2022届高考化学人教版二轮专题复习训练-热练(六)和化工生产有关的曲线的分析与应用

热练(六)和化工生产有关的曲线的分析与应用1．CO2催化加氢合成甲醇(反应Ⅱ)中伴随着反应Ⅰ的发生：反应Ⅰ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH＝＋41kJ·mol－1反应Ⅱ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝－49kJ·mol－1恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下，CO2平衡转化率和平衡时CH3OH的选择性随温度的变化如图。其中：CH3OH的选择性＝eq\f(CH3OH的物质的量,反应的CO2的物质的量)×100%。(1)温度高于300℃，CO2平衡转化率随温度的升高而上升的原因是____________________________________________________________________________________________________。(2)220℃时，在催化剂作用下CO2与H2反应一段时间后，测得CH3OH的选择性为48%(图中A点)。不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OH选择性的措施有_________________(写出两点)。答案(1)反应Ⅰ的ΔH＞0，反应Ⅱ的ΔH＜0，温度升高使CO2转化为CO的平衡转化率上升，使CO2转化为CH3OH的平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度(2)增大压强；使用对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂解析(1)由题干可知：反应Ⅰ的ΔH＞0，故温度升高使CO2转化为CO的平衡转化率上升；而反应Ⅱ的ΔH＜0，故温度升高使CO2转化为CH3OH的平衡转化率下降，但由于上升幅度超过下降幅度，最终导致CO2的平衡转化率上升。(2)根据CH3OH的选择性＝eq\f(CH3OH的物质的量,反应的CO2的物质的量)×100%，想提高其选择性，应该使得平衡向生成CH3OH的方向移动，温度不能改变，只能改变压强和浓度，若增大H2的浓度，反应Ⅰ也向正向移动，CH3OH的选择性不一定提高，但是增大压强，反应Ⅰ平衡不移动，反应Ⅱ平衡正向移动，CH3OH的选择性一定提高，同时也可通过改变催化剂来控制反应Ⅱ和反应Ⅰ的发生，寻找一种对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂来提高其选择性。2．丙烯是三大合成材料的基本原料之一，可用于生产多种重要有机化工原料。由丙烷制丙烯的两种方法如下：Ⅰ.丙烷氧化脱氢法：C3H8(g)＋eq\f(1,2)O2(g)C3H6(g)＋H2O(g)ΔH1Ⅱ.丙烷无氧脱氢法：C3H8(g)C3H6(g)＋H2(g)ΔH2＝＋124kJ·mol－1请回答下列问题：(1)已知H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(g)ΔH＝－242kJ·mol－1，由此计算ΔH1＝________kJ·mol－1。(2)在催化剂作用下，C3H8氧化脱氢除生成C3H6外，还生成CO、CO2等物质。C3H8的转化率和C3H6的产率随温度变化关系如图所示。①图中C3H8的转化率随温度升高而上升的原因是__________________________________________________________________________________________________________________。②在550℃时，C3H6的选择性为__________(保留1位小数)(C3H6的选择性＝eq\f(C3H6的物质的量,反应的C3H8的物质的量)×100%)。③C3H6的选择性：550℃________575℃(填“大于”或“小于”)。答案(1)－118(2)①温度升高，反应速率加快②61.5%③大于解析(1)根据盖斯定律，把C3H8(g)C3H6(g)＋H2(g)ΔH2＝＋124kJ·mol－1和H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(g)ΔH＝－242kJ·mol－1相加即得C3H8(g)＋eq\f(1,2)O2(g)C3H6(g)＋H2O(g)ΔH1＝＋124kJ·mol－1－242kJ·mol－1＝－118kJ·mol－1。