热点题型14 多重平衡体系的分析与计算

1/1热点题型14多重平衡体系的分析与计算（2025·山东高考20题）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：（1）反应4H2（g）＋2SO2（g）⇌4H2O（g）＋S2（g）的焓变ΔH＝（用含ΔH1、ΔH2的代数式表示）。（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）（【思路导引】（1）根据盖斯定律Ⅰ＋Ⅱ即得到反应4H2（g）＋2SO2（g）⇌4H2O（g）＋S2（g）的焓变为ΔH1＋ΔH2；（2）（3）根据H元素守恒：n（H2S）＝n（H2）－n（H2O）＝（0.1－101a）mol；根据S元素守恒：n（S2）＝0.5[n（SO2）－n（H2S）]＝（0.45＋0.5a）mol；根据O元素守恒：n（CaSO4）＝0.25[2n（SO2）－n（H2O）]＝（0.5－75a）mol；根据Ca元素守恒：剩余n（CaS）＝1－n（CaSO4）＝（0.5＋75a）mol；则CaS与CaSO4物质的量的差值n（CaS）－n（CaSO4）＝150amol。（4）压缩容器容积，压强增大，反应4H2（g）＋2SO2（g）⇌4H2O（g）＋S2（g）平衡正向进行，S2的产率增大；温度不变，由于n（H2O）n（H2）＝100始终不变，反应4H2（g）＋2SO2（g）⇌4H2O（g）＋S2（g）的平衡常数不变，所以SO2增大，由于反应Ⅲ的平衡常数可表示为K＝c2（H2O）·c（H2S）c2（H2）·c（H2）·c（SO2），n（H2O）n（H2）＝100始终不变，所以n（H2S）n（H2）增大；n（答案：（1）ΔH1＋ΔH2（2）H2O＜（3）0.45＋0.5a150a（4）增大减小1.利用元素守恒法快速解决多重平衡计算问题（1）反应体系中，任何状态均遵循元素守恒，利用元素守恒和“三段式”搞清楚起始量、转化量、平衡量之间的关系。（2）元素守恒法解题基本思路2.多重平衡体系类型（1）①竞争性的多重平衡，此类反应被称为平行反应或竞争反应。平行反应指的是反应物相同，生成物不同的两个或多个反应（其中一个生成目标产物的反应是主反应，其余的是副反应）。②连续性的多重平衡，此类反应被称为连续反应或分步反应。（2）连续反应的思维模型连续反应中只要有一个反应平衡发生移动，那么另一个反应平衡也会联动。（3）竞争反应的思维模型1.（2026·山东德州开学考）乙酸和氢气制备乙醇的过程中涉及如下反应：主反应：CH3COOH（g）＋2H2（g）⇌CH3CH2OH（g）＋H2O（g）ΔH1＜0副反应：CH3COOH（g）＋CH3CH2OH（g）⇌CH3COOCH2CH3（g）＋H2O（g）ΔH2＜0已知：①副反应的热效应很小；②整个过程中生成的n（CH3CH2OH）＞n（CH3COOCH2CH3）；③S表示产物选择性：S（乙醇）＝n（乙醇）n消耗（乙酸）×100％；S（乙酸乙酯）＝回答下列问题：（1）CH3COOCH2CH3（g）＋2H2（g）⇌2C2H5OH（g）ΔH＝ΔH1－ΔH2（用ΔH1和ΔH2表示）。（2）按n（H2）＝1mol，n（CH3COOH）＝0.1mol投料发生上述反应，如图表示2.0MPa条件下平衡时S（乙醇）、S（乙酸乙酯）随温度的变化，以及250℃条件下平衡时S（乙醇）、S（乙酸乙酯）随压强的变化。①2.0MPa条件下S（乙酸乙酯）随温度的变化曲线是b，250℃条件下S（乙醇）随压强变化的曲线是d。②乙酸乙酯物质的量分数A＝B（填“＞”“＜”或“＝”）；若测得A点n（H2O）＝amol，则n（C2H5OH）＝0.9amol；副反应的Kp＝a18（0.1－③若向A点体系中继续通入适量的H2，重新达平衡时n（CH3COOCH2CH3）n（C解析：（1）根据盖斯定律，反应CH3COOCH2CH3（g）＋2H2（g）⇌2C2H5OH（g）由主反应－副反应得到，则ΔH＝ΔH1－ΔH2。