2023届新高考化学选考一轮总复习训练-专题突破4　化学平衡图像的分析与绘制

专题突破4化学平衡图像的分析与绘制课时训练1.(2021·嘉兴期末节选)在双功能催化剂作用下,由CO2加氢可以合成二甲醚,涉及以下主要反应。反应1(甲醇合成).CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)反应2(甲醇脱水).2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)反应3(逆水汽变换):CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)相关物质变化的焓变示意图如下:2CO(g)+2H2O(g)+4H2(g)2CO2(g)+6H2(g)2CH3OH(g)+2H2O(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)双功能催化剂通常由甲醇合成活性中心和甲醇脱水活性中心组成。在一定条件下,将CO2与H2以体积比1∶3通过双功能催化剂,测得含碳产物的物质的量分数随时间变化如图1所示。(1)写出反应3的热化学方程式:

。(2)在图2中画出采用双功能催化剂由CO2加氢合成二甲醚的能量变化图。(3)下列说法正确的是(填字母)。

A.为提高工业生产效率,合成二甲醚的适宜条件是高温高压B.可通过监测反应体系中CH3OCH3和H2O的浓度比判断是否达到平衡C.反应达平衡时,若缩小容器容积,反应3平衡不发生移动D.一定温度、压强下,寻找活性更高的催化剂,是提高CO2平衡转化率的研究方向解析:(1)由图示可知,2CO2(g)+6H2(g)比2CO(g)+2H2O(g)+4H2(g)的能量少82.4kJ,即2CO2(g)+2H2(g)比2CO(g)+2H2O(g)的能量少82.4kJ,所以1CO2(g)+1H2(g)比1CO(g)+1H2O(g)的能量少41.2kJ,故CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)的反应热ΔH=+41.2kJ·mol-1。(2)根据题给数据可知,反应1(甲醇合成).2CO2(g)+6H2(g)2CH3OH(g)+2H2O(g)ΔH=-99.2kJ·mol-1;反应2(甲醇脱水).2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)ΔH=-23.9kJ·mol-1;将上述两个方程式叠加,可得总反应方程式为2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)ΔH=-123.1kJ·mol-1;表示采用双功能催化剂由CO2加氢合成二甲醚的能量变化图如图所示。(3)由(2)可知,合成二甲醚的反应是气体体积减小的放热反应。A.合成二甲醚的反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,不能提高工业生产效率,错误;B.CH3OCH3和H2O都是生成物,反应生成的两者的浓度比总是1∶3,与反应是否达到平衡无关,因此不能通过监测反应体系中CH3OCH3和H2O的浓度比判断是否达到平衡,错误;C.反应3是反应前后气体物质的量不变的反应,当反应达到平衡时,若缩小容器容积,反应3平衡不发生移动,正确;D.催化剂只能改变反应速率,不能使平衡发生移动,因此一定温度、压强下,寻找活性更高的催化剂,不能提高CO2平衡转化率,错误。答案:(1)CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.2kJ·mol-1(2)(3)C2.(2021·温州适应性测试节选)硫酸在国民经济中占有极其重要的地位,工业上常以黄铁矿为原料接触法制硫酸。(1)分别将1mol的SO2(g)、1.45mol的O2(g)通入p1、p2和p3恒压容器中发生反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)ΔH=-196kJ·mol-1,相同时间内测得SO2的转化率α随温度的变化如图所示[对于气相反应,用某组分B的平衡压强p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数,记作Kp,如p(B)=p·x(B),p为平衡总压强,x(B)为平衡系统中B的物质的量分数]。请回答:①据图判断p1、p2、p3的大小关系:。

