老高考化學(xué)二輪復(fù)習(xí)講義專題12 化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡歸因分析

[復(fù)習(xí)目標(biāo)]1.掌握速率、平衡圖像的分析方法及類型。2.掌握實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的陌生圖像的分析方法。1．(2022·全國甲卷，28)金屬鈦(Ti)在航空航天、醫(yī)療器械等工業(yè)領(lǐng)域有著重要用途，目前生產(chǎn)鈦的方法之一是將金紅石(TiO2)轉(zhuǎn)化為TiCl4，再進(jìn)一步還原得到鈦?；卮鹣铝袉栴}：(1)TiO2轉(zhuǎn)化為TiCl4有直接氯化法和碳氯化法。在1000℃時(shí)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式及其平衡常數(shù)如下：(ⅰ)直接氯化：TiO2(s)＋2Cl2(g)=TiCl4(g)＋O2(g)ΔH1＝＋172kJ·mol－1，Kp1＝×10－2(ⅱ)碳氯化：TiO2(s)＋2Cl2(g)＋2C(s)=TiCl4(g)＋2CO(g)ΔH2＝－51kJ·mol－1，Kp2＝×1012Pa①反應(yīng)2C(s)＋O2(g)=2CO(g)的ΔH為________kJ·mol－1，Kp＝__________Pa。②碳氯化的反應(yīng)趨勢遠(yuǎn)大于直接氯化，其原因是______________________________。③對(duì)于碳氯化反應(yīng)：增大壓強(qiáng)，平衡________移動(dòng)(填“向左”“向右”或“不”)；溫度升高，平衡轉(zhuǎn)化率________(填“變大”“變小”或“不變”)。(2)在×105Pa，將TiO2、C、Cl2以物質(zhì)的量比1∶∶2進(jìn)行反應(yīng)。體系中氣體平衡組成比例(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))隨溫度變化的理論計(jì)算結(jié)果如圖所示。①反應(yīng)C(s)＋CO2(g)=2CO(g)的平衡常數(shù)Kp(1400℃)＝__________Pa。②圖中顯示，在200℃平衡時(shí)TiO2幾乎完全轉(zhuǎn)化為TiCl4，但實(shí)際生產(chǎn)中反應(yīng)溫度卻遠(yuǎn)高于此溫度，其原因是_________________________________________________________。(3)TiO2碳氯化是一個(gè)“氣固固”反應(yīng)，有利于TiO2C“固固”接觸的措施是___________________________________________________________________________________________。答案(1)①－223×1014②碳氯化反應(yīng)氣體分子數(shù)增加，ΔH＜0，是熵增、放熱過程，根據(jù)ΔG＝ΔH－TΔS可知ΔG＜0，故該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，而直接氯化的體系氣體分子數(shù)不變且是吸熱過程，反應(yīng)趨勢遠(yuǎn)小于碳氯化③向左變小(2)①×105②為了提高反應(yīng)速率，在相同時(shí)間內(nèi)得到更多的TiCl4產(chǎn)品，提高效益(3)將兩固體粉碎后混合，同時(shí)鼓入Cl2，使固體粉末“沸騰”解析(1)①根據(jù)蓋斯定律，將“反應(yīng)(ⅱ)－反應(yīng)(ⅰ)”得到反應(yīng)2C(s)＋O2(g)=2CO(g)，則ΔH＝－51kJ·mol－1－(＋172kJ·mol－1)＝－223kJ·mol－1；則Kp＝eq\f(Kp2,Kp1)＝eq\f(×1012×10－2)Pa＝×1014Pa；②碳氯化的反應(yīng)趨勢遠(yuǎn)大于直接氯化，因?yàn)樘悸然磻?yīng)氣體分子數(shù)增加，ΔH＜0，是熵增、放熱過程，根據(jù)ΔG＝ΔH－TΔS可知ΔG＜0，故該反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，而直接氯化的體系氣體分子數(shù)不變且是吸熱過程，反應(yīng)趨勢遠(yuǎn)小于碳氯化；③對(duì)于碳氯化反應(yīng)，氣體分子數(shù)增大，依據(jù)勒夏特列原理，增大壓強(qiáng)，平衡向氣體分子數(shù)減少的方向移動(dòng)，即平衡向左移動(dòng)；該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡向吸熱方向移動(dòng)，即向左移動(dòng)，則平衡轉(zhuǎn)化率變小。(2)①從圖中可知，1400℃時(shí)，體系中氣體平衡組成比例CO2是，TiCl4是，CO是，反應(yīng)C(s)＋CO2(g)=2CO(g)的平衡常數(shù)Kp(1400℃)＝eq\f(p總2p總)＝eq\f(××1052××105)Pa＝×105Pa；②實(shí)際生產(chǎn)中需要綜合考慮反應(yīng)的速率、產(chǎn)率等，以達(dá)到最佳效益，實(shí)際反應(yīng)溫度遠(yuǎn)高于200℃，就是為了提高反應(yīng)速率，在相同時(shí)間內(nèi)得到更多的TiCl4產(chǎn)品。(3)固體顆粒越小，比表面積越大，反應(yīng)接觸面積越大。有利于TiO2C“固固”接觸的措施為將兩者粉碎后混合，同時(shí)鼓入Cl2，使固體粉末“沸騰”，增大接觸面積。2.[2019·北京，27(1)]氫能源是最具應(yīng)用前景的能源之一，高純氫的制備是目前的研究熱點(diǎn)。甲烷水蒸氣催化重整是制高純氫的方法之一。