（2）①主反应为气体体积减小的放热反应，副反应是气体体积不变的放热反应，增大压强，主反应正向移动，副反应不发生移动，乙醇的选择性上升，乙酸乙酯的选择性下降；升高温度，主反应和副反应平衡均逆向移动，主反应逆向移动的程度大于副反应，所以乙醇的选择性随着温度升高而减小，乙酸乙酯的选择性上升，综上所述，2.0MPa下，乙醇选择性随温度变化的曲线是c，乙酸乙酯选择性随温度变化的曲线是b，250℃下，乙醇选择性随压强变化的曲线是d，乙酸乙酯选择性随压强变化的曲线是a。②根据图像知，A、B两点都是在250℃，2.0MPa条件下达到化学平衡，所以A、B处于完全相同的化学平衡状态，即乙酸乙酯物质的量分数A＝B；A点时n（H2O）＝amol，乙醇的选择性为90％，设主反应生成水xmol，副反应生成水ymol，则有主反应：CH3COOH（g）＋2H2（g）⇌CH3CH2OH（g）＋H2O（g）转化/molx 2x x x副反应：CH3COOH（g）＋CH3CH2OH（g）⇌CH3COOCH2CH3（g）＋H2O（g）转化/moly y y y可联立方程为x＋y＝a，x－yx＋y×100％=90%,解得x＝19a20，y＝a20，则n（C2H5OH）＝0.9amol；平衡时乙酸、乙醇、乙酸乙酯和水的物质的量分别为（0.1－a）mol、0.9amol、120amol，amol，则副反应的Kp＝a×120a（0.1－a）×0.9a2.（2025·江西模拟）“氢能源”的开发利用意义重大。乙醇与水催化重整制“氢”发生如下反应。反应Ⅰ：C2H5OH（g）＋H2O（g）⇌2CO（g）＋4H2（g）ΔH1反应Ⅱ：CO（g）＋H2O（g）⇌CO2（g）＋H2（g）ΔH2＝－41.2kJ·mol－1反应Ⅲ：C2H5OH（g）＋3H2O（g）⇌2CO2（g）＋6H2（g）ΔH3＝＋173.3kJ·mol－1回答下列问题：（1）反应Ⅰ的ΔH1＝＋255.7kJ·mol－1，该反应高温（填“高温”或“低温”或“不能”）自发进行。（2）压强为100kPa下，1molC2H5OH（g）和3molH2O（g）发生上述反应，平衡时CO2和CO的选择性、乙醇的转化率随温度的变化曲线如图。[已知：CO的选择性＝n生成①表示CO2选择性的曲线是a（填字母）；②573K时，生成CO的物质的量为0.18mol；③反应Ⅱ的标准平衡常数Kθ＝p（CO2）pθ·p（H2）pθp（CO）pθ·p（H2O）pθ，其中pθ为100kPa，p（CO2）、解析：（1）根据盖斯定律，反应Ⅰ＝反应Ⅲ－2×反应Ⅱ，则ΔH1＝ΔH3－2ΔH1＝（＋173.3kJ·mol－1）－2×（－41.2kJ·mol－1）＝＋255.7kJ·mol－1；根据ΔG＝ΔH－TΔS＜0时可自发反应，ΔH1＝＋255.7kJ·mol－1＞0，该反应气体分子数增大，ΔS＞0，故可在高温下自发进行。（2）①反应Ⅰ、Ⅲ为吸热反应，反应Ⅱ为放热反应，随着温度的升高，反应Ⅰ、Ⅲ平衡正向移动，反应Ⅱ平衡逆向移动，反应Ⅱ逆向移动CO2转化为CO，故温度升高CO的选择性增大，CO2的选择性减小，由于CO的选择性＋CO2的选择性＝1，则表示CO2选择性的曲线为a，表示CO选择性的曲线是c，表示乙醇的转化率的曲线是b；②573K时，CO2的选择性为85％，CO的选择性为15％，乙醇的转化率为60％，则平衡时根据碳元素守恒：n（CO2）＋n（CO）＝1mol×60％×2＝1.2mol，n（CO）＝1.2mol×15％＝0.18mol，n（CO2）＝1.2mol×85％＝1.02mol；③设反应Ⅰ中转化了乙醇xmol，反应Ⅱ中CO转化了ymol，反应Ⅲ中乙醇转化了zmol，则C2H5OH（g）＋H2O（g）⇌2CO（g）＋4H2（g）转化量/molx