2024届高考化学一轮复习课件 第七章 化学反应速率与化学平衡 热点强化练9 化工生产中的速率与平衡图像分析

热点强化练9　化工生产中的速率与平衡图像分析

1.以表面覆盖Cu2Al2O4的二氧化钛为催化剂,可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示。下列说法错误的是(　C　)

A.250 ℃时,催化剂的活性最大

B.250～300 ℃时,温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是催化剂的催化效率降低

C.300～400 ℃时,乙酸的生成速率升高的原因是催化剂的催化效率增大

D.300～400 ℃时,乙酸的生成速率升高的原因是温度升高

解析:由图可知,250 ℃时,催化剂的活性最大,A项正确;250～300 ℃时,温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是温度超过250 ℃时,催化剂的催化效率降低,B项正确;300～400 ℃时,乙酸的生成速率升高的原因是温度升高,C项错误、D项正确。

2.(2022·陕西渭南一模)羰基硫(COS)是以煤、石油、天然气为原料生产的化工原料气中有机硫的主要形式。COS催化水解的反应为COS(g)+H2O(g)CO2(g)+H2S(g)　ΔH<0,在相同投料比、相同气流速度、相同时间内,测得不同温度及不同催化剂下COS水解反应的转化率如图所示:

下列说法正确的是(　B　)

A.N点为该反应达到平衡状态的点

B.正反应的平均反应速率:P>N>M

C.任何温度下,γ-Al2O3的催化效果都比TiO2好

D.150 ℃时,用γ-Al2O3作催化剂,达到平衡时CO2的体积分数最大

解析:由题图可知,在N点对应温度下,由TiO2作催化剂时COS的转化率更高,可知N点并未达到平衡状态,A项错误;相同时间内COS的转化率越大催化效率越高,正反应的平均反应速率P>N>M,B项正确;低温时γ-Al2O3对COS水解反应的催化效果好,C项错误;在相同温度下,无论用哪种催化剂,达到平衡时CO2的体积分数都一样,D项错误。

3.(2022·北师大实验中学三模)在一定条件下,利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1,研究发现,反应过程中会有副反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2,温度对CH3OH、CO的平衡产率影响如图所示。下列说法中,不正确的是(　C　)

A.ΔH1<0,ΔH2>0

B.增大压强有利于加快合成反应的速率

C.实际生产过程中,升高温度一定降低CH3OH的产率

D.实际生产过程中,可以通过使用合适的催化剂提高CH3OH的选择性

解析:由题干图像信息可知,升高温度CO的平衡产率增大,即副反应正向移动,则ΔH2>0,CH3OH的平衡产率减小,即合成反应逆向移动,则ΔH1<0,A正确;增大压强即压缩体积,反应物浓度增大,故有利于加快合成反应的速率,B正确;实际生产过程中,往往保持一定流速通入气体反应物,故在反应未达到平衡之前,温度越高反应速率越快,则CH3OH的产率越大,反应达到平衡后再升高温度平衡逆向移动,则CH3OH的产率反而降低,故升高温度不一定降低CH3OH的产率,C不正确;实际生产过程中,可以通过使用合适的催化剂提高CH3OH的选择性,减少副反应的发生而提高原料的利用率和CH3OH的产率,D正确。

4.(不定项)(2022·山东烟台三模)工业上用C6H5Cl和H2S的高温气相反应制备苯硫酚(C6H5SH),同时有副产物C6H6生成:

Ⅰ.C6H5Cl(g)+H2S(g)C6H5SH(g)+HCl(g)　ΔH1

Ⅱ.C6H5Cl(g)+H2S(g)C6H6(g)+HCl(g)+S8(g)　ΔH2

使C6H5Cl和H2S按物质的量1∶1进入反应器,定时测定反应器尾端出来的混合气体中各产物的量,得到单程收率(×100%)与温度的关系如图所示。下列说法正确的是(　BC　)

