第8章 微专题15 多平衡体系的图像分析及相关计算(教用Word)-【精微方案】2027年高考一轮总复习讲义·化学

该高中化学高考复习讲义聚焦多平衡体系的图像分析及相关计算核心考点，按连续反应、平行反应类型梳理知识，结合解答模型与守恒法构建逻辑框架，通过考点梳理、方法指导、真题训练三环节，帮助学生突破难点，体现复习的系统性和针对性。 讲义突出科学思维与科学探究素养培养，如用守恒法推导平衡常数计算模型，结合真题图像分析训练证据推理能力。设置基础巩固到综合应用的分层练习，配合即时反馈，确保高效复习，为教师把控复习节奏、提升学生应考能力提供有力支撑。

微专题15　多平衡体系的图像分析及相关计算 1．多平衡体系的反应类型 (1)连续反应 连续反应是指两个可逆反应有着关联，第一个反应的某生成物是第二个反应的反应物。解题时要注意如果该物质是第一个反应的生成物、第二个反应的反应物，则在第一个反应中，该物质的初始量为0，它的平衡量则为第二个反应中该物质的初始量。 例如：反应①　HCHO(g)＋CO(g)＋H2(g)⥫⥬HOCH2CHO(l) 反应②　HOCH2CHO(l)＋H2(g)⥫⥬HOCH2CH2OH(l) (2)平行反应（竞争反应） 平行反应是指反应物能同时平行地进行两个或两个以上不同的反应，得到不同的产物。其中反应较快或产物在混合物中所占比率较高的称为主反应，其余称为副反应。解题时要注意如果一种物质是两个平行反应的反应物，则题目中所给初始量是该物质在这两个反应中的初始量之和。 例如：反应①　CO2(g)＋4H2(g)⥫⥬CH4(g)＋2H2O(g) 反应②　CO2(g)＋H2(g)⥫⥬CO(g)＋H2O(g) 2．多平衡体系试题的解答模型 3．“守恒法”计算平衡常数的思维步骤 1．（2025·安徽卷）甲烷和二氧化碳重整是制取合成气（CO和H2）的重要方法，主要反应如下： ①CH4(g)＋CO2(g)⥫⥬2CO(g)＋2H2(g) ②CO2(g)＋H2(g)⥫⥬CO(g)＋H2O(g) ③CH4(g)＋H2O(g)⥫⥬CO(g)＋3H2(g) 恒温恒压密闭容器中，投入不同物质的量之比的CH4/CO2/Ar混合气，投料组成与CH4和CO2的平衡转化率之间的关系如下图。 (1)投料组成中Ar含量下降，平衡体系中n(CO)∶n(H2)的值将________（填“增大”“减小”或“不变”）。 (2)若平衡时Ar的分压为p kPa，根据a、b两点计算反应③的平衡常数Kp＝________kPa2（用含p的代数式表示，Kp是用分压代替浓度计算的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数）。 解析：(1)由题图可知，随着投料组成中Ar含量下降，CO2的平衡转化率大于CH4的平衡转化率，说明反应②正向进行的程度大于反应③正向进行的程度，故平衡体系中n(CO)∶n(H2)的值将增大。(2)a、b点条件下，设起始时通入的n(Ar)＝a mol，则通入的n(CO2)＝n(CH4)＝2a mol，由题图可知该条件下，CH4的平衡转化率为20%，CO2的平衡转化率为30%，则反应消耗的n消耗(CO2)＝0.6a mol，n消耗(CH4)＝0.4a mol，平衡时n平衡(CO2)＝1.4a mol，n平衡(CH4)＝1.6a mol。设生成的CO、H2、H2O的物质的量分别为x mol、y mol、z mol，根据C原子守恒可得x＝0.6a＋0.4a＝a；根据O原子守恒可得x＋z＝2×0.6a，解得z＝0.2a；根据H原子守恒可得2y＋2z＝0.4a×4，解得y＝0.6a。平衡时，n(Ar)＝a mol，分压为p kPa，则反应③的平衡常数Kp＝＝0.675p2kPa2。 答案：(1)增大　(2)0.675p2 2．（2025·黑吉辽蒙卷）乙二醇是一种重要化工原料，以合成气(CO、H2)为原料合成乙二醇具有重要意义。 间接合成法：用合成气和O2制备的DMO合成乙二醇，发生如下3个均放热的连续反应，其中MG生成乙二醇的反应为可逆反应。 