第11章　难点突破7　多反应、多平衡图像分析

多反应、多平衡图像分析一、多平衡体系中竞争(或连续)反应图像1.核心特征：同一图中包含多个平衡体系。2.解题流程1.(2025·江苏，13)甘油(C3H8O3)水蒸气重整获得H2过程中的主要反应：反应ⅠC3H8O3(g)=3CO(g)+4H2(g)ΔH>0反应ⅡCO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)ΔH<0反应ⅢCO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g)ΔH<01.0×105Pa条件下，1molC3H8O3和9molH2O发生上述反应达平衡状态时，体系中CO、H2、CO2和CH4的物质的量随温度变化的理论计算结果如图所示。下列说法正确的是()A.550℃时，H2O的平衡转化率为20%B.550℃反应达平衡状态时，n(CO2)∶n(CO)=11∶25C.其他条件不变，在400~550℃范围，平衡时H2O的物质的量随温度升高而增大D.其他条件不变，加压有利于增大平衡时H2的物质的量答案A解析反应Ⅰ是吸热反应，反应Ⅱ和Ⅲ是放热反应，升高温度，反应Ⅰ的平衡正向移动，反应Ⅱ和Ⅲ的平衡逆向移动，CH4的物质的量降低，CO和H2的物质的量升高，由C守恒知，550℃时n(CO)<(3-2.2)mol，故①为H2，②为CH4，③为CO。平衡体系中含H物质有C3H8O3、H2、H2O、CH4，含C物质有C3H8O3、CH4、CO、CO2，根据C元素守恒：1mol×3=3n(C3H8O3)+n(CH4)+n(CO)+n(CO2)，根据H元素守恒：1mol×8+9mol×2=8n(C3H8O3)+4n(CH4)+2n(H2)+2n(H2O)，两式联立，结合上述分析和图中数据可得n(H2O)=7.2mol，故550℃时，H2O的平衡转化率为9-7.29×100%=20%，A正确；由题图知，550℃反应达到平衡时，n(CO2)∶n(CO)=11∶2，B错误；其他条件不变，在400~550℃范围内，升高温度，反应Ⅰ的平衡正向移动，反应Ⅱ和Ⅲ的平衡逆向移动，CO2的物质的量增加，说明反应Ⅲ的平衡逆向移动的程度大于反应Ⅱ，故平衡时H2O的物质的量随温度升高而减小，C错误；反应Ⅰ是气体分子数增大的反应，反应Ⅱ是气体分子数不变的反应，反应Ⅲ是气体分子数减小的反应，其他条件不变，增大压强，反应Ⅰ的平衡逆向移动，反应Ⅱ的平衡不移动，反应Ⅲ的平衡正向移动，平衡时H2的物质的量减小，故D2.(2025·广西柳州模拟)在恒容密闭容器中，加入一定量的乙酸蒸气制氢气，发生如下反应：热裂解反应Ⅰ：CH3COOH(g)⥬2CO(g)+2H2(g)ΔH1脱羧基反应Ⅱ：CH3COOH(g)⥬CH4(g)+CO2(g)ΔH2达到平衡状态，测得温度与气体产率的关系如图所示。下列说法错误的是()A.ΔH1>0，ΔH2<0B.约650℃之前活化能：反应Ⅰ小于反应ⅡC.反应过程中可能发生副反应：CO2(g)+H2(g)⥬CO(g)+H2O(g)D.一定温度下，增大CH3COOH(g)的浓度，平衡正向移动，乙酸的转化率减小答案B解析温度升高，CO和H2的平衡产率升高，反应Ⅰ平衡正向移动，ΔH1>0，CH4和CO2的平衡产率降低，反应Ⅱ平衡逆向移动，ΔH2<0，A正确；约650℃之前，氢气产率低于甲烷，反应Ⅱ速率快，相同时间产生的CH4多，活化能低，则约650℃之前活化能：反应Ⅰ大于反应Ⅱ，B错误；由方程式可知，热裂解反应Ⅰ生成一氧化碳和氢气的物质的量相等，相同温度时，一氧化碳和氢气的产率应相等，由图可知，相同温度时，一氧化碳的产率大于氢气的产率，所以该容器中还发生了副反应：CO2(g)+H2(g)⥬CO(g)+H2O(g)，导致一氧化碳的产率大于氢气的产率，C正确；一定温度下，增大CH3COOH(g)的浓度，平衡正向移动，同时在恒容密闭容器中增大CH3COOH(g)的浓度，相当于加压，反应Ⅰ和Ⅱ都是反应前后气体体积增加的反应，最终乙酸的转化率减小，D正确。