發(fā)展素養(yǎng)(十四)　平衡思想——化學(xué)平衡原理的應(yīng)用
探究點(diǎn)1　應(yīng)用平衡原理控制反應(yīng)條件探究點(diǎn)2　應(yīng)用平衡原理分析變化的原因作業(yè)手冊(cè)
　　平衡原理在工業(yè)生產(chǎn)中具體應(yīng)用的考查通常有兩個(gè)角度:一是結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和已有化學(xué)平衡相關(guān)知識(shí),要求學(xué)生分析反應(yīng)特點(diǎn)、生產(chǎn)實(shí)際,應(yīng)用速率、平衡原理選取使工業(yè)生產(chǎn)達(dá)到最佳效益的條件;二是給出工業(yè)生產(chǎn)中通常采取的控制措施或條件(通常會(huì)以圖像、圖表形式呈現(xiàn)),要求學(xué)生用速率或平衡相關(guān)知識(shí)進(jìn)行原因分析。不管是哪種考查形式,都對(duì)學(xué)生知識(shí)遷移應(yīng)用、讀圖分析、信息處理能力提出了很高的要求。
探究點(diǎn)1　應(yīng)用平衡原理控制反應(yīng)條件
　　應(yīng)用平衡原理控制條件?？嫉乃膫€(gè)角度:1.曲線上的每個(gè)點(diǎn)是否都達(dá)到平衡往往需要通過曲線的升降趨勢(shì)或斜率變化來判斷,如果還未到達(dá)平衡則不能使用平衡移動(dòng)原理,只有到達(dá)平衡以后的點(diǎn)才能應(yīng)用平衡移動(dòng)原理。如一定比例的CO2和H2在裝有催化劑的反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng):CO2(g)+3H2(g) ? CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-63 kJ·ml-1。體系中甲醇的產(chǎn)率和催化劑的催化活性與溫度的關(guān)系如圖所示,溫度為470 K時(shí),圖中P點(diǎn)沒有處于平衡狀態(tài),因?yàn)樵?90 K之前,甲醇產(chǎn)率隨著溫度升高而增大的原因是溫度越高化學(xué)反應(yīng)速率越快。
2.催化劑的活性是否受溫度的影響不同的催化劑因選擇性不同受溫度的影響也會(huì)不同。一般來說,催化劑的活性在一定溫度下最高,低于或高于這個(gè)溫度都會(huì)下降。如以二氧化鈦表面覆蓋Cu2Al2O4為催化劑,可以將CO2和CH4直接轉(zhuǎn)化成乙酸。在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖所示。則根據(jù)兩條曲線可以判斷涉及影響反應(yīng)速率的兩個(gè)因素:催化劑和溫度。250~300 ℃時(shí),溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是溫度超過250 ℃時(shí),催化劑的催化效率降低。
3.不同的投料比對(duì)產(chǎn)率的影響可以根據(jù)定一議二的方法,根據(jù)相同投料比下溫度或壓強(qiáng)的改變對(duì)產(chǎn)率的影響或相同溫度或壓強(qiáng)下改變投料比時(shí)平衡移動(dòng)的方向進(jìn)行判斷,確定反應(yīng)的吸放熱或化學(xué)計(jì)量數(shù)之和的大小。如將燃煤廢氣中的CO2轉(zhuǎn)化為甲醚的反應(yīng)原理為2CO2(g)+6H2(g) ? CH3OCH3(g)+3H2O(g)。已知在壓強(qiáng)為a MPa下,該反應(yīng)在不同溫度、不同投料比時(shí),CO2的轉(zhuǎn)化率如圖:當(dāng)投料比一定時(shí),溫度越高,CO2的轉(zhuǎn)化率越低,所以升溫,平衡左移,正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。若溫度不變,提高投料比[n(H2)∶n(CO2)],則提高了二氧化碳的轉(zhuǎn)化率。