②判断X、Y、Z中属于平衡点的是(填“X”“Y”或“Z”),该温度下反应的Kp=(用含p1、p2或p3的式子表示)。(2)为减少SO2的排放,工业上常将SO2转化为CaSO4固体,但存在CO又会同时发生以下两个反应:反应活化能平衡常数ⅠCaSO4(s)+CO(g)CaO(s)+SO2(g)+CO2(g)ΔH1=+218.4kJ·mol-1Ea1KⅠⅡCaSO4(s)+4CO(g)CaS(s)+4CO2(g)ΔH2=-175.6kJ·mol-1Ea2(Ea2>Ea1)KⅡ(KⅡ≫KⅠ)①恒容、恒温(T1)条件下,反应体系中c(SO2)随时间t变化的总趋势如图。结合已知信息分析c(SO2)随时间t变化的原因:

。②恒容、恒温(T2,T2>T1)条件下,请在图中画出T2条件下c(SO2)随时间t变化图。解析:(1)温度较低时,反应速率较慢,测定α时反应未达到平衡,所以此时随温度升高,α增大,当温度升高到一定程度,测定α时,反应达到平衡,继续升高温度,平衡逆向移动,α减小。①温度较高时反应达到平衡,该反应前后气体化学计量数之和减小,温度不变,增大压强,平衡正向移动,α增大,所以p3>p2>p1。②当α随温度的升高而减小时,说明反应达到平衡,所以平衡点为Z;Z点所示温度平衡时二氧化硫的转化率为0.900,初始投料为1molSO2(g)和1.45molO2(g),列三段式2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)起始/mol 1 1.45 0转化/mol 0.9 0.45 0.9平衡/mol 0.1 1 0.9压强为p1,各组分的分压之比等于物质的量之比,所以p(SO2)=120p1p(O2)=12p1,p(SO3)=920p1,则Kp=(9(2)①虽然两个反应同时进行,但由于Ea2>Ea1,反应Ⅰ的速率更快,该反应开始时c(SO2)上升,直至反应Ⅰ达到最大限度,由于反应Ⅱ的平衡常数较大,随着反应Ⅱ的持续进行,容器中c(CO2)增大,c(CO)减小,导致反应Ⅰ平衡逆向移动,c(SO2)又逐渐降低,直至反应Ⅱ达到平衡。②反应Ⅰ为吸热反应,升高温度,平衡正向移动,所以T2温度时,c(SO2)的最大值要高于T1温度,但由于温度升高,反应速率加快,所以达到最大值所用时间缩短,反应Ⅱ为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,所以最终平衡时c(SO2)也要高于T1温度,则T2条件下c(SO2)随时间t变化图如图中虚线所示。答案:(1)①p3>p2>p1②Z162p1(2)①虽然两个反应同时进行,但由于Ea2>Ea1,反应Ⅰ的速率更快,该反应开始时c(SO2)上升,由于反应Ⅱ的平衡常数较大(正向进行程度大),随着反应Ⅱ的持续进行,容器中c(CO2)增大,c(CO)减小,导致反应Ⅰ平衡逆向移动,c(SO②(虚线所示)3.二甲醚(CH3OCH3)是无色气体,可作为一种新型能源。甲醇脱水两步法是目前工业合成二甲醚的主流技术,涉及的反应如下:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH1=-90.7kJ·mol-1①2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)ΔH2=-23.5kJ·mol-1②请回答:(1)为了研究CO和H2的最佳投料比,恒温下将1molCO置于恒容密闭容器,改变H2的进料量进行实验,测得平衡时甲醇的体积分数变化如图所示(假设该条件下只发生反应①)。请判断a、b、c三点CO的平衡转化率大小关系,并说明判断依据:

。(2)合成二甲醚往往选用硅铝混合物作催化剂。向恒温体系中不断匀速通入甲醇,反应均未达到平衡,不同硅铝比(Ⅰ、Ⅱ)与生成二甲醚的速率关系如图所示:①在0～30min内,不同催化剂下二甲醚的产量大小关系:Ⅰ(填“>”“<”或“=”)Ⅱ。②工业上选择的适合的硅铝比为0.15,说明其原因:

