2024届高考化学一轮复习练习第七章化学反应速率与化学平衡第37讲工业生产中的速率平衡图像

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1．化工生产适宜条件选择的一般原则
2.平衡类问题需考虑的几个方面
(1)原料的来源、除杂，尤其考虑杂质对平衡的影响。
(2)原料的循环利用。
(3)产物的污染处理。
(4)产物的酸碱性对反应的影响。
(5)参加反应的物质的压强对平衡造成的影响。
(6)改变外界条件对多平衡体系的影响。
类型一 转化率—投料比图像
(1)采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu­Mn合金)，利用CO和H2制备二甲醚(DME)。
主反应：2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)
副反应：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)、CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)
测得反应体系中各物质的产率或转化率与催化剂的关系如图所示。则催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为________时最有利于二甲醚的合成。
(2)将燃煤废气中的CO2转化为二甲醚的反应原理为2CO2(g)＋6H2(g) CH3OCH3(g)＋3H2O(g)已知在压强为a MPa下，该反应在不同温度、不同投料比时，CO2的转化率见如图：
此反应为________(填“放热”或“吸热”)反应；若温度不变，提高投料比[n(H2)/n(CO2)]，则K将________(填“增大”“减小”或“不变”)。
答案： (1)2.0 (2)放热 不变
类型二 平衡常数—温度—选择性图像
丙烯是制造一次性医用口罩的重要原料。丙烷催化脱氢法是工业生产丙烯的重要途径，丙烷催化脱氢技术主要分为氧化脱氢和直接脱氢两种。回答下列问题：
(1)丙烷催化氧化脱氢法制备丙烯的主要反应如下：
2C3H8(g)＋O2(g) 2C3H6(g)＋2H2O(g) ΔH1＝－236 kJ·ml－1(ⅰ)
学生用书第182页
反应过程中消耗的C3H8和 生成的C3H6 的物质的量随温度的变化关系见下表。
分析表中数据得到丙烯的选择性随温度的升高而______(填“不变”“升高”“降低”)；出现此结果的原因除生成乙烯等副产物外还可能是 __________。(C3H6的选择性＝ eq \f(C3H6的物质的量,消耗C3H8的物质的量) ×100%)
(2)丙烷催化直接脱氢反应： C3H8(g)C3H6(g)＋H2(g) ΔH2＝＋124.3 kJ·ml －1(ⅱ) 副反应：C3H8 (g)C2H4 (g)＋CH4(g) ΔH3(ⅲ)
①反应ⅱ的平衡常数、产物丙烯选择性、副产物乙烯选择性与温度关系如图所示， 分析工业生产中采用的温度为650 ℃左右的原因是_____________________________________
________________________________________________________________________。
②温度为670 ℃时，若在1 L的容器中投入8 ml C3H8，充分反应后，平衡混合气体中有2 ml CH4和一定量C3H8、C3H6、H2、C2H4，计算该条件下C3H6的选择性为________%。
③欲使丙烯的产率提高，下列措施可行的是______(填写字母)。
a．恒压条件下向原料气中掺杂水蒸气
b．增大氢气与丙烷的投料比
c.选择对脱氢反应更好选择性的催化剂
d．增大压强
解析： (1)根据表格数据可知各温度下C3H6的选择性分别为 eq \f(4,6) 、 eq \f(8,13) 、 eq \f(17,33) ， eq \f(4,6) > eq \f(8,13) > eq \f(17,33) ，所以随温度升高丙烯的选择性降低；反应ⅰ为放热反应，升高温度，反应ⅰ的化学平衡逆向移动，也会导致丙烯的选择性下降；
