备考2024届高考化学一轮复习强化训练第七章化学反应速率和化学平衡第5讲化学反应速率与化学平衡的图像专项训练_多反应平衡体系

这是一份备考2024届高考化学一轮复习强化训练第七章化学反应速率和化学平衡第5讲化学反应速率与化学平衡的图像专项训练_多反应平衡体系，共8页。试卷主要包含了3 kJ·ml－1，1 等内容，欢迎下载使用。
C2H5OH（g）＋3H2O（g）2CO2（g）＋6H2（g） ΔH＝173.3 kJ·ml－1
CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g） ΔH＝41.2 kJ·ml－1
在1.0×105 Pa、n始（C2H5OH）∶n始（H2O）＝1∶3时，若仅考虑上述反应，平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。CO的选择性＝n生成（CO）n生成（CO2）＋n生成（CO）×100％。下列说法正确的是（ B ）
A.图中曲线①表示平衡时H2产率随温度的变化
B.升高温度，平衡时CO的选择性增大
C.一定温度下，增大n（C2H5OH）n（H2O）可提高乙醇平衡转化率
D.一定温度下，加入CaO（s）或选用高效催化剂，均能提高平衡时H2产率
解析 由CO的选择性计算公式可知，相同温度下，CO和CO2的选择性之和为1，故图中曲线②代表平衡时H2产率随温度的变化；由图可知，约330 ℃以后H2的平衡产率随温度的升高而减小，结合题给方程式可知，此时CO的选择性应随温度的升高而增大，故曲线③代表平衡时CO的选择性，曲线①代表平衡时CO2的选择性。A项，曲线②代表H2的平衡产率随温度的变化，错误；B项，由图可知，升高温度，平衡时CO的选择性增大，正确；C项，增大n（C2H5OH）n（H2O），乙醇的平衡转化率减小，错误；D项，高效催化剂能加快反应速率，但不可以改变平衡时H2的产率，错误。
2.[2024上海格致中学检测]乙酸制氢气过程中发生的反应主要有热裂解反应：CH3COOH（g）⇌2CO（g）＋2H2（g） ΔH＝＋213.7 kJ·ml－1；脱羧反应：CH3COOH（g）⇌CH4（g）＋CO2（g） ΔH＝－33.5 kJ·ml－1。
（1）在密闭容器中，利用乙酸制氢气，应选择 常压 （填“较大压强”或“常压”）。
（2）一段时间内，该反应体系中温度与气体产率的关系如图所示，640 ℃之前，氢气产率低于甲烷产率；640 ℃之后氢气产率高于甲烷产率，可能的原因是随着温度升高， 热裂解反应向正反应方向移动，脱羧反应向逆反应方向移动 。
（3）保持其他条件不变，在CH3COOH（g）中掺杂一定量水蒸气，氢气产率显著提高而CO的产率下降，请分析原因： CO＋H2O（g）△H2＋CO2 （用化学方程式表示）。
解析 （1）在密闭容器中，发生反应CH3COOH（g）⇌2CO（g）＋2H2（g），该反应为气体分子数增大的反应，增大压强，平衡逆向移动，氢气产率减小，故相对于较大压强，常压下氢气的产率较高且能耗低。（2）热裂解反应的正反应吸热，脱羧反应的正反应放热，640 ℃之后升温，热裂解反应向正反应方向移动，脱羧反应向逆反应方向移动，故氢气产率高于甲烷产率。（3）CH3COOH（g）中掺杂的水蒸气与CO反应生成二氧化碳和氢气，CO＋H2O（g）△H2＋CO2，氢气产率显著提高而CO的产率下降。
3.[2023洛阳模拟] 丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。
（1）正丁烷（C4H10）脱氢制丁烯（C4H8）的热化学方程式如下：
①C4H10（g）⇌ C4H8（g）＋H2（g） ΔH1
已知：②C4H10（g）＋12O2（g）C4H8（g）＋H2O（g） ΔH2＝－119 kJ·ml－1
③H2（g）＋12O2（g）H2O（g） ΔH3＝－242 kJ·ml－1
反应①的ΔH1为 ＋123 kJ·ml－1。图1是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图，x 小于 0.1 （填“大于”或“小于”）；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是 AD （填标号）。