①反應(yīng)器中初始反應(yīng)的生成物為H2和CO2，其物質(zhì)的量之比為4∶1，甲烷和水蒸氣反應(yīng)的方程式是_______________________________________________________________________。②已知反應(yīng)器中還存在如下反應(yīng)：ⅰ.CH4(g)＋H2O(g)=CO(g)＋3H2(g)ΔH1ⅱ.CO(g)＋H2O(g)=CO2(g)＋H2(g)ΔH2ⅲ.CH4(g)=C(s)＋2H2(g)ΔH3……ⅲ為積炭反應(yīng)，利用ΔH1和ΔH2計(jì)算ΔH3時(shí)，還需要利用____________________反應(yīng)的ΔH。③反應(yīng)物投料比采用n(H2O)∶n(CH4)＝4∶1，大于初始反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，目的是________(填字母)。a．促進(jìn)CH4轉(zhuǎn)化b．促進(jìn)CO轉(zhuǎn)化為CO2c．減少積炭生成④用CaO可以去除CO2。H2體積分?jǐn)?shù)和CaO消耗率隨時(shí)間變化關(guān)系如圖所示。從t1min時(shí)開始，H2體積分?jǐn)?shù)顯著降低，單位時(shí)間CaO消耗率________(填“升高”“降低”或“不變”)。此時(shí)CaO消耗率約為35%，但已失效，結(jié)合化學(xué)方程式解釋原因：_____________________________________________________________________________。答案①CH4＋2H2O(g)eq\o(=,\s\up7(催化劑))4H2＋CO2②C(s)＋2H2O(g)=CO2(g)＋2H2(g)[或C(s)＋CO2(g)=2CO(g)]③abc④降低CaO＋CO2=CaCO3，CaCO3覆蓋在CaO表面，減少了CO2與CaO的接觸面積解析①根據(jù)CH4與H2O反應(yīng)生成H2、CO2的物質(zhì)的量之比為4∶1，結(jié)合原子守恒可得反應(yīng)的化學(xué)方程式為CH4＋2H2O(g)eq\o(=,\s\up7(催化劑))4H2＋CO2。②根據(jù)蓋斯定律，由?。ⅲ；颌。ⅲ？傻媚繕?biāo)熱化學(xué)方程式。③反應(yīng)物的投料比n(H2O)∶n(CH4)＝4∶1，大于初始反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，H2O的物質(zhì)的量增加，有利于促進(jìn)CH4轉(zhuǎn)化，促進(jìn)CO轉(zhuǎn)化為CO2，防止CH4分解生成C(s)，從而減少積炭生成。④根據(jù)題圖可知，從t1時(shí)開始，CaO消耗率曲線的斜率逐漸減小，單位時(shí)間內(nèi)CaO消耗率逐漸降低。CaO與CO2反應(yīng)生成CaCO3，CaCO3會(huì)覆蓋在CaO表面，減少了CO2與CaO的接觸面積，從而失效。3．[2019·江蘇，20(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(yīng)：反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)＋H2(g)=CO(g)＋H2O(g)ΔH＝＋kJ·mol－1反應(yīng)Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)=CH3OCH3(g)＋3H2O(g)ΔH＝－kJ·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(shí)CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化如圖。其中：CH3OCH3的選擇性＝eq\f(2×CH3OCH3的物質(zhì)的量,反應(yīng)的CO2的物質(zhì)的量)×100%①溫度高于300℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因是________________________________________________________________________________________________________。②220℃時(shí)，在催化劑作用下CO2與H2反應(yīng)一段時(shí)間后，測得CH3OCH3的選擇性為48%(圖中A點(diǎn))。不改變反應(yīng)時(shí)間和溫度，一定能提高CH3OCH3選擇性的措施有________________。答案①反應(yīng)Ⅰ的ΔH＞0，反應(yīng)Ⅱ的ΔH＜0，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②增大壓強(qiáng)、使用對(duì)反應(yīng)Ⅱ催化活性更高的催化劑解析①反應(yīng)Ⅰ為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)Ⅱ?yàn)榉艧岱磻?yīng)，當(dāng)升高溫度時(shí)，反應(yīng)Ⅰ平衡正向移動(dòng)，CO2轉(zhuǎn)化為CO的平衡轉(zhuǎn)化率上升，反應(yīng)Ⅱ平衡逆向移動(dòng)，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。②反應(yīng)Ⅰ是氣體分子數(shù)不變的反應(yīng)，反應(yīng)Ⅱ是氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，所以可以通過加壓使反應(yīng)Ⅱ平衡正向移動(dòng)，或者加入有利于反應(yīng)Ⅱ進(jìn)行的催化劑。(一)選擇反應(yīng)最佳條件1．NH3還原技術(shù)是當(dāng)今最有效、最成熟的去除NOx的技術(shù)之一。