(新高考)高考化学一轮复习课时练习第7章热点强化练13多平衡体系的综合分析(含解析)

热点强化练13　多平衡体系的综合分析

1．(2020·江苏盐城高三三模)CO2催化重整CH4的反应如下：

(Ⅰ)CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)　ΔH1，

主要副反应：(Ⅱ)H2(g)＋CO2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH2>0，

(Ⅲ)4H2(g)＋CO2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH3<0。

在恒容反应器中按体积分数V(CH4)∶V(CO2)＝50%∶50%充入气体，加入催化剂，测得反应器中平衡时各物质的体积分数与温度的关系如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．ΔH1＝2ΔH2－ΔH3<0

B．其他条件不变，适当增大起始时V(CH4)∶V(CO2)，可抑制副反应(Ⅱ)、(Ⅲ)的进行

C．300～580 ℃时，H2O的体积分数不断增大，是由于反应(Ⅲ)生成H2O的量大于反应(Ⅱ)消耗的量

D．T ℃时，在2.0 L容器中加入2 mol CH4、2 mol CO2以及催化剂进行重整反应，测得CO2的平衡转化率为75%，则反应(Ⅰ)的平衡常数等于81

答案　B

解析　反应(Ⅰ)可由2倍(Ⅱ)减去反应(Ⅲ)得到，故ΔH1＝2ΔH2－ΔH3，再根据图示，随温度的升高，CH4和CO2的体积分数减小，说明升温，平衡正移，而升温平衡向吸热方向移动，正反应吸热，ΔH1>0，A不正确；其他条件不变，适当增大起始时V(CH4)∶V(CO2)，即增大CH4浓度或减小CO2浓度，根据平衡移动原理，减小反应物浓度或增加生成物浓度，平衡都逆向移动，B正确；300～580 ℃时，H2O的体积分数不断增大，反应(Ⅲ)是放热反应，升温时，平衡逆移消耗H2O，反应(Ⅱ)是吸热反应，升温时正移，生成H2O，而由于反应(Ⅲ)消耗H2O的量小于反应(Ⅱ)生成水的量，C错误；T ℃时，在2.0 L容器中加入2 mol CH4、2 mol CO2以及催化剂进行重整反应，测得CO2的平衡转化率为75%，则CO2转化的浓度＝×75%＝0.75 mol/L根据三段式：

若不考虑副反应，则反应(Ⅰ)的平衡常数＝＝81，但由于副反应(Ⅲ)中，消耗的氢气的量比二氧化碳多的多，故计算式中，分子减小的更多，值小于81，D错误。

2．(2020·安徽省江南十校4月综合素质测试)CH4用水蒸气重整制氢包含的反应为：

Ⅰ.水蒸气重整：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH＝＋206 kJ·mol－1

Ⅱ.水煤气变换：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH＝－41.2 kJ·mol－1

平衡时各物质的物质的量分数如图所示：

(1)为提高CH4的平衡转化率，除压强、温度外，还可采取的措施是_________________________________________________________(写一条)。

(2)温度高于T1 ℃时，CO2的物质的量分数开始减小，其原因是______________________________________________________________。

(3)T2 ℃时，容器中＝________。

答案　(1)增大起始时(或及时从产物中分离出氢气)　(2)反应Ⅱ为放热反应，从T1 ℃升高温度，平衡向逆反应方向移动的因素大于CO浓度增大向正反应方向移动的因素，净结果是平衡逆向移动　 (3)7(或7∶1)

解析　(1)为提高CH4的平衡转化率，即要让反应向正向进行，除压强、温度外，还可将生成的氢气从产物中分离出去，或增大起始时的；(2)反应Ⅰ是吸热反应，升高温度，平衡正向移动，CO的浓度增大，反应Ⅱ为放热反应，升高温度，反应逆向进行，CO2的量减少，出现如图所示CO2的物质的量分数开始减小，说明T1 ℃升高温度，平衡向逆向移动的因素大于CO浓度增大向正向移动的因素，结果是平衡逆向移动；(3)根据图像，T2 ℃时，容器中一氧化碳和二氧化碳的物质的量分数相等，设T2 ℃时，二氧化碳的物质的量为x，列三段式：

根据上述分析，T2 ℃时，n(H2)＝6x＋x＝7x，n(CO2)＝x，则＝＝7。

3．氨催化氧化时会发生如下两个竞争反应Ⅰ、Ⅱ。

4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)　Ⅰ

4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g)　ΔH<0　Ⅱ

为分析某催化剂对该反应的选择性，在1 L密闭容器中充入1 mol NH3和2 mol O2，测得有关物质的物质的量与温度的关系如图所示。

(1)该催化剂在低温时选择反应________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。

(2)520  ℃时，4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g)的平衡常数K＝________(不要求得出计算结果，只需列出数字计算式)。

(3)C点比B点所产生的NO的物质的量少的主要原因是______________。

答案　(1)Ⅱ　(2)　(3)该反应为放热反应，当温度升高，平衡向左(逆反应方向)移动

解析　(1)由图示可知低温时，容器中主要产物为N2，则该催化剂在低温时选择反应Ⅱ。

(2)两个反应同时进行

故520  ℃时4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g)的平衡常数K＝。

(3)已知4NH3(g)＋5O2(g)4NO(g)＋6H2O(g)　ΔH<0，正反应是放热反应，当反应达到平衡后，温度升高，平衡向左(逆反应方向)移动，导致NO的物质的量逐渐减小，即C点比B点所产生的NO的物质的量少。

