ΔH=+170 kJ·mol-1 反应ⅱ:CH4(g)+S2(g)  CS2(g)+2H2(g)    ΔH2=+64 kJ·mol-1 (4)某温度时,向密闭容器中通入2 mol CH4和2 mol H2S,达到平衡状态时容器中S2(g)、 H2(g)的物质的量分别为0.2 mol、2 mol,此时体系的压强为20 MPa,则平衡时H2S的物质 的量为________mol,反应ⅱ的Kp=_______MPa(Kp为用分压表示的平衡常数,分压=总压× 物质的量分数)。 　20     　0.8     返回目录 解析    (4)起始时加入2 mol CH4和2 mol H2S,平衡时容器中含有S2(g) 0.2 mol、H2(g) 2 mol。设平衡时容器中存在a mol CH4、b mol H2S、c mol CS2。 根据碳原子守恒可得a+c=2 根据硫原子守恒可得b+2×0.2+2c=2 根据氢原子守恒可得4a+2b+4=12 解得a=1.6,b=0.8,c=0.4,将平衡体系中各气体的物质的量相加,得总物质的量为5 mol。 平衡时体系压强为20 MPa,故p(CH4)=20 MPa× =6.4 MPa,p(S2)=20 MPa× =0.8 MPa, p(CS2)=20 MPa× =1.6 MPa,p(H2)=20 MPa× =8 MPa,反应ⅱ的Kp= =  =20 MPa。 返回目录 10.★★★★(2025山东潍坊二模,20)N,N-二甲基甲酰胺[(CH3)2NCHO](DMF)是常见的 有机溶剂,一种CO2加氢耦合二甲胺[(CH3)2NH](DMA)制DMF的反应如下,副反应产生 三甲胺[(CH3)3N](TMA): Ⅰ.DMA(g)+CO2(g)+H2(g)  DMF(g)+H2O(g)    ΔH1=+56 kJ· mol-1 Ⅱ.DMA(g)+CO2(g)+3H2(g)  TMA(g)+2H2O(g)    ΔH2=-100 kJ· mol-1 Ⅲ.DMF(g)+2H2(g)  TMA(g)+H2O(g)    ΔH3 回答下列问题: (1)反应Ⅲ在_______(填“较高”“较低”或“任意”)温度下自发进行。 (2)将1 mol DMA、1 mol CO2、1.6 mol H2通入1 L密闭容器中发生上述反应,体系达平 较低     返回目录 衡后,部分含碳物质的x[x为以碳元素计的物质的量分数,x(DMA)=  ×100%]随温度变化如图1所示,则代表x(DMF)的 曲线为______(填小写字母);T1温度时, = ,x(CO2)=______________,反应Ⅲ的平衡 常数Kc=_________L· mol-1。 　0.2(或20%)     　b     返回目录   (3)T1温度下,向1 L密闭容器中重新加入1 mol DMA、1 mol CO2和适量H2,发生上述反 应,DMF、TMA的物质的量随时间的变化关系如图2,2 min内,DMA的反应速率为 ________ mol·L-1· min-1,2 min时,体系内n(H2)=n(H2O),则此时反应Ⅲ的反应速率v正_______ v逆(填“>”“<”或“=”)。 　<     　0.1     返回目录   (4)保持体系总压强和反应物投料比相同,分别以He作辅气与无He作辅气投入反应物, DMA的平衡转化率与温度的关系如图3所示,含He的曲线为______,理由为_________ _________________________________________________________________________ ________________________________。 压,平衡逆向移动,DMA转化率减小     反应Ⅱ均为气体分子数减小的反应,在相同温度下,加入He,减小了反应体系各物质分 　反应Ⅰ和 　n     返回目录 　 解析    (1)反应Ⅲ是气体分子数减少的反应,即ΔS<0,根据盖斯定律,反应Ⅲ=反应Ⅱ-反 应Ⅰ,即ΔH3=ΔH2-ΔH1=-100 kJ·mol-1-56 kJ·mol-1=-156 kJ·mol-1<0,ΔH-TΔS<0时反应自发 进行,则反应Ⅲ在较低温度下能自发进行。 (2)反应Ⅰ为吸热反应,反应Ⅱ为放热反应,升高温度,反应Ⅰ平衡正向移动,反应Ⅱ平衡 逆向移动,即随温度升高DMF增多,TMA减小,则曲线b代表x(DMF),曲线c代表x(TMA), 曲线a代表x(DMA);反应Ⅲ可由反应Ⅱ-反应Ⅰ得到,可不考虑反应Ⅲ,根据反应Ⅰ、Ⅱ 计算,设生成DMF的物质的量为x mol,生成TMA物质的量为y mol,可列出简化的三段 式: DMA(g)+CO2(g)+H2(g)  DMF(g)+H2O(g) 变化/mol　    x　     x　    x　      x　     x 返回目录 DMA(g)+CO2(g)+3H2(g)  TMA(g)+2H2O(g) 变化/mol　    y　     y　　3y　     y　　2y 根据C原子守恒、各物质投料量及部分含碳物质的x的表达式可知,总的碳原子数为3 mol,则T1温度时,x(DMF)= =0.3,即x=0.3;由 = 知, = ,将x=0.3代入解得y =0.1,则x(CO2)= ×100%=20%;此时,n(H2O)=0.3 mol+2×0.1 mol=0.5 mol、n(TMA)=0.1 mol、n(DMF)=0.3 mol、n(H2)=1.6 mol-0.3 mol-3×0.1 mol=1 mol,容 器容积为1 L,则反应Ⅲ的平衡常数Kc= = = 。 返回目录 (3)由题图2可列出2 min内的简化三段式: 　　　　　　DMA(g)+CO2(g)+H2(g)  DMF(g)+H2O(g) 变化/mol　　0.16　　0.16　　0.16　　0.16　　0.16 　　　　　　DMA(g)+CO2(g)+3H2(g)  TMA(g)+2H2O(g) 变化/mol　　0.04　　0.04　　0.12　　0.04　　0.08 容器容积为1 L,则2 min内DMA的浓度变化量为 =0.2 mol·L-1,反应速率 为 =0.1 mol·L-1·min-1;题中给出2 min时n(H2)=n(H2O),则体系内n(H2)=n(H2O)=0. 16 mol+0.08 mol=0.24 mol,则2 min时,反应Ⅲ的Q= = ≈1.04>Kc = ,此时平衡逆向移动,反应速率:v正<v逆。 返回目录 $