06 常考题空6　平衡图像原因解释之转化率、产率变化分析 （附答案解析）-备战高考化学大题逐空突破系列（全国通用）

常考题空6　平衡图像原因解释之转化率、产率变化分析

【高考必备知识】

【题组训练】

1．科学家正致力于研究一种“碳中和”技术—(CH4­CO2)重整，该技术具有一定的经济效益和深远的社会意义。其工艺过程中涉及如下反应：

Ⅰ：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)   ΔH1 ＝＋234 kJ·mol－1

Ⅱ：H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)   ΔH2＝＋41 kJ·mol－1

将1 mol CH4与1 mol CO2在2 L密闭容器中反应制取CO和H2时，CH4和CO2的平衡转化率随温度变化关系如图所示。

(1)923 K时CO2的平衡转化率大于CH4的原因是____________________________________________________

  ________________________________________________________

(2)1 200 K以上CO2和CH4的平衡转化率趋于相等的原因可能是_______________________________________

  ______________________________________________________________________________________________

2．二甲醚是一种重要的化工原料。在恒温恒压条件下，化工生产上利用二甲醚与氧气为原料制备合成气，反应原理如下：CH3OCH3(g)＋O2 (g)2CO(g)＋3H2(g)　ΔH＝＋72.413 4 kJ·mol－1。实际生产过程中常常添加一定量的水蒸气，其目的是_________________________________________________________________________；研究发现，所得平衡混合气体中H2的体积分数随变化如图所示，试解释该曲线先变大后减小的原因：_____________________________________________________________________________

3．我国科研人员研究出了用活性炭对汽车尾气中NO处理的方法：C(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g)　ΔH<0。在恒压密闭容器中加入足量的活性炭和一定量的NO气体，反应相同时间时，测得NO的转化率α(NO)随温度的变化关系如图所示：

由图可知，温度低于1 050 K时，NO的转化率随温度升高而增大，原因是_____________________________

__________________________________________________________

4．已知：Ⅰ．CO(g)＋ H2O(g)CO2(g) ＋H2(g)

Ⅱ．CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)

Ⅲ．CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g) ＋H2O(g)

如图为一定比例的CO2、H2；CO、H2；CO、CO2、H2三个反应体系下甲醇生成速率与温度的关系。

490 K时，曲线a与曲线b相比，CO的存在使甲醇生成速率增大，结合反应Ⅰ、Ⅲ分析原因：____________

______________________________________________________________________________

5．现代制备乙烯常用乙烷氧化裂解法，主反应为C2H6(g)＋O2(g)C2H4(g)＋H2O(g)　ΔH＝－110 kJ·mol－1，反应时还会生成CH4、CO、CO2等副产物(副反应均为放热反应)，如图所示为温度对乙烷氧化裂解反应的影响。[乙烯选择性＝×100%；乙烯收率＝乙烷转化率×乙烯选择性]

(1)乙烷转化率随温度的升高而升高的原因是____________________________________，反应的最佳温度为_____

A．650 ℃  B．700 ℃  C．775 ℃  D．850 ℃

(2)工业上，保持体系总压强恒定在100 kPa下进行该反应，且通常在乙烷和氧气的混合气体中掺入惰性气体(惰性气体的体积分数为70%)，掺入惰性气体的目的是________________

6．向一体积恒定盛有催化剂的密闭容器中充入一定量的NH3和O2，测得一定时间内NO的产率与温度(T)的关系如图所示，该反应的ΔH________0(填“>”或“<”)，温度低于T1 ℃时，NO的产率________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡产率，理由为___________________________________________________________________

7．CO2(g)＋2H2O(g)CH4(g)＋2O2(g)　ΔH＝＋802 kJ·mol－1。将一定量的CO2(g)和H2O(g)充入10 L密闭容器中，分别在催化剂M、N的作用下发生上述反应，CH4(g)的产量(n)与光照时间(t)和温度(T)变化的关系如图1所示。

根据图1判断，T1________(填“＞”“＜”或“＝”)T2，理由为__________________________________________。催化剂的催化效果：M________(填“强于”或“弱于”)N