3.(2025·长沙模拟)煤化工等行业废气普遍含有硫化氢，需回收处理并加以利用。在T℃，向体积恒定的密闭容器中充入1molH2S和3molO2，发生反应：①2H2S(g)+O2(g)⥬S2(g)+2H2O(g)②2H2S(g)+3O2(g)⥬2SO2(g)+2H2O(g)③S2(g)+2O2(g)⥬2SO2(g)含硫元素占比[如S2的含硫元素占比S2%=nS2×2下列说法不正确的是()A.图中曲线c表示SO2的含硫元素占比与时间的变化关系B.若选择对反应①催化效果更好的催化剂，则M点将移向N点C.若40min时达到平衡，则平衡时生成H2O的物质的量为0.9molD.反应①的平衡常数K=0.答案C解析根据分析，图中曲线a、b、c分别表示H2S、S2、SO2的含硫元素占比与时间的变化关系，A正确；选择对反应①催化效果更好的催化剂，反应①速率加快，S2的含量到达极值点的时间缩短，SO2含量比未对反应①使用催化剂时更低，则S2的含硫元素占比增大，则M点会向N点移动，B正确；若40min时达到平衡，H2S%=4%，根据元素守恒，n(H2S)=0.04mol，则反应的H2S为0.96mol，由反应①、②方程式可知，此时生成的n(H2O)=0.96mol≠0.9mol，C错误；达到平衡时，SO2%=90%，根据元素守恒，n(SO2)=0.9mol，S2%=1-90%-4%=6%，则n(S2)=12×1mol×6%=0.03mol，n(H2O)=0.96mol，n(H2S)=0.04mol，根据氧原子守恒得n(O2)=6-0.96-1.82mol=1.62mol，则反应①的平衡常数K=c(S2)×4.[2025·陕晋青宁，17(4)]MgCO3/MgO循环在CO2捕获及转化等方面具有重要应用。科研人员设计了利用MgCO3与H2反应生成CH4的路线，主要反应如下：Ⅰ.MgCO3(s)=MgO(s)+CO2(g)ΔH1=+101kJ·mol-1Ⅱ.CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g)ΔH2=-166kJ·mol-1Ⅲ.CO2(g)+H2(g)=H2O(g)+CO(g)ΔH3=+41kJ·mol-1100kPa下，在密闭容器中H2(g)和MgCO3(s)各1mol发生反应。反应物(H2、MgCO3)的平衡转化率和生成物(CH4、CO2)的选择性随温度变化关系如图(反应Ⅲ在360℃以下不考虑)。注：含碳生成物选择性=含碳生成物的物质的量MgCO①表示CH4选择性的曲线是(填字母)。

②点M温度下，反应Ⅱ的Kp=

(kPa)-2(列出计算式即可)。③在550℃下达到平衡时，n(CO)=mol。500~600℃，随温度升高H2平衡转化率下降的原因可能是。

答案①c②100×0.2451×100×0.491解析①已知反应Ⅰ为吸热反应，Ⅱ为放热反应，Ⅲ为吸热反应，温度升高，MgCO3的转化率升高，H2的转化率下降，在360℃以下不考虑反应Ⅲ，则CO2的选择性上升，CH4的选择性下降，360℃以上考虑反应Ⅲ，部分CO2转化为CO，CO2选择性下降，故a表示MgCO3的转化率，b表示CO2的选择性，c表示CH4的选择性。②点M温度下，MgCO3的平衡转化率为49.0%、CH4的选择性为50%(反应Ⅲ在360℃以下不考虑)，则MgCO3转化0.49mol，反应Ⅰ生成0.49molCO2，故反应Ⅱ中起始时CO2为0.49mol、H2为1mol，达平衡时CH4为0.245mol，列三段式：平衡时气体的总物质的量为0.245mol+0.02mol+0.245mol+0.49mol=1mol，平衡时气体的总压强为100kPa。故反应Ⅱ的Kp=100×0.2451×100×0.4912100×0.2451×100×0.0214(kPa)-2。