反应中的投料比与转化率的相关问题-高考化学专项复习讲义（原卷版）

专题3.4反应中的投料比与转化率的相关问题

【考纲要求】

1、了解转化率的概念，能计算物质的转化率；

2、掌握反应中的投料比与转化率的关系与方法规律。

【核心知识梳理】

1.概念

转化率是指反应进行到一定程度时某一反应物转化的百分率。平衡转化率是可逆反应达到平

衡状态时某反应物的转化百分率。

2.数学表达式

对于反应〃zA(g)+“B(g)皤诊pC(g)+qD(g),A(g)的平衡转化率可表示为:

co(A)—c平(A)

如)=co(A)MOO%

co(A)代表A的初始浓度，c平(A)代表A的平衡浓度。

3、“三段式”法应用于化学平衡的计算

⑴一个模式一“三段式”

如加A(g)+〃B(g)摩力pC(g)+qD(g),令A、B起始物质的量浓度分别为amoLLr、6moiL

-i,达到平衡后消耗A的物质的量浓度为nwnolL-i。

“A(g)+"B(g)解.pC(g)+qD(g)

起始(mol)ab00

变化(mol)mxnxpxqx

平衡(mol)a—mxb~nxpxqx

(qx)q

则K—z\^lUUVoo

va—mx)(b—〃尤)WALa

(2)明确三个量的关系

①三个量：即起始量、变化量、平衡量。

②对于同一反应物，起始量一变化量=平衡量。

③对于同一生成物，起始量+变化量=平衡量。

④各转化量之比等于各反应物的化学计量数之比。

(3)掌握四个公式

①恒容条件下反应物的转化率=：;黑;X100%=；:喘x100%。

②生成物的产率：实际产量(指生成物)占理论产量的百分数。一般来讲，转化率越高，原料

利用率越高，产率越高。产率=筑屋xlOO%。

③平衡时混合物组分的百分含量=平衡时各物质的总量xlOO%o

4、平衡转化率的分析与判断方法

⑴反应aA(g)+bB(g)=^cC(g)+冷(g)的转化率分析

①若反应物起始物质的量之比等于化学计量数之比，达到平衡后，它们的转化率相等。

②若只增加A的量，平衡正向移动，B的转化率提高，A的转化率降低。

③若按原比例同倍数地增加(或降低)A、B的浓度，等效于压缩(或扩大)容器容积，气体

反应物的转化率与化学计量数有关。

a~\~b=c~\~dA、B的转化率不变

同倍增大

a~\-b>c~\-dA、B的转化率增大

c(A)和c(B)

a-\-b<c-\~dA,B的转化率减小

(2)反应加人组)：^=^〃8恒)+4(2(8)的转化率分析

在人丫不变时，增加A的量，等效于压缩容器容积，A的转化率与化学计量数有关。

m—n+qA的转化率不变

增大c(A)<，">w+qA的转化率增大

jn<n-VqA的转化率减小

【精准训练1】

1、在密闭容器中，给一氧化碳和水蒸气的气体混合物加热，在催化剂存在下发生反应：CO(g)

+H2O(g);——H2(g)+CO2(g)o在500℃时，平衡常数K=9。若反应开始时，一氧化碳和

水蒸气的浓度都是0.2moLLr,则在此条件下CO的转化率为()