。(3)在某温度下,向密闭容器中加入CH3OH发生反应②,反应到t1时刻测得各组分的浓度分别为c(CH3OH)=0.47mol·L-1、c(CH3OCH3)=1.2mol·L-1、c(H2O)=1.2mol·L-1,t2时刻反应达到平衡。已知反应②在该温度下的平衡常数为400,请在图中画出t1～t2时间段内,c(CH3OCH3)的变化曲线。解析:(1)1molCO置于恒容密闭容器中,改变H2的进料量进行实验,H2的进料量越多,其浓度越大,越有利于反应的化学平衡向正反应方向移动,CO的平衡转化率越大,所以c>b>a。(2)①由题图可知,使用催化剂Ⅱ时,反应初始催化活性很好,生成二甲醚速率快,但是5min后速率便开始大幅下降,产量降低;使用催化剂Ⅰ时,二甲醚的生成速率和产量较高,所以二甲醚的产量大小关系为Ⅰ>Ⅱ。②由题图可知,硅铝比为0.15时,二甲醚的生成速率和产量一直保持在较高水平,硅铝比为0.075时,反应初始催化活性很好,生成二甲醚速率快,但是5min后速率便开始大幅下降,产量降低。(3)t1时刻,c(CH3OCH3)=1.2mol·L-1,由题意得,t1时刻反应正向进行,设t1到t2时间段内,二甲醚转化了xmol·L-1,列三段式2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)t1/(mol·L-1) 0.47 1.2 1.2转化/(mol·L-1)2xx xt2/(mol·L-1) 0.47-2x 1.2+x 1.2+x此温度下K=400,所以(1.2+x)×(1.2+x)(0.47-2x)2=400,解得x=0.2,所以t2时刻c(CH3答案:(1)c>b>a,体系中加入氢气,化学平衡向右移动,CO的平衡转化率增大(2)①>②因为硅铝比为0.075时,反应初始催化活性很好,生成二甲醚速率快,但是5min后速率便开始大幅下降,产量降低,而硅酸比为0.15时,二甲醚的生成速率和产量均能维持较高水平(3)4.CO2是一种廉价的碳资源,把含有大量CO2的空气吹入K2CO3溶液中,再把CO2从溶液中提取出来,并使之与H2在催化剂作用下生成可再生能源甲醇,相关反应如下。回答下列问题。反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=-49.2kJ/mol反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41.2kJ/mol(1)将1.0molCO2和3.0molH2充入2L恒容密闭容器中,使其仅按反应Ⅰ进行,在不同催化剂作用下,相同时间内CO2的转化率随温度变化如图所示,下列说法正确的是(填字母)。

A.根据图中曲线分析,催化剂Ⅰ的催化效果最好B.b点v(正)可能等于v(逆)C.a点的转化率比c点高,可能的原因是该反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,转化率降低D.c点时该反应的平衡常数K约为2.08(2)现使用一种催化剂(CZZA/rGO),按n(CO2)∶n(H2)=1∶3(总量为amol)投料于恒容密闭容器中进行反应,CO2的平衡转化率和甲醇的选择率(甲醇的选择率:转化的CO2中生成甲醇的物质的量分数)随温度的变化趋势如图所示(忽略温度对催化剂的影响):①在553K时,反应体系内甲醇的物质的量为mol。②随着温度的升高,CO2的平衡转化率增加但甲醇的选择率降低,请分析其原因:

