2023年高考化学二轮复习（新高考版） 专题14　化学反应速率与化学平衡归因分析

[复习目标]　1.掌握速率、平衡图像的分析方法及类型。2.掌握实际工业生产中的陌生图像的分析方法。

1．(2022·全国甲卷，28)金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途，目前生产钛的方法之一是将金红石(TiO2)转化为TiCl4，再进一步还原得到钛。回答下列问题：

(1)TiO2转化为TiCl4有直接氯化法和碳氯化法。在1 000 ℃时反应的热化学方程式及其平衡常数如下：

(ⅰ)直接氯化：TiO2(s)＋2Cl2(g)===TiCl4(g)＋O2(g)　ΔH1＝＋172 kJ·mol－1，Kp1＝1.0×10－2

(ⅱ)碳氯化：TiO2(s)＋2Cl2(g)＋2C(s)===TiCl4(g)＋2CO(g)　ΔH2＝－51 kJ·mol－1，Kp2＝1.2×1012 Pa

①反应2C(s)＋O2(g)===2CO(g)的ΔH为________ kJ·mol－1，Kp＝__________Pa。

②碳氯化的反应趋势远大于直接氯化，其原因是__________________________________。

③对于碳氯化反应：增大压强，平衡________移动(填“向左”“向右”或“不”)；温度升高，平衡转化率________(填“变大”“变小”或“不变”)。

(2)在1.0×105 Pa，将TiO2、C、Cl2以物质的量比1∶2.2∶2进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。

①反应C(s)＋CO2(g)===2CO(g)的平衡常数Kp(1 400 ℃)＝__________Pa。

②图中显示，在200 ℃平衡时TiO2几乎完全转化为TiCl4，但实际生产中反应温度却远高于此温度，其原因是___________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)TiO2碳氯化是一个“气-固-固”反应，有利于TiO2-C“固-固”接触的措施是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

2.[2019·北京，27(1)]氢能源是最具应用前景的能源之一，高纯氢的制备是目前的研究热点。

甲烷水蒸气催化重整是制高纯氢的方法之一。

①反应器中初始反应的生成物为H2和CO2，其物质的量之比为4∶1，甲烷和水蒸气反应的方程式是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

②已知反应器中还存在如下反应：

ⅰ.CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)　ΔH1

ⅱ.CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH2

ⅲ.CH4(g)===C(s)＋2H2(g)　ΔH3

……

ⅲ为积炭反应，利用ΔH1和ΔH2计算ΔH3时，还需要利用____________________________反应的ΔH。

③反应物投料比采用n(H2O)∶n(CH4)＝4∶1，大于初始反应的化学计量数之比，目的是________(填字母)。

a．促进CH4转化

b．促进CO转化为CO2

c．减少积炭生成

④用CaO可以去除CO2。H2体积分数和CaO消耗率随时间变化关系如图所示。

从t1 min时开始，H2体积分数显著降低，单位时间CaO消耗率________(填“升高”“降低”或“不变”)。此时CaO消耗率约为35%，但已失效，结合化学方程式解释原因：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

3．[2019·江苏，20(3)]CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2转化方法，其过程中主要发生下列反应：

反应Ⅰ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)

ΔH＝＋41.2 kJ·mol－1

反应 Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)===CH3OCH3(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－122.5 kJ·mol－1

在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下，CO2平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图。

其中：CH3OCH3的选择性＝×100%

①温度高于300 ℃，CO2平衡转化率随温度升高而上升的原因是________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

②220 ℃时，在催化剂作用下CO2与H2反应一段时间后，测得CH3OCH3的选择性为48%(图中A点)。不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OCH3选择性的措施有________________________________________________________________________。

(一)选择反应最佳条件

1．NH3还原技术是当今最有效、最成熟的去除NOx的技术之一。使用V2O5/(TiO2-SiO2)催化剂能有效脱除电厂烟气中氮氧化物，发生脱硝主要反应为4NO＋4NH3＋O2===4N2＋6H2O。除去NO反应过程中提高气体流速可提高催化剂的利用率，降低成本。气体流速对与NO转化率的关系如图所示。为合理利用催化剂应选择________ h－1的流速。

2．科学家研究了乙醇催化合成乙酸乙酯的新方法：2C2H5OH(g)CH3COOC2H5(g)＋2H2(g)，在常压下反应，冷凝收集，测得常温下液态收集物中主要产物的质量分数如图所示。

则反应温度不宜超过__________________。

3．甲烷还原可消除NO污染。将NO、O2、CH4混合物按一定体积比通入恒容容器中，发生如下主要反应：

①CH4(g)＋2NO(g)＋O2(g)===N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH1＜0

②CH4(g)＋4NO(g)===2N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH2＜0

③CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH3＜0

在催化剂A和B的分别作用下，NO的还原率和CH4的转化率分别和温度的关系如图所示。

由图可知，消除NO的最佳条件是________________和催化剂________________。

4．利用NaClO2/H2O2酸性复合吸收剂可同时对NO、SO2进行氧化得到硝酸和硫酸而除去。在温度一定时，、溶液pH对脱硫脱硝的影响如图所示：

由图所示可知脱硫脱硝最佳条件是____________________________________________

________________________________________________________________________。

(二)解释曲线发生某种现象的原因

5．甲烷裂解制氢的反应为CH4(g)===C(s)＋2H2(g)　ΔH＝＋75 kJ·mol－1，Ni和活性炭均可作该反应催化剂。在相同气体流量条件下，不同催化剂和进料比[]对甲烷转化率的影响如图所示。