使用V2O5/(TiO2SiO2)催化劑能有效脫除電廠煙氣中氮氧化物，發(fā)生脫硝主要反應(yīng)為4NO＋4NH3＋O2=4N2＋6H2O。除去NO反應(yīng)過程中提高氣體流速可提高催化劑的利用率，降低成本。氣體流速與NO轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如圖所示。為合理利用催化劑應(yīng)選擇________h－1的流速。答案10000解析氣體流速在5000～10000h－1時(shí)，NO的轉(zhuǎn)化率高，且轉(zhuǎn)化率不變，除去NO反應(yīng)過的流速。2．科學(xué)家研究了乙醇催化合成乙酸乙酯的新方法：2C2H5OH(g)eq\o(,\s\up7(催化劑),\s\do5(△))CH3COOC2H5(g)＋2H2(g)，在常壓下反應(yīng)，冷凝收集，測得常溫下液態(tài)收集物中主要產(chǎn)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖所示。則反應(yīng)溫度不宜超過__________________。答案300℃解析通過圖像分析得，當(dāng)溫度高于300℃時(shí)，乙酸乙酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始下降，所以反應(yīng)溫度不宜高于300℃。3．甲烷還原可消除NO污染。將NO、O2、CH4混合物按一定體積比通入恒容容器中，發(fā)生如下主要反應(yīng)：①CH4(g)＋2NO(g)＋O2(g)=N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)ΔH1＜0②CH4(g)＋4NO(g)=2N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)ΔH2＜0③CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(g)ΔH3＜0在催化劑A和B的分別作用下，NO的還原率和CH4的轉(zhuǎn)化率分別和溫度的關(guān)系如圖所示。由圖可知，消除NO的最佳條件是________________和催化劑________________。答案500℃A解析由圖可知，500℃時(shí)，在催化劑A的作用下NO還原率最高，是消除NO的最佳條件。4．利用NaClO2/H2O2酸性復(fù)合吸收劑可同時(shí)對(duì)NO、SO2進(jìn)行氧化得到硝酸和硫酸而除去。在溫度一定時(shí)，eq\f(nH2O2,nNaClO2)、溶液pH對(duì)脫硫脫硝的影響如圖所示：由圖所示可知脫硫脫硝最佳條件是_______________________________________________。答案pH在～、eq\f(nH2O2,nNaClO2)＝6解析根據(jù)圖示，pH在～、eq\f(nH2O2,nNaClO2)＝6時(shí)NO、SO2去除率最高。(二)解釋曲線發(fā)生某種現(xiàn)象的原因5．甲烷裂解制氫的反應(yīng)為CH4(g)=C(s)＋2H2(g)ΔH＝＋75kJ·mol－1，Ni和活性炭均可作該反應(yīng)催化劑。在相同氣體流量條件下，不同催化劑和進(jìn)料比[eq\f(VN2,VCH4)]對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化率的影響如圖所示。使用活性炭催化劑，且其他條件相同時(shí)，隨著進(jìn)料比的增大，甲烷的轉(zhuǎn)化率逐漸增大的原因是___________________________________________________________________________。答案氣體流量相同，V(CH4)越少，則反應(yīng)越充分，轉(zhuǎn)化率越大6．CO2催化加氫直接合成二甲醚的反應(yīng)為2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)ΔHmol－1，其他條件相同時(shí)，反應(yīng)溫度對(duì)CO2平衡總轉(zhuǎn)化率及反應(yīng)小時(shí)的CO2實(shí)際總轉(zhuǎn)化率影響如圖1所示；反應(yīng)溫度對(duì)二甲醚的平衡選擇性及反應(yīng)小時(shí)的二甲醚實(shí)際選擇性影響如圖2所示。(已知：CH3OCH3的選擇性＝eq\f(生成二甲醚的CO2物質(zhì)的量,反應(yīng)共耗CO2物質(zhì)的量)×100%)(1)圖1中，溫度高于290℃，CO2平衡總轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因可能是___________________________________________________________________________________________。(2)圖2中，在240～300℃范圍內(nèi)，相同溫度下，二甲醚的實(shí)際選擇性高于其平衡值，從化學(xué)反應(yīng)速率的角度解釋原因：_________________________________________________。答案(1)溫度高于290℃，隨著溫度升高，CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)平衡向右移動(dòng)的程度大于2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)平衡向左移動(dòng)的程度，使CO2的平衡總轉(zhuǎn)化率上升(2)CO2催化加氫直接合成二甲醚的反應(yīng)活化能較低，而合成二甲醚時(shí)的副反應(yīng)CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)活化能較高，所以二甲醚的實(shí)際選擇性高于其平衡值7．