實踐素養(yǎng)檢測(三)　探析化學平衡圖像綜合題-課件下載-教習網(wǎng)

?實踐素養(yǎng)檢測()　探析化學平衡圖像綜合題
1．(2021·山西高三二模)氮及其化合物的研究對于生態(tài)環(huán)境保護和工農業(yè)生產(chǎn)發(fā)展非常重要。已知合成氨反應：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92 kJ·mol－1。
(1)合成氨需要選擇合適的催化劑，分別選用A、B、C三種催化劑進行實驗，所得結果如圖1所示(其他條件相同)，則實際生產(chǎn)中適宜選擇的催化劑是________(填“A”“B”或“C”)，理由是__________________________________________________________________。

(2)科研小組模擬不同條件下的合成氨反應，向剛性容器中充入10.0 mol N2和20.0 mol H2，不同溫度下平衡混合物中氨氣的體積分數(shù)與總壓強(p)的關系如圖2，T1、T2、T3由小到大的排序為___________；在T2、50MPa條件下，A點v正___________v逆(填“＞”“＜”或“＝”)；在溫度為T2壓強為50 MPa時，平衡常數(shù)Kp＝___________(列出表達式，分壓＝總壓×物質的量分數(shù))。
解析：(1)合成氨需要選擇合適的催化劑，實際生產(chǎn)中適宜選擇的催化劑是A，理由是催化劑A在較低溫度下具有較高的活性，能節(jié)約能源；且反應放熱，低溫有利于氨的合成。②如圖2，合成氨是放熱反應，當壓強相同時，升高溫度，平衡逆向移動，氨的體積分數(shù)減小，則T1、T2、T3由小到大的排序為T1＜T2＜T3；在T2、50 MPa條件下，A點屬于非平衡狀態(tài)，反應正向進行，v正＞v逆；在溫度為T2壓強為50 MPa時，設平衡時消耗N2的物質的量為x mol，則：
　　　　　　N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)
開始量/mol　　　10　　　20
變化量/mol　　　x　　　3x　　　　2x
平衡量/mol　　　10－x　 20－3x　　2x
＝0.5，解得x＝5，各物質的物質的量分數(shù)：N2為＝0.25，H2為＝0.25，NH3為0.5，p(N2)＝50×0.25 MPa，p(H2)＝50×0.25 MPa ，p(NH3)＝50×0.5 MPa，平衡常數(shù)Kp＝＝。
答案：(1)A　催化劑A在較低溫度下具有較高的活性，能節(jié)約能源；且反應放熱，低溫有利于氨的合成　
(2)T1＜T2＜T3?。尽?br /> 2．(2021·山東高三三模)CH4-CO2催化重整對溫室氣體的減排具有重要意義，其反應為CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝＋247.3 kJ·mol－1 ?；卮鹣铝袉栴}：
(1)將原料按初始組成n(CH4)∶n(CO2)＝1∶1充入密閉容器中，保持體系壓強為100 kPa發(fā)生反應，達到平衡時CO2體積分數(shù)與溫度的關系如圖所示。

①T1℃、100 kPa下，n(平衡時氣體)∶n(初始氣體)＝________；該溫度下，此反應的平衡常數(shù)Kp＝________(以分壓表示，列出計算式)。
②若A、B、C三點表示不同溫度和壓強下已達平衡時CO2的體積分數(shù)，__________點對應的平衡常數(shù)最小，理由是________________________________________；________點對應壓強最大，理由是____________________________________________________________。
(2)900 ℃下，將CH4和CO2的混合氣體(投料比1∶1)按一定流速通過盛有炭催化劑的反應器，測得CH4的轉化率受炭催化劑顆粒大小的影響如圖所示。(注：目數(shù)越大，表示炭催化劑顆粒越小)