A.ΔH1<0,ΔH2<0

B.反应Ⅱ的活化能较大

C.590 ℃以上,随温度升高,反应Ⅰ消耗H2S减少

D.645 ℃时,反应Ⅰ的化学平衡常数K=

解析:温度大于590 ℃时,随温度升高,苯硫酚的单程收率降低,说明ΔH1<0,随温度升高,苯的单程收率增大,说明ΔH2>0,故A错误;温度较低时,苯的单程收率小,说明反应Ⅱ的速率小,反应Ⅱ的活化能较大,故B正确;590 ℃以上,随温度升高,苯硫酚的单程收率降低,反应Ⅰ消耗H2S减少,故C正确;设通入氯苯、H2S的物质的量各为1 mol,645 ℃时,苯硫酚的单程收率为20%、苯的单程收率为20%,则反应Ⅰ消耗0.2 mol氯苯、0.2 mol H2S,生成苯硫酚0.2 mol、氯化氢0.2 mol,反应Ⅱ消耗0.2 mol氯苯、0.2 mol H2S,生成苯0.2 mol、氯化氢0.2 mol、S8 0.025 mol,容器中含有0.6 mol氯苯、0.6 mol H2S、0.2 mol苯硫酚、0.4 mol氯化氢,反应Ⅰ的化学平衡常数K==,故D错误。

5.(2022·湖南师大附中月考)减少氮的氧化物和碳的氧化物在大气中的排放是环境保护的重要内容之一。

(1)已知:N2(g)+O2(g)2NO(g)　ΔH=+180.5 kJ/mol

C(s)+O2(g)CO2(g)　ΔH=-393.5 kJ/mol

2C(s)+O2(g)2CO(g)　ΔH=-221 kJ/mol

若某反应的平衡常数表达式为,请写出此反应的热化学方程式:                 　。 

(2)利用H2和CO2在一定条件下可以合成乙烯:6H2(g)+2CO2(g)CH2CH2(g)+4H2O(g),已知不同温度对CO2的平衡转化率及催化剂的效率影响如图所示。下列有关说法正确的是　　　(填序号)。 

①不同条件下反应,N点的速率最大

②M点时平衡常数比N点时平衡常数大

③温度低于250 ℃时,随温度升高乙烯的产率增大

④实际反应中应尽可能在较低的温度下进行,以提高CO2的平衡转化率

⑤该反应ΔH<0

(3)在密闭容器中充入5 mol CO和4 mol NO,发生上述(1)中某反应,如图为平衡时NO的体积分数与温度、压强的关系。

①温度:T1　　　　(填“<”或“>”)T2。 

②某温度下,若反应进行到10分钟达到平衡状态D点时,容器的容积为2 L,则此时的平衡常数K=　　　　　(保留两位有效数字);用CO的浓度变化表示的平均反应速率v(CO)=　　　　　　。 

③若在D点对反应容器升温的同时扩大容积至体系压强减小,重新达到的平衡状态可能是图中A～G点中的　　　　点。 

解析:(1)由平衡常数表达式知目标方程式为2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g),根据盖斯定律,可知ΔH=-746.5 kJ/mol。

(2)①随着温度的升高,化学反应速率增大,但催化剂的催化效率先升高后降低,所以N点的反应速率不一定最大,错误;②随温度升高CO2的平衡转化率减小,说明温度升高平衡逆向移动,所以该反应的ΔH<0,M点时温度低于N点,故M点时平衡常数比N点时平衡常数大,正确;③温度低于250 ℃时,随温度升高乙烯的产率减小,错误;④该反应在较低的温度下进行能提高CO2的平衡转化率,但温度低,反应速率小,实际反应中应尽可能在250 ℃下进行,错误;⑤随温度升高CO2的平衡转化率减小,说明温度升高平衡逆向移动,所以该反应的ΔH<0,正确。

(3)①2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)　ΔH=-746.5 kJ/mol,升高温度平衡逆向移动,NO的体积分数增大,所以T1>T2。

②在2 L密闭容器中充入5 mol CO和4 mol NO,则CO和NO的起始浓度分别为2.5 mol/L和 2 mol/L。设NO浓度的变化量为2x mol/L,

　　　　2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)