A.25%B.50%C.75%D.80%

2、(双选)一定条件下，通过下列反应可实现燃煤烟气中硫的回收：

SO2(g)+2CO(g)^C—2CO2(g)+S(l)zlH<0若反应在恒容的密闭容器中进行，下列有关说

法正确的是

A.平衡前，随着反应的进行，容器内压强逐渐变小

B.平衡时，其他条件不变，分离出硫，正反应速率加快

C.平衡时，其他条件不变，升高温度可提高SO2的转化率

D.其他条件不变，使用不同催化剂，该反应平衡常数不变

3、已知反应X(g)+Y(g)uiR(g)+Q(g)的平衡常数与温度的关系如表所示。830℃时，向

一个2L的密闭容器中充入0.2molX和0.8molY,反应初始4s内v(X)=0.005mol/(L-s)o下列

说法正确的是

温度/℃70080083010001200

平衡常数1.71.11.00.60.4

A.4s时容器内c(Y)=0.76mol/L

B.830C达平衡时，X的转化率为80%

C.反应达平衡后，升高温度，平衡正向移动

D.1200℃时反应R(g)+Q(g)=^X(g)+Y(g)的平衡常数K=0.4

4、工业上用丁烷催化脱氢制备丁烯：C4Hio(g)C4H8(g)+H2(g)(正反应吸热)，将丁烷和

氢气以一定的配比通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，反应的平衡转化

率、产率与温度、投料比有关。下列判断不正确的是()

00

80

60

40

20

0

300400500600700

温度

甲

A.由图甲可知，x小于0.1

B.由图乙可知，丁烯产率先增大后减小，减小的原因是氢气是产物之一，随着降?增大,

逆反应速率减小

C.由图丙可知，产率在590。。之前随温度升高而增大的原因可能是温度升高平衡正向移

动

D.由图丙可知，丁烯产率在590℃之后快速降低的主要原因是丁烯高温分解生成副产物

5、一定条件下，反应：6H2(g)+2CC)2(g)-^C2H50H(g)+3H2(D(g)的数据如图所示。

w

7_X

/I

<-v/

6Z

i

3v

5/

V

之

4/

v

艇

3Z

I

V

耳2

/1I

V7

g1

z)

v7

o

/

V

。5()06()07()08(M)温度/K

反应物起始物质的量之比：

曲线I:n(H2):n(CO2)=2

曲线n:n(H2):n(CO2)=1.5

下列说法正确的是()

A.该反应的△»>()

B.达平衡时，3V正(H2)=v逆(CCh)

C.b点对应的平衡常数K大于c点

D.a点对应的H2的平衡转化率为90%

6、对于以下三个反应，从反应开始进行到达到平衡后，保持温度、体积不变，按要求回答

下列问题。

(l)PCl5(g)彳qPC13(g)+Cl2(g)

再充入PC15(g)，平衡向方向移动，达到平衡后，PC15(g)的转化率，PCk(g)

的百分含量______O

(2)2HI(g)^=^l2(g)+H2(g)

再充入HI(g),平衡向方向移动，达到平衡后，HI的分解率,HI的百分含量

(3)2NO2(g)^=±N2O4(g)

再充入NO2(g),平衡向方向移动，达到平衡后，NC>2(g)的转化率，NO2(g)

的百分含量________。

(4)mA(g)+nB(g)、'pC(g)

同等倍数的加入A(g)和B(g),平衡移动，达到平衡后，®m+n>p,A、B的转化

率都,体积分数都;②机+w=p,A、B的转化率、体积分数都；③〃?+w<p,

A、B的转化率都,体积分数都。

【真题感悟】

1、(2019•海南高考)反应C2H6(g)^=±C2H4(g)+H2(g)AH>3在一定条件下于密闭容器中

达到平衡。下列各项措施中，不能提高乙烷平衡转化率的是()

A.增大容器容积B.升高反应温度

c.分离出部分氢气D.等容下通入惰性气体

2、(2020•江苏高考)CH4与CO2重整生成七和CO的过程中主要发生下列反应

-1

CH4(g)+CO2(g)=2H2(g)+2CO(g)AH=247.1kJ-mol

H2(g)+CO2(g)==H2O(g)+CO(g)AH=41.2kJ-mori

在恒压、反应物起始物质的量比M(CH4)：n(CO2)=l：1条件下，CH4和CCh的平衡转

化率随温度变化的曲线如图所示。下列有关说法正确的是()