(2)①该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，C3H8的转化率应该降低，但实际上C3H8的转化率随温度的升高而增大，可能是升高温度，催化剂的活性增大，反应速率加快的缘故。②由图可知，550℃时，C3H8的转化率为13%，C3H6的产率为8%，设参加反应的C3H8为100mol，则生成的C3H6为8mol，则C3H6的选择性为eq\f(8mol,13mol)×100%≈61.5%。③550℃时，C3H6的选择性为61.5%,575℃时，C3H6的选择性为eq\f(17,33)×100%≈51.5%，因此550℃时C3H6的选择性大于575℃时C3H6的选择性。3．合成气是一种重要的化工原料气，可以合成甲醇、甲酸甲酯、二甲醚等化工产品。甲烷、二氧化碳自热重整制合成气的主要反应有：Ⅰ.CH4(g)＋2O2(g)→CO2(g)＋2H2O(g)ΔH1＝－820.6kJ·mol－1Ⅱ.CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)ΔH2＝＋247.3kJ·mol－1Ⅲ.CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)ΔH3＝＋206.1kJ·mol－1Ⅳ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH4回答下列问题：(1)反应Ⅳ的ΔH4＝________kJ·mol－1。(2)不同温度下，向体积为VL的含少量O2的密闭容器按照n(CO2)∶n(CH4)＝1投料，实验测得平衡时n(H2)∶n(CO)随温度的变化关系如图1所示：①压强p1、p2、p3由大到小的顺序为______________，判断的依据是______________。②压强为p2时，随着温度升高，n(H2)∶n(CO)先增大后减小。解释温度Tm前后，随着温度升高n(H2)∶n(CO)变化的原因分别是_________________________________________________________________________________________________________________。③根据图1、图2，为提高CO的选择性可采取的措施为______(填字母)。A．提高n(O2)∶n(CH4)比例B．降低n(CO2)∶n(CH4)比例C．高温、高压D．低温、低压答案(1)＋41.2(2)①p3>p2>p1反应Ⅱ、Ⅲ是气体分子数目增大的反应，减小压强平衡正向移动，n(H2)增加的程度大于n(CO)增加的程度②升高温度平衡Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ均正向移动，T<Tm时，升高温度对反应Ⅱ、Ⅲ的促进作用大于反应Ⅳ，n(H2)增加的更多；T>Tm后，对反应Ⅳ的促进作用更大，n(CO)增加的更多③AC解析(1)根据盖斯定律，反应Ⅳ＝Ⅱ－Ⅲ，则ΔH4＝ΔH2－ΔH3＝＋247.3kJ·mol－1－206.1kJ·mol－1＝＋41.2kJ·mol－1。(2)①由反应可知，反应Ⅱ、Ⅲ是气体分子数目增大的反应，减小压强平衡正向移动，n(H2)增加的程度大于n(CO)增加的程度，则压强p1、p2、p3由大到小的顺序为p3>p2>p1。③根据图2，提高n(O2)∶n(CH4)比例，可提高CO的选择性，故A符合题意；根据图2，降低n(CO2)∶n(CH4)比例，不能提高CO的选择性，故B不符合题意；根据图1，升高温度、增大压强时，n(H2)∶n(CO)比例减小，即CO的选择性提高，故C符合题意；根据C项分析，低温、低压时CO的选择性降低，故D不符合题意。4．CH4—CO2重整技术是实现“碳中和”的一种理想的CO2利用技术，具有广阔的市场前景、经济效应和社会意义。该过程中涉及的反应如下。主反应：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)ΔH1副反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝＋41.0kJ·mol－1回答下列问题：，该催化重整主反应的ΔH1＝________kJ·mol－1。有利于提高CO2平衡转化率的条件是________(填字母)。A．高温高压 B．高温低压C．低温高压 C．低温低压(2)在刚性密闭容器中，进料比eq\f(nCO2,nCH4)分别等于1.0、1.5、2.0，且反应达到平衡状态。