4．(2020·河南许昌、济源、平顶山三市二次联考)二甲醚(CH3OCH3)是无色气体，是柴油的理想替代燃料。清华大学王志良等研究了由合成气(组成为H2、CO和少量的CO2)一步法制备二甲醚的问题，其中的主要过程包括以下三个反应：

(ⅰ)CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)

ΔH1＝－90.1 kJ/mol

(ⅱ)CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)

ΔH2＝－41.1 kJ/mol

(ⅲ)2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)

ΔH3＝－24.5 kJ/mol

(1)由H2和CO制备二甲醚(另一产物为CO2)的热化学方程式为___________________________________________________________________。

(2)合成气初始组成为n(H2)∶n(CO)∶n(CO2)＝0.67∶0.32∶0.01的反应体系。在250 ℃和5.0 MPa条件下，在1 L密闭容器中经10 min达到化学平衡时，各组分的物质的量如下表：

则反应(iii)在该条件下的平衡常数是________；在反应进行的10 min内，用CH3OH表示的反应(i)的平均速率是________。

(3)课题组探究了外界条件，对合成气单独合成甲醇反应体系和直接合成二甲醚反应体系的影响。

①图1和图2显示了温度250  ℃和5.0 MPa条件下，合成气组成不同时，反应达到平衡时的情况。(图中M代表甲醇、D代表二甲醚、D＋M代表甲醇和二甲醚。下同)

由图可知，随着合成气中H2所占比例的提高，合成甲醇的反应体系中，CO转化率的变化趋势是________。对于由合成气直接合成二甲醚的反应体系，为了提高原料转化率和产品产率，的值应控制在________附近。

②在压强为5.0 MPa、＝2.0及＝的条件下，反应温度对平衡转化率和产率的影响如图3和图4所示。

课题组认为图3所示的各反应物的转化率变化趋势符合反应特点，其理由是____________________________________________________________________。

图中显示合成气直接合成二甲醚体系中，CO的转化率明显高于H2的转化率，原因是________________________________________________。

图4显示随着温度增大，合成气单独合成甲醇时的产率，要比合成气直接合成二甲醚时的产率减小的快，原因是________________________________。

答案　(1)3CO(g)＋3H2(g)===CO2(g)＋CH3OCH3(g)　 ΔH＝－245.8 kJ/mol　(2)11　0.024 mol/(L·min)　(3)①由小逐渐变大　1　②反应体系中的所有反应均为放热反应　反应(ⅱ)有H2生成　反应(ⅰ)的焓变大于反应(ⅲ)的焓变

解析　(1)已知：(ⅰ)CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH1＝－90.1 kJ/mol

(ⅱ)CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)

ΔH2＝－41.1 kJ/mol

(ⅲ)2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)

ΔH3＝－24.5 kJ/mol

根据盖斯定律，将(ⅰ)×2＋(ⅱ)＋(ⅲ)，整理可得：3CO(g)＋3H2(g)===CO2(g)＋CH3OCH3(g)　 ΔH＝－245.8 kJ/mol；

(2)对于2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)，由于容器的容积是1 L，所以平衡时各种物质的浓度与其物质的量在数值上相等，平衡时c(CH3OH)＝0.02 mol/L，c(CH3OCH3)＝0.11 mol/L，c(H2O)＝0.04 mol/L，故其平衡常数K＝＝11；

对于反应(ⅰ)，开始时从正反应方向开始，c(CH3OH)＝0 mol/L，10 min时c(CH3OCH3)＝0.11 mol/L，则发生反应(ⅲ)消耗甲醇的浓度是c(CH3OH)＝0.11 mol/L×2＝0.22 mol/L，此时还有c(CH3OH)＝0.02 mol/L，则反应(ⅰ)产生甲醇的浓度是c(CH3OH)总＝0.22 mol/L＋0.02 mol/L＝0.24 mol/L，故用甲醇表示的反应速率v(CH3OH)＝＝0.024 mol/(L·min)；

(3)①根据图1可知：在合成甲醇的反应体系中，随着合成气中H2所占比例的提高，CO转化率的变化趋势是由小逐渐变大；

根据图1可知：在合成二甲醚的反应体系中，随着合成气中H2所占比例的提高，CO转化率的变化趋势是由小逐渐变大，当＝1时达到最大值，此后几乎不再发生变化；根据图2可知：在＝1时二甲醚的产率达到最大值，此后随着的增大，产品产率又逐渐变小，故为了提高原料转化率和产品产率，的值应控制在1附近；

②根据图示可知：在不变时，随着温度的升高，各个反应平衡转化率降低，这是由于反应体系中的所有反应均为放热反应，升高温度，平衡向吸热的逆反应方向移动，导致平衡时产生的物质相应的量减小；图中显示合成气直接合成二甲醚体系中，CO的转化率明显高于H2的转化率，原因是反应(ⅱ) CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)中有H2生成，增大了反应物H2的浓度，平衡正向移动，因而可提高另一种反应物CO的转化率；根据图4显示：随着温度增大，合成气单独合成甲醇时的产率，要比合成气直接合成二甲醚时的产率减小的快，原因是反应(ⅰ)的焓变大于反应(ⅲ)的焓变，平衡逆向移动消耗的多，故物质二甲醚转化率降低的多。