20k//

〃tX

40060080010001200

温度/K

A.升高温度、增大压强均有利于提高CH4的平衡转化率

B.曲线B表示CH4的平衡转化率随温度的变化

C.相同条件下，改用高效催化剂能使曲线A和曲线B相重叠

D.恒压、800K、“(CH。：〃(CO2)=1：1条件下，反应至CH4转化率达到X点的值，

改变除温度外的特定条件继续反应，CH4转化率不能达到Y点的值

3、(2020.全国UI卷)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列

问题：

(1)CC)2催化加氢生成乙烯和水的反应中，产物的物质的量之比«(C2H4)：«(H2O)=

o当反应达到平衡时，若增大压强，则”(C2H4)(填“变大”“变小”或“不变”)。

(2)理论计算表明，原料初始组成n(CO2)：R(H2)=1：3,在体系压强为0.1MPa,反应

达到平衡时，四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。

图中，表示C2H4、CCh变化的曲线分别是、oCO2催化加氢合成C2H4

反应的AH0(填“大于”或“小于”)。

(3)根据图中点4(440,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp=(列出计算式。

以分压表示，分压=总压x物质的量分数)。

(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应，生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳燃。

一定温度和压强条件下，为了提高反应速率和乙烯选择性，应当

4、(2020•山东高考)探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高CH30H的产率。

以CO2>H2为原料合成CH30H涉及的主要反应如下：

1

I.CO2(g)+3H2(g);——CH3OH(g)+H2O(g)AM=-49.5kJmoF

1

II.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)AH2=-90.4kJ-mol-

III.CO2(g)+H2(g)^^CO(g)+H2O(g)AH3

回答下列问题：

(1)AH3=_______kJ-mol1o

(2)一定条件下，向体积为VL的恒容密闭容器中通入1molCO2和3molH2发生上述反

应，达到平衡时，容器中CH30H(g)为amol,CO为6mol,此时HzCXg)的浓度为

moLL-i(用含a、b、V的代数式表示，下同)，反应III的平衡常数为。

(3)不同压强下，按照n(CO2)：R(H2)=1:3投料，实验测定CO2的平衡转化率和CH30H

的平衡产率随温度的变化关系如图所示。

升温

图甲

n(CO)初始—n(CO2)平衡

已知：CO2的平衡转化率=2X100%

n(CO2)初始

n(CH3OH)平衡

CHOH的平衡产率=•X100%

3n(CO2)初始

其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图________(填“甲”或"乙”)；压强pi、P2、曲由大

到小的顺序为;图乙中T1温度时，三条曲线几乎交于一点的原因是

⑷为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率，应选择的反应条件为

(填字母)。

A.低温、IWJ压B.IWJ温、低压

C.低温、低压D.高温、高压

5、(2021•全国甲卷)二氧化碳催化加氢制甲醇，有利于减少温室气体二氧化碳。回答下列问

题：

(1)二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为：CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)

该反应一般认为通过如下步骤来实现：

①CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)Aft=+41kJ-moF1

1

②CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)AH2=-90kJ-moF

总反应的AH=________kJ-moP1；若反应①为慢反应，下列示意图中能体现上述反应

能量变化的是(填标号)，判断的理由是o

/VA

_>CO+HO+2HJ-

CO2+3H,2

CO+3HCHOII+HO

CH3OH+H2O2232

反应进施反应进包

(2)合成总反应在起始物卷*-=3时,

在不同条件下达到平衡，设体系中甲醇的物

Yl/X)

质的量分数为X(CH3OH),在r=250℃下的MCH3OH)〜p、在p=5xl()5Pa下的尤(CH3OH)〜

f如图所示。

61

6o

69

.O8

(O.6.O

H.O7

O

K6.O6

e.O5

E

O..O4

O.S.O

.03

O.2

O..01

200210220230240250260270280

①用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数，表达式a=

②图中对应等压过程的曲线是,判断的理由是

③当x(CH30H)=0.10时，CO2的平衡转化率a=,反应条件可能为

或。

6、(2019•江苏高考)CO?催化加氢合成二甲醛是一种CO2转化方法，其过程中主要发生下列

反应：

反应I：CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)

AH=41.2kJmoC1

反应II：2co2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(g)

△8=—122.5kJmoF1

在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下，CO2平衡转化率和平衡时CH30cH3的选择

性随温度的变化见图。

2xCH30cH3的物质的量

其中：CH30cH3的选择性=反应的CO2的物质的量卜

①温度高于300℃,CCh平衡转化率随温度升高而上升的原因是

②220℃时，在催化剂作用下CCh与H2反应一段时间后，测得CH30cH3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CH30cH3选择性的措施有