①甲烷的质量分数随温度变化的关系如图甲所示，曲线c对应的eq\f(nCO2,nCH4)＝________；②反应体系中，eq\f(nH2,nCO)随温度变化的关系如图乙所示，随着进料比eq\f(nCO2,nCH4)的增加，eq\f(nH2,nCO)的值____________(填“增大”“不变”或“减小”)，其原因是____________________________________________________________________________________________。答案(1)＋247.3B(2)①2.0②减小随着投料比eq\f(nCO2,nCH4)的增加，n(CO2)增大，副反应平衡正向移动，导致n(CO)增多，n(H2)减少，eq\f(nH2,nCO)的值减小解析(1)根据题中所给条件，可以列出：CH4(g)＋2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l)ΔH3＝－890.3kJ·mol－1CO(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=CO2(g)ΔH4＝－283.0kJ·mol－1H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(l)ΔH5＝－285.8kJ·mol－1，根据盖斯定律可得ΔH1＝ΔH3－2×(ΔH4＋ΔH5)＝－890.3kJ·mol－1－2×(－283.0kJ·mol－1－285.8kJ·mol－1)＝＋247.3kJ·mol－1；主反应：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，反应物化学计量数之和小于生成物化学计量数之和，并且该反应为吸热反应，故高温低压有利于二氧化碳的转化。(2)①甲烷的质量分数为eq\f(16nCH4,44nCO2＋16nCH4)＝eq\f(16,\f(44nCO2,nCH4)＋16)，由a、b、c三条曲线的起始投入甲烷的质量分数可知，甲烷的质量分数越大，eq\f(nCO2,nCH4)越小，故曲线c对应的eq\f(nCO2,nCH4)＝2.0。②可对比同一温度下，三条曲线的横坐标的大小，由图可知随着进料比eq\f(nCO2,nCH4)的增加，eq\f(nH2,nCO)的值减小，其原因是随着进料比eq\f(nCO2,nCH4)的增加，n(CO2)增大，副反应平衡正向移动，导致n(CO)增多，n(H2)减少，eq\f(nH2,nCO)的值减小。5．乙醇水蒸气重整制氢是一种来源广泛的制备氢气的方法，主要反应为①C2H5OH(g)＋3H2O(g)6H2(g)＋2CO2(g)ΔH1同时发生如下反应：②C2H5OH(g)H2(g)＋CO(g)＋CH4(g)ΔH2＝＋49.6kJ·mol－1③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)ΔH3＝－41.4kJ·mol－1(1)根据图1信息，计算反应①的ΔH1＝______________________________________________。(2)已知在某催化剂作用下，乙醇的转化率、氢气的产率和体系中含碳物质百分含量随温度的变化如图2所示。随着温度的升高，CO2的百分含量先增大后减小的原因为_______________________________________________________________________________________________；催化剂发挥作用的最佳温度是_____________________________________________________。(3)Akande等研究了NiAl2O3催化剂上乙醇水蒸气重整反应的性能，提出了粗略的反应机理，如图3所示，其中C2H5OH分解为该反应的决速步骤。①在此反应历程中，所需活化能最大的步骤是_________________________________。②反应物在催化剂表面的吸附，对于此反应的进行起着至关重要的作用，可以提高C2H5OH在催化剂表面的吸附速率的措施为________(填字母)。a．提高水蒸气的浓度b．增大乙醇蒸气的分压c．增大催化剂的比表面积d．降低产物浓度③乙醇水蒸气重整制氢反应，在其他条件一定的情况下，不同催化剂对氢气产率的影响如图4所示，M点处氢气的产率____________(填“可能是”“一定是”或“一定不是”)该反应的平衡产率，原因为___________________________________________________________。答案(1)＋183.5kJ·mol－1(2)低温时以反应①为主，反应①为吸热反应，随着温度的升高平衡正向移动，CO2的产率增大，高温时以反应③为主，反应③为放热反应，随着温度升高平衡逆向移动，产率下降723K(3)①步骤Ⅱ②bc③一定不是M点处氢气的产率小于其他催化剂作用下氢气的产率，催化剂不影响平衡转化率。