甲基環(huán)己烷催化脫氫()是石油工業(yè)制氫常見方法，以NiCu為催化劑，固定反應(yīng)溫度為650K，以氮?dú)鉃檩d氣，在不同載氣流速情況下，甲基環(huán)己烷脫氫轉(zhuǎn)化率如圖所示，b點(diǎn)轉(zhuǎn)化率能與a點(diǎn)保持相當(dāng)?shù)脑蚴莀___________________________。答案a點(diǎn)載氣流速較小，甲基環(huán)己烷的濃度較大，其在催化劑表面吸附及發(fā)生脫氫反應(yīng)的百分率較小，故其轉(zhuǎn)化率較??；適當(dāng)加快載氣流速可以減小反應(yīng)物的濃度，使反應(yīng)物在催化劑表面吸附及發(fā)生脫氫反應(yīng)的百分率變大，故甲基環(huán)己烷轉(zhuǎn)化率隨載氣流速適當(dāng)加快而提高；b點(diǎn)載氣流速過快，會(huì)使甲基環(huán)己烷在催化劑表面的反應(yīng)時(shí)間減少，導(dǎo)致甲基環(huán)己烷轉(zhuǎn)化率降低，因此，b點(diǎn)轉(zhuǎn)化率能與a點(diǎn)保持相當(dāng)8．工業(yè)上用SiO2和焦炭高溫下反應(yīng)制得粗硅，再經(jīng)如下2步反應(yīng)制得精硅：Si(s)＋3HCl(g)=SiHCl3(g)＋H2(g)ΔH＝－kJ·mol－1，SiHCl3(g)＋H2(g)=Si(s)＋3HCl(g)，反應(yīng)過程中可能會(huì)生成SiCl4。如圖所示，當(dāng)eq\f(nHCl,nSi)＞3，SiHCl3平衡產(chǎn)率減小的原因是_______________________________。答案SiHCl3參與了其他的反應(yīng)，導(dǎo)致平衡體系內(nèi)SiHCl3濃度降低，產(chǎn)率降低1．工業(yè)上可以通過硫化氫分解制得H2和硫蒸氣，其中H2S氣體的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示。(1)由圖可知，2H2(g)＋S2(g)2H2S(g)ΔH________(填“＞”或“＜”)0。(2)圖中壓強(qiáng)(p1、p2、p3)的大小順序?yàn)開_____________________，理由是__________________________________________________________________________________________________。答案(1)<(2)p3>p2>p1增大壓強(qiáng)，2H2S(g)2H2(g)＋S2(g)平衡逆向移動(dòng)，H2S氣體的平衡轉(zhuǎn)化率降低2．CO2催化(固體催化劑)加氫合成甲烷主反應(yīng)：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)ΔH1＝－165kJ·mol－1副反應(yīng)：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝＋kJ·mol－1在不同催化劑條件下反應(yīng)相同時(shí)間，測得CO2轉(zhuǎn)化率和生成CH4選擇性[CH4選擇性＝eq\f(n生成CH4,n轉(zhuǎn)化CO2)×100%]隨溫度變化的影響如圖所示。對(duì)比上述三種催化劑的催化性能，工業(yè)上選擇的催化劑是Ni－20CeO2/MCM－41，其使用的合適溫度為________(填字母)℃左右。A．300 B．340C．380 D．420當(dāng)溫度高于400℃時(shí)，CO2轉(zhuǎn)化率和生成CH4選擇性均有所下降，其原因可能是___________________________________________________________________________(答出一點(diǎn)即可)。答案CCO2甲烷化為放熱反應(yīng)，升溫，該反應(yīng)受到抑制；催化劑活性降低(催化劑表面積碳)；發(fā)生了其他副反應(yīng)(甲烷水蒸氣重整等)(任寫一條即可)解析據(jù)圖可知在使用Ni－20CeO2/MCM－41催化劑、溫度為380℃時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率和生成CH4選擇性均較高，故選C。3．2021年9月24日，我國科學(xué)家在《Science》上發(fā)表論文《無細(xì)胞化學(xué)酶法從二氧化碳合成淀粉》，代表著人類人工合成淀粉領(lǐng)域的重大顛覆性和原創(chuàng)性突破。該實(shí)驗(yàn)方法首先將CO2催化還原為CH3OH。探究CH3OH合成反應(yīng)的化學(xué)平衡影響因素，有利于提高CH3OH的產(chǎn)率。CO2和H2在某種催化劑作用下可同時(shí)發(fā)生以下兩個(gè)反應(yīng)：Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝－kJ·mol－1Ⅱ.2CO2(g)＋5H2(g)C2H2(g)＋4H2O(g)ΔH＝＋kJ·mol－1在壓強(qiáng)為p，CO2、H2的起始投料比為1∶3的條件下，發(fā)生反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ。實(shí)驗(yàn)測得CO2的平衡轉(zhuǎn)化率和平衡時(shí)CH3OH的選擇性隨溫度的變化如圖所示。已知：CH3OH的選擇性＝eq\f(CH3OH物質(zhì)的量,反應(yīng)的CO2物質(zhì)的量)×100%(1)有利于提高CH3OH的選擇性的措施有____________(填字母)。A．適當(dāng)降溫B．適當(dāng)升溫C．選擇合適的催化劑(2)溫度高于350℃時(shí)，體系中發(fā)生的反應(yīng)以______(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)為主，并說明理由：_______________________________________________________________________________。