7、(2020•全国I卷•节选)硫酸是一种重要的基本化工产品。接触法制硫酸生产中的关键工序

I版催化剂

是SO2的催化氧化：SO2(g)+2O2(g)SO3(g)△»=-98kJ.moPi。

回答下列问题：

(1)当SO2(g)、O2(g)和N2(g)起始的物质的量分数分别为7.5%、10.5%和82%时，在0.5

MPa、2.5MPa和5.0MPa压强下，SCh平衡转化率a随温度的变化如图(a)所示。反应在5.0

MPa、550℃时的a=，判断的依据是=影响a的因素有

⑵将组成(物质的量分数)为2m%SO2(g)>m%02(g)和q%Nz(g)的气体通入反应器，在

温度人压强p条件下进行反应。平衡时，若SO2转化率为a,则SO3压强为,平

衡常数(以分压表示，分压=总压x物质的量分数)。

(、。8

(3)研究表明，SO2催化氧化的反应速率方程为a尸七厂(1一加)式中：左为反应速

率常数，随温度，升高而增大；a为SCh平衡转化率，优为某时刻SCh转化率，〃为常数。

在优=0.90时，将一系列温度下的ha值代入上述速率方程，得至八〜f曲线，如图(b)所示。

O

曲线上V最大值所对应温度称为该“下反应的最适宜温度t,n.“时，V逐渐提高；t

>力"后，V逐渐下降。原因是O

【课时达标训练】

1、向一容积为2L的恒容密闭容器中充入1molN2和4molH2,在一定温度下发生反应:

N2(g)+3H2(g)7——2NH3(g)AH<0»10秒时达到平衡，c(NH3)为0.4moLL-L下列说法正

确的是（）

A.该反应达到平衡时H2的转化率为40%

B.降低温度能使混合气体的密度增大

C.向该容器中充入N2,平衡正向移动

D.研发高效催化剂可大大提高NH3的产率

2、CO常用于工业冶炼金属。在不同温度下CO还原四种金属氧化物达平衡后气体中1g

与温度⑺的关系曲线如图。下列说法正确的是（）

A.通过增高反应炉的高度，延长矿石和CO接触的时间，能减少尾气中CO的含量

B.CO不适宜用于工业冶炼金属Cr

C.CO还原PbO?的反应的AH>0

D.工业冶炼金属Cu时，高温有利于提高CO的转化率

3、已知：2SO2（g）+O2（g）=^2s03（g）公》=-197.81<111101—1。起始反应物为502和。2（物

质的量之比为2：1,且总物质的量不变）。S02的平衡转化率（％）随温度和压强的变化如下

表，下列说法不正确的是（）

压强/(105pa)

温度/K

1.015.0710.125.350.7

67399.299.699.799.899.9

72397.598.999.299.599.6

77393.596.997.898.699.0

A.一定压强下降低温度，S02的转化率增大

B.在不同温度、压强下，转化相同物质的量的SO?所需要的时间相等

C.使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间

D.工业生产通常不采取加压措施是因为常压下S02的转化率已相当高

4、H2s分解的热化学方程式为2H2s(g)7~,2H2(g)+S2(g)△H=akJ-moL。向容积为1L

的恒容密闭容器中加入«(H2S)+«(Ar)=0.1mol的混合气体(Ar不参与反应)，测得不同温度

(TI>T2)时H2s的平衡转化率随宁粤比值的变化如图所示。下列说法正确的是()

Yl\Ail*)

A.该反应的a<0

B.平衡常数K(X)>K(Z)

C.平衡常数K(X)=0.0125

D.维持Y点时w(H2S)不变，向容器中充入Ar气，H2s的平衡转化率减小

H2C^；CH2(g)+HCl(g)^H2c—CH2⑴，

5、已知：OHOCl合成过程中的温度与氯乙醇的

平衡产率关系如图a,30。。下原料投料比与氯乙醇的平衡产率关系如图b。

00C

轴

胃

95世

<

姻

忙A

翅90S

A，7

SM

M85

W

80

1：1.11：1.2

2040n(环氧乙烷)：n(IIC1)

