2023屆高三化學一輪復習-多重平衡體系問題

化學反應速率化學平衡——多重平衡體系問題

思考高考為什么青睞于多重平衡體系考查？多重平衡分為幾種類型？A+B→C+DA+B→E+FA+B→C+DA+C→E+F平行反應耦合反應多重平衡類型（2021北京高考題14）丙烷經(jīng)催化脫氫可制丙烯:C3H8

１

C3H6+１H2。600℃，將一定濃度的CO2與固定濃度的C3H8通過含催化劑的恒容反應器，經(jīng)相同時間，流出的C3H6、CO和H2濃度隨初始CO2濃度的變化關系如圖?；谠厥睾阍恚琀2為什么變化不明顯？產(chǎn)生H2去哪里了？CO為什么越來越多？多重平衡問題、圖像問題——很有化學味道。蓋斯定律：①─②─③C碳元素守恒CO2多，C3H8轉(zhuǎn)化大；CO2少，C3H8轉(zhuǎn)化小。（2022年北京14）．CO2捕獲和轉(zhuǎn)化可減少CO2排放并實現(xiàn)資源利用，原理如圖1所示。反應①完成之后，以N2為載氣，以恒定組成的N2、CH4混合氣，以恒定流速通入反應器，單位時間流出氣體各組分的物質(zhì)的量隨反應時間變化如圖2所示。反應過程中始終未檢測到CO2，在催化劑上有積碳。下列說法不正確的是（

）H2CH4COV(H2)=V(H2)(②)+V(H2)(副）=2V(H2)(②)=V(CO)==1.5V(H2)(副）=0.5C深度分析：為啥隨時間的推移，反應②變慢，可能是積碳反應將催化劑覆蓋。類型1：協(xié)同作戰(zhàn)【例題1】思考與交流1.反應I和反應II有何特點。2.若有II參與，對反應I有何影響？反應I+II得：TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)=TiCl4(g)+2CO(g)KIII=KIKII=4.1×1019,遠遠大于K1，反應II使得TiO2氯化為TiCl4得以實現(xiàn)。再根據(jù)：ΔHIII＝ΔHI+ΔHII=－40kJ·mol－1，反應II可為反應I提供能力。扭轉(zhuǎn)乾坤類型1：協(xié)同作戰(zhàn)（2）水煤氣反應：C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)ΔH=+131kJ·mol-1。工業(yè)生產(chǎn)水煤氣時，通常交替通入合適量的空氣和水蒸氣與煤炭反應，其理由是________。水蒸氣與煤炭反應吸熱，氧氣與煤炭反應放熱，交替通入空氣和水蒸氣有利于保持較高溫度，有利于加快化學反應速率。

【2022年1月浙江省高考化學-29】學生出現(xiàn)問題利用空氣帶出產(chǎn)物，使平衡正向移動增加水蒸氣濃度平衡正向移動教學啟示：引導學生從關注平衡到關注速率轉(zhuǎn)變【例題2】2017年北京高考能量的綜合利用，屬于化學中耦合反應，體現(xiàn)了化學價值。16.CaSO4熱分解溫度很高（＞1200℃）2022年北京高考增大固體與空氣的接觸面積，加快反應速率；使煤粉完全燃燒，提高了轉(zhuǎn)化率。偶聯(lián)一個放熱反應C+O2=CO2，降低熱分解反應對能量的要求。真實情境的考查補充.我國自然界有許多硫酸鈉(芒硝),其中含鈉、硫,以它為原料生產(chǎn)Na2S（Na2S俗名臭堿，廣泛應用于冶金、染料、皮革、電鍍等工業(yè)）有吸引力。分析：Na2SO4=Na2S+2O2

ΔH=+1011kJ/mol

ΔS=357J/(K·mol)

從ΔG=ΔH—TΔS（ΔG<0反應自發(fā)發(fā)生）看，這個反應幾乎不可能進行，再則即使生成了Na2S和O2，O2還會氧化Na2S。思考：反應有O2生成。設加入碳，則可能發(fā)生。①2C+2O2=2CO2ΔH=-787.0kJ/molΔS=3x2=6J/(K·mol)②4C+2O2=2C0ΔH=-442.0kJ/molΔS=358J/(K·mol)若和1反應偶聯(lián)得(主要從焓變、熵變降低原反應對能量的要求)Na2SO4+2C=Na2S+2CO2

ΔH=+357(kJ/mol)，ΔS=+363J/(K·mol)ΔG=0的溫度為：710℃若和2反應偶聯(lián)得(從反應的焓變、熵變降低原反應對能量的要求)Na2SO4+4C=Na2S+4CO