(2)低温时以反应①为主，反应①为吸热反应，随着温度的升高平衡正向移动，CO2的产率增大，高温时以反应③为主，反应③为放热反应，随着温度升高平衡逆向移动，产率下降；由图像可知，723K时二氧化碳的百分含量最高，乙醇的转化率较大，温度高于723K二氧化碳的含量反而减小，所以最佳温度为723K。(3)①反应的决速步，速率最小，活化能最大，故所需活化能最大的步骤是步骤Ⅱ。6．将CO2转化成C2H4可以变废为宝、改善环境。以CO2、C2H6为原料合成C2H4涉及的主要反应如下：①C2H6(g)=CH4(g)＋H2(g)＋C(s)ΔH1＝＋9kJ·mol－1②C2H4(g)＋H2(g)=C2H6(g)ΔH2＝－136kJ·mol－1③H2(g)＋CO2(g)=H2O(g)＋CO(g)ΔH3＝＋41kJ·mol－1(1)CO2、C2H6为原料合成C2H4的主要反应：CO2(g)＋C2H6(g)=C2H4(g)＋H2O(g)＋CO(g)ΔH＝________；任意写出两点加快该反应速率的方法：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)0.1MPa时向密闭容器中充入CO2和C2H6，发生反应CO2(g)＋C2H6(g)=C2H4(g)＋H2O(g)＋CO(g)，温度对催化剂K—Fe—Mn/Si—2性能的影响如图所示：①工业生产综合各方面的因素，反应选择800℃的原因是____________________________________________________________________________________________________。②C2H6的转化率随着温度的升高始终高于CO2的原因是____________________________________________________________________________________________________________。③800℃时，随着eq\f(VCO2,VC2H6)的比值增大，CO2转化率将________(填“增大”或“减小”)。答案(1)＋177kJ·mol－1升温；加压；增大反应物的浓度；选择合适的催化剂(任写两点即可)(2)①800℃时，CO2的转化率增大较多，有利于提高C2H4的产率；800℃时，C2H4选择性与820℃相比略高②温度升高促使反应①向正反应方向进行，C2H6的转化率升高③减小解析(1)由题干结合盖斯定律可知，③－②可得主要反应CO2(g)＋C2H6(g)=C2H4(g)＋H2O(g)＋CO(g)，ΔH＝ΔH3－ΔH2＝＋41kJ·mol－1－(－136kJ·mol－1)＝＋177kJ·mol－1，加快反应速率的方法有升高反应温度、增大压强、使用合适的催化剂以及增大反应物浓度等。(2)①由题干图示可知，800℃时，CO2的转化率增大较多，有利于提高C2H4的产率；800℃时，C2H4选择性与820℃相比略高。②由题干信息可知，温度升高促使反应①向正反应方向进行，C2H6的转化率升高，故C2H6的转化率随着温度的升高始终高于CO2。③根据勒夏特列原理可知，800℃时，eq\f(VCO2,VC2H6)增大，即增大CO2的浓度，平衡向正反应方向移动，C2H6的转化率增大，而CO2的转化率减小。7．羰基硫(COS)是一种粮食熏蒸剂，能防治某些害虫和真菌的危害。以FeOOH作催化剂，分别以CO和CO2为碳源，与H2S反应均能产生COS，反应如下：反应Ⅰ：CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g)反应Ⅱ：CO2(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2O(g)(1)以CO为碳源制COS反应分两步进行，其反应过程能量变化如图所示。①CO(g)＋H2S(g)COS(g)＋H2(g)ΔH＝________________________________________。②决定COS生成速率的步骤是________(填“第1步”或“第2步”)。(2)在密闭容器中按下表投料，分别发生反应Ⅰ和反应Ⅱ(N2不参与反应)，反应时间和压强相同时，测得COS的物质的量分数随温度变化关系如图实线所示(虚线表示平衡曲线)。反应Ⅰ反应Ⅱ起始投料COH2SN2CO2H2SN2起始物质的量分数/%11981198①已知相同条件下，反应Ⅰ速率比反应Ⅱ快。反应Ⅰ的平衡曲线是__________(填字母)。800～1200℃时，曲线d中COS物质的量分数不断增大，原因是______________________________________________________________________