8．丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。C4H10(g)===C4H8(g)＋H2(g)　ΔH＝＋123 kJ·mol－1。图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是________________

___________________；590 ℃之后，丁烯产率快速降低的主要原因可能是________________________________

9．已知H2S高温热分解制H2的反应如下：2H2S(g)2H2(g)＋S2(g)。在恒容密闭容器中，控制不同温度进行H2S的分解实验。

以H2S的起始浓度均为c mol·L－1测定H2S的转化率，结果如图所示。图中曲线a为H2S的平衡转化率与温度关系曲线，曲线b表示不同温度下反应经过相同时间且未达到化学平衡时H2S的转化率。请说明随温度的升高，曲线b向曲线a逼近的原因：_____________________________________________

10．采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu-Mn的合金)，利用CO和H2制备二甲醚，反应如下：

4H2(g)＋2CO(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)，有研究者在压强为5.00 MPa的条件下，将H2和CO反应直接制备二甲醚，结果如下图所示，其中CO的转化率随温度升高而降低的原因是__________________________________                               

11．6NO(g)＋4NH3(g)5N2(g)＋6H2O(g)　ΔH＝－1 807.0 kJ·mol－1；NO和NH3在Ag2O催化剂表面的反应活性随温度的变化曲线见下图。随着反应温度的进一步升高，在有氧的条件下NO的转化率明显下降的可能原因是__________________________________________________________________________________

12．NH3催化还原氮氧化物(SCR)技术是目前应用最广泛的烟气氮氧化物脱除技术。在氨气足量的情况下，不同c(NO2)/c(NO)、不同温度对脱氮率的影响如图所示(已知氨气催化还原氮氧化物的正反应为放热反应)，请回答温度对脱氮率的影响：________________________________________________________________________

13．研究发现，催化剂可以促使烟气CO、SO2转化为CO2、S。反应原理为2CO(g)＋SO2(g)2CO2(g)＋S(l)

ΔH＝－270 kJ·mol－1。其他条件相同，研究发现，分别选取Fe2O3、NiO、Cr2O3作上述反应的催化剂时，SO2的转化率随反应温度的变化如图，研究得出，应该选择Fe2O3作催化剂，主要原因可能是___________________

_____________________________________________________________________________________________

14．再利用：加工过程中产生的H2S废气可用来制H2，既廉价又环保。已知：H2S(g)H2(g)＋S(g)  △H

在恒容密闭容器中，控制不同温度进行H2S分解实验。以H2S起始浓度均为c mol·L-1测定H2S的转化率，结果见图。ΔH     0(填 “>”或者“<”)，你判断的依据是________________________________________

15．以甲醇和CO反应合成甲酸甲酯，反应原理如下：CH3OH(g)＋CO(g)HCOOCH3(g)　ΔH＝－29.1 kJ/mol

科研人员对该反应进行了研究，部分研究结果如下：

(1)从反应压强对甲醇转化率的影响“效率”看，工业制取甲酸甲酯应选择的压强是　　　　　

(2)实际工业生产中采用的温度是80 ℃，其理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

16．CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH_____0(填“＞”或“＜”)。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是________________________________________________________________________________

17．汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，某研究小组在实验室以耐高温试剂Ag－ZSW－5催化，测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如下图所示

(1)若不使用CO，温度超过775 K，发现NO的分解率降低，其可能的原因为_____________________________

(2)用平衡移动原理解释为什么加入CO后NO转化为N2的转化率增大：________________________________

  _______________________________________________________

18．将甲醇转化耦合到丁烯裂解过程中生产丙烯，主要涉及下列反应：

①2C4H8(g)2C3H6(g)＋C2H4(g)　ΔH＞0

②2CH3OH(g)C2H4(g)＋2H2O(g)　ΔH＜0

③C2H4(g)＋C4H8(g)2C3H6(g)　ΔH＜0

已知：甲醇吸附在催化剂上，可以活化催化剂；甲醇浓度过大也会抑制丁烯在催化剂上的转化

(1)图1是C3H6及某些副产物的产率与的关系曲线。最佳的约为_________

(2)图2是某压强下，将CH3OH和C4H8按一定的物质的量之比投料，反应达到平衡时C3H6的体积分数随温度的变化曲线。由图可知平衡时C3H6的体积分数随温度的升高呈现先升高后降低，其原因可能是_______________