A.升高温度B.降低温度
C.增大压强D.减小压强
（2）丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器（氢气的作用是活化催化剂），出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图2为丁烯产率与进料气中n（氢气）/n（丁烷）的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势，其降低的原因是 氢气是产物之一，当达到某一值后，随着n（氢气）/n（丁烷）增大，平衡逆向移动，丁烯的产率下降 。
（3）图3为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是 升高温度有利于反应向吸热方向进行 、温度升高反应速率加快，单位时间内产生的丁烯更多 ；590 ℃之后，丁烯产率快速降低的主要原因可能是 丁烯高温裂解生成短碳链烃类化合物 。
解析 （1）根据盖斯定律，由②－③可得①，则ΔH1＝ΔH2－ΔH3＝－119 kJ·ml－1－（－242 kJ·ml－1）＝＋123 kJ·ml－1。反应①为气体分子数增大的反应，减小压强，平衡正向移动，平衡转化率增大，故x小于0.1。反应①为气体分子数增大的吸热反应，减小压强、升高温度，均可使平衡正向移动，丁烯的平衡产率提高。（3）该反应为吸热反应，升高温度，反应速率加快，且平衡正向移动，因此丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大；590 ℃之后，丁烯高温裂解生成短碳链烃类化合物，因此丁烯产率降低。
4.[全国Ⅰ高考]采用N2O5为硝化剂是一种新型的绿色硝化技术，在含能材料、医药等工业中得到广泛应用。回答下列问题：
F.Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25 ℃时N2O5（g）分解反应：
其中NO2二聚为N2O4的反应可以迅速达到平衡。体系的总压强p随时间t的变化如表所示（t＝∞时，N2O5（g）完全分解）：
（1）已知：2N2O5（g）2N2O4（g）＋O2（g） ΔH1＝－4.4 kJ·ml－1
2NO2（g）N2O4（g） ΔH2＝－55.3 kJ·ml－1
则反应N2O5（g）2NO2（g）＋12O2（g）的ΔH＝ 53.1 kJ·ml－1。
（2）研究表明，N2O5（g）分解的反应速率v＝2×10－3×pN2O5（kPa·min－1）。t＝62 min时，测得体系中pO2＝2.9 kPa，则此时的pN2O5＝ 30.0 kPa，v＝ 6.0×10－2 kPa·min－1。
（3）若提高反应温度至35 ℃，则N2O5（g）完全分解后体系压强p∞（35 ℃）大于 63.1 kPa（填“大于”“等于”或“小于”），原因是 温度提高，体积不变，总压强提高；NO2二聚为放热反应，温度提高，平衡左移，体系物质的量增加，总压强提高 。
（4）25 ℃时N2O4（g）⇌2NO2（g）反应的平衡常数Kp＝ 13.4 kPa（Kp为以分压表示的平衡常数，计算结果保留1位小数）。
解析 （1）将已知热化学方程式依次编号为a、b，根据盖斯定律，由12×a－b得N2O5（g）2NO2（g）＋12O2（g） ΔH＝ΔH1－2ΔH22＝－4.4+55.3×22 kJ·ml－1＝＋53.1 kJ·ml－1。（2）t＝62 min时，体系中pO2＝2.9 kPa，根据三段式法得：
2N2O5（g）2N2O4（g）＋O2（g）
起始量 35.8 kPa 0 0
转化量 5.8 kPa 5.8 kPa 2.9 kPa
62 min量 30.0 kPa 5.8 kPa 2.9 kPa