(3)其中表示平衡時(shí)CH3OH的選擇性的曲線是__________(填“a”或“b”)。答案(1)AC(2)Ⅱ反應(yīng)Ⅱ?yàn)槲鼰岱磻?yīng)，溫度較高，有利于吸熱反應(yīng)的進(jìn)行(3)b解析(1)由反應(yīng)Ⅰ可知生成CH3OH的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，根據(jù)勒夏特列原理，溫度降低，有利于平衡正向移動(dòng)，因此降溫可以提高CH3OH的選擇性；選擇有利于反應(yīng)Ⅰ進(jìn)行的催化劑，可以讓反應(yīng)更大程度甚至只進(jìn)行反應(yīng)Ⅰ，有利于提高甲醇的選擇性。(2)溫度高于350℃時(shí)，由于體系溫度較高，根據(jù)勒夏特列原理，有利于吸熱反應(yīng)的進(jìn)行，因此以反應(yīng)Ⅱ?yàn)橹鳌?3)反應(yīng)Ⅰ是生成CH3OH的反應(yīng)，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，CH3OH的選擇性降低，因此b為平衡時(shí)CH3OH的選擇性曲線，a為CO2的平衡轉(zhuǎn)化率曲線。4．通過生物柴油副產(chǎn)物甘油制取H2正成為將其高值化利用的一個(gè)重要研究方向。生物甘油水蒸氣重整制氫的主要反應(yīng)原理如下(反應(yīng)Ⅱ是水汽變換反應(yīng))：Ⅰ.C3H8O3(g)3CO(g)＋4H2(g)ΔH1＝＋251kJ·mol－1Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH2＝－41kJ·mol－1甘油水蒸氣重整制氫時(shí)，其他條件不變，在不同水醇比m[m＝n(H2O)∶n(C3H8O3)]時(shí)H2的平衡產(chǎn)率與溫度的關(guān)系如圖所示。(1)水醇比從大到小的順序是____________；在水醇比不變時(shí)H2的平衡產(chǎn)率隨溫度的升高先增大后又減小的主要原因是____________________________________________________。(2)該工藝中CO、CO2與H2反應(yīng)生成甲烷是主要副反應(yīng)(均為放熱反應(yīng))，實(shí)際生產(chǎn)中為抑制CH4的生成，提高氫氣的產(chǎn)率，可采取的措施有(不考慮壓強(qiáng)的影響)___________________(列舉2條)。答案(1)m1>m2>m3甘油的分解(反應(yīng)Ⅰ)是吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于H2生成，會(huì)使H2的凈含量增加，約900K左右達(dá)到極值，但升高溫度，有利于水汽變換反應(yīng)(反應(yīng)Ⅱ)的逆向進(jìn)行，會(huì)使H2的凈含量減小(2)適當(dāng)增大水醇比；適當(dāng)升高溫度；使用H2選擇性高的催化劑解析(1)根據(jù)蓋斯定律，Ⅰ＋3×Ⅱ得反應(yīng)C3H8O3(g)＋3H2O(g)3CO2(g)＋7H2(g)ΔH2＝＋128kJ·mol－1，當(dāng)C3H8O3(g)的物質(zhì)的量固定，水的量越多，氫氣的產(chǎn)率越高，即水醇比越大，氫氣產(chǎn)率越高，故水醇比的大小順序?yàn)閙1>m2>m3。(2)該工藝中CO、CO2與H2反應(yīng)生成甲烷是主要副反應(yīng)(均為放熱反應(yīng))，重整反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所以可以升高溫度，有利于發(fā)生重整反應(yīng)生成氫氣；還可以使用H2選擇性高的催化劑、適當(dāng)增大水醇比都有利于提高氫氣的產(chǎn)率。5．利用CO2與H2合成甲醇涉及的主要反應(yīng)如下：a．CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔHb．CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH＝＋41kJ·mol－1一定條件下向某剛性容器中充入物質(zhì)的量之比為1∶3的CO2和H2發(fā)生上述反應(yīng)，在不同催化劑(，)下經(jīng)相同反應(yīng)時(shí)間，CO2的轉(zhuǎn)化率和甲醇的選擇性[甲醇的選擇性＝eq\f(nCH3OH,nCO＋nCH3OH)×100%]隨溫度的變化如圖所示：(1)由圖可知，催化效果(填“>”“<”或“＝”)。(2)在210～270℃間，CH3OH的選擇性隨溫度的升高而下降，可能的原因?yàn)開___________________________________________________________________(寫出一條即可)。答案(1)>(2)溫度升高，催化劑的活性降低(或反應(yīng)b為吸熱反應(yīng)，溫度升高更有利于反應(yīng)b進(jìn)行)解析(1)由圖可知，相同溫度時(shí)，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率和甲醇的選擇性均高于，則催化效果強(qiáng)于。專題強(qiáng)化練1．研究碳及其化合物的資源化利用具有重要的意義。已知下列熱化學(xué)方程式：反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)ΔH1＝－kJ·mol－1反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝＋kJ·mol－1將n(CO2)∶n(H2)＝1∶4的混合氣體充入密閉容器中發(fā)生上述反應(yīng)Ⅰ、Ⅱ，在不同溫度和壓強(qiáng)時(shí)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率如圖。