2026版化学步步高大二轮专题复习-专题五　第21练　多平衡体系的原因分析

第21练多平衡体系的原因分析[分值：50分]一、最佳条件的判断与原因分析1.(9分)CO2和H2合成甲烷也是CO2资源化利用的重要方法。对于反应CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)ΔH=-165kJ·mol-1，催化剂的选择是CO2甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂条件下反应相同时间，测得CO2转化率和CH4选择性随温度变化的影响如图所示：(1)高于320℃后，以Ni⁃CeO2为催化剂，CO2转化率略有下降，而以Ni为催化剂，CO2转化率仍在上升，其原因是。

(2)对比上述两种催化剂的催化性能，工业上应选择的催化剂是，使用的合适温度为。

答案(1)320℃时，以Ni⁃CeO2为催化剂，CO2甲烷化反应已达平衡，升高温度平衡左移，故CO2转化率略有下降；以Ni为催化剂，CO2甲烷化反应速率较慢，升高温度反应速率加快，反应相同时间时CO2转化率增加(2)Ni⁃CeO2320℃解析(2)根据图像分析可知，温度适宜(320℃)时，以Ni⁃CeO2为催化剂明显比以Ni为催化剂时CO2转化率高，且催化剂选择性强，所以应选择Ni⁃CeO2为催化剂，最佳温度为320℃。2.(12分)3MPa下，以进气流量4.5mmol·min-1、n(CO2)∶n(H2)=1∶3持续通过装有0.5g催化剂的反应管中。CO2催化加氢转化为CH3OH既能响应国家的“双碳”目标，又能缓解能源紧缺。该过程仅发生下列反应：Ⅰ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH1Ⅱ.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH2(1)反应Ⅰ、Ⅱ以物质的量分数表示的平衡常数lnKx与1T(温度的倒数)的变化关系如图1判断反应Ⅰ、反应Ⅱ的反应类型分别为、(填“吸热反应”或“放热反应”)。

(2)经相同时间测得CO2的转化率[α(CO2)]、CH3OH的选择性[S(CH3OH)]及CH3OH的时空收率[Y(CH3OH)]随温度(T)的变化关系如图2：已知：a.S(CH3OH)=n(转化为b.Y(CH3OH)=CH3OH的产率×C①该条件下，合成CH3OH的最佳温度是。

②图中代表S(CH3OH)随温度变化的曲线是，280℃后，曲线b快速下降的可能原因是。

答案(1)吸热反应放热反应(2)①280℃②b280℃时反应达到平衡，升高温度，反应Ⅰ平衡正向移动，反应Ⅱ平衡逆向移动，故甲醇的选择性快速下降解析(1)反应Ⅰ的lnKx随温度升高而增大，说明ΔH1>0，反应Ⅱ的lnKx随温度升高而减小，说明ΔH2<0。(2)①根据题干信息，甲醇的时空收率Y与甲醇的产率成正比，280℃时，Y最大，即甲醇产率最大，也就是说280℃是生成CH3OH的最佳温度。二、解释曲线发生某种现象的原因3.(11分)二甲醚既是重要的工业品，也是燃料电池制氢的重要原料。二甲醚水蒸气重整制氢的总反应为CH3OCH3(g)+(1+2x)H2O(g)(4+2x)H2(g)+(2-2x)CO(g)+2xCO2(g)，其过程包括：Ⅰ.CH3OCH3(g)+H2O(g)2CH3OH(g)ΔH1=+23.6kJ·mol-1Ⅱ.CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)ΔH2=+49.5kJ·mol-1Ⅲ.CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)ΔH3=+90.7kJ·mol-1Ⅳ.CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)ΔH4=-41.2kJ·mol-1CO2的选择性产生CO2的物质的量产生CO和CO2的总物质的量与水醚比[n(1)图1中相同温度下，水醚比越大，CO2的选择性越高的原因是；

相同水醚比时，温度升高，CO2的选择性降低的原因是。

(2)图2中水醚比大于3时，随水醚比的增大H2的物质的量分数减小的原因是。

答案(1)提高水醚比有利于反应Ⅱ、Ⅳ正向进行温度升高时，反应Ⅱ正向进行增加的CO2的量小于反应Ⅳ逆向进行减少的CO2的量(2)水醚比大于3时，再增大水醚比，气体的总物质的量及H2O(g)的物质的量分数均增大(或过量的水蒸气产生稀释作用)解析(1)反应Ⅱ、Ⅳ会生成CO2，提高水醚比有利于反应Ⅱ、Ⅳ正向进行；反应Ⅱ为吸热反应，反应Ⅳ为放热反应，温度升高时，反应Ⅱ正向进行增加的CO2的量小于反应Ⅳ逆向进行减少的CO2的量，导致CO2的选择性降低。(2)水醚比大于3时，再增大水醚比，气体的总物质的量及H2O(g)的物质的量分数均增大，且过量的水蒸气产生稀释作用，所以随水醚比的增大H2的物质的量分数减小。4.(18分)邻苯二甲酸酐()是一种重要的化工原料。常使用邻二甲苯与氧气合成，其中存在的相关反应如下：主反应Ⅰ：ΔH1=-1258kJ·mol-1副反应Ⅰ：ΔH2=-3223kJ·mol-1副反应Ⅱ：(g)+O2(g)CO2(g)+H2O(g)(该反应未配平)ΔH3(1)当副反应Ⅱ中邻二甲苯的化学计量数为1时，ΔH3=。