由圖可知，75 min后CH4轉化率與炭催化劑目數(shù)的關系為____________________，原因是____________________________________________。
解析：(1)①初始組成n(CH4)∶n(CO2)＝1∶1，不妨設n(CH4)＝n(CO2)＝1 mol，設T1℃、100 kPa下，平衡時Δn(CH4)＝x mol，列三段式有
　　　　　CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)
起始/mol　　1　　　　1　　　　0　　　　0
轉化/mol　　x　　　x　　　　 2x　　　2x
平衡/mol　　1－x　 1－x　　2x　　　2x
據(jù)圖可知平衡時CO2的體積分數(shù)為30%，所以有＝30%，解得x＝0.25，所以平衡時氣體總物質的量為2 mol＋0.25 mol×2＝2.5 mol，n(平衡時氣體)∶n(初始氣體)＝2.5 mol∶2 mol＝5∶4；平衡時p(CH4)＝p(CO2)＝100 kPa×＝30 kPa，p(CO)＝p(H2)＝100 kPa×＝20 kPa，所以Kp＝。
②該反應焓變大于0，為吸熱反應，溫度越低，平衡常數(shù)越小，所以A點對應的平衡常數(shù)最??；該反應為氣體系數(shù)之和增大的反應，相同溫度下，增大壓強，平衡逆向移動，CO2的體積分數(shù)增大，A、B兩點CO2的體積分數(shù)均小于相同溫度、壓強為100 kPa下平衡時CO2的體積分數(shù)，說明壓強小于100 kPa，而C點大于相同溫度、壓強為100 kPa下平衡時CO2的體積分數(shù)，說明壓強大于100 kPa，所以C點壓強最大。
(2)據(jù)圖可知，75 min后催化劑目數(shù)越大，CH4轉化率越大，因為催化劑目數(shù)越大，顆粒越小，表面積越大，原料氣與催化劑的接觸更加充分，反應更完全。
答案：(1)①5∶4　?、贏　該反應為吸熱反應，溫度越低，平衡常數(shù)越小　C　C點CO2的體積分數(shù)大于相同溫度、100 kPa下平衡時的CO2的體積分數(shù)，則壓強大于100 kPa，A、B點CO2的體積分數(shù)小于相同溫度、100 kPa下平衡時的CO2的體積分數(shù)，則壓強小于100 kPa
(2)目數(shù)越大，CH4轉化率越大　催化劑的顆粒越小，原料氣與催化劑的接觸更加充分
3．(2021·河南鄭州高三一模)甲烷和CO2是主要的溫室氣體，高效利用甲烷和CO2對緩解大氣變暖有重要意義。
(1)將一定量的甲烷和氧氣混合發(fā)生反應：2CH4(g)＋O2(g)2CO(g)＋4H2(g)，其他條件相同，在甲、乙兩種不同催化劑作用下，相同時間內測得CH4轉化率與溫度變化的關系如圖1所示。某同學判斷c點一定沒有達到平衡狀態(tài)，他的理由是__________________________。

(2)CO2通過催化加氫可以合成乙醇，其反應原理為2CO2(g)＋6H2(g)C2H5OH(g)＋3H2O(g)　ΔHm2>m3。
②升高溫度，平衡逆向移動，二氧化碳和氫氣的含量增大，乙醇、水的含量減小，水的含量是乙醇的3倍，所以曲線b代表乙醇，曲線a代表水，曲線c代表H2，曲線d代表CO2，m＝3，設起始時H2為9 mol，則CO2為3 mol，平衡時C2H5OH為x mol，H2O為3x mol，列三段式：
2CO2(g)＋6H2(g)C2H5OH(g)＋3H2O(g)
起始量/mol 3　　9　　　　0　　　　　　0
變化量/mol 2x　　 6x　　　 x　　　　　　3x
平衡量/mol 3－2x 9－6x　　 x　　　　　　3x
9－6x＝3x，解得x＝1，平衡常數(shù)Kp＝，p(CO2)＝p，p(H2)＝p，p(C2H5OH)＝p，p(H2O)＝p，Kp＝。
答案：(1)催化劑不會影響平衡轉化率，在其他條件相同情況下，乙催化劑對應c點的轉化率沒有甲催化劑對應b點的轉化率高，所以c點一定未達到平衡　
(2)①m1?、?br /> 4．(2021·重慶高三三模)碳以及碳的化合物在生活中應用廣泛。利用CO2合成甲醇不僅能夠使二氧化碳得到有效合理的利用，也能解決日益嚴重的能源危機。由CO2合成甲醇的過程可能涉及如下反應：
反應Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　
ΔH1＝－49.58 kJ·mol－1
反應Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　
ΔH2＝＋41.19 kJ·mol－1
反應Ⅲ：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH3
回答下列問題：
(1)將一定量的H2和CO2充入恒容密閉容器中并加入合適的催化劑，發(fā)生反應Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。測得不同溫度下體系達到平衡時CO2的轉化率(a)及甲醇的產(chǎn)率(b)如圖所示。