  __________________________________________________________________________________________

19．向恒容密闭容器中加入适量催化剂，并充入一定量的H2和CO合成甲醇：2H2(g)＋CO(g)CH3OH(g)，单位时间内，CO的转化率[α(CO)]与反应温度的变化关系如图所示，温度为T1～T2 ℃时，CO的转化率降低，原因是__________________________________________________

20．中科院大连化学物理研究所的一项最新成果实现了甲烷高效生产乙烯，甲烷在催化作用下脱氢，在气相中经自由基偶联反应生成乙烯，2CH4(g)C2H4(g)＋2H2(g)  ΔH＝＋202.0kJ·mol－1，实际制备C2H4时，通常存在副反应：2CH4(g)C2H6(g)＋H2(g)。反应器和CH4起始量不变，不同温度下C2H6和C2H4的体积分数与温度的关系曲线如图。在200 ℃时，测出乙烷的量比乙烯多的主要原因可能是____________________________

21．中科院大连化学物理研究所的一项最新成果实现了甲烷高效生产乙烯，甲烷在催化作用下脱氢，在气相中经自由基偶联反应生成乙烯：2CH4(g)C2H4(g)＋2H2(g)  ΔH＝＋202.0kJ·mol－1，若向该容器通入高温水蒸气(不参加反应，高于400℃)，C2H4的产率将________(选填“增大”“减小”“不变”“无法确定”)，理由是___________

  ________________________________________

22．研究减少CO2排放是一项重要课题。CO2经催化加氢可以生成低碳有机物，主要有以下反应：

反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)  △H1＝－49.6 kJ/mol，恒压下将CO2和H2按体积比1：3混合，在不同催化剂作用下发生反应I和反应III，在相同的时间段内CH3OH的选择性和产率随温度的变化如图。其中：CH3OH的选择性＝×100%

(1)温度高于230℃，CH3OH产率随温度升高而下降的原因是_______________________________

(2)在上述条件下合成甲醇的工业条件是______________________________

A．210℃       B．230℃       C．催化剂CZT       D．催化剂CZ(Zr－1)T

【常考题空6　平衡图像原因解释之转化率、产率变化分析】答案

1．(1)温度较低时，有利于反应Ⅱ发生，CH4和CO2按1∶1投料发生反应Ⅰ时转化率相等，CO2还发生反应Ⅱ，所以平衡转化率大于CH4

(2)1 200 K以上时反应Ⅰ的正向进行程度远大于反应Ⅱ

2．使原混合体系中气体的分压减小，有利于平衡正向移动，从而提升原料的转化率　

根据CH3OCH3(g)＋O2(g)===2CO(g)＋3H2(g)反应特点，＝0.5时与反应物的化学计量数相等，所以当<0.5时，随着逐渐增大，该反应会正向移动，平衡混合气体中H2的体积分数会随着增大；当>0.5时，O2会有剩余，另外过量的O2会与H2发生副反应生成H2O，H2的体积分数会减小

3．温度低于1 050 K时，反应未达到平衡状态，随温度升高，反应速率加快，NO转化率增大

4．CO的存在促使反应Ⅰ正向进行，二氧化碳和氢气的量增加，水蒸气的量减少，有利于反应Ⅲ正向进行

解析：490 K时，曲线a与曲线b相比，CO的存在使甲醇生成速率增大，结合反应Ⅰ、Ⅲ分析，对于反应Ⅰ：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)，CO是反应物，CO的存在促使反应Ⅰ正向进行，CO2和H2的量增加，水蒸气的量减少，有利于反应Ⅲ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)正向进行，所以CO的存在使甲醇生成速率增大。