(2)①据题图可知，温度控制在650 ℃，丙烯选择性高，且此时温度较高，反应速率快，而且该温度条件下平衡常数较大；
②平衡混合气体中有 2 ml CH4，则根据反应ⅲ可知平衡时该反应消耗的n1(C3H8)＝2 ml；设平衡时C3H6的物质的量为x，根据反应ⅱ可知平衡时n(H2)＝x，反应ⅱ消耗的n2(C3H8)＝x，则平衡时容器中n(C3H8)＝(8－2－x) ml，据图可知该温度下反应ⅱ的lg eq \f(1,K) ＝0，所以K＝1，容器体积为1 L，则有 eq \f(x×x,8－2－x) ＝1，解得x＝2 ml，C3H6的选择性＝ eq \f(C3H6的物质的量,消耗C3H8的物质的量) ×100%＝ eq \f(2 ml,2 ml＋2 ml) ×100%＝50%；
③a.恒压条件下向原料气中掺杂水蒸气，则反应物和生成物的分压减小，该反应的正反应为气体体积增大的反应，减小压强平衡正向移动，可以提高丙烯的产率，故a正确；b.氢气为产物，增大氢气的量会使平衡逆向移动，丙烯的产率降低，故b错误；c.选择对脱氢反应更好选择性的催化剂，增大丙烯的选择性，提高产率，故c正确；d.该反应的正反应为气体体积增大的反应，增大压强会使平衡逆向移动，降低产率，故d错误；综上所述选ac。
答案： (1)降低 升高温度，反应ⅰ的化学平衡逆向移动
(2)① 温度控制在650 ℃ ，丙烯选择性高，反应速率快，平衡常数较大 ② 50 ③ ac
类型三 选择最佳反应条件
(1)汽车尾气是雾霾形成的原因之一。研究氮氧化物的处理方法可有效减少雾霾的形成，可采用氧化还原法脱硝：
4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g) 4N2(g)＋6H2O(g) ΔHv逆
A [p1、p2、p3、p4是四条等压线，由图像可知，压强一定时，温度越高，CH4的平衡转化率越高，故正反应为吸热反应，ΔH>0，A项错误；该反应为气体分子数增加的反应，压强越高，甲烷的平衡转化率越小，故压强p4>p3>p2>p1，B项正确；压强为p4、温度为1 100 ℃时，甲烷的平衡转化率为80.00%，故平衡时各物质的浓度分别为c(CH4)＝0.02 ml·L－1，c(CO2)＝0.02 ml·L－1，c(CO)＝0.16 ml·L－1，c(H2)＝0.16 ml·L－1，即平衡常数K＝ eq \f(0.162×0.162,0.02×0.02) ≈1.64，C项正确；压强为p4时，y点未达到平衡，此时v正>v逆，D项正确。]
4．一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化剂对燃煤烟气进行回收，使SO2转化生成S。催化剂不同，其他条件相同(浓度、温度、压强)情况下，相同时间内SO2的转化率随反应温度的变化如图，下列说法不正确的是( )
A．不考虑催化剂价格因素，选择Fe2O3作催化剂可以节约能源
B．选择Fe2O3作催化剂，最适宜温度为340 ℃左右
C．a点后SO2的转化率减小的原因可能是温度升高催化剂活性降低
D．其他条件相同的情况下，选择Cr2O3作催化剂，SO2的平衡转化率最小
D [根据图像可知，当温度在340 ℃时，在Fe2O3作催化剂条件下，SO2的转化率最大，可以节约能源，故A正确；340 ℃左右，催化剂的催化能力较大，二氧化硫的转化率也是较大，反应速率较快，所以选择Fe2O3作催化剂，最适宜温度为340 ℃左右，故B正确； 催化剂催化能力需要维持在一定的温度下，温度太高，催化剂活性可能会降低，故C正确；催化剂只对速率有影响，对平衡转化率没有影响，故D错误。]
5．反应Si(s)＋3HCl(g)SiHCl3(g)＋H2(g) ΔH是工业上制备高纯硅的重要中间过程。一定压强下，起始投入原料 eq \f(n（HCl）,n（Si）) 的值和温度与SiHCl3的平衡产率的变化关系如图所示。下列说法错误的是( )
A．该反应为放热反应，ΔH＜0
B．M、N点SiHCl3的分压：M＞N