MPa時(shí)，CO2的轉(zhuǎn)化率在600℃之后，隨溫度升高而增大的主要原因是______________________________________________________________。答案反應(yīng)Ⅰ的ΔH1<0，反應(yīng)Ⅱ的ΔH2>0，600℃之后，溫度升高，反應(yīng)Ⅱ向右移動(dòng)，二氧化碳減少的量比反應(yīng)Ⅰ向左移動(dòng)二氧化碳增加的量多2．在剛性密閉容器中充入一定量的C2H2(g)和H2(g)，發(fā)生反應(yīng)：C2H2(g)＋H2(g)C2H4(g)。其他條件相同，在Cat1、Cat2兩種催化劑作用下，反應(yīng)相同時(shí)間時(shí)C2H2的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖所示。(1)催化效率較高的是__________(填“Cat1”或“Cat2”)；b點(diǎn)____________(填“達(dá)到”或“未達(dá)到”)平衡。(2)溫度高于300℃，升高溫度，b→c的原因可能是______________________(答1條即可)。答案(1)Cat2未達(dá)到(2)催化劑的活性降低解析(1)由圖可知，溫度相同時(shí)，在Cat2作催化劑的條件下，C2H2的轉(zhuǎn)化率更高，故Cat2的催化效率較高；催化劑改變反應(yīng)速率，不改變平衡時(shí)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率，由圖可知，其他條件不變時(shí)使用Cat2作催化劑時(shí)C2H2的轉(zhuǎn)化率高于b點(diǎn)，說明b點(diǎn)未達(dá)到平衡。(2)溫度高于300℃，升高溫度，b→c段C2H2的轉(zhuǎn)化率降低，原因可能是催化劑的活性降低。3．煤化工通常研究不同條件下CO轉(zhuǎn)化率以解決實(shí)際問題。已知在催化劑存在條件下反應(yīng)：(1)上述反應(yīng)的正反應(yīng)是____________(填“吸熱”或“放熱”)反應(yīng)。(2)若提高eq\f(nH2O,nCO)比例，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)K會(huì)________(填“變大”“變小”或“不變”)。(3)若降低溫度，反應(yīng)重新達(dá)到平衡，則v正______(填“增大”“減小”或“不變”，下同)；CO轉(zhuǎn)化率__________________。(4)在使用鐵鎂催化劑的實(shí)際流程中，一般采用400℃左右，采用此溫度的原因是_____________________________________________________________________________。答案(1)放熱(2)不變(3)減小增大(4)催化劑活性最高解析(1)由圖像知，eq\f(nH2O,nCO)相同時(shí)，隨溫度升高，CO的平衡轉(zhuǎn)化率降低，所以正反應(yīng)是放熱反應(yīng)。(2)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，若提高eq\f(nH2O,nCO)比例，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)K不變。(3)若降低溫度，平衡正向移動(dòng)，CO的濃度減小，反應(yīng)重新達(dá)到平衡，則v正減小，CO的轉(zhuǎn)化率增大。4．二甲醚既是重要的工業(yè)品，也是燃料電池制氫的重要原料。二甲醚水蒸氣重整制氫的總反應(yīng)為CH3OCH3(g)＋(1＋2x)H2O(g)(4＋2x)H2(g)＋(2－2x)CO(g)＋2xCO2(g)，其過程包括：Ⅰ.CH3OCH3(g)＋H2O(g)2CH3OH(g)ΔH1＝＋kJ·mol－1Ⅱ.CH3OH(g)＋H2O(g)CO2(g)＋3H2(g)ΔH2＝＋kJ·mol－1Ⅲ.CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g)ΔH3＝＋kJ·mol－1Ⅳ.CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH4＝－kJ·mol－1CO2的選擇性(eq\f(產(chǎn)生CO2的物質(zhì)的量,產(chǎn)生CO和CO2的總物質(zhì)的量))與水醚比[eq\f(nH2O,nCH3OCH3)]和溫度的關(guān)系如圖1所示；423K時(shí)，平衡時(shí)H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與水醚比的關(guān)系如圖2所示：(1)圖1中相同溫度下，水醚比越大，CO2的選擇性越高的原因是________________________；相同水醚比時(shí)，溫度升高，CO2的選擇性降低的原因是______________________________。(2)圖2中水醚比大于3時(shí)，隨水醚比的增大H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)減小的原因是_____________________________________________________________________________________________。