实践素养检测(三)　探析化学平衡图像综合题

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实践素养检测()　探析化学平衡图像综合题
1．(2021·山西高三二模)氮及其化合物的研究对于生态环境保护和工农业生产发展非常重要。已知合成氨反应：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92 kJ·mol－1。
(1)合成氨需要选择合适的催化剂，分别选用A、B、C三种催化剂进行实验，所得结果如图1所示(其他条件相同)，则实际生产中适宜选择的催化剂是________(填“A”“B”或“C”)，理由是__________________________________________________________________。


(2)科研小组模拟不同条件下的合成氨反应，向刚性容器中充入10.0 mol N2和20.0 mol H2，不同温度下平衡混合物中氨气的体积分数与总压强(p)的关系如图2，T1、T2、T3由小到大的排序为___________；在T2、50MPa条件下，A点v正___________v逆(填“＞”“＜”或“＝”)；在温度为T2压强为50 MPa时，平衡常数Kp＝___________(列出表达式，分压＝总压×物质的量分数)。
解析：(1)合成氨需要选择合适的催化剂，实际生产中适宜选择的催化剂是A，理由是催化剂A在较低温度下具有较高的活性，能节约能源；且反应放热，低温有利于氨的合成。②如图2，合成氨是放热反应，当压强相同时，升高温度，平衡逆向移动，氨的体积分数减小，则T1、T2、T3由小到大的排序为T1＜T2＜T3；在T2、50 MPa条件下，A点属于非平衡状态，反应正向进行，v正＞v逆；在温度为T2压强为50 MPa时，设平衡时消耗N2的物质的量为x mol，则：
　　　　　　N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
开始量/mol　　　10　　　20
变化量/mol　　　x　　 　3x　　　　2x
平衡量/mol　　　10－x　 20－3x　　2x
＝0.5，解得x＝5，各物质的物质的量分数：N2为＝0.25，H2为＝0.25，NH3为0.5，p(N2)＝50×0.25 MPa，p(H2)＝50×0.25 MPa ，p(NH3)＝50×0.5 MPa，平衡常数Kp＝＝。
答案：(1)A　催化剂A在较低温度下具有较高的活性，能节约能源；且反应放热，低温有利于氨的合成　
(2)T1＜T2＜T3　＞　
2．(2021·山东高三三模)CH4­CO2催化重整对温室气体的减排具有重要意义，其反应为CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝＋247.3 kJ·mol－1 。回答下列问题：
(1)将原料按初始组成n(CH4)∶n(CO2)＝1∶1充入密闭容器中，保持体系压强为100 kPa发生反应，达到平衡时CO2体积分数与温度的关系如图所示。

①T1℃、100 kPa下，n(平衡时气体)∶n(初始气体)＝________；该温度下，此反应的平衡常数Kp＝________(以分压表示，列出计算式)。
②若A、B、C三点表示不同温度和压强下已达平衡时CO2的体积分数，__________点对应的平衡常数最小，理由是________________________________________；________点对应压强最大，理由是____________________________________________________________。
(2)900 ℃下，将CH4和CO2的混合气体(投料比1∶1)按一定流速通过盛有炭催化剂的反应器，测得CH4的转化率受炭催化剂颗粒大小的影响如图所示。(注：目数越大，表示炭催化剂颗粒越小)

由图可知，75 min后CH4转化率与炭催化剂目数的关系为____________________，原因是____________________________________________。
解析：(1)①初始组成n(CH4)∶n(CO2)＝1∶1，不妨设n(CH4)＝n(CO2)＝1 mol，设T1℃、100 kPa下，平衡时Δn(CH4)＝x mol，列三段式有
　　　　　CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)
起始/mol　　1　　　　1　　　　0　　　　0
转化/mol　　x　　　x　　　　 2x　 　　2x
平衡/mol　　1－x　 1－x　　2x　 　　2x
据图可知平衡时CO2的体积分数为30%，所以有＝30%，解得x＝0.25，所以平衡时气体总物质的量为2 mol＋0.25 mol×2＝2.5 mol，n(平衡时气体)∶n(初始气体)＝2.5 mol∶2 mol＝5∶4；平衡时p(CH4)＝p(CO2)＝100 kPa×＝30 kPa，p(CO)＝p(H2)＝100 kPa×＝20 kPa，所以Kp＝。
②该反应焓变大于0，为吸热反应，温度越低，平衡常数越小，所以A点对应的平衡常数最小；该反应为气体系数之和增大的反应，相同温度下，增大压强，平衡逆向移动，CO2的体积分数增大，A、B两点CO2的体积分数均小于相同温度、压强为100 kPa下平衡时CO2的体积分数，说明压强小于100 kPa，而C点大于相同温度、压强为100 kPa下平衡时CO2的体积分数，说明压强大于100 kPa，所以C点压强最大。
(2)据图可知，75 min后催化剂目数越大，CH4转化率越大，因为催化剂目数越大，颗粒越小，表面积越大，原料气与催化剂的接触更加充分，反应更完全。
答案：(1)①5∶4　　②A　该反应为吸热反应，温度越低，平衡常数越小　C　C点CO2的体积分数大于相同温度、100 kPa下平衡时的CO2的体积分数，则压强大于100 kPa，A、B点CO2的体积分数小于相同温度、100 kPa下平衡时的CO2的体积分数，则压强小于100 kPa
(2)目数越大，CH4转化率越大　催化剂的颗粒越小，原料气与催化剂的接触更加充分
3．(2021·河南郑州高三一模)甲烷和CO2是主要的温室气体，高效利用甲烷和CO2对缓解大气变暖有重要意义。
(1)将一定量的甲烷和氧气混合发生反应：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)，其他条件相同，在甲、乙两种不同催化剂作用下，相同时间内测得CH4转化率与温度变化的关系如图1所示。某同学判断c点一定没有达到平衡状态，他的理由是__________________________。