x 2x 4xCO（g）＋H2O（g）⇌CO2（g）＋H2（g）转化量/moly y y yC2H5OH（g）＋3H2O（g）⇌2CO2（g）＋6H2（g）转化量/molz3z2z6z那么x＋z＝0.6，2x－y＝0.18，y＋2z＝1.02，平衡时n（H2O）＝3－x－y－3z＝3－（x＋z）－（y＋2z）＝（3－0.6－1.02）mol＝1.38mol，n（H2）＝4x＋y＋6z＝4（x＋z）＋（y＋2z）＝（2.4＋1.02）mol＝3.42mol，气体的总物质的量为（0.4＋1.38＋1.02＋0.18＋3.42）mol＝6.4mol，故反应Ⅲ的Kθ＝1.3.（2025·江西萍乡模拟节选）积极发展氢能，是实现“碳达峰、碳中和”的重要举措，用甲烷和水蒸气催化制氢气涉及的主要反应如下：反应Ⅰ：CH4（g）＋2H2O（g）⇌CO2（g）＋4H2（g）ΔH1＝＋165.5kJ·mol－1K1反应Ⅱ：CH4（g）＋CO2（g）⇌2CO（g）＋2H2（g）ΔH2＝＋247.3kJ·mol－1K2反应Ⅲ：CH4（g）＋H2O（g）⇌CO（g）＋3H2（g）ΔH3K3（1）ΔH3＝＋206.4kJ·mol－1。（2）恒定压强为p0MPa时，将n（CH4）∶n（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。①表示CO2的物质的量分数与温度的变化曲线是n（填字母，下同）。②结合图中数据，其他条件不变，若要H2的产量最大，最适宜的反应温度是B。A.550～600℃B.650～700℃C.750～800℃解析：（1）目标方程式可由12（Ⅰ＋Ⅱ）得到，根据盖斯定律可知ΔH3＝12（ΔH1＋ΔH2）＝12×[（＋165.5）＋（＋247.3）]kJ·mol－1＝＋206.4kJ·mol（2）①由三个反应可知，随着反应的进行，CH4、H2O的含量减少，CO、H2的含量增大，CO2的含量相对较少，故曲线n表示CO2的物质的量分数与温度的变化；②由图可知当温度在650～700℃时，氢气的含量最大，产率最高。4.（2025·河北唐山模拟节选）羰基硫（COS）广泛应用于农药、医药及其他化工生产领域。利用CO2和H2S制备COS的反应如下：主反应：H2S（g）＋CO2（g）⇌COS（g）＋H2O（g）ΔH1＝＋35.0kJ·mol－1副反应Ⅰ：2H2S（g）⇌S2（g）＋2H2（g）ΔH2＝＋171.58kJ·mol－1副反应Ⅱ：2H2S（g）＋2CO2（g）⇌2CO（g）＋S2（g）＋2H2O（g）ΔH3＝＋253.98kJ·mol－1回答下列问题：（1）副反应Ⅱ在高温（填“高温”“低温”或“任意温度”）下能自发进行。（2）一定条件下，向恒容密闭容器中通入等物质的量的CO2（g）和H2S（g）混合气体，起始压强为100kPa，发生上述反应，20min时达到平衡，测得体系总压强为110kPa，S2（g）的平均反应速率为0.5kPa·min－1，又p（COS）＝p（CO2）＝p（CO）＋p（S2），则H2S（g）的平衡转化率为80％，主反应的压强平衡常数Kp＝3。（3）将等物质的量的CO2（g）和H2S（g）混合气体充入恒容密闭容器中发生上述反应，反应物的转化率随温度的变化如下图：表示CO2的转化率随温度的变化曲线为b（填“a”或“b”），在温度低于T0时，二者转化率近似相等，可能的原因副反应Ⅰ几乎不发生（或以主反应为主，或以主反应及副反应Ⅱ为主，或其他合理答案）。解析：（1）副反应Ⅱ为气体体积增大的吸热反应，则ΔH＞0、ΔS＞0，自发进行时ΔG＝ΔH－T·ΔS＜0，故在高温下能自发进行。（2）一定条件下，向恒容密闭容器中通入等物质的量的CO