答案(1)提高水醚比有利于反應(yīng)Ⅱ、Ⅳ正向進(jìn)行溫度升高時(shí)，反應(yīng)Ⅱ正向進(jìn)行增加的CO2的量小于反應(yīng)Ⅳ逆向進(jìn)行減少的CO2的量(2)水醚比大于3時(shí)，再增大水醚比，氣體的總物質(zhì)的量及H2O(g)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)均增大(或過量的水蒸氣產(chǎn)生稀釋作用)解析(1)反應(yīng)Ⅱ、Ⅳ會(huì)生成CO2，提高水醚比有利于反應(yīng)Ⅱ、Ⅳ正向進(jìn)行；反應(yīng)Ⅱ?yàn)槲鼰岱磻?yīng)，反應(yīng)Ⅳ為放熱反應(yīng)，溫度升高時(shí)，反應(yīng)Ⅱ正向進(jìn)行增加的CO2的量小于反應(yīng)Ⅳ逆向進(jìn)行減少的CO2的量，導(dǎo)致CO2的選擇性降低。(2)水醚比大于3時(shí)，再增大水醚比，氣體的總物質(zhì)的量及H2O(g)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)均增大，且過量的水蒸氣產(chǎn)生稀釋作用，所以隨水醚比的增大H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)減小。5．CO2和H2合成甲烷也是CO2資源化利用的重要方法。對(duì)于反應(yīng)CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)ΔH＝－165kJ·mol－1，催化劑的選擇是CO2甲烷化技術(shù)的核心。在兩種不同催化劑條件下反應(yīng)相同時(shí)間，測得CO2轉(zhuǎn)化率和生成CH4選擇性隨溫度變化的影響如圖所示：(1)高于320℃后，以NiCeO2為催化劑，CO2轉(zhuǎn)化率略有下降，而以Ni為催化劑，CO2轉(zhuǎn)化率仍在上升，其原因是______________________________________________________。(2)對(duì)比上述兩種催化劑的催化性能，工業(yè)上應(yīng)選擇的催化劑是____________________，使用的合適溫度為______________________。答案(1)320℃時(shí)，以NiCeO2為催化劑，CO2甲烷化反應(yīng)已達(dá)平衡，升高溫度平衡左移；以Ni為催化劑，CO2甲烷化反應(yīng)速率較慢，升高溫度反應(yīng)速率加快，反應(yīng)相同時(shí)間時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率增加(2)NiCeO2320℃解析(2)根據(jù)圖像分析可知，溫度適宜(320℃)時(shí)，以NiCeO2為催化劑明顯比以Ni為催化劑時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率高，且催化劑選擇性強(qiáng)，所以應(yīng)選擇NiCeO2為催化劑，最佳溫度為320℃。6．一定條件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化劑對(duì)燃煤煙氣回收。反應(yīng)為2CO(g)＋SO2(g)2CO2(g)＋S(l)ΔH＝－270kJ·mol－1。(1)其他條件相同、催化劑不同，SO2的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的變化如圖1，F(xiàn)e2O3和NiO作催化劑均能使SO2的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高，不考慮催化劑價(jià)格因素，選擇Fe2O3的主要優(yōu)點(diǎn)是______________________________________________________________________________。(2)某科研小組用Fe2O3作催化劑，在380℃時(shí)，分別研究了n(CO)∶n(SO2)為1∶1、3∶1時(shí)SO2轉(zhuǎn)化率的變化情況(圖2)。則圖2中表示n(CO)∶n(SO2)＝3∶1的變化曲線為______(填“a”或“b”)。答案(1)Fe2O3作催化劑時(shí)，在相對(duì)較低溫度可獲得較高的SO2轉(zhuǎn)化率，從而節(jié)約能源(2)a解析(1)根據(jù)圖1可知，F(xiàn)e2O3和NiO作催化劑均能使SO2的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高，不考慮催化劑價(jià)格因素，選擇Fe2O3的主要優(yōu)點(diǎn)是Fe2O3作催化劑時(shí)，在相對(duì)較低溫度可獲得較高的SO2轉(zhuǎn)化率，從而節(jié)約能源。(2)在其他條件不變時(shí)，增大CO的濃度，可以提高SO2的平衡轉(zhuǎn)化率。由圖2可知轉(zhuǎn)化率：a＞b，所以曲線a表示n(CO)∶n(SO2)＝3∶1的變化曲線，曲線b表示n(CO)∶n(SO2)＝1∶1的變化曲線。7．二甲醚催化重整制氫的反應(yīng)過程主要包括以下幾個(gè)反應(yīng)(以下數(shù)據(jù)為25℃、×105Pa條件下測定)：Ⅰ：CH3OCH3(g)＋H2O(l)2CH3OH(l)ΔH>0Ⅱ：CH3OH(l)＋H2O(l)CO2(g)＋3H2(g)ΔH>0Ⅲ：CO(g)＋H2O(l)CO2(g)＋H2(g)ΔH<0Ⅳ：CH3OH(l)CO(g)＋2H2(g)ΔH>0工業(yè)生產(chǎn)中測得不同溫度下各組分體積分?jǐn)?shù)及二甲醚轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如圖所示：你認(rèn)為反應(yīng)控制的最佳溫度應(yīng)為__________________________________(填字母)。A．300～350℃ B．350～400℃C．400～450℃ D．450～500℃答案C解析由圖1可看出在T＞400℃時(shí)，二甲醚的體積分?jǐn)?shù)很小，而H2的含量較高，CO2、CO的含量較低且變化趨勢不再明顯，而由圖2達(dá)到450℃時(shí)，二甲醚的轉(zhuǎn)化率已很高，升高溫度變化不明顯，綜合圖1、圖2和生產(chǎn)成本，溫度應(yīng)控制在400～450℃最合適。