使用活性炭催化剂，且其他条件相同时，随着进料比的增大，甲烷的转化率逐渐增大的原因是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

6．CO2催化加氢直接合成二甲醚的反应为2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－122.54 kJ·mol－1。有时还会发生副反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.2 kJ·

mol－1，其他条件相同时，反应温度对CO2平衡总转化率及反应2.5小时的CO2实际总转化率影响如图1所示；反应温度对二甲醚的平衡选择性及反应2.5小时的二甲醚实际选择性影响如图2所示。(已知：CH3OCH3的选择性＝×100%)

(1)图1中，温度高于290 ℃，CO2平衡总转化率随温度升高而上升的原因可能是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)图2中，在240～300 ℃范围内，相同温度下，二甲醚的实际选择性高于其平衡值，从化学反应速率的角度解释原因：________________________________________________

________________________________________________________________________。

7．甲基环己烷催化脱氢()是石油工业制氢常见方法，以Ni-Cu为催化剂，固定反应温度为650 K，以氮气为载气，在不同载气流速情况下，甲基环己烷脱氢转化率如图所示，b点转化率能与a点保持相当的原因是_____________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

8．工业上用SiO2和焦炭高温下反应制得粗硅，再经如下2步反应制得精硅：Si(s)＋3HCl(g)===SiHCl3(g)＋H2(g)　ΔH＝－141.8 kJ·mol－1，SiHCl3(g)＋H2(g)===Si(s)＋3HCl(g)，反应过程中可能会生成SiCl4。

如图所示，当＞3，SiHCl3平衡产率减小的原因是__________________________

________________________________________________________________________。

1．工业上可以通过硫化氢分解制得H2和硫蒸气，其中H2S气体的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。

(1)由图可知，2H2(g)＋S2(g)2H2S(g)　ΔH________(填“＞”或“＜”)0。

(2)图中压强(p1、p2、p3)的大小顺序为__________________________________________，

理由是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

2．CO2催化(固体催化剂)加氢合成甲烷

主反应：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH1＝－165 kJ·mol－1

副反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)

ΔH2＝＋41.1 kJ·mol－1

在不同催化剂条件下反应相同时间，测得CO2转化率和生成CH4选择性[CH4选择性＝×100%]随温度变化的影响如图所示。

对比上述三种催化剂的催化性能，工业上选择的催化剂是Ni－20CeO2/MCM－41，其使用的合适温度为________(填字母) ℃左右。

A．300   B．340

C．380   D．420

当温度高于400 ℃时，CO2转化率和生成CH4选择性均有所下降，其原因可能是________________________________________________________________________

_________________________________________________________(答出一点即可)。

3．2021年9月24日，我国科学家在《Science》上发表论文《无细胞化学酶法从二氧化碳合成淀粉》，代表着人类人工合成淀粉领域的重大颠覆性和原创性突破。该实验方法首先将CO2催化还原为CH3OH。探究CH3OH合成反应的化学平衡影响因素，有利于提高CH3OH的产率。CO2和H2在某种催化剂作用下可同时发生以下两个反应：

Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)

ΔH＝－48.5 kJ·mol－1

Ⅱ.2CO2(g)＋5H2(g)C2H2(g)＋4H2O(g)

ΔH＝＋37.1 kJ·mol－1

在压强为p，CO2、H2的起始投料比为1∶3的条件下，发生反应Ⅰ、Ⅱ。实验测得CO2的平衡转化率和平衡时CH3OH的选择性随温度的变化如图所示。

已知：CH3OH的选择性＝×100%

(1)有利于提高CH3OH的选择性的措施有____________(填字母)。

A．适当降温   B．适当升温

C．选择合适的催化剂

(2)温度高于350 ℃时，体系中发生的反应以______(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)为主，并说明理由：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(3)其中表示平衡时CH3OH的选择性的曲线是__________(填“a”或“b”)。

4．通过生物柴油副产物甘油制取H2正成为将其高值化利用的一个重要研究方向。生物甘油水蒸气重整制氢的主要反应原理如下(反应Ⅱ是水汽变换反应)：

Ⅰ.C3H8O3(g)3CO(g)＋4H2(g)　ΔH1＝＋251 kJ·mol－1

Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH2＝－41 kJ·mol－1

甘油水蒸气重整制氢时，其他条件不变，在不同水醇比m[m＝n(H2O)∶n(C3H8O3)]时H2的平衡产率与温度的关系如图所示。

(1)水醇比从大到小的顺序是____________；在水醇比不变时H2的平衡产率随温度的升高先增大后又减小的主要原因是__________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)该工艺中CO、CO2与H2反应生成甲烷是主要副反应(均为放热反应)，实际生产中为抑制CH4的生成，提高氢气的产率，可采取的措施有(不考虑压强的影响)________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

_______________________________________________________________(列举2条)。

5．利用CO2与H2合成甲醇涉及的主要反应如下：

a．CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH

b．CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41 kJ·mol－1

一定条件下向某刚性容器中充入物质的量之比为1∶3的CO2和H2发生上述反应，在不同催化剂(Cat.1，Cat.2)下经相同反应时间，CO2的转化率和甲醇的选择性[甲醇的选择性＝×100%]随温度的变化如图所示：

(1)由图可知，催化效果Cat.1____________(填“>”“<”或“＝”)Cat.2。

(2)在210～270 ℃间，CH3OH的选择性随温度的升高而下降，可能的原因为________________________________________________________________________

________________________________________________________________________(写出一条即可)。