ΔH=569kJ/mol，ΔS=715J/(K·mol)ΔG=0的的溫度為：523℃，兩種情況都能使Na2SO4轉(zhuǎn)化為Na2S。

實際生產(chǎn)條件:把一定質(zhì)量比的Na2SO4和C混合，在>900℃條件下加熱，產(chǎn)物為Na2S和CO、CO2(生成的CO、CO2不僅不和Na2S反應，還起著保護Na2S的作用。)化學工作者的工作：調(diào)控反應、使很難進行的反應發(fā)生，制的有價值的物質(zhì)，實際上這就是化學的價值。類型2：合作共贏例3（2021順義高三一模）在有氧條件下，新型催化劑Y能催化NH3與NOx反應生成N2。②將一定比例的O2、NH3和NOx的混合氣體，勻速通入裝有催化劑Y的反應器中反應（裝置見題20圖?1）。反應相同時間NOx的去除率隨反應溫度的變化曲線如題20圖?2所示，(1)催化劑活性隨溫度升高變大，后活性減小(2)溫度升高，反應速率增大(3)溫度升高，平衡正向移動(4)其他或不做答學生答題情況【思維障礙】首選“化學平衡”①在50～380℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，NOx的去除率先緩慢上升、后迅速上升、后又緩慢上升的主要原因是____；類型2：合作共贏例3（2021順義高三一模）在有氧條件下，新型催化劑Y能催化NH3與NOx反應生成N2。②將一定比例的O2、NH3和NOx的混合氣體，勻速通入裝有催化劑Y的反應器中反應（裝置見題20圖?1）。反應相同時間NOx的去除率隨反應溫度的變化曲線如題20圖?2所示，①在50～380℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，NOx的去除率先緩慢上升、后迅速上升、后上升緩慢的主要原因是____；②當反應溫度高于380℃時，NOx的去除率迅速下降的原因可能是_____________。

學生答題情況展示(1)催化劑活性降低、有副反應發(fā)生(2)催化劑活性降低或失去活性(3)完全反應、平衡移動、不做答【思維障礙】還是離不開“化學平衡”催化劑和溫度對反應速率的影響結論：催化劑對反應速率的影響遠遠大于溫度對反應速率的影響（催化劑高效性），工業(yè)上提高生產(chǎn)效率首先“催化劑”魯科版選擇性必修1p70魯科版選擇性必修1p73類型2：合作共贏例3（2021順義高三一模）在有氧條件下，新型催化劑M能催化NH3與NOx反應生成N2。②將一定比例的O2、NH3和NOx的混合氣體，勻速通入裝有催化劑M的反應器中反應（裝置見題20圖?1）。反應相同時間NOx的去除率隨反應溫度的變化曲線如題20圖?2所示，①在0～380℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，NOx的去除率先緩慢上升、后迅速上升、后上升緩慢的主要原因是____；②當反應溫度高于380℃時，NOx的去除率迅速下降的原因可能是_____________。思考與交流（1）在0~50℃范圍內(nèi)隨著溫度上升NOx的去除率緩慢升高主要原因是什么呢？（2）在50～150℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，NOx的去除率迅速上升的主要原因是什么呢？（3）在150～380℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，NOx的去除率均較高且上升緩慢的主要原因是什么呢？（4）當反應溫度高于380℃時，隨著溫度上升NOx的去除率迅速下降的原因可能是什么呢？類型2：合作共贏例3（2021順義高三一模）在有氧條件下，新型催化劑M能催化NH3與NOx反應生成N2。（3）將一定比例的O2、NH3和NOx的混合氣體，勻速通入裝有催化劑M的反應器中反應（裝置見題20圖?1）。反應相同時間NOx的去除率隨反應溫度的變化曲線如題20圖?2所示；①在0～380℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，NOx的去除率先緩慢上升、后迅速上升、后上升緩慢的主要原因是____；②當反應溫度高于380℃時，NOx的去除率迅速下降的原因可能是_____________。（1）在0~50℃范圍內(nèi)隨著溫度上升NOx的去除率緩慢升高主要原因是溫度升高。（2）在50～150℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，NOx的去除率迅速上升的主要原因是催化劑（活性高）和溫度共同作用的結果（3）在150～380℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，NOx的去除率均較高且上升緩慢的主要原因是催化劑的活性已經(jīng)很高了，主要是溫度升高化學反應速率加快。