C． eq \f(n（HCl）,n（Si）) 的值越大SiHCl3平衡产率越高
D．M、N点的逆反应速率：vM＞vN
C [温度升高，SiHCl3的平衡产率减小，ΔH＜0，A项正确；对应气体压强之比等于物质的量之比，由题图可知，M、N点SiHCl3的平衡产率M＞N，所以M、N点SiHCl3的分压：M＞N，B项正确；由题图可知， eq \f(n（HCl）,n（Si）) 的值增大至7时，SiHCl3的平衡产率降低至接近于0，C项错误；M点温度较高，SiHCl3浓度较大，逆反应速率vM＞vN，D项正确。]
6．一定条件下，6H2(g)＋2CO2(g)C2H5OH(g)＋3H2O(g)，CO2平衡转化率随温度变化如图所示，对a、b、c三点对应情况的分析，合理的是( )
A．CO2物质的量分数：a>b
B．C2H5OH体积分数：aKc>Kb
D．反应速率：va(CO2)Kb，故C错误；D.a、b点只有温度不同，温度越高、反应速率越快，则反应速率：va(CO2)0
B．氢碳比：①②>③，B错误；正反应是气体体积减小的反应，因此其他条件不变的情况下，缩小容器的体积，压强增大，平衡向正反应方向移动，可提高CO2的转化率，C错误；根据图像可知，400 K时曲线③中CO2的转化率是50%，这说明消耗CO2 1 ml·L－1，则消耗氢气3 ml·L－1，生成乙醇和水蒸气分别是0.5 ml·L－1、1.5 ml·L－1，剩余CO2和氢气分别是1 ml·L－1、1 ml·L－1，该温度下平衡常数K＝ eq \f(0.5×1.53,12×16) ≈1.7，D正确。]
8.恒压下，NO和O2在起始浓度一定的条件下发生反应，在相同时间内，测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法不正确的是( )
A．反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)的ΔH”“ (2)该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动
11．(1)在体积为2 L的恒容密闭容器中，充入2 ml CO2和6 ml H2，一定条件下反应：
CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)
ΔH＝－49.0 kJ·ml－1，测得CO2和CH3OH(g)浓度随时间变化如图所示。
①计算：从0 min到3 min，H2的平均反应速率v(H2)＝________ml·L－1·min－1。
②能说明上述反应达到平衡状态的是______(填字母)。
A.c(CO2)∶c(H2)＝1∶3
B．混合气体的密度不再发生变化
C．单位时间内消耗3 ml H2，同时生成1 ml H2O
D．CO2的体积分数在混合气体中保持不变
③反应达到平衡后，保持其他条件不变，能加快反应速率且使体系中气体的物质的量减少，可采取的措施有________(填字母)。
A．升高温度 B．缩小容器体积
C．再充入CO2气体 D．使用合适的催化剂
(2)在容积相同的密闭容器里，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g)，并分别在相同的时间内测定其中NH3的质量分数(y轴所表示的)，绘成图像如图所示：
请回答：
①A、B、C、D、E五点中，肯定未达到平衡点的是________。
②此可逆反应的正反应是________热反应。
③AC曲线是增函数曲线，CE曲线是减函数曲线，试从化学反应速率和化学平衡的角度分析，并说明理由_______________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析： (1)①3 min时CH3OH的物质的量浓度为0.5 ml/L，所以消耗的氢气的物质的量浓度为1.5 ml/L，则用氢气表示的反应速率为1.5 ml/L÷3 min＝0.5 ml/(L·min)。