4.考慮副反應(yīng)的干擾或影響往往試題會(huì)有一定的信息提示,尤其溫度的改變影響較大。如磷石膏是濕法生產(chǎn)磷酸排出的工業(yè)廢渣,主要成分是CaSO4·2H2O。用不同的還原劑可以將CaSO4還原,所得SO2可用于工業(yè)生產(chǎn)硫酸。以C作還原劑,向密閉容器中加入相同質(zhì)量的幾組不同C/S值(C與CaSO4的物質(zhì)的量之比)的混合物在1100 ℃加熱,結(jié)果如圖所示。當(dāng)C/S值為0.5時(shí),反應(yīng)產(chǎn)物為CaO、SO2、CO2;當(dāng)C/S值大于0.7時(shí),反應(yīng)所得氣體中SO2的體積分?jǐn)?shù)不升反降,其可能原因是當(dāng)C/S值大于0.7時(shí),原料中的還原劑C的含量增加,則高溫下過量的C與CO2發(fā)生反應(yīng)CO2+C 2CO,從而使得氣體總體積增大(或部分轉(zhuǎn)化為其他含S物質(zhì))。
例1 將金紅石(TiO2)轉(zhuǎn)化為TiCl4是生產(chǎn)金屬鈦的關(guān)鍵步驟。在1.0×105 Pa,將TiO2、C、Cl2以物質(zhì)的量之比1∶2∶2進(jìn)行反應(yīng),平衡體系中主要物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)(x)隨溫度變化理論計(jì)算結(jié)果如圖所示。下列說法不正確的是(　 )A.200~1600 ℃反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),TiO2的轉(zhuǎn)化率均已接近100%B.將400 ℃時(shí)的平衡體系加熱至800 ℃,平衡C(s)+CO2(g) ? 2CO(g)向正反應(yīng)方向移動(dòng)C.1000 ℃時(shí),測(cè)得某時(shí)刻x(TiCl4)=0.2,其他條件不變,延長反應(yīng)時(shí)間能使x(TiCl4)超過該溫度下平衡時(shí)的x(TiCl4)D.實(shí)際生產(chǎn)時(shí)反應(yīng)溫度選擇900 ℃而不選擇200℃,其主要原因是900 ℃比200 ℃時(shí)化學(xué)反應(yīng)速率更快,生產(chǎn)效益更高
[解析] 在1.0×105 Pa,將TiO2、C、Cl2以物質(zhì)的量之比1∶2∶2進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)為TiO2+2C+2Cl2 TiCl4+2CO;三者完全反應(yīng)時(shí),生成TiCl4、CO 的物質(zhì)的量之比為1∶2,此時(shí)TiCl4的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)約為33.3%,結(jié)合圖像知,200~1600 ℃反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),TiCl4的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)約為33.3%,則TiO2轉(zhuǎn)化率均已接近100%,A正確;
結(jié)合圖像知,將400 ℃時(shí)的平衡體系加熱至800 ℃,CO2含量減小、CO含量增加,則平衡C(s)+CO2(g) ? 2CO(g)向正反應(yīng)方向移動(dòng),B正確;延長時(shí)間不能改變平衡時(shí)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率,C錯(cuò)誤;溫度越高反應(yīng)速率越快,單位時(shí)間產(chǎn)率越高,實(shí)際生產(chǎn)時(shí)反應(yīng)溫度選擇900 ℃而不選擇200 ℃,其主要原因是900 ℃比200 ℃時(shí)化學(xué)反應(yīng)速率更快,生產(chǎn)效益更高,D正確。
變式題 [2023·河北秦皇島二模] 在二氧化碳加氫制甲烷的反應(yīng)體系中,除主反應(yīng)(反應(yīng)Ⅰ)外,還會(huì)發(fā)生副反應(yīng)(反應(yīng)Ⅱ)。反應(yīng)Ⅰ:CO2(g)+4H2(g) ? CH4(g)+2H2O(g)　KⅠ反應(yīng)Ⅱ:CO2(g)+H2(g) ? CO(g) +H2O(g)　KⅡ一定壓強(qiáng)下,向某容積可變的密閉容器中通入CO2和H2的混合氣體(其中CO2和H2的物質(zhì)的量之比為1∶4),在某催化劑的作用下同時(shí)發(fā)生反應(yīng)Ⅰ和反應(yīng)Ⅱ,測(cè)得CO2的轉(zhuǎn)化率、CH4的選擇性、CO的選擇性隨反應(yīng)溫度的變化情況如圖所示。