①該反應達到平衡后，為同時提高反應速率和甲醇的生成量，以下措施一定可行的是________(填字母)。
A．改用高效催化劑　　　　 B．升高溫度
C．分離出甲醇 D．增加CO2濃度
②據(jù)圖判斷，當溫度高于260 ℃后，CO的濃度隨著溫度的升高而________(填“增大”“減小”“不變”或“無法判斷”)，其原因是__________________________________。
(2)一定條件下，在2 L的恒容密閉容器中充入一定量的H2和CO2 (假設僅發(fā)生反應Ⅰ)。測得在反應物起始投入量不同時，CO2的平衡轉化率與溫度的關系如圖所示。

反應物起始投入量：
曲線Ⅰ：n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝1.5 mol
曲線Ⅱ：n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝2 mol
①根據(jù)圖中數(shù)據(jù)判斷，要使CO2平衡轉化率大于40%，以下條件中最合理的是________。
A．n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝2.5 mol；550 K
B．n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝1.6 mol；550 K
C．n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝1.9 mol；600 K
D．n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝1.5 mol；650 K
②請選擇圖中數(shù)據(jù)計算500 K時反應Ⅰ的平衡常數(shù)K＝____________________。
解析：(1)①催化劑只能提高反應速率，不能提高平衡時甲醇的生成量，A不符合題意；據(jù)圖可知當溫度過高時，升高溫度，甲醇的產(chǎn)率下降，B不符合題意；分離出甲醇平衡正向移動，CO2濃度減小，反應速率會減慢，C不符合題意；增加CO2濃度，反應速率增大，同時平衡正向移動，甲醇的產(chǎn)率提高，D符合題意。
②反應Ⅰ、反應Ⅲ均為放熱反應，溫度升高不利于CO2、CO轉化為甲醇，反應Ⅱ為吸熱反應，溫度升高使更多的CO2轉化為CO，所以當溫度高于260 ℃后，CO的濃度一定增大。
(2)①據(jù)圖可知當溫度為550 K、n(H2)＝3 mol、n(CO2)＝2 mol時，CO2的平衡轉化率低于40%，若要使CO2的平衡轉化率增大，則應減少CO2的量，而該反應的焓變小于零，為放熱反應，溫度越低，CO2的平衡轉化率越大，所以四組數(shù)據(jù)中最合理的是n(H2)＝3 mol，n(CO2)＝1.6 mol；550 K，故選B。
②在溫度為500 K的條件下，充入3 mol H2和1.5 mol CO2，容器容積為2 L，平衡時二氧化碳的轉化率是60%，列三段式有：
CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)
0.75　　1.5　　　0　　　　　0
0.45　　1.35　　　0.45　　　　0.45
0.3　　　0.15　　　0.45　　　　0.45
所以平衡常數(shù)K＝＝200。
答案：(1)①D?、谠龃蟆》磻窈廷鬄榉艧岱磻磻驗槲鼰岱磻?，溫度升高不利于CO2、CO轉化為甲醇，有利于CO2轉化為CO，所以CO濃度一定增大
(2)①B?、?00
5．(2022·山東日照模擬)氫能是一種理想的綠色能源，一種太陽能兩步法甲烷蒸氣重整制氫原理合成示意圖如下：