则62 min时pN2O5＝30.0 kPa，v＝2×10－3×30.0 kPa·min－1＝6.0×10－2kPa·min－1。（3）刚性反应容器的体积不变，25 ℃ N2O5（g）完全分解时体系的总压强为63.1 kPa，升高温度，从两个方面分析：一方面是体积不变，升高温度，体系总压强增大；另一方面，2NO2⇌N2O4的逆反应是吸热反应，升温，平衡向生成NO2的方向移动，体系物质的量增大，故体系总压强增大。（4）N2O5完全分解生成N2O4和O2，起始pN2O5＝35.8 kPa，其完全分解时pN2O4＝35.8 kPa，pO2＝17.9 kPa，设25 ℃平衡时N2O4转化了x，则
N2O4 ⇌ 2NO2
平衡量 35.8 kPa－x 2x
35.8 kPa－x＋2x＋17.9 kPa＝63.1 kPa，解得x＝9.4 kPa。平衡时，pN2O4＝26.4 kPa，pNO2＝18.8 kPa，K＝pNO22pN2O4＝18.8226.4 kPa＝13.4 kPa。
5.[2024福建福州质检改编]以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的反应如下：
Ⅰ.CO2（g）＋3H2（g）⇌CH3OH（g）＋H2O（g） ΔH1＝－49 kJ·ml－1
Ⅱ.CO2（g）＋H2（g）⇌CO（g）＋H2O（g） ΔH2＝＋41 kJ·ml－1
Ⅲ.CO（g）＋2H2（g）⇌CH3OH（g） ΔH3
（1）Kp为分压平衡常数，各反应的ln Kp随1T的变化如图1所示。计算反应Ⅲ的ΔH3＝ －90 kJ·ml－1，其对应的曲线为 a （填“a”或“c”）。
图1
（2）在5 MPa下，按照n（CO2）∶n（H2）＝1∶3投料，平衡时，CO和CH3OH在含碳产物中的物质的量分数及CO2的转化率随温度的变化如图2所示。
图2
①图中代表CH3OH的曲线为 m （填“m”或“n”）。
②解释150～250 ℃范围内CO2转化率随温度升高而降低的原因 反应Ⅰ是放热反应，反应Ⅱ是吸热反应，温度升高反应Ⅰ使CO2平衡转化率减小的程度大于反应Ⅱ使CO2平衡转化率增大的程度 。
③下列说法错误的是 B （填字母）。
A.H2的平衡转化率始终低于CO2
B.温度越低，越有利于工业生产CH3OH
C.加入选择性高的催化剂，可提高CH3OH的平衡产率
D.150～400 ℃范围内，温度升高，H2O的平衡产量先减小后增大
④270 ℃时平衡体系中CO的分压为 0.16 MPa ，反应Ⅱ的平衡常数为 0.12××2.52 （列出算式）。
解析 （1）根据盖斯定律，由Ⅰ－Ⅱ可得CO（g）＋2H2（g）⇌CH3OH（g） ΔH3＝ΔH1－ΔH2＝－90 kJ· ml－1。该反应为放热反应，且放出的热量比反应Ⅰ多，1T增大，温度降低，平衡正向移动，Kp增大，且增大程度比反应Ⅰ的大，故其对应曲线为a。（2）①反应Ⅰ、Ⅲ为放热反应，随着温度升高，平衡逆向移动，CH3OH的物质的量分数减小，故代表CH3OH的曲线是m。③根据起始投料比与化学计量数之比的关系，知若只发生反应Ⅰ，CO2和H2的转化率相等，但有反应Ⅱ、Ⅲ发生，且反应Ⅱ、Ⅲ消耗的H2的量一定小于反应Ⅱ消耗的CO2的量的3倍，因此H2的转化率始终低于CO2，A正确；温度太低，反应速率过慢，不利于工业生产CH3OH，B错误；加入选择性高的催化剂，使CO2和H2更趋向于发生反应Ⅰ，可以提高CH3OH的平衡产率，C正确；由已知反应知，转化的CO2的量等于生成的水的量，150～400 ℃时，CO2的转化率先减小后增大，故H2O的平衡产量先减小后增大，D正确。④据图2可知，270 ℃时平衡体系中CO和CH3OH的含量相同，CO2转化率为24％，设起始时CO2的物质的量为1 ml，H2的物质的量为3 ml，则反应达平衡时CO2的物质的量为0.76 ml，根据C原子守恒知CH3OH、CO的物质的量均为0.12 ml，H2O的物质的量为0.24 ml（与CO2的转化量相等），由已知反应结合H原子守恒，可计算出H2的物质的量为2.52 ml，则气体总物质的量为3.76 ml，故CO的分压为5 MPa×≈0.16 MPa，反应Ⅱ反应前后气体分子数相等，可以用物质的量代替物质的量浓度计算平衡常数，故其平衡常数＝0.12××2.52。
