資源簡介

題型整合練　利用速率和平衡理論突破主觀簡答題
題型一　利用速率和平衡理論解釋曲線變化趨勢
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:
常溫下,將一定量甲醇放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.將甲醇(CH3OH)轉化耦合到丁烯(C4H8)裂解過程中生產丙烯(C3H6),主要涉及下列反應:
①2C4H8(g) 2C3H6(g)+C2H4(g)　ΔH>0
②2CH3OH(g) C2H4(g)+2H2O(g)　ΔH<0
③C2H4(g)+C4H8(g) 2C3H6(g)　ΔH<0
某壓強下,將甲醇(CH3OH)和丁烯(C4H8)按一定的物質的量之比投料,反應達到平衡時丙烯(C3H6)的體積分數隨溫度的變化曲線如圖所示。由圖可知平衡時C3H6的體積分數隨溫度的升高呈現先升高后降低的趨勢,其原因可能是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
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。反應體系中主要反應的熱化學方程式為:
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
(1)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　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)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=+75 kJ/mol
消碳反應:C(s)+CO2(g) 2CO(g)　ΔH4=+173 kJ/mol
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.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)
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的原因為　　　　　　　。
題型二　利用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　　　　　　　,反應溫度不能過高,否則反應速率下降,其原因是　　　　　　　　　。
6.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:
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　　　　　　　　。
7.以甲醇和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　　　　　　　　。
8.二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　　　　　　,理由是　　　　　　　　　　　　。資料顯示原料氣中>1時,隨著的增大,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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
答案與分層梯度式解析
1.答案　甲醇汽化吸熱,升高溫度,平衡右移,氣體分子數增多,壓強增大　
解析　注意題目信息,由“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　300~500 ℃時,反應①為主要反應,升高溫度,平衡正向移動,使C3H6的體積分數增大;溫度高于500 ℃時,反應②③為主要反應,升高溫度,兩平衡逆向移動,使C3H6的體積分數減小
解析　300~500 ℃時,丁烯裂解(反應①)為主要反應,是吸熱反應,升高溫度,平衡正向移動,使C3H6的體積分數增大;溫度高于500 ℃時,反應②③為主要反應,是放熱反應,升高溫度,平衡逆向移動,使C3H6的體積分數減小。
3.答案　(1)T3>T2>T1
(2)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　(1)作等壓輔助線,討論CO2的平衡轉化率與溫度T的關系。
4.答案　(1)放熱　(2)低于840 ℃時,反應Ⅰ未達到平衡狀態,隨著反應進行,NO的產率增大;溫度為840 ℃時,反應達到平衡狀態,反應Ⅰ是放熱反應,溫度升高,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,曲線上的點均處于平衡狀態,可以利用平衡移動原理解釋“平衡點”后曲線的變化趨勢。
名師點睛
曲線變化趨勢原因解釋類題目的答題方向
這類題目一般都是多因素影響,需要多角度分析原因。
(1)如果是產率(或轉化率)—溫度(或壓強)圖像,一般依據平衡移動原理分析圖像中曲線變化的原因,需考慮溫度或壓強對平衡移動的影響;有的還要分析是否為平衡時的產率或轉化率,如果不是平衡狀態,要考慮溫度對催化劑活性的影響、溫度和催化劑共同作用對反應速率的影響等。
(2)如果是體積分數—溫度(或壓強)圖像,一般是多重反應體系,需考慮不同反應在不同條件下的選擇性。
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活,所以反應速率會下降。
6.答案　放熱　600 ℃時甲烷平衡轉化率高達99%,低于600 ℃時,S2體積分數明顯偏小,且反應速率慢
解析　
7.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,故溫度不能太高
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。
8.答案　240 ℃　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　低級烯烴與氫氣發生加成反應生成烷烴
解析　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,說明生成的低級烯烴比例減少,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,可能是低級烯烴與氫氣發生加成反應生成了烷烴。
名師點睛
反應條件選擇類題目的答題方向
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、產率(化學平衡)兩個角度來分析。“快”就是提高化學反應速率,“好”主要是提高轉化率、產率。如針對平衡轉化率、產率時,可運用平衡移動原理解釋,一般表述為“其他條件不變的情況下,改變××條件,可逆反應平衡向××方向移動,導致發生××變化”;還要考慮生產效益,可從原料成本及來源、能源消耗、設備要求、環保等角度分析。
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