在2 MPa、Cu/SiO2催化、固定流速条件下，发生上述反应，初始氢酯比＝52.4，出口处检测到DMO的实际转化率及MG、乙二醇、乙醇的选择性随温度的变化曲线如下图所示[某物质的选择性＝×100%]。 (1)已知曲线Ⅱ表示乙二醇的选择性，则曲线________（填图中标号，下同）表示DMO的转化率，曲线________表示MG的选择性。 (2)483 K时，出口处的值为________（精确至0.01）。 (3)A点反应MG(g)＋2H2(g)⥫⥬HOCH2CH2OH(g)＋CH3OH(g)的浓度商Qx＝________（用物质的量分数代替浓度计算，精确至0.001）。 解析：(1)由题意可知，连续反应的化学方程式分别为①DMO(g)＋2H2(g)===MG(g)＋CH3OH(g)、②MG(g)＋2H2(g)⥫⥬HOCH2CH2OH(g)＋CH3OH(g)、③HOCH2CH2OH(g)＋H2(g)===CH3CH2OH(g)＋H2O(g)，根据选择性的计算公式可知，MG、乙二醇和乙醇的选择性之和为100%，已知曲线Ⅱ表示乙二醇的选择性，所以其他物质的选择性为曲线Ⅲ、Ⅳ，则曲线Ⅰ表示DMO的转化率；该反应在固定流速下发生3个放热的连续反应，在低温时，反应速率较小，随温度升高，由乙二醇的选择性曲线可知，乙二醇选择性升高，则其反应物MG的选择性降低，当乙二醇选择性降低时曲线Ⅲ升高，此时开始生成乙醇，则曲线Ⅲ表示乙醇的选择性，曲线Ⅳ表示MG的选择性。(2)设初始投料DMO的物质的量为1 mol，根据题图可知，483 K时，DMO的转化率为99%，同时乙醇的选择性为2%，则出口处n（乙醇）＝1 mol×99%×2%＝0.019 8 mol，n(DMO)＝1 mol×(1－99%)＝0.01 mol，则＝＝1.98。(3)设初始投料DMO的物质的量为1 mol，则H2的物质的量为52.4 mol，根据题图可知，A点时DMO的转化率为80%，转化了1 mol×80%＝0.8 mol，乙二醇和MG的选择性均为50%，即该点n（乙二醇）＝n(MG)＝1 mol×80%×50%＝0.4 mol，可列出转化关系： DMO(g)＋2H2(g)===MG(g)＋CH3OH(g) n转/mol 0.8 1.6 0.8 0.8 MG(g)＋2H2(g)⥫⥬HOCH2CH2OH(g)＋CH3OH(g) n转/mo l 0.4 0.8 0.4 0.4 A点时n(DMO)＝1 mol－0.8 mol＝0.2 mol，n(H2)＝52.4 mol－1.6 mol－0.8 mol＝50 mol，n(MG)＝0.4 mol，n(HOCH2CH2OH)＝0.4 mol，n(CH3OH)＝1.2 mol，n总＝(0.2＋50＋0.4＋0.4＋1.2) mol＝52.2 mol，则MG、H2、HOCH2CH2OH、CH3OH的物质的量分数分别为、、、，此时反应MG(g)＋2H2(g)⥫⥬HOCH2CH2OH(g)＋CH3OH(g)的浓度商Qx＝≈0.025。 答案：(1)Ⅰ　Ⅳ　(2)1.98　(3)0.025 3．（2025·山东卷）利用CaS循环再生可将燃煤尾气中的SO2转化生产单质硫，涉及的主要反应如下： Ⅰ.CaS(s)＋2SO2(g)⥫⥬CaSO4(s)＋S2(g)　ΔH1 Ⅱ.CaSO4(s)＋4H2(g)⥫⥬CaS(s)＋4H2O(g)　ΔH2 Ⅲ.SO2(g)＋3H2(g)⥫⥬H2S(g)＋2H2O(g)　ΔH3 恒容条件下，按1 mol CaS、1 mol SO2和0.1 mol H2投料反应。平衡体系中，各气态物种的lg n随温度的变化关系如下图所示，n为气态物种物质的量的值。已知：图示温度范围内反应Ⅱ平衡常数K＝108基本不变。 回答下列问题： (1)乙线所示物种为________（填化学式）。反应Ⅲ的焓变ΔH3________（填“>”“<”或“＝”）0。 (2)T1温度下，体系达平衡时，乙线、丙线所示物种的物质的量相等，若丁线所示物种的物质的量为a mol，则S2的物质的量为__________mol（用含a的代数式表示）；此时，CaS与CaSO4物质的量的差值n(CaS)－n(CaSO4)＝________mol（用含a的最简代数式表示）。 (3)T2温度下，体系达平衡后，压缩容器容积S2产率增大。与压缩前相比，重新达平衡时，H2S与H2物质的量之比________（填“增大”“减小”或“不变”），H2O物质的量n(H2O)________（填“增大”“减小”或“不变”）。 解析：(1)由于图示温度范围内反应Ⅱ的平衡常数K＝108基本不变知，恒有＝108，＝100，＝100，根据题图可知，乙线所示物种为H2O，丁线所示物种为H2；升高温度，S2减少，反应Ⅰ的平衡逆向移动，SO2增多，所以丙线所示物种为SO2，甲线所示物种为H2S，因此反应Ⅲ的正反应是放热反应，即ΔH3＜0。 (2)T1温度下，平衡体系中H2的物质的量为a mol，H2O和SO2的物质的量相等，根据＝100可知，n(H2O)＝n(SO2)＝100a mol，根据H守恒，n(H2)＋n(H2O)＋n(H2S)＝0.1 mol，则n(H2S)＝(0.1－101a) mol；根据S守恒，n(H2S)＋n(SO2)＋2n(S2)＝1 mol，则n(S2)＝ mol＝ mol；根据O守恒，n(H2O)＋2n(SO2)＋4n(CaSO4)＝2 mol，则n(CaSO4)＝ mol＝ mol；根据Ca守恒，n(CaS)＋n(CaSO4)＝1 mol，则n(CaS)＝（1－） mol＝ mol，故n(CaS)－n(CaSO4)＝ mol－ mol＝150a mol。 (3)T2温度下，体系达平衡后，压缩容器容积，反应Ⅰ、Ⅲ的平衡正向移动，重新达平衡时，H2S与H2物质的量之比增大，反应Ⅱ的平衡常数K＝基本不变，重新达平衡时，H2的物质的量减小，则n(H2O)减小。 答案：(1)H2O　＜　(2)　150a　(3)增大　减小 4．（2026·龙岩联考）空间站内搭载萨巴蒂尔装置将CO2转化为H2O，再通过电解水装置回收氧元素，其系统原理如下图： 萨巴蒂尔装置内发生的反应为 反应Ⅰ：CO2(g)＋H2(g)⥫⥬CO(g)＋H2O(g)　ΔH1＝＋41.1 kJ·mol-1 反应Ⅱ：CO(g)＋3H2(g)⥫⥬CH4(g)＋H2O(g)　ΔH2＝－206 kJ·mol-1 (1)已知原料气中含有1 mol CO2及4 mol H2在萨巴蒂尔装置中发生反应，达到平衡时，各组分物质的量分数随温度变化如下图所示。 300 ℃达到平衡时，总压为p，则反应Ⅱ的Kp＝________________（列出计算式，Kp为以分压表示的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数）；此时氧元素的回收率为__________[列出计算式，回收率＝×100%]。 (2)萨巴蒂尔系统中不能先进行低温反应，再进行高温反应的原因是_____________________________________________________________ ________________________________________________________。 解析：(1)随温度升高，反应Ⅰ平衡正向移动，反应Ⅱ平衡逆向移动，所以CO的物质的量分数增大、CH4的物质的量分数减小，再结合达到平衡时H2O的物质的量分数大于CH4的物质的量分数，则c表示CO、b表示CH4、a表示H2O。300 ℃达到平衡时，总压为p，则反应Ⅱ的Kp＝；含氧元素的物质有CO2、CO、H2O，CO2、CO、H2O的物质的量分数分别为y%、z%、w%，所以此时氧元素的回收率为×100%；或含氢元素的物质有H2、H2O、CH4，H2、H2O、CH4的物质的量分数分别为w%、w%、x%，氢元素的物质的量为氧元素的4倍，所以此时氧元素的回收率为×100%＝×100%；或含有碳元素的物质有CO2、CO、CH4，CO2、CO、CH4的物质的量分数分别为y%、z%、x%，氧元素的物质的量为碳元素的2倍，所以此时氧元素的回收率为×100%。 (2)反应Ⅰ为吸热反应，若先进行低温反应，则反应Ⅰ速率小且转化率低，生成的CO和H2O(g)少，导致反应Ⅱ正向进行的程度小，氧元素回收率低，所以萨巴蒂尔系统中不能先进行低温反应，再进行高温反应。 答案：(1)　×100% (2)若先进行低温反应，则反应Ⅰ速率小且转化率低，生成的CO和H2O(g)少，导致反应Ⅱ正向进行的程度小，氧元素回收率低 5．（2026·河南名校联考）研发二氧化碳利用技术、降低空气中二氧化碳含量成为研究热点。CO2加氢转化为二甲醚(CH3OCH3)的反应过程如下： 反应a.CO2(g)＋3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.1 kJ·mol-1 反应b.CO2(g)＋H2(g)⥫⥬CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ·mol-1 反应c.2CH3OH(g)⥫⥬CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH3＝－23.4 kJ·mol-1 在恒温恒容密闭容器中充入3 mol H2和1 mol CO2发生上述反应，初始压强为2 MPa。CO2的平衡转化率、生成物二甲醚和CO的选择性随温度变化如下图所示。 已知：含碳生成物A的选择性＝ ×100%。 (1)L2表示CO2平衡转化率的曲线，该曲线在260 ℃之后呈上升趋势的原因是_____________________________________________________ ________________________________________________________。 (2)260 ℃达到平衡状态时，H2的转化率α(H2)＝________%，反应b用气体分压表示的平衡常数Kp＝________[如p分压(CO2)＝p总×CO2的体积分数]（以整数比表示即可）。 解析：(1)随着温度的升高，反应a和反应c平衡逆向移动、反应b平衡正向移动，温度的变化对反应a和反应b影响不同，L2表示CO2平衡转化率的曲线、L1表示CO选择性的曲线、L3表示CH3OCH3选择性的曲线。260 ℃之前主要发生反应a，升高温度，平衡逆向移动，CO2平衡转化率减小；260 ℃之后主要发生反应b，升高温度，平衡正向移动，CO2平衡转化率增大。 (2)由题图可知，260 ℃时，CO2平衡转化率和CH3OCH3选择性均为50%，CO2的转化量为0.5 mol，CO的选择性为36%，则平衡时CO的物质的量为1×50%×36%＝0.18 mol，二甲醚的选择性为50%，则平衡时二甲醚的物质的量为1×50%×50%×＝0.125 mol，甲醇的选择性为1－36%－50%＝14%，则平衡时甲醇物质的量为1×50%×14%＝0.07 mol，可列出三个反应的转化量情况： 反应a. CO2(g)＋3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g) 转化量/mol　 0.32　　0.96　 0.07＋0.25＝0.32　0.32 反应b. CO2(g)＋H2(g)⥫⥬CO(g)＋H2O(g) 转化量/mol　　0.18　 0.18　 0.18　 0.18 反应c. 2CH3OH(g)⥫⥬CH3OCH3(g)＋H2O(g) 转化量/mol　　0.25　　 0.125　 0.125 平衡时容器内n(H2)＝(3－0.96－0.18) mol＝1.86 mol、n(CO2)＝0.5 mol、n(CH3OH)＝0.07 mol、n(H2O)＝(0.32＋0.18＋0.125) mol＝0.625 mol、n(CO)＝0.18 mol、n(CH3OCH3)＝0.125 mol，α(H2)＝×100%＝38%；反应b用气体分压表示的平衡常数 Kp＝＝ ＝。 答案：(1)260 ℃之后主要发生反应b，反应b为吸热反应，升高温度，平衡正向移动，CO2平衡转化率增大　(2)38　 2025课标新变化：调查我国在推进碳达峰碳中和过程中的重要举措和成就。