 2 2.5 0 0

 2x 2x x 2x

 2-2x 2.5-2x x 2x

=0.25,解得x=0.5,K=≈0.22;根据v=,用CO的浓度变化表示的平均反应速率v(CO)==0.1 mol/(L·min)。

③若在D点对反应容器升温的同时扩大容积至体系压强减小,平衡逆向移动,NO体积分数增大,故重新达到的平衡状态可能是图中的A点。

答案:(1)2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g)

ΔH=-746.5 kJ/mol

(2)②⑤

(3)①>　②0.22　0.1 mol/(L·min)　③A

6.(2021·湖北卷)丙烯是一种重要的化工原料,可以在催化剂作用下,由丙烷直接脱氢或氧化脱氢制备。

反应Ⅰ(直接脱氢):C3H8(g)C3H6(g)+H2(g)　ΔH1=+125 kJ·mol-1

反应Ⅱ(氧化脱氢):C3H8(g)+O2(g)C3H6(g)+H2O(g)　ΔH2=-118 kJ·mol-1

(1)已知键能:E(C—H)=416 kJ·mol-1,

E(H—H)=436 kJ·mol-1,由此计算生成1 mol碳碳π键放出的能量为　　　　 kJ。 

(2)对于反应Ⅰ,总压恒定为100 kPa,在密闭容器中通入C3H8和N2的混合气体(N2不参与反应),从平衡移动的角度判断,达到平衡后“通入N2”的作用是　　　　　　　　　　　　　               　　　

　　　　　　　　　　　　　。在温度为T1时,C3H8的平衡转化率与通入气体中C3H8的物质的量分数的关系如图a所示,计算T1时反应Ⅰ的平衡常数Kp=　　　　 kPa(以分压表示,分压=总压×物质的量分数,保留一位小数)。 

(3)在温度为T2时,通入气体分压比为p(C3H8)∶p(O2)∶p(N2)=10∶5∶85的混合气体,各组分气体的分压随时间的变化关系如图b所示。0～1.2 s生成C3H6的平均速率为　　　　 kPa·s-1;在反应一段时间后,C3H8和O2的消耗速率比小于2∶1的原因为　 　　　　　。 

(4)恒温刚性密闭容器中通入气体分压比为p(C3H8)∶p(O2)∶p(N2)=2∶13∶85的混合气体,已知某反应条件下只发生如下反应(k、k′为速率常数):

反应Ⅱ:2C3H8(g)+O2(g)2C3H6(g)+2H2O(g)　k

反应Ⅲ:2C3H6(g)+9O2(g)6CO2(g)+6H2O(g)　k′

实验测得丙烯的净生成速率方程为v(C3H6)=kp(C3H8)-k′p(C3H6),可推测丙烯的浓度随时间的变化趋势为　　　　　　　　　,其理由是　   　。 

解析:(1)由C3H8(g)C3H6(g)+H2(g)　ΔH1=+125 kJ·mol-1可知反应中需要断裂 2 mol C—H、形成1 mol碳碳π键和1 mol H—H,416 kJ·mol-1×2-E (碳碳π键) -436 kJ·mol-1=+125 kJ·mol-1,解得E(碳碳π键)=271 kJ·mol-1,所以形成1 mol碳碳π键放出的能量为271 kJ。

(2)达到平衡后“通入N2”,由于总压恒定为100 kPa,则容器体积增大,气体浓度减小,平衡向气体体积增大的方向移动,即向正反应方向移动,C3H8(g)的转化率增大;根据图a,C3H8的物质的量分数为0.4时,其平衡转化率为50%,假设混合气体为1 mol,则起始时C3H8为0.4 mol,N2为0.6 mol,运用三段式法计算

　　　　　C3H8(g)H2(g)+C3H6(g)

起始/mol 0.4 0 0

变化/mol 0.2 0.2 0.2

平衡/mol 0.2 0.2 0.2

由于总压恒定为100 kPa,平衡时C3H8为0.2 mol,C3H6为0.2 mol,H2为0.2 mol,N2为0.6 mol,则C3H8(g)、C3H6(g)、H2(g)的分压均为100 kPa×=kPa,故T1时反应Ⅰ的平衡常数Kp=≈16.7 kPa。