由反應(yīng)Ⅰ、反應(yīng)Ⅱ在反應(yīng)前后氣體分子數(shù)的變化特點(diǎn)知,溫度、壓強(qiáng)可影響CH4的選擇性,為提高CH4的選擇性,可采用控制反應(yīng)溫度、調(diào)節(jié)壓強(qiáng)等措施,C正確;增大壓強(qiáng),反應(yīng)Ⅰ的平衡正向移動(dòng),可提高甲烷的體積分?jǐn)?shù),反應(yīng)Ⅰ的平衡移動(dòng)會(huì)使反應(yīng)Ⅱ平衡逆向移動(dòng),CO體積分?jǐn)?shù)減小,D錯(cuò)誤。
探究點(diǎn)2　應(yīng)用平衡原理分析變化的原因
　　應(yīng)用速率和平衡移動(dòng)分析工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中條件選擇的原因時(shí),常常涉及對(duì)復(fù)雜圖像信息的解讀,關(guān)鍵在于對(duì)數(shù)、形、義、性的綜合思考,包括:
在進(jìn)行圖像變化或條件控制原因分析的描述時(shí),可考慮以下幾個(gè)角度:(1)實(shí)驗(yàn)最佳條件的選擇或控制就是為了又“快”又“好”地生產(chǎn),即主要是從反應(yīng)速率與轉(zhuǎn)化率(化學(xué)平衡)兩個(gè)角度來分析,“快”就是提高反應(yīng)速率,“好”就是提高轉(zhuǎn)化率,原料利用率高,而影響速率與轉(zhuǎn)化率的主要因素就是濃度、溫度、壓強(qiáng)與催化劑,其中溫度與壓強(qiáng)是試題中經(jīng)?？疾榈囊蛩?。
(2)從速率、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、純度等角度分析,選擇最佳條件。如針對(duì)反應(yīng)速率時(shí),思考方向?yàn)槿绾翁岣呓鏊俾?如何提高反應(yīng)速率等;針對(duì)平衡轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率時(shí),可運(yùn)用平衡移動(dòng)原理解釋(其他條件不變情況下,改變××條件,可逆反應(yīng)平衡向××方向移動(dòng),導(dǎo)致××發(fā)生變化);針對(duì)綜合生產(chǎn)效益時(shí),可從原料成本,原料來源是否廣泛、是否可再生,能源成本,對(duì)設(shè)備的要求,環(huán)境保護(hù)、綠色化學(xué)等方面作答。(3)選擇當(dāng)前條件的優(yōu)勢(shì),其他條件的不足,往往不足的描述比較容易忽略,如溫度過高或過低,壓強(qiáng)過小或過大,也要進(jìn)行分析。
該反應(yīng)氣體分子數(shù)減少,增大壓強(qiáng),α提高。5.0 MPa>2.5 MPa=p2,所以p1=5.0 MPa
溫度、壓強(qiáng)和反應(yīng)物的起始濃度(組成)
升高溫度,k增大使v逐漸提高,但α降低使v逐漸下降。當(dāng)ttm后,k增大對(duì)v的提高小于α引起的降低
①溫度高于300 ℃,CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因是? 　。?②220 ℃時(shí),在催化劑作用下CO2與H2反應(yīng)一段時(shí)間后,測(cè)得CH3OCH3的選擇性為48%(圖中A點(diǎn))。不改變反應(yīng)時(shí)間和溫度,一定能提高CH3OCH3選擇性的措施有?　 。?
反應(yīng)Ⅰ的ΔH>0,反應(yīng)Ⅱ的ΔHT3),測(cè)得c(NO)隨t(時(shí)間)的變化曲線如圖丙。轉(zhuǎn)化相同量的NO,在溫度　　　　(填“T3”或“T4”)下消耗的時(shí)間較長,試結(jié)合反應(yīng)過程能量圖(圖乙)分析其原因:　? 　。?
ΔH10,ΔH2p2>p1。②ΔH1>0,ΔH2

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