③由图可知，在550℃下达到平衡时，MgCO3的平衡转化率为100%，CH4选择性为10%，CO2选择性为70%，则根据C原子守恒和选择性的定义，CO选择性为20%，故CO的物质的量为5.[2025·山东，20(2)(3)(4)]利用CaS循环再生可将燃煤尾气中的SO2转化生产单质硫，涉及的主要反应如下：Ⅰ.CaS(s)+2SO2(g)⥬CaSO4(s)+S2(g)ΔH1Ⅱ.CaSO4(s)+4H2(g)⥬CaS(s)+4H2O(g)ΔH2Ⅲ.SO2(g)+3H2(g)⥬H2S(g)+2H2O(g)ΔH3恒容条件下，按1molCaS、1molSO2和0.1molH2投料反应。平衡体系中，各气态物种的lgn随温度的变化关系如图所示，n为气态物种物质的量的值。已知：图示温度范围内反应Ⅱ平衡常数K=108基本不变。回答下列问题：(2)乙线所示物种为(填化学式)。反应Ⅲ的焓变ΔH30(填“>”“<”或“=”)。

(3)T1温度下，体系达平衡时，乙线、丙线所示物种的物质的量相等，若丁线所示物种为amol，则S2为mol(用含a的代数式表示)；此时，CaS与CaSO4物质的量的差值n(CaS)-n(CaSO4)=mol(用含a的最简代数式表示)。

(4)T2温度下，体系达平衡后，压缩容器体积S2产率增大。与压缩前相比，重新达平衡时，H2S与H2物质的量之比n(H2S)n(H2)(填“增大”“减小”或“不变”)，H2O物质的量n(H2O)(填“增大”“答案(2)H2O<(3)0.9+a2150a(4解析(2)根据图示温度范围内反应Ⅱ平衡常数K=108基本不变知，恒有c4(H2O)c4(H2)=108，c(H2O)c(H2)=102，则n(H2O)n(H2)=102，lgn(H2O)-lgn(H2)=2，结合图中曲线变化趋势知，乙线表示H2O，丁线表示H2。温度升高，S2逐渐减少，反应Ⅰ的平衡逆向移动，则SO2逐渐增多，故丙线为SO2，甲线为H2S，结合K3=c(H2S)·c2(H2O)c(SO2)·c3(H2)=104·c(H2S)c(SO2)·c(H2)知，温度升高，K3减小，故反应Ⅲ的平衡逆向移动，反应Ⅲ为放热反应，ΔH3<0。(3)T1温度下，平衡体系中H2的物质的量为amol，H2O和SO2的物质的量相等，根据n(H2O)n(H2)=102，知n(H2O)=n(SO2)=100amol，根据H守恒，n(H2)+n(H2O)+n(H2S)=0.1mol，则n(H2S)=(0.1-101a)mol；根据S、Ca守恒，n(H2S)+n(SO2)+2n(S2)=1mol，则n(S2)=1-100a-(0.1-101a)2mol=0.9+a2mol；根据O守恒，n(H2O)+2n(SO2)+4n(CaSO4)=2mol，则n(CaSO4)=2-100a-100a×24mol=1-150a2mol二、多坐标图像分析1.核心特征：同一图像使用多个纵坐标(如浓度、速率、转化率、lnK等)。2.解题方法(1)明确坐标含义：识别每个纵坐标对应的物理量及单位。(2)建立关联：找到不同物理量间的联系(如速率与浓度的关系、平衡常数与温度的关系)。(3)分阶段分析：若有时间轴，划分反应阶段(如达到平衡前、平衡后)。6.CO2催化加氢合成甲醇是重要的碳捕获利用与封存技术，该过程发生下列反应：反应Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-58.6kJ·mol-1反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.2kJ·mol-10.5MPa下，将n(H2)∶n(CO2)=3的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应器，测得CO2的转化率、CH3OH或CO的选择性[n生成(CH3OH)或n生成(CO)n总转化(CO2)×100%]以及CH3OHA.CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)ΔH=+99.8kJ·mol-1B.