(1)第Ⅰ步：NiFe2O4(s)＋CH4(g)NiO(s)＋2FeO(s)＋CO(g)＋2H2(g)　ΔH1＝a kJ·mol－1?？偡磻杀硎緸椋篊H4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH2＝b kJ·mol－1。寫出第Ⅱ步反應的熱化學方程式：______________________________________________________。
(2)實驗測得分步制氫比直接利用CH4和H2O(g)反應具有更高的反應效率，原因是______________________________________。
(3)第Ⅰ、Ⅱ步反應的lg Kp-T圖像如下。

由圖像可知a________b(填“大于”或“小于”)，1 000 ℃時，第Ⅱ步反應的化學平衡常數(shù)K＝________，測得該溫度下第Ⅰ步反應平衡時CH4的平衡分壓p(CH4)＝4.0 kPa，則平衡混合氣體中H2的體積分數(shù)為________(保留一位小數(shù))。

(4)第Ⅰ步反應產(chǎn)生的合成氣(CO和H2的混合氣體)可用于F-T合成(以合成氣為原料在催化劑和適當條件下合成碳氫化合物的工藝過程)。合成碳氫化合物時易發(fā)生副反應：CO＋H2O(g)CO2＋H2，如圖為相同條件下用不同催化劑在不同時間段測得反應體系內CO2的體積分數(shù)，據(jù)此應選擇的催化劑是________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)，選擇的依據(jù)是______________________________。
解析：(1)用總反應的熱化學方程式減去第Ⅰ步反應的熱化學方程式即可得到第Ⅱ步反應的熱化學方程式，即第Ⅱ步反應的熱化學方程式為NiO(s)＋2FeO(s)＋H2O(g)NiFe2O4(s)＋H2(g)　ΔH＝(b－a)kJ·mol－1。
(2)分步反應的效率更高說明分步反應的活化能降低。
(3)由圖可知，第Ⅰ步反應的平衡常數(shù)隨溫度的升高而增大，屬于吸熱反應；第Ⅱ步反應的平衡常數(shù)隨溫度的升高而降低，屬于放熱反應，得a>b；1 000 ℃時，第Ⅱ步反應的平衡常數(shù)為101＝10；1 000 ℃時，第Ⅰ步反應的平衡常數(shù)為103＝1 000，體系中CO和H2的體積比為1∶2，即p(H2)＝2p(CO)，平衡常數(shù)Kp＝，即＝1 000，解得p(CO)＝10 kPa，p(H2)＝20 kPa，氫氣的體積分數(shù)為×100%≈58.8%。
(4)由圖可知，相同條件下催化劑Ⅱ對二氧化碳的抑制能力比催化劑Ⅰ要好，能減少副產(chǎn)物的產(chǎn)生。
答案：(1)NiO(s)＋2FeO(s)＋H2O(g)NiFe2O4(s)＋H2(g)　ΔH＝(b－a)kJ·mol－1
(2)分步反應的活化能降低　(3)大于　10　58.8%
(4)Ⅱ　該催化劑可抑制 CO2生成，減少了副產(chǎn)物
6．(2021·山東臨沂高三二模)氮的氧化物是造成大氣污染的主要物質。研究它們的反應機理，對于消除環(huán)境污染有重要意義。
(1)在一定條件下，向某2 L密閉容器中分別投入一定量的NH3、NO發(fā)生反應：4NH3(g)＋6NO(g)5N2(g)＋6H2O(g)，其他條件相同時，在甲、乙兩種催化劑的作用下，NO的轉化率與溫度的關系如圖所示。

①工業(yè)上應選擇催化劑________(填“甲”或“乙”)。
②M點是否為對應溫度下NO的平衡轉化率，判斷理由是______________________。溫度高于210 ℃時，NO轉化率降低的原因可能是___________________________________。
(2)已知：NO2(g)＋SO2(g)NO(g)＋SO3(g)　ΔH”“

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