体会化学对促进人与自然和谐相处的意义。命题紧密联系我国最新科技成果和实际生产应用，利用所学化学知识解决实际问题，保护生态环境，实现双碳目标。 6．（2025·安徽师范大学附中模拟）CH4CO2的重整反应弥补甲烷水蒸气重整反应产生较高H2/CO的不足，发生反应如下： 反应Ⅰ　CH4(g)＋CO2(g)⥫⥬2CO(g)＋2H2(g)　ΔH1＝＋247 kJ· mol-1 反应Ⅱ　CH4(g)⥫⥬C(s)＋2H2(g)　ΔH2＝＋75 kJ· mol-1 反应Ⅲ　2CO(g)⥫⥬CO2(g)＋C(s)　ΔH3＝－172 kJ· mol-1 反应Ⅳ　H2(g)＋CO2(g)⥫⥬CO(g)＋H2O(g)　ΔH4＝＋41.2 kJ· mol-1 已知：①含碳物质的百分数：CO2%＝×100%；②对于反应dD(g)＋eE(g)⥫⥬gG(g)＋hH(g)，Kθ＝，其中pθ＝100 kPa，pG、pH、pD、pE为各组分的平衡分压。 (1)向100 kPa的容器中充入物质的量均为5 mol的CH4和CO2，测得平衡时含碳物质的百分数随温度的变化关系如下图所示，则a曲线对应物种为________（填化学式），在557～640 ℃区间时，随温度升高b曲线对应物种的百分数逐渐升高的原因是___________________________________________________________。 (2)当温度为840 ℃时，曲线a、b对应含碳物质的百分数分别为70%、20%，此时气体总物质的量为16.4 mol，则CO的产率为____________，体系中C(s)的物质的量为____________，反应Ⅰ的Kθ＝________________（列计算表达式），若向平衡体系中通入少量CH4(g)，重新达到平衡后，将__________（填“增大”“减小”或“不变”）。 解析：(1)反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ均为吸热反应，反应Ⅲ为放热反应，升高温度，反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ平衡均正向移动，反应Ⅲ平衡逆向移动，故a曲线对应物种为CO，b曲线对应物种为CO2，c曲线对应物种为CH4。在557～640 °C区间内，无CO产生，说明只发生反应Ⅱ，随温度升高，该反应平衡正向移动，CH4的百分数逐渐减小，CO2的百分数逐渐增大。(2)设840 °C时，C(s)的物质的量为x mol，H2的物质的量为y mol，H2O的物质的量为z mol，根据C元素守恒可知，n(CH4)＝10%(10－x) mol，n(CO2)＝20%(10－x) mol，n(CO)＝70%(10－x) mol，根据H元素守恒可知，5×4＝4×10%×(10－x)＋2z＋2y，根据O元素守恒可知，5×2＝2×20%×(10－x)＋70%×(10－x)＋z，又气体总物质的量为16.4 mol，即10－x＋y＋z＝16.4，联立解得x＝2，y＝7.2，z＝1.2，则CO的产率为×100%＝56%，体系中C(s)的物质的量为2 mol。平衡时，n(CO2)＝20%×(10－x) mol＝1.6 mol，n(CO)＝70%×(10－x)mol＝5.6 mol，n(H2)＝7.2 mol，n(CH4)＝10%×(10－x) mol＝0.8 mol，p(CO)＝×100 kPa，p(H2)＝×100 kPa，p(CH4)＝×100 kPa，p(CO2)＝×100 kPa，反应Ⅰ的Kθ＝；若向平衡体系中通入少量CH4(g)，反应Ⅰ平衡正向移动，使CO、H2物质的量增多，反应Ⅱ平衡正向移动，H2物质的量增多，则反应Ⅳ正向进行的程度大于反应Ⅲ正向进行的程度，故重新达到平衡后，将增大。 答案：(1)CO　该温度区间内，只发生反应Ⅱ，随温度升高平衡正向移动，CH4的百分数逐渐减小，CO2的百分数逐渐增大 (2)56%　2 mol　　增大 学科网（北京）股份有限公司 $