8．在一定條件下，向恒容密閉容器中充入molCO2和molH2，在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生如下轉(zhuǎn)化：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝－xkJ·mol－1(x>0)。在不同催化劑作用下，相同時(shí)間內(nèi)CO2的轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化如圖所示：(1)催化效果最佳的是催化劑______(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)；b點(diǎn)v正______(填“>”“<”或“＝”)v逆。(2)此反應(yīng)在a點(diǎn)時(shí)已達(dá)到平衡狀態(tài)，a點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率比c點(diǎn)高的原因是_____________________。答案(1)Ⅰ>(2)該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)解析(1)根據(jù)圖示可知，相同溫度時(shí)，在催化劑Ⅰ的作用下，反應(yīng)相同時(shí)間內(nèi)CO2的轉(zhuǎn)化率最大，因此催化劑Ⅰ的效果最好；b點(diǎn)時(shí)反應(yīng)還未達(dá)到平衡狀態(tài)，CO2的轉(zhuǎn)化率還會(huì)繼續(xù)增大，反應(yīng)正向進(jìn)行，因此v正＞v逆。(2)該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，a點(diǎn)時(shí)達(dá)到平衡，從a點(diǎn)到c點(diǎn)，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，CO2的轉(zhuǎn)化率下降。9．丙烷氧化脫氫法制備丙烯的主要反應(yīng)如下：C3H8(g)＋eq\f(1,2)O2(g)C3H6(g)＋H2O(g)ΔH2＝－118kJ·mol－1在催化劑作用下，C3H8氧化脫氫除生成C3H6外，還生成CO、CO2等物質(zhì)。C3H8的轉(zhuǎn)化率和C3H6的產(chǎn)率隨溫度變化關(guān)系如圖所示。(1)圖中C3H8的轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因是__________________________。(2)575℃時(shí)，C3H6的選擇性為_______________________________。(結(jié)果保留3位有效數(shù)字，C3H6的選擇性＝eq\f(C3H6的物質(zhì)的量,反應(yīng)的C3H8的物質(zhì)的量)×100%)(3)基于本研究結(jié)果，能提高C3H6選擇性的措施是_______________________________。答案(1)溫度升高，催化劑的活性增大(2)51.5%(3)選擇相對(duì)較低的溫度解析(1)該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，C3H8的轉(zhuǎn)化率應(yīng)該降低，但實(shí)際上C3H8的轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升，可能是升高溫度，催化劑的活性增大導(dǎo)致的。(2)根據(jù)圖像，575℃時(shí)，C3H8的轉(zhuǎn)化率為33%，C3H6的產(chǎn)率為17%，假設(shè)參加反應(yīng)的C3H8為100mol，生成的C3H6為17mol，C3H6的選擇性為eq\f(17,33)×100%≈51.5%。(3)根據(jù)圖像，535℃時(shí)，C3H6的選擇性為eq\f(4,6)×100%≈66.7%,550℃時(shí)，C3H6的選擇性為eq\f(8,13)×100%≈61.5%,575℃時(shí)，C3H6的選擇性為eq\f(17,33)×100%≈51.5%，故選擇相對(duì)較低的溫度能夠提高C3H6選擇性。10．在密閉容器中充入5molCO和4molNO，發(fā)生反應(yīng)：2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)ΔH＝－kJ·mol－1，圖1為平衡時(shí)NO的體積分?jǐn)?shù)與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系。(1)溫度：T1________(填“＜”或“＞”)T2。(2)若在D點(diǎn)對(duì)反應(yīng)容器升溫的同時(shí)擴(kuò)大體積使體系壓強(qiáng)減小，重新達(dá)到的平衡狀態(tài)可能是圖中A～G點(diǎn)中的________點(diǎn)。(3)某研究小組探究催化劑對(duì)CO、NO轉(zhuǎn)化的影響。將NO和CO以一定的流速通過兩種不同的催化劑進(jìn)行反應(yīng)，相同時(shí)間內(nèi)測量逸出氣體中NO含量，從而確定尾氣脫氮率(脫氮率即NO的轉(zhuǎn)化率)，結(jié)果如圖2所示。溫度低于200℃時(shí)，圖2中曲線Ⅰ脫氮率隨溫度升高而變化不大的主要原因?yàn)開________________________________；a點(diǎn)________(填“是”或“不是”)對(duì)應(yīng)溫度下的平衡脫氮率，說明其理由：_______________________________________。答案(1)＞(2)A(3)溫度較低時(shí)，催化劑的活性偏低不是