②A.起始时加入的CO2和H2的物质的量之比为1∶3，反应消耗的CO2和H2的物质的量之比也是1∶3，所以CO2和H2的物质的量之比一直是1∶3，CO2和H2在同一容器中，体积相同，所以c(CO2)∶c(H2)＝1∶3是不变的，和是否平衡无关；B.由于反应物和生成物都是气体，所以混合气体的总质量是不变的，同时容器体积也是不变的，所以混合气体的密度是一个定值，所以混合气体的密度不再发生变化不能证明反应达到平衡状态；C.单位时间内消耗3 ml H2，必然同时生成1 ml H2O，和是否平衡无关；D.CO2的体积分数在混合气体中保持不变说明反应达到了平衡状态，故选D。
③A.升高温度，能加快反应速率，但由于该反应的正反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，体系中气体物质的量增加，故A不选；B.缩小容器体积，增大各物质浓度，可以加快反应速率，平衡向体积减小的方向即正向移动，可以使体系中气体物质的量减少，故B选；C.再充入CO2气体，增大了反应物浓度，可以加快反应速率，平衡虽然向右移动，但由于加入了CO2，所以体系中气体总的物质的量会增加，故C不选；D.使用合适的催化剂可以加快反应速率，但催化剂不影响平衡，所以气体物质的量不变，故D不选；故选B。
(2)在容积相同的密闭容器里，分别充入等量的氮气和氢气，在不同温度下发生合成氨的反应，在相同的时间内测定其中NH3的质量分数。温度低，反应速率慢，生成的氨的量少，则氨的质量分数比较低，温度升高，反应速率加快，生成的氨增加，氨的质量分数增多，若温度更高，反应很快达到平衡，若合成氨的反应是放热反应，此时氨的质量分数反而会由于温度升高，平衡逆向移动而降低。
①由以上分析可知，A、B点肯定未达到平衡点，C点可能平衡，也可能没有平衡，D、E点一定达到了平衡。
②由以上分析可知，该反应的正反应是放热反应。
③A、B两点对应的温度低，反应速率小，随着温度升高，反应速率加快，生成氨的质量分数增大，所以AC曲线是增函数曲线；达到平衡后，再升高温度，由于正反应是放热反应，平衡逆向移动，所以氨的质量分数降低，所以CE曲线是减函数曲线。
答案： (1)①0.5 ②D ③B
(2)①A、B ②放 ③容器容积相同，充入的是等量的氮气和氢气，在不同温度下发生反应，在相同的时间内测定NH3的质量分数，A、B两点对应的温度低，反应速率小，随着温度升高，反应速率加快，生成氨的质量分数增大，所以AC曲线是增函数曲线；达到平衡后，再升高温度，由于正反应是放热反应，平衡逆向移动，所以氨的质量分数降低，所以CE曲线是减函数曲线
12．环戊烯()常用于有机合成及树脂交联等。在催化剂作用下，可通过环戊二烯()选择性氧化制得，体系中同时存在如下反应：
反应Ⅰ：(g)＋H2(g) (g) ΔH1＝－100.3 kJ·ml－1
反应Ⅱ：(g)＋H2(g) (g) ΔH2＝－109.4 kJ·ml－1
反应Ⅲ：(g)＋(g)2(g) ΔH3
已知：选择性指生成目标产物所消耗的原料量在全部所消耗原料量中所占的比例。回答下列问题：
(1)反应Ⅲ的ΔH3＝________kJ·ml－1。
(2)为研究上述反应的平衡关系，在T ℃下，向某密闭容器中加入a ml的环戊二烯和4 ml H2，测得平衡时，容器中环戊二烯和环戊烷()的物质的量相等，环戊烯的选择性为 80%，此时H2的转化率为________%，反应Ⅲ以物质的量分数表示的平衡常数K3＝________。
(3)为研究不同温度下催化剂的反应活性，保持其他条件不变，测得在相同时间内，上述反应的转化率和选择性与温度的关系如图所示。
该氢化体系制环戊烯的最佳温度为 ________；30 ℃以上时，环戊烯的选择性降低的可能原因是________(填字母)。
A．催化剂活性降低 B．平衡常数变大
C．反应活化能减小
(4)实际生产中采用双环戊二烯()解聚成环戊二烯：(g) 2(g) ΔH>0。若将3 ml双环戊二烯通入恒容密闭容器中，分别在T1和T2温度下进行反应。曲线A表示T2温度下n(双环戊二烯)的变化，曲线B表示T1温度下n(环戊二烯)的变化，T2温度下反应到a点恰好达到平衡。
①曲线B在T1温度下恰好达到平衡时的点的坐标为(m，n)，则m________2(填“>” “” “