6.[能量作图＋物质结构＋多反应体系]利用反应原理CH4（g）＋2H2S（g）⇌CS2（g）＋4H2（g），既可以消除工业废气中的H2S，又可以获得CS2和H2。
（1）CS2在制造玻璃等方面应用广泛。已知CS2（l）的燃烧热为1 077 kJ·ml－1，写出表示CS2（l）燃烧热的热化学方程式： CS2（l）＋3O2（g）CO2（g）＋2SO2（g） ΔH＝－1 077 kJ·ml－1 。
（2）CH4、H2S、CS2的键角从大到小的顺序为 CS2＞CH4＞H2S 。
（3）反应CH4（g）＋2H2S（g）⇌CS2（g）＋4H2（g）可认为由如下反应分步实现：
反应ⅰ.2H2S（g）⇌2H2（g）＋S2（g） ΔH1＝＋170 kJ·ml－1
反应ⅱ.CH4（g）＋S2（g）⇌CS2（g）＋2H2（g） ΔH2＝＋64 kJ·ml－1
现将原料按n（CH4）∶n（H2S）＝1∶2通入某密闭容器中（保持体系压强为60 kPa），不同温度下反应相同时间后，测得H2和CS2的体积分数如图1所示：
①请在图2中画出低温阶段反应ⅱ过程中的能量变化曲线：
（合理即可）
②实验测得在950～1 150 ℃范围内（其他条件相同），S2（g）的体积分数随温度升高先增大后减小，其原因可能是 低温阶段，只发生反应ⅰ，温度升高，S2（g）的体积分数增大；高温阶段，温度升高，反应ⅱ消耗S2（g）的速率大于反应ⅰ生成S2（g）的速率，S2（g）的体积分数减小（合理即可） 。
③在1 150 ℃时，为提高H2S的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是 减小体系压强、及时分离出产物、减小起始时H2S与CH4的物质的量之比、在恒压条件下通入稀有气体稀释反应物等（任写两条，合理即可） （列举两条）。
④假定图1中1 200 ℃下为平衡态，则该温度下 CH4（g）＋2H2S（g）⇌CS2（g）＋4H2（g）的压强平衡常数Kp＝ 6×24410×202 kPa2（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）。
（4）工业上处理废气中的H2S也可以用氧化锌法，其原理为H2S＋ZnOZnS＋H2O。某六方ZnO晶胞的结构如图3所示：
具有相似晶胞结构的ZnS和ZnO晶体，熔点：ZnS＜ （填“＞”或“＜”）ZnO；六方ZnO晶体的密度为 1083a2bNA×1030 g·cm－3（设阿伏加德罗常数的值为NA，用含a、b、NA的代数式表示）。
解析 （1）CS2（l）充分燃烧转化为SO2（g）和CO2（g），由题意知，1 ml CS2（l）充分燃烧释放1 077 kJ热量。（2）CS2为直线形分子，键角为180°，CH4为正四面体形分子，键角为109°28'，H2S中S含有两对孤电子对，孤电子对与成键电子对的排斥作用较大，故H2S键角比CH4小。（3）①由题图1可知，低温阶段只发生反应ⅰ，说明反应ⅱ的活化能比反应ⅰ高，结合ΔH2＞0可画图。④1 200 ℃时，H2的体积分数是CS2的4倍，则根据已知反应，可认为反应体系中S2的体积分数为0，则CH4和H2S的体积分数之和为1－40％－10％＝50％，根据初始投料比可知，平衡时，CH4的体积分数为503％、H2S的体积分数为1003％，平衡分压p（CH4）＝503％×60 kPa＝10 kPa，p（H2S）＝20 kPa，p（CS2）＝6 kPa，p（H2）＝24 kPa，则Kp＝p（CS2）·p4（H2）p（CH4）·p2（H2S）＝6×24410×202 kPa2。（4）ZnS和ZnO均为离子晶体，氧离子的半径比硫离子的半径小，ZnO中离子键的强度较大，熔点较高；1 pm＝10－10 cm，由图中参数可知，晶胞的体积为32a2b×10－30 cm3，1个晶胞中含2个Zn、2个O，故晶体的密度为2×81NA×32a2b×10－30 g·cm－3＝1083a2bNA×1030g·cm－3。
t/min
0
40
80
160
260
1 300
1 700
∞
p/kPa
35.8
40.3
42.5
45.9
49.2
61.2
62.3
63.1