（4）溫度高于380℃時，隨著溫度上升NOx的去除率迅速下降的原因可能是催化劑的活性降低、或者發(fā)生了副反應、后者是平衡逆向進行。

總結歸納1.反應速率迅速增大：是催化劑和溫度共同影響的結果。2.催化劑是有一定的活性溫度的，在一定溫度范圍內(nèi)，催化劑的活性最好，考慮反應速率，不但考慮催化劑，還要考慮溫度，引導學生樹立動態(tài)全面的觀點。3.影響反應速率往往催化劑是非常重要的一個方面。類型3：競爭優(yōu)先例4：CO2的資源化利用能有效減少CO2排放，充分利用碳資源。（3）CO2催化加氫合成二甲醚是一種CO2轉(zhuǎn)化方法，其過程中主要發(fā)生下列反應：反應Ⅰ：CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.2kJ·mol?1反應Ⅱ：2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(g)ΔH=﹣122.5kJ·mol?1在恒壓、CO2和H2的起始量一定的條件下，CO2平衡轉(zhuǎn)化率和平衡時CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化如圖。其中：①溫度低于300℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而減低的原因是_____。②溫度高于300℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而升高的原因是_____。思考與交流本題是從速率還是平衡角度考慮呢？升高溫度對反應I和反應II產(chǎn)生怎樣的影響呢？對CO2平衡轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生怎么影響呢？為什么低于3000CCO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低？

而高于3000CCO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升呢？反應I和反應II對CO２的轉(zhuǎn)化率貢獻存在競爭關系。溫度升高，反應I正移，CO2的轉(zhuǎn)化率增大；反應II逆移，使CO2轉(zhuǎn)化率降低。類型3：競爭優(yōu)先例4：CO2的資源化利用能有效減少CO2排放，充分利用碳資源。（3）CO2催化加氫合成二甲醚是一種CO2轉(zhuǎn)化方法，其過程中主要發(fā)生下列反應：反應Ⅰ：CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.2kJ·mol?1反應Ⅱ：2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(g)ΔH=﹣122.5kJ·mol?1在恒壓、CO2和H2的起始量一定的條件下，CO2平衡轉(zhuǎn)化率和平衡時CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化如圖。其中：①溫度低于300℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而減低的原因是_____。②溫度高于300℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而升高的原因是_____。反應Ⅰ吸熱，反應Ⅱ放熱，溫度升高使CO2轉(zhuǎn)化為CO的平衡轉(zhuǎn)化率上升，使CO2轉(zhuǎn)化為CH3OCH3的平衡轉(zhuǎn)化率下降，且上升幅度小于下降幅度.反應Ⅰ吸熱，反應Ⅱ放熱，溫度升高使CO2轉(zhuǎn)化為CO的平衡轉(zhuǎn)化率上升，使CO2轉(zhuǎn)化為CH3OCH3的平衡轉(zhuǎn)化率下降，且上升幅度超過下降幅度.教學啟示：這兩個反應屬于平行反應，相互競爭，最終看圖像看那個反應起主導作用。類型3：競爭優(yōu)先例5(2022年廣東揭陽）

思考交流這兩個反應是什么關系？2600C時CO轉(zhuǎn)化高而CH3OCH3產(chǎn)率低說明什么問題呢？反應①CO轉(zhuǎn)化成CH3OH的速率快，但反應②CH3OH轉(zhuǎn)化成CH3OCH3的速率慢，因此在固定時間內(nèi)CO轉(zhuǎn)化率高但CH3OCH3產(chǎn)率很低學生存在的問題：容易從平衡的角度答題。類型3：競爭優(yōu)先思考交流隨著溫度升高為什么CO轉(zhuǎn)化率降低？隨著溫度升高為什么CH3OCH3

產(chǎn)率先增加后降低呢？教學啟示:動力學與熱力競爭調(diào)控反應(5）為什么溫度升高，CO的轉(zhuǎn)降低呢？而二甲醚的產(chǎn)率先緩慢增大，后迅速增大，又緩慢增大，后又突然減小，分析原因

。反應①是快反應，很快達到平衡，升高溫度平衡逆向移動，CO轉(zhuǎn)化率降低。溫度260—270溫度升高，化學反應速率緩慢增大，原因是這個時候催化劑的活性還不高，主要是溫度升高速率加快；溫度270—280，催化劑的活性也增大，溫度和催化劑共同作用，使化學反應速率迅速增大；溫度280—290催化劑的活性已經(jīng)很高了，且反應物濃度下降速率減慢，這個時候，主要是只是溫度升高化學反應速率加快。290℃以后溫度升高，催化劑活性減低，平衡逆向移動，或發(fā)生副反應等，造成產(chǎn)率下降。例5(2022年廣東揭陽）

例6