。(3)根据反应Ⅰ中各物质的物质的量得到v正～n(CO2)和v逆～n(CH3OH)的关系可用如图表示。在图示达到平衡后,缓慢升高到某一温度,反应重新达到平衡,请在图中画出此过程的趋势图。解析:(1)A.由题图可知,催化剂Ⅰ的催化效果最好,正确;B.由题图可知,b点时,反应未达到平衡,是平衡形成的过程,则v(正)>v(逆),错误;C.该反应为放热反应,T4K时反应达到平衡,升高温度到T5K时,平衡向逆反应方向移动,从而使CO2的转化率降低,则a点转化率比c点高,正确;D.c点时,CO2的转化率为60%,由题意建立如下三段式CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)起始/(mol/L) 0.5 1.5 0 0变化/(mol/L) 0.3 0.9 0.3 0.3平衡/(mol/L) 0.2 0.6 0.3 0.3则反应的平衡常数K=0.(2)①在553K时,反应体系内甲醇的物质的量为0.25amol×21%×60%=0.0315amol;②由题图可知,随着反应温度的升高,CO2的平衡转化率增大,但甲醇的选择率降低,原因是当温度升高时,反应Ⅰ平衡逆向移动,而反应Ⅱ平衡正向移动且幅度更大,所以CO2的平衡转化率增加,但甲醇的选择率却降低。(3)升高温度,正、逆反应速率均增大,平衡向逆反应方向移动,二氧化碳的物质的量增大,甲醇的物质的量减小,则曲线的变化如图所示。答案:(1)ACD(2)①0.0315a②当温度升高时,反应Ⅰ平衡逆向移动,而反应Ⅱ平衡正向移动且幅度更大,所以CO2的平衡转化率增加,但甲醇的选择率却降低(3)5.工业上用CO2、CO和H2在催化剂存在条件下制取甲烷、甲醇、乙烯等有重要的意义。(1)①利用CO和H2在催化剂的作用下合成甲醇,发生的反应为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。在容积为2L的密闭容器中按物质的量之比为1∶2充入CO和H2,测得平衡时混合物中CH3OH的体积分数在不同压强下随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(填字母)。A.该反应的ΔH<0,且p1<p2B.若p1时最初充入1molCO,经过5min达到B点的平衡状态,此段时间v(CH3OH)=1.75mol·L-1·min-1C.在C点时,CO转化率为75%D.A、B、C、D的平衡常数大小关系:A=B>C>D②CO2和H2在催化剂Cu/ZnO作用下可发生两个平行反应,分别生成CH3OH和CO。反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)控制CO2和H2初始投料比为1∶3时,温度对CO2平衡转化率及甲醇和CO产率的影响如图1所示。a.反应Ⅰ自发进行的条件是(填“高温”或“低温”)。

b.由图可知,温度升高,CO的产率上升,其主要原因可能是

。

c.由图可知,获取CH3OH最适宜的温度是。(2)以CO2为原料催化加氢合成低碳烯烃的反应方程式:2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)ΔH。在常压下,FeCoMnK/BeO作催化剂,按n(CO2)∶n(H2)=1∶3(总物质的量为4amol)的投料比充入密闭容器中发生反应,测得温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率影响情况如图2所示。①250℃时,上述反应达到平衡时容器容积为VL,则此温度下该反应的平衡常数为(用含a、V的代数式表示)。

②反应开始时在0.1MPa条件下,以n(H2)∶n(CO2)=3∶1的投料比充入容积固定的密闭容器中,发生上述反应,不同温度下平衡时的四种气态物质的物质的量分数如图3所示。若按氢气和二氧化碳的物质的量之比为n∶1(n≥3)进行投料,温度控制为120℃,相应平衡体系中乙烯的产率为x,在图4中绘制x随n(n≥3)变化的示意图(标出曲线的起点坐标)。解析:(1)①A.由题图可知,升高温度,CH3OH的体积分数减小,平衡逆向移动,则该反应的ΔH<0,300℃时,增大压强,平衡正向移动,CH3OH的体积分数增大,所以p1>p2,错误;B.若p1时最初充入1molCO,经过5min达到B点的平衡状态,此时CH3OH的体积分数为70%,向密闭容器充入了1molCO和2molH2,设CO的转化率为x,则CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)起始/mol 1 2 0转化/mol x 2x x平衡/mol 1-x 2-2x x在B点时,CH3OH的体积分数为x3-2x×100%=70%,解得x=0.875,此段时间v(CH3OH)=0.875mol2L5min=0.0875mol·LCO(g)+2H2(g)CH3OH(g)起始/mol 1 2 0转化/mol y 2y y平衡