(2)若某恒容容器中仅发生副反应Ⅱ。下列条件可以最大程度降低副反应Ⅱ中邻二甲苯的平衡转化率是(填字母，下同)。

A.低温低压 B.低温高压C.高温低压 D.高温高压(3)在一定温度的恒压条件下，使用V2O5和钛的化合物作为催化剂。将邻二甲苯和空气以体积比为1∶100投料，进入轴向管式催化床反应器，示意图如图1所示。测得进料口温度为T0，相同时间内催化床轴向温度(Tb)与催化床相对高度(L)之间的关系如图2所示，邻苯二甲酸酐的收率与催化床相对高度(L)的关系如图3所示。①下列说法不正确的是。

A.催化床相对高度在一定范围内，Tb随高度增大而增加，可能因为存在强放热的副反应B.进料口温度越高，副反应速率会越大，最终使邻苯二甲酸酐的收率减小C.V2O5和钛的化合物通过提高邻苯二甲酸酐的平衡转化率来提高其收率D.工业生产中，该管式催化床反应器可能常通入烃类制冷剂不断交换热量②其他条件不变，当进料口温度高于630.5K时，邻苯二甲酸酐的收率相比630K时大幅度下降。请解释其原因：。

(4)其他条件相同，维持进料口温度为630K，测得不同的空速(单位时间通过单位体积催化剂的反应物的质量)下邻苯二甲酸酐的收率如图4所示。①下列说法正确的是。

A.空速过小，原料气停留时间长，氧化程度可能加深，使邻苯二甲酸酐收率下降B.空速过小，反应热无法及时移走，导致温度升高，使邻苯二甲酸酐的收率增大C.对于含有强放热副反应的反应，选用较大且适宜的空速可以保障目标产物的收率D.如图所示，在以上条件下选择空速1470h-1左右进行工业生产较为合适②当空速大于1470h-1时，其收率随空速增加而下降。请解释其原因：。

答案(1)-4481kJ·mol-1(2)D(3)①BC②温度升高，使副反应发生程度大于主反应，而副反应的反应热远超主反应，导致体系温度会迅速升高，最终催化剂因高温失活，导致邻苯二甲酸酐的收率大幅度下降(4)①ACD②空速过大导致反应热及时移走，使温度迅速下降，导致反应速率下降，最终收率下降(或空速过大导致原料气在催化剂表面停留时间短，从而转化率下降，最终导致收率下降)解析(1)根据题意可知，当副反应Ⅱ中邻二甲苯的化学计量数为1时，副反应Ⅱ为(g)+212O2(g)8CO2(g)+5H2O(g)，由盖斯定律可知，副反应Ⅱ=主反应Ⅰ+副反应Ⅰ，则ΔH3=-1258kJ·mol-1-3223kJ·mol-1=-4481kJ·mol-1。(2)副反应Ⅱ是正向气体体积增大的放热反应，增大压强平衡逆向移动，升高温度平衡逆向移动，使邻二甲苯的平衡转化率减小，故选D。(3)①根据图2可知，催化床相对高度为0~1m，随着高度增大，Tb快速增加，副反应Ⅰ、副反应Ⅱ均为放热反应，因此温度快速升高可能是因为存在强放热的副反应，A正确；高温不仅加快副反应速率，同时也加快主反应速率，无论是主反应还是副反应均为放热反应，升高温度平衡均逆向移动，焓变的大小并不能直接用来判断温度对其影响的程度，因此目标产物邻苯二甲酸酐的收率不一定减小，B错误；V2O5和钛的化合物均为催化剂，催化剂不能提高邻苯二甲酸酐的平衡转化率，只能加快反应速率，C错误；化学工艺是将原料转化为产品的过程，这涉及化学原理和规律的运用，以及采用化学和物理措施来实现转化。在这个过程中，保持反应器的热稳定性至关重要，而通入烃类制冷剂不断交换热量是一种有效的方法，以确保反应能够在最佳条件下进行，从而提高生产效率和产品质量，因此工业生产中，该管式催化床反应器可能常通入烃类制冷剂不断交换热量，故D正确。②根据题干可知，主反应产生邻苯二甲酸酐，高于630.5K时，邻苯二甲酸酐的收率相比630K时大幅度下降，可能是由于以副反应为主，邻苯二甲酸酐被消耗，也有可能是温度升高导致催化剂失活。(4)①根据副反应可知，空速过小，原料气停留时间长，氧化程度可能加深，邻苯二甲酸酐被氧化，导致邻苯二甲酸