(3)0～1.2 s内C3H6的分压由0增大为2.4 kPa,则生成C3H6的平均速率为=2 kPa·s-1;若只发生反应Ⅰ、Ⅱ,C3H6的分压应大于H2和H2O的分压,但由图b知,随着反应进行,分压p(H2O)>p(C3H6)>p(H2),且有CO2生成,H2分压降低,故体系中还发生反应C3H6(g)+O2(g)3CO2(g)+3H2O(g)、H2(g)+O2(g)H2O(g),消耗O2,因此C3H8和O2的消耗速率比小于2∶1。

(4)反应开始时,反应Ⅱ向右进行,c(C3H6)逐渐增大,且体系中以反应Ⅱ为主,随着反应进行,p(C3H8)减小,p(C3H6)增大,使得v(C3H6)减小,体系中以反应Ⅲ为主,因此丙烯的浓度随时间的变化趋势为先增大后减小。

答案:(1)271　(2)使平衡向正反应方向移动或提高丙烷转化率　16.7　(3)2.0　(发生副反应)生成CO2、H2O使O2消耗量增大

(4)先增大后减小　反应开始时,反应Ⅱ为主要反应,反应一段时间后,反应Ⅲ为主要反应(或反应初始时,C3H8的分压较大,反应Ⅱ的速率较大。随着反应的进行,C3H8的分压降低,C3H6的分压增大,反应Ⅲ的速率较大)

7.在一定条件下,由CO2和H2合成甲醇已成为现实,该合成对解决能源问题具有重大意义。该过程中有两个竞争反应,反应过程能量关系如图。

(1)请写出CO(g)与H2(g)生成CH3OH(g)的热化学方程式:　  。 

(2)对于CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)反应,已知v正=k正c(CO2)·c3(H2),v逆=k逆c(CH3OH)·c(H2O),升高温度k正增大的倍数

　　　(填“<”“>”或“=”)k逆增大的倍数,为了提高H2的转化率,可采取的措施有　　　　　(填字母)。 

A.加压 B.升温

C.加催化剂 D.增加CO2的浓度

(3)在一容积可变的密闭容器中,充入1 mol CO2与3 mol H2发生反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),CO2在不同温度下的平衡转化率与总压强的关系如图所示,图中M点时CH3OH的物质的量分数为　　　　,该反应的压强平衡常数Kp=　　　　atm-2(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。 

(4)由CO2和H2合成甲醇有两个竞争反应,为提高CH3OH的选择性,在原料气中掺入一定量CO,原因是　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　。另外,可以通过控制双组分催化剂(CuO-ZnO)中CuO的含量,提高甲醇产率,根据如图判断,催化剂选择性最好的CuO的含量为　　　　　。 

解析:(1)根据图像可知两个竞争反应为

ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-53.66 kJ/mol

ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH=+36.90 kJ/mol

根据盖斯定律ⅰ-ⅱ可得CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)　ΔH=-90.56 kJ/mol。

(2)该反应ΔH<0,升高温度平衡逆向移动,说明逆反应速率比正反应速率增大得多,所以k正增大的倍数<k逆增大的倍数;升温平衡逆向移动,H2的转化率减小,加催化剂不影响平衡转化率,增大压强、增加CO2的浓度都能使平衡正向移动,H2的转化率增大,故选AD。

(3)根据图中M点CO2的平衡转化率为50%,得

　　　　　CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

起始/mol 1 3 0 0

转化/mol 0.5 1.5 0.5 0.5

平衡/mol 0.5 1.5 0.5 0.5

所以平衡时CH3OH的物质的量分数为×100%≈16.7%;Kp=≈5.33×10-4 atm-2。

(4)加入一定量的CO可以使反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)逆向移动,提高CH3OH的选择性;根据图像可知CH3OH选择性最大,催化剂选择性最好的CuO的含量为50%。

答案:(1)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)　ΔH=-90.56 kJ/mol　

(2)<　AD　

(3)16.7%　5.33×10-4　

(4)加入一定量CO,使反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)逆向移动,提高CH3OH的选择性　50%