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

**基本信息** 聚焦化工生产中多重平衡体系分析，通过高考真题与模拟题构建从反应关联到平衡计算的逻辑链条，强化科学思维与化学观念。 **专项设计** |模块|题量/典例|题型特征|知识逻辑| |----|-----------|----------|----------| |高考真题|5道|工业背景综合题，含反应热、转化率、Kp/Kx计算|多反应联立→物质浓度/分压关系→平衡常数与选择性分析| |高考模拟|5道|恒容/恒压体系平衡计算，结合图表数据处理|从单一反应到多重竞争反应，通过物料守恒与能量变化构建平衡模型|

微专题3 化工生产中多重平衡体系分析 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, 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 。  答案 (4)1.2×10-3 p0 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(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)。  答案 (2)①BC ② 0.43 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%] 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)。  答案 (3)①乙酸选择性最大且反应速率较大 ②产物1 ③36∶5 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。 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 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)。  答案 (1)3d24s2 (2)能 (3)①-267.8 ②TiCl2(s) ③0.5 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 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。 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)。  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 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)。  答案 (1)-80 (2)①bc ②ΔH4<0,ΔH3>0,因此升温不利于反应Ⅳ正向进行,而有利于反应Ⅲ正向进行 (3)①HCl ② ③-f (4)①= > ② 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) 答案 (3)①16 ②1.56 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。 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”)。  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)。  答案 (4)①b ②96% 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: 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)。  答案 (2)①绝热条件下,反应放热使体系温度升高,压强增大 ② 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)。 答案 (4)0.8 20 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。  (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“=”)。  (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   。  答案 (1)较低 (2)b 0.2(或20%) (3)0.1 < (4)n 反应Ⅰ和反应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压,平衡逆向移动,DMA转化率减小 第 15 页 共 15 页 学科网（北京）股份有限公司 $