课件 高考化学一轮复习第八单元 化学反应速率与化学平衡 发展素养(十四)　平衡思想——化学平衡原理的应用

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发展素养(十四)　平衡思想——化学平衡原理的应用
探究点1　应用平衡原理控制反应条件探究点2　应用平衡原理分析变化的原因作业手册
　　平衡原理在工业生产中具体应用的考查通常有两个角度:一是结合生产实际和已有化学平衡相关知识,要求学生分析反应特点、生产实际,应用速率、平衡原理选取使工业生产达到最佳效益的条件;二是给出工业生产中通常采取的控制措施或条件(通常会以图像、图表形式呈现),要求学生用速率或平衡相关知识进行原因分析。不管是哪种考查形式,都对学生知识迁移应用、读图分析、信息处理能力提出了很高的要求。
探究点1　应用平衡原理控制反应条件
　　应用平衡原理控制条件常考的四个角度:1.曲线上的每个点是否都达到平衡往往需要通过曲线的升降趋势或斜率变化来判断,如果还未到达平衡则不能使用平衡移动原理,只有到达平衡以后的点才能应用平衡移动原理。如一定比例的CO2和H2在装有催化剂的反应器中发生反应:CO2(g)+3H2(g) ⇌ CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-63 kJ·ml-1。体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图所示,温度为470 K时,图中P点没有处于平衡状态,因为在490 K之前,甲醇产率随着温度升高而增大的原因是温度越高化学反应速率越快。
2.催化剂的活性是否受温度的影响不同的催化剂因选择性不同受温度的影响也会不同。一般来说,催化剂的活性在一定温度下最高,低于或高于这个温度都会下降。如以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂,可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示。则根据两条曲线可以判断涉及影响反应速率的两个因素:催化剂和温度。250~300 ℃时,温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是温度超过250 ℃时,催化剂的催化效率降低。
3.不同的投料比对产率的影响可以根据定一议二的方法,根据相同投料比下温度或压强的改变对产率的影响或相同温度或压强下改变投料比时平衡移动的方向进行判断,确定反应的吸放热或化学计量数之和的大小。如将燃煤废气中的CO2转化为甲醚的反应原理为2CO2(g)+6H2(g) ⇌ CH3OCH3(g)+3H2O(g)。已知在压强为a MPa下,该反应在不同温度、不同投料比时,CO2的转化率如图:当投料比一定时,温度越高,CO2的转化率越低,所以升温,平衡左移,正反应为放热反应。若温度不变,提高投料比[n(H2)∶n(CO2)],则提高了二氧化碳的转化率。
4.考虑副反应的干扰或影响往往试题会有一定的信息提示,尤其温度的改变影响较大。如磷石膏是湿法生产磷酸排出的工业废渣,主要成分是CaSO4·2H2O。用不同的还原剂可以将CaSO4还原,所得SO2可用于工业生产硫酸。以C作还原剂,向密闭容器中加入相同质量的几组不同C/S值(C与CaSO4的物质的量之比)的混合物在1100 ℃加热,结果如图所示。当C/S值为0.5时,反应产物为CaO、SO2、CO2;当C/S值大于0.7时,反应所得气体中SO2的体积分数不升反降,其可能原因是当C/S值大于0.7时,原料中的还原剂C的含量增加,则高温下过量的C与CO2发生反应CO2+C 2CO,从而使得气体总体积增大(或部分转化为其他含S物质)。
例1 将金红石(TiO2)转化为TiCl4是生产金属钛的关键步骤。在1.0×105 Pa,将TiO2、C、Cl2以物质的量之比1∶2∶2进行反应,平衡体系中主要物质的物质的量分数(x)随温度变化理论计算结果如图所示。下列说法不正确的是(　 )A.200~1600 ℃反应达到平衡时,TiO2的转化率均已接近100%B.将400 ℃时的平衡体系加热至800 ℃,平衡C(s)+CO2(g) ⇌ 2CO(g)向正反应方向移动C.1000 ℃时,测得某时刻x(TiCl4)=0.2,其他条件不变,延长反应时间能使x(TiCl4)超过该温度下平衡时的x(TiCl4)D.实际生产时反应温度选择900 ℃而不选择200℃,其主要原因是900 ℃比200 ℃时化学反应速率更快,生产效益更高
[解析] 在1.0×105 Pa,将TiO2、C、Cl2以物质的量之比1∶2∶2进行反应,反应为TiO2+2C+2Cl2 TiCl4+2CO;三者完全反应时,生成TiCl4、CO 的物质的量之比为1∶2,此时TiCl4的物质的量分数约为33.3%,结合图像知,200~1600 ℃反应达到平衡时,TiCl4的物质的量分数约为33.3%,则TiO2转化率均已接近100%,A正确;
结合图像知,将400 ℃时的平衡体系加热至800 ℃,CO2含量减小、CO含量增加,则平衡C(s)+CO2(g) ⇌ 2CO(g)向正反应方向移动,B正确;延长时间不能改变平衡时物质的转化率和产率,C错误;温度越高反应速率越快,单位时间产率越高,实际生产时反应温度选择900 ℃而不选择200 ℃,其主要原因是900 ℃比200 ℃时化学反应速率更快,生产效益更高,D正确。
变式题 [2023·河北秦皇岛二模] 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。
由反应Ⅰ、反应Ⅱ在反应前后气体分子数的变化特点知,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,可提高甲烷的体积分数,反应Ⅰ的平衡移动会使反应Ⅱ平衡逆向移动,CO体积分数减小,D错误。
探究点2　应用平衡原理分析变化的原因
　　应用速率和平衡移动分析工业生产实际中条件选择的原因时,常常涉及对复杂图像信息的解读,关键在于对数、形、义、性的综合思考,包括:
在进行图像变化或条件控制原因分析的描述时,可考虑以下几个角度:(1)实验最佳条件的选择或控制就是为了又“快”又“好”地生产,即主要是从反应速率与转化率(化学平衡)两个角度来分析,“快”就是提高反应速率,“好”就是提高转化率,原料利用率高,而影响速率与转化率的主要因素就是浓度、温度、压强与催化剂,其中温度与压强是试题中经常考查的因素。
(2)从速率、转化率、产率、纯度等角度分析,选择最佳条件。如针对反应速率时,思考方向为如何提高浸出速率,如何提高反应速率等;针对平衡转化率、产率时,可运用平衡移动原理解释(其他条件不变情况下,改变××条件,可逆反应平衡向××方向移动,导致××发生变化);针对综合生产效益时,可从原料成本,原料来源是否广泛、是否可再生,能源成本,对设备的要求,环境保护、绿色化学等方面作答。(3)选择当前条件的优势,其他条件的不足,往往不足的描述比较容易忽略,如温度过高或过低,压强过小或过大,也要进行分析。
该反应气体分子数减少,增大压强,α提高。5.0 MPa>2.5 MPa=p2,所以p1=5.0 MPa
温度、压强和反应物的起始浓度(组成)
升高温度,k增大使v逐渐提高,但α降低使v逐渐下降。当ttm后,k增大对v的提高小于α引起的降低
①温度高于300 ℃,CO2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CO2与H2反应一段时间后,测得CH3OCH3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CH3OCH3选择性的措施有 　 。 
反应Ⅰ的ΔH>0,反应Ⅱ的ΔHT3),测得c(NO)随t(时间)的变化曲线如图丙。转化相同量的NO,在温度　　　　(填“T3”或“T4”)下消耗的时间较长,试结合反应过程能量图(图乙)分析其原因:　  　。 
ΔH10,ΔH2p2>p1。②ΔH1>0,ΔH2