(2)CO2通过催化加氢可以合成乙醇，其反应原理为2CO2(g)＋6H2(g)C2H5OH(g)＋3H2O(g)　ΔHm2>m3。
②升高温度，平衡逆向移动，二氧化碳和氢气的含量增大，乙醇、水的含量减小，水的含量是乙醇的3倍，所以曲线b代表乙醇，曲线a代表水，曲线c代表H2，曲线d代表CO2，m＝3，设起始时H2为9 mol，则CO2为3 mol，平衡时C2H5OH为x mol，H2O为3x mol，列三段式：
2CO2(g)＋6H2(g)C2H5OH(g)＋3H2O(g)
起始量/mol 3　 　9　　　 　0　　　　　　0
变化量/mol 2x　　 6x　　　 x　　　　　　3x
平衡量/mol 3－2x 9－6x　　 x　　　　　　3x
9－6x＝3x，解得x＝1，平衡常数Kp＝，p(CO2)＝p，p(H2)＝p，p(C2H5OH)＝p，p(H2O)＝p，Kp＝。
答案：(1)催化剂不会影响平衡转化率，在其他条件相同情况下，乙催化剂对应c点的转化率没有甲催化剂对应b点的转化率高，所以c点一定未达到平衡　
(2)①m1　②
4．(2021·重庆高三三模)碳以及碳的化合物在生活中应用广泛。利用CO2合成甲醇不仅能够使二氧化碳得到有效合理的利用，也能解决日益严重的能源危机。由CO2合成甲醇的过程可能涉及如下反应：
反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　
ΔH1＝－49.58 kJ·mol－1
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　
ΔH2＝＋41.19 kJ·mol－1
反应Ⅲ：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH3
回答下列问题：
(1)将一定量的H2和CO2充入恒容密闭容器中并加入合适的催化剂，发生反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。测得不同温度下体系达到平衡时CO2的转化率(a)及甲醇的产率(b)如图所示。

①该反应达到平衡后，为同时提高反应速率和甲醇的生成量，以下措施一定可行的是________(填字母)。
A．改用高效催化剂　　　　 B．升高温度
C．分离出甲醇 D．增加CO2浓度
②据图判断，当温度高于260 ℃后，CO的浓度随着温度的升高而________(填“增大”“减小”“不变”或“无法判断”)，其原因是__________________________________。
(2)一定条件下，在2 L的恒容密闭容器中充入一定量的H2和CO2 (假设仅发生反应Ⅰ)。测得在反应物起始投入量不同时，CO2的平衡转化率与温度的关系如图所示。