曲线a表示CH3OH的选择性随温度的变化C.图中所示270℃时，对应CO2的转化率为21%D.在210~250℃之间，CH3OH的收率增大是由于CH3OH的选择性增大导致答案C解析由盖斯定律，反应Ⅰ-反应Ⅱ得反应CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)，ΔH=(-58.6-41.2)kJ·mol-1=-99.8kJ·mol-1，A错误；在210~250℃之间，反应Ⅰ未达平衡，CH3OH的收率增大是由于温度升高，生成CH3OH的反应速率增大导致，D错误。7.在二氧化碳加氢制甲烷的反应体系中，除主反应(反应Ⅰ)外，还会发生副反应(反应Ⅱ)。反应Ⅰ：CO2(g)+4H2(g)⥬CH4(g)+2H2O(g)KⅠ反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)⥬CO(g)+H2O(g)KⅡ一定压强下，向某容积可变的密闭容器中通入CO2和H2的混合气体(其中CO2和H2的物质的量之比为1∶4)，在某催化剂的作用下同时发生反应Ⅰ和反应Ⅱ，测得CO2的转化率、CH4的选择性、CO的选择性随反应温度的变化情况如图所示。已知：CH4或CO的选择性指反应生成CH4或CO时所消耗的CO2的物质的量占参与反应的CO2总物质的量的百分比。下列说法正确的是()A.相同温度下，反应2CO(g)+2H2(g)⥬CO2(g)+CH4(g)的平衡常数K=KB.温度升高，反应Ⅰ的平衡常数KⅠ和反应Ⅱ的平衡常数KⅡ都增大C.通过控制反应温度、调节压强等措施可提高CH4的选择性D.500℃时，反应达到平衡后，增大压强，体系中CO和CH4的体积分数均减小答案C解析根据盖斯定律，目标反应可由反应Ⅰ-2×反应Ⅱ得到，则目标反应的平衡常数K=KⅠKⅡ2，A错误；由题图可知，在温度为340~400℃时，CH4的选择性为100%，即此温度范围内只发生反应Ⅰ，在此温度范围内升高温度，CO2的转化率减小，说明反应Ⅰ的平衡逆向移动，KⅠ减小，B错误；由图中信息及反应Ⅰ、反应Ⅱ在反应前后气体分子数的变化特点可知，温度、压强可影响CH4的选择性，为提高CH4的选择性，可采用控制反应温度、调节压强等措施，C正确；增大压强，反应Ⅰ的平衡正向移动，可提高甲烷的产率，反应Ⅰ的平衡移动也会影响反应Ⅱ中CO的产率，反应Ⅱ平衡逆向移动，故甲烷的体积分数增大，8.(2025·河北邢台模拟)NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应。工业尾气中的NH3可通过催化氧化为N2除去。将一定比例的NH3、O2和N2的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应管，NH3的转化率、生成N2的选择性[2n生成(N下列说法正确的是()A.其他条件不变，升高温度，NH3的平衡转化率增大B.其他条件不变，225~300℃时，随温度的升高，出口处N2浓度基本不变C.相同温度下，O2浓度越高，越有利于NH3的无害化处理D.该工艺中，NH3与O2生成NO、N2O的活化能比生成N2的活化能更大答案D解析NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应，升高温度，平衡都逆向移动，NH3的平衡转化率减小，故A错误；由图可知，225~300℃范围内NH3的转化率基本不变，而生成N2的选择性明显减小，则出口处N2的浓度减小，故B错误；O2浓度过高，则容易进一步将N元素氧化为有毒的氮氧化物，不利于NH3的无害化处理，故C错误；在给定的时间范围内，反应速率越快的反应，其产物的选择性越高，温度低时，N2