資源簡介

第二章　化學反應速率與化學平衡
題型整合練　利用反應速率和平衡理論突破主觀簡答題　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
題型1　　利用反應速率和平衡理論解釋曲線的變化趨勢
1.甲醇在化學工業、農業生產等領域都有廣泛的應用。請回答:
(2)常溫下,將一定量甲醇投入真空的恒容密閉容器中,發生CH3OH(l) CH3OH(g)　ΔH=+1 109 kJ·mol-1。
甲醇達到液氣平衡狀態時的壓強,稱為甲醇在該溫度下的飽和蒸氣壓(p),p與溫度的關系如圖所示。請分析B點飽和蒸氣壓大于A點飽和蒸氣壓的原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
2.甲酸甲酯(HCOOCH3)是一種重要的有機合成中間體,可通過甲醇催化脫氫制備,其工藝過程包含以下反應:
反應Ⅰ:2CH3OH(g) HCOOCH3(g)+2H2(g)　ΔH1=+51.2 kJ·mol-1,K1
反應Ⅱ:CH3OH(g) CO(g)+2H2(g)　ΔH2=+90.1 kJ·mol-1,K2
回答下列問題:
(3)在400 kPa、銅基催化劑存在下,向密閉容器中通入CH3OH進行Ⅰ、Ⅱ兩個反應。體系中氣體平衡組成比(物質的量分數)隨溫度變化的理論計算結果如圖所示。
①隨溫度升高,CH3OH的平衡組成比呈現如圖所示趨勢的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②研究表明,在700 K以后升高體系溫度,HCOOCH3的產率下降,可能的原因是　　　　　　　　　　　。
3.CO2資源化利用對緩解碳減排壓力具有重要意義,使用鎳氫催化劑可使CO2轉化為CH4。體系中主要反應的熱化學方程式如下:
反應Ⅰ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)　ΔH1<0
反應Ⅱ:2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g)　ΔH2<0
(3)相同投料比時,體系內CO2的平衡轉化率與溫度T和壓強p的關系如圖,溫度從高到低的順序為　　　　　　。
(4)鎳氫催化劑活性會因為甲烷分解產生積碳而降低,同時二氧化碳可與碳發生消碳反應:
積碳反應:CH4(g) C(s)+2H2(g)　ΔH3=+74 kJ·mol-1
消碳反應:C(s)+CO2(g) 2CO(g)　ΔH4=+173 kJ·mol-1
其他條件相同時,催化劑表面積碳量與溫度的關系如圖所示,T0 ℃之后,溫度升高積碳量減小的主要原因是　　　　　　　　　　　。
4.(4)氨的催化氧化過程中同時發生的反應主要如下:
反應Ⅰ.4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g)　ΔH<0
反應Ⅱ.4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(g)
測得相同時間內NO、N2的產率與溫度的關系如圖所示。
①反應Ⅱ為　　　　(填“放熱”或“吸熱”)反應。
②隨著溫度升高,NO的產率先增大后減小　　　　　　 　　　　。
題型二　　利用反應速率和平衡理論解釋反應條件的選擇
5.已知:生物脫H2S的原理為H2S+Fe2(SO4)3 S↓+2FeSO4+H2SO4,4FeSO4+O2+2H2SO4 2Fe2(SO4)3+2H2O。由圖1和圖2判斷使用硫桿菌的最佳條件為　　　　　　　　,若反應溫度過高,反應速率下降,其原因可能是　　　　　　　　　　　　。
圖1　圖2
6.(3)二氧化碳的資源化是目前的熱門研究領域,在催化劑的作用下二氧化碳可以和氫氣發生反應生成甲烷和低級烯烴CnH2n(n=2~4)。其他條件一定時,反應溫度對CO2轉化率、CH4選擇性、CnH2n選擇性的影響如圖所示,從生產低級烯烴的角度考慮,最合適的反應溫度是　　　。資料顯示原料氣中的增大,低級烯烴的選擇性會逐漸降低,但氫氣的總轉化率不發生明顯變化,原因可能是　　　　　　　　　　　。
7.CS2是一種重要的化工原料。工業上可以利用硫(S8)與CH4為原料制備CS2,S8受熱分解成氣態S2,發生反應2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g),回答下列問題:
(3)一定條件下,CH4與S2反應中CH4的平衡轉化率、S8分解產生S2的體積分數隨溫度的變化曲線如圖所示。據圖分析,生成CS2的反應為　　　　(填“放熱”或“吸熱”)反應。工業上通常采用在600~650 ℃的條件下進行此反應,不采用低于600 ℃的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
8.甲醇和CO反應合成甲酸甲酯,反應原理如下:CH3OH(g)+CO(g) HCOOCH3(g)　ΔH=-29.1 kJ/mol。科研人員對該反應進行了研究,部分研究結果如下:
(1)工業上制取甲酸甲酯選擇的壓強是4.0×106 Pa而不選取更高壓強的原因是　　　　　　　　　　　　。
(2)實際工業生產中采用的溫度是80 ℃,其理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
9.CH4和CO2都是溫室氣體,由兩者重整制合成氣,是實現“碳中和”的重要研究課題。反應原理如下:
主反應:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)　ΔH
副反應:Ⅰ.CH4(g) C(s)+2H2(g)　ΔH1=+74.0 kJ·mol-1
Ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
回答下列問題:
(2)在標準大氣壓下,CH4和CO2總物質的量為2 mol,研究溫度、n(CH4)/n(CO2)分別對CH4和CO2的平衡轉化率的影響如圖1、圖2所示。
圖1
圖2
①600 ℃時,隨著n(CH4)/n(CO2)減小,CH4的平衡轉化率增大的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②隨著溫度升高,不同n(CH4)/n(CO2)條件下,CH4的平衡轉化率最終趨于相等的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　。
③綜合考慮CH4和CO2的原料利用率及平衡轉化率,重整反應的最適宜溫度、n(CH4)/n(CO2)的最佳值分別為　　　　、　　　　。
答案與分層梯度式解析
1.答案　(2)甲醇由液態→氣態吸熱,升高溫度,平衡右移,氣體分子數增多,壓強增大
解析　(2)根據題目信息“ΔH=+1 109 kJ·mol-1”可知,升高溫度,平衡右移,氣體分子數增多,壓強增大。
2.答案　(3)①反應Ⅰ、Ⅱ均為吸熱反應,升高溫度,平衡均向正反應方向移動,CH3OH的平衡組成比下降　②反應Ⅰ的選擇性下降
解析　(3)②在700 K以后升高體系溫度,HCOOCH3的產率下降,可能的原因是反應Ⅰ的選擇性下降。
3.答案　(3)T3>T2>T1
(4)T0 ℃之后,溫度升高,消碳反應速率增大的程度大于積碳反應速率增大的程度
解析　(3)解答本小題,可以根據“定一議二”原則,作等壓輔助線,討論CO2的平衡轉化率與溫度T的關系(解題技法)。
(4)積碳反應、消碳反應均為吸熱反應。升高溫度,平衡均正向移動,T0 ℃之后,溫度升高,消碳反應速率增大的程度大于積碳反應速率增大的程度,所以積碳量減小。
4.答案　(4)①放熱　②低于840 ℃,反應未達到平衡狀態,溫度升高,反應速率加快,NO的產率增大;高于840 ℃,反應達到平衡狀態,反應Ⅰ的正反應是放熱反應,升高溫度,平衡逆向移動,NO的產率減小
解析　解答本題的關鍵在于確定“平衡點”,在達到平衡之前反應一直正向進行;“平衡點”之后,可以利用平衡移動原理解釋曲線的變化趨勢(解題技法)。
反思升華
　　(1)依據化學反應速率和平衡移動原理,分析造成圖像中曲線變化的原因。(2)催化劑對化學反應速率的影響、溫度對催化劑催化活性的影響、不同反應在不同條件下的選擇性問題等是這類題目的常考點,解題時要多加關注。(3)這類題目一般都是多因素影響,需要多角度分析原因。
5.答案　30 ℃、pH=2.0　硫桿菌失去活性
解析　根據圖1可判斷30 ℃時亞鐵離子的氧化速率最大,根據圖2可判斷pH=2.0時亞鐵離子的氧化速率最大,所以使用硫桿菌的最佳條件為30 ℃、pH=2.0;反應溫度過高時硫桿菌會失去活性,所以反應速率會下降。
6.答案　(3)240 ℃　低級烯烴與氫氣發生加成反應生成烷烴
解析　(3)由題圖可知,240 ℃時,二氧化碳轉化率和低級烯烴選擇性最高,甲烷選擇性最低,因此生產低級烯烴應選擇240 ℃;>1時,隨著的增大,低級烯烴的選擇性逐漸降低,說明生成的烯烴比例減小,氫氣的總轉化率不發生明顯變化說明氫氣發生了其他反應,可能是烯烴與氫氣發生加成反應生成了烷烴。
7.答案　(3)放熱　600 ℃時甲烷平衡轉化率大于99%,低于600 ℃時,S2濃度明顯偏小,且反應速率慢
解析　
8.答案　(1)4.0×106 Pa時甲醇轉化率較高,且再增大壓強,甲醇轉化率變化不大,但對設備要求較高
(2)80 ℃時反應速率較大且高于80 ℃時,升高溫度反應速率變化較小;反應放熱,升高溫度平衡逆向移動,甲醇的轉化率降低
解析　(1)由題圖可知,4.0×106 Pa時甲醇轉化率較高,再增大壓強,甲醇轉化率變化不大,但對設備要求較高,會提高生產成本。
(2)從反應速率角度分析:溫度為80 ℃時反應速率較大且高于80 ℃時,升高溫度反應速率變化較小;從平衡移動角度分析:反應放熱,升高溫度時平衡逆向移動,甲醇的轉化率降低,故溫度不能太高。
9.答案　(2)①對于主反應,隨著n(CH4)/n(CO2)減小,CO2濃度增大,促進平衡正向移動,CH4的平衡轉化率增大　②溫度較低時,n(CH4)/n(CO2)對CH4的平衡轉化率的影響占主導作用;溫度較高時,溫度對CH4的平衡轉化率的影響占主導作用　③900 ℃　1
解析　(2)①主反應CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)　ΔH,n(CH4)/n(CO2)減小,CO2濃度增大,平衡正向移動,CH4平衡轉化率增大。②溫度較低時,n(CH4)/n(CO2)對CH4的平衡轉化率的影響占主導作用,相同溫度下,n(CH4)/n(CO2)越小,CH4的平衡轉化率越大;溫度較高時,溫度對CH4的平衡轉化率的影響占主導作用,使CH4的平衡轉化率趨于相等。③溫度達到900 ℃時CH4的平衡轉化率、CO2的平衡轉化率都較高,溫度再升高,轉化率幾乎不變,但耗能增大;n(CH4)/n(CO2)為1時,二者平衡轉化率都較高,故最適宜溫度為900 ℃, n(CH4)/n(CO2)的最佳值為1。
反思升華
條件選擇類題目的答題方向
　　實驗最佳條件的選擇或控制就是為了又“快”又“好”地生產,即主要是從化學反應速率與轉化率(化學平衡)兩個角度來分析。“快”就是提高化學反應速率,“好”就是提高轉化率。
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