图a反应温度/力图b

反应随温度升高平衡产率降低的可能原因是________________;其他条

件不变时，降低环氧乙烷与HC1的投料比，环氧乙烷的平衡转化率将(填“增大”“减

小”或“不变”)。

6、CH4-CO2催化重整对温室气体的减排具有重要意义,其反应为CH4(g)+CO2(g)2CO(g)

-1

+2H2(g)A//=+247.3kJ-mol0回答下列问题：

(1)将原料按初始组成"(CH。：〃(CO2)=1：1充入密闭容器中，保持体系压强为100kPa

发生反应，达到平衡时CCh体积分数与温度的关系如图所示。

C

照

求

格

及

0

0

①7VC、100kPa下，〃(平衡时气体)：〃(初始气体)=；该温度下，此反应的平

衡常数Kp=(以分压表示，列出计算式)。

②若A、B、C三点表示不同温度和压强下已达平衡时CCh的体积分数，点

对应的平衡常数最小，理由是；点对

应压强最大，理由是o

(2)900℃下，将CH4和CO2的混合气体(投料比1：1)按一定流速通过盛有炭催化剂的

反应器，测得CR的转化率受炭催化剂颗粒大小的影响如图所示。(注：目数越大，表示炭

催化剂颗粒越小)

一（6目）

决6o

、一（10目）

榔5o

？—（16g）

理4o

H寸

O3O

20

050100150200时间/min

由图可知，75min后CH4转化率与炭催化剂目数的关系为原

因是______________________________________________

7、甲烷和水蒸气催化制氢主要有如下两个反应：

1

@CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)AH=+206kJ.mol-

1

②CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)NH=~41kJ-mol-

恒定压强为100kPa时，将W(CH4):71(H2O)=1：3的混合气体投入反应器中，平衡时,

各组分的物质的量分数与温度的关系如图所示。

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

Or।।।।।(।！

450550650750850

温度/-C

回答下列问题:

写出与生成和的热化学方程式：

(1)CH4co2H2CO

(2)关于甲烷和水蒸气催化制氢反应，下列叙述正确的是(填字母)。

A.恒温、恒容条件下，加入惰性气体，压强增大，反应速率加快

B.恒温、恒容条件下，加入水蒸气，活化分子百分数增大，反应速率加快

C.升高温度，活化分子百分数增大，有效碰撞频率增大，反应速率加快

D.加入合适的催化剂，降低反应温度也能实现单位时间转化率不变

(3)系统中H2的含量在700。。左右出现峰值,试从化学平衡的角度解释出现峰值的原因:

①低于700℃,

②高于700℃,

(4)已知投料比为"(CH4)：〃32。)=1：3的混合气体，p=100kPa。600℃时，CH4的平

衡转化率为,反应①的平衡常数的计算式为&=(a是以分压表示的平衡常

数，分压=总压x物质的量分数)。

8、在保持体系总压为105Pa的条件下进行反应：SO2+1o2^^SO3，原料气中SO2和O2

的物质的量之比，"m=噜?］不同时，SO2的平衡转化率与温度⑺的关系如图所示:

%

(

M

W

解

题

详

O

S

(1)图中根1、相、必的大小顺序为o反应的化学平衡常数Kp表达式为(用

平衡分压代替平衡浓度表示)。

⑵图中A点原料气的成分：〃(SO2)=10mol,及(02)=24.4mol,n(N2)=70mol,达平衡时

SO2的分压〃(SO2)为Pa(分压=总压X物质的量分数)。

9、一定条件下，CCh和CO可以互相转化。

(1)某温度下，在容积为2L的密闭容器按甲、乙两种方式投入反应物发生反应:

CO2(g)+H2(g)____、CO(g)+H2O(g)。

容器反应物

甲8molCO2(g)>16molH2(g)

乙wmolCO2(g)>xmolH?(g)>ymolCO(g)>zmolH?O(g)

甲容器15min后达到平衡，此时C02的转化率为75%。则0~15min内平均反应速率

V(H2)=