反应物起始投入量：
曲线Ⅰ：n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝1.5 mol
曲线Ⅱ：n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝2 mol
①根据图中数据判断，要使CO2平衡转化率大于40%，以下条件中最合理的是________。
A．n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝2.5 mol；550 K
B．n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝1.6 mol；550 K
C．n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝1.9 mol；600 K
D．n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝1.5 mol；650 K
②请选择图中数据计算500 K时反应Ⅰ的平衡常数K＝____________________。
解析：(1)①催化剂只能提高反应速率，不能提高平衡时甲醇的生成量，A不符合题意；据图可知当温度过高时，升高温度，甲醇的产率下降，B不符合题意；分离出甲醇平衡正向移动，CO2浓度减小，反应速率会减慢，C不符合题意；增加CO2浓度，反应速率增大，同时平衡正向移动，甲醇的产率提高，D符合题意。
②反应Ⅰ、反应Ⅲ均为放热反应，温度升高不利于CO2、CO转化为甲醇，反应Ⅱ为吸热反应，温度升高使更多的CO2转化为CO，所以当温度高于260 ℃后，CO的浓度一定增大。
(2)①据图可知当温度为550 K、n(H2)＝3 mol、n(CO2)＝2 mol时，CO2的平衡转化率低于40%，若要使CO2的平衡转化率增大，则应减少CO2的量，而该反应的焓变小于零，为放热反应，温度越低，CO2的平衡转化率越大，所以四组数据中最合理的是n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝1.6 mol；550 K，故选B。
②在温度为500 K的条件下，充入3 mol H2和1.5 mol CO2，容器容积为2 L，平衡时二氧化碳的转化率是60%，列三段式有：
CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)
0.75　 　1.5　　　0　　　 　　0
0.45　 　1.35　　 　0.45　　　　0.45
0.3　　　0.15　　 　0.45　　　　0.45
所以平衡常数K＝＝200。
答案：(1)①D　②增大　反应Ⅰ和Ⅲ为放热反应，反应Ⅱ为吸热反应，温度升高不利于CO2、CO转化为甲醇，有利于CO2转化为CO，所以CO浓度一定增大
(2)①B　②200
5．(2022·山东日照模拟)氢能是一种理想的绿色能源，一种太阳能两步法甲烷蒸气重整制氢原理合成示意图如下：

(1)第Ⅰ步：NiFe2O4(s)＋CH4(g)NiO(s)＋2FeO(s)＋CO(g)＋2H2(g)　ΔH1＝a kJ·mol－1。总反应可表示为：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH2＝b kJ·mol－1。写出第Ⅱ步反应的热化学方程式：______________________________________________________。
(2)实验测得分步制氢比直接利用CH4和H2O(g)反应具有更高的反应效率，原因是______________________________________。
(3)第Ⅰ、Ⅱ步反应的lg Kp­T图像如下。

由图像可知a________b(填“大于”或“小于”)，1 000 ℃时，第Ⅱ步反应的化学平衡常数K＝________，测得该温度下第Ⅰ步反应平衡时CH4的平衡分压p(CH4)＝4.0 kPa，则平衡混合气体中H2的体积分数为________(保留一位小数)。

(4)第Ⅰ步反应产生的合成气(CO和H2的混合气体)可用于F­T合成(以合成气为原料在催化剂和适当条件下合成碳氢化合物的工艺过程)。合成碳氢化合物时易发生副反应：CO＋H2O(g)CO2＋H2，如图为相同条件下用不同催化剂在不同时间段测得反应体系内CO2的体积分数，据此应选择的催化剂是________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)，选择的依据是______________________________。
解析：(1)用总反应的热化学方程式减去第Ⅰ步反应的热化学方程式即可得到第Ⅱ步反应的热化学方程式，即第Ⅱ步反应的热化学方程式为NiO(s)＋2FeO(s)＋H2O(g)NiFe2O4(s)＋H2(g)　ΔH＝(b－a)kJ·mol－1。
(2)分步反应的效率更高说明分步反应的活化能降低。
(3)由图可知，第Ⅰ步反应的平衡常数随温度的升高而增大，属于吸热反应；第Ⅱ步反应的平衡常数随温度的升高而降低，属于放热反应，得a>b；1 000 ℃时，第Ⅱ步反应的平衡常数为101＝10；1 000 ℃时，第Ⅰ步反应的平衡常数为103＝1 000，体系中CO和H2的体积比为1∶2，即p(H2)＝2p(CO)，平衡常数Kp＝，即＝1 000，解得p(CO)＝10 kPa，p(H2)＝20 kPa，氢气的体积分数为×100%≈58.8%。
(4)由图可知，相同条件下催化剂Ⅱ对二氧化碳的抑制能力比催化剂Ⅰ要好，能减少副产物的产生。
答案：(1)NiO(s)＋2FeO(s)＋H2O(g)NiFe2O4(s)＋H2(g)　ΔH＝(b－a)kJ·mol－1
(2)分步反应的活化能降低　(3)大于　10　58.8%
(4)Ⅱ　该催化剂可抑制 CO2生成，减少了副产物
6．(2021·山东临沂高三二模)氮的氧化物是造成大气污染的主要物质。研究它们的反应机理，对于消除环境污染有重要意义。
(1)在一定条件下，向某2 L密闭容器中分别投入一定量的NH3、NO发生反应：4NH3(g)＋6NO(g)5N2(g)＋6H2O(g)，其他条件相同时，在甲、乙两种催化剂的作用下，NO的转化率与温度的关系如图所示。

①工业上应选择催化剂________(填“甲”或“乙”)。
②M点是否为对应温度下NO的平衡转化率，判断理由是______________________。温度高于210 ℃时，NO转化率降低的原因可能是___________________________________。
(2)已知：NO2(g)＋SO2(g)NO(g)＋SO3(g)　ΔH”“