5．(1)温度升高，反应速率增大，转化率增大　D

(2)促使平衡正向移动

解析：(1)放热反应，温度升高，平衡逆向移动，转化率降低，但此处转化率随温度升高而升高，说明反应均未达到平衡状态，则转化率受反应速率影响，随温度升高，反应速率增大，转化率增大。对比选项中4个温度发现，850 ℃下，对应乙烷的转化率较高，乙烯的选择性较高，副产物相对较少，且乙烯收率较高。

(2)该反应的正反应是气体分子数增大的反应，恒压条件下充入惰性气体相当于增大容器体积，降低体系压强，有利于平衡正向移动，提高反应物的转化率。

6．<   不是　该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，NO的平衡产率减小

解析：氨催化氧化反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，NO的平衡产率减小，因此温度低于T1℃时，NO的产率不是平衡产率。(3)活化能与产率无关，a项错误；根据题意，升高温度可能发生副反应导致NO的产率降低，b项正确；该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，NO的产率降低，c项正确；升高温度，平衡常数减小，d项错误。

7．＞　该反应为吸热反应，温度升高，CH4的产量增大　弱于

8．升高温度有利于反应向吸热方向进行　升高温度时，反应速率加快　丁烯高温裂解生成短碳链烃类

9．温度升高，反应速率加快，达到平衡所需的时间缩短，故曲线b向曲线a靠近

解析：弄清两条曲线表示的含义，温度低时，H2S转化率相差较大，温度高时，H2S转化率几乎相等，说明温度高时，在该段时间里已经达到平衡。

10．反应放热，温度升高，平衡左移

11．该反应是放热反应，升高温度反应更有利于向逆反应方向进行；同时高温条件下会发生4NH3＋5O2===4NO＋6H2O副反应，使NO转化率降低

解析：可逆反应转化率的变化一般可以从平衡移动的角度去分析，该反应是放热反应，升高温度反应更有利于向逆反应方向进行；也可从高温条件下会发生4NH3＋5O2===4NO＋6H2O副反应，使NO转化率降低。

12．300 ℃之前，反应未平衡，反应向右进行，脱氮率增大；300 ℃时反应达平衡后，升温平衡逆向移动，脱氮率减小

13．Fe2O3作催化剂时，在相对较低的温度下可获得较高的SO2转化率，从而节约能源　

14．随着温度升高，H2S转化率升高，说明正反应是吸热反应                                                      

15．(1)4.0×106 Pa　

(2)高于80 ℃时，温度对反应速率影响较小；且反应放热，升高温度时平衡逆向移动，转化率降低

16．＜　在1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，同时生产成本增加，得不偿失

17．(1)该反应放热，升高温度，反应向逆反应方向进行　

(2)加入的CO会与NO的分解产物O2发生反应，促进NO分解平衡向生成N2的方向移动，导致NO转化率升高

18．(1)1.0　

(2)300～500 ℃时，丁烯裂解(反应①)为主要反应，是吸热反应，升高温度，平衡正移，使C3H6的体积分数增大；温度高于500 ℃时，反应②③均为主要反应，是放热反应，升高温度，平衡逆移，使C3H6的体积分数降低，同时温度升高易发生副反应，C3H6可能转化为C2H4、C3H8、C4H10、C等，使C3H6的体积分数降低

解析：(1)由图1可知当约为1.0时C3H6的产率是最高的。

(2)由图2可知，300～500 ℃时，丁烯裂解(反应①)为主要反应，是吸热反应，升高温度，平衡正移，使C3H6的体积分数增大；温度高于500 ℃时，反应②③均为主要反应，是放热反应，升高温度，平衡逆移，使C3H6的体积分数降低，同时温度升高易发生副反应，C3H6可能转化为C2H4、C3H8、C4H10、C等，使C3H6的体积分数降低。

19．催化剂的活性降低，反应速率减小

20．200℃时，乙烷的生成速率比乙烯的快

21．增大  该反应为气体体积增大的吸热反应，通入高温水蒸气相当于加热，同时通入水蒸气，容器的体积增大，相当于减小压强，平衡均右移，产率增大 

22．反应I的△H＜0温度升高，使CO2转化为CH3OH的平衡转化率下降     BD