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第二章　化学反应速率与化学平衡
题型整合练　利用反应速率和平衡理论突破主观简答题　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
题型1　　利用反应速率和平衡理论解释曲线的变化趋势
1.甲醇在化学工业、农业生产等领域都有广泛的应用。请回答:
(2)常温下,将一定量甲醇投入真空的恒容密闭容器中,发生CH3OH(l) CH3OH(g)　ΔH=+1 109 kJ·mol-1。
甲醇达到液气平衡状态时的压强,称为甲醇在该温度下的饱和蒸气压(p),p与温度的关系如图所示。请分析B点饱和蒸气压大于A点饱和蒸气压的原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
2.甲酸甲酯(HCOOCH3)是一种重要的有机合成中间体,可通过甲醇催化脱氢制备,其工艺过程包含以下反应:
反应Ⅰ:2CH3OH(g) HCOOCH3(g)+2H2(g)　ΔH1=+51.2 kJ·mol-1,K1
反应Ⅱ:CH3OH(g) CO(g)+2H2(g)　ΔH2=+90.1 kJ·mol-1,K2
回答下列问题:
(3)在400 kPa、铜基催化剂存在下,向密闭容器中通入CH3OH进行Ⅰ、Ⅱ两个反应。体系中气体平衡组成比(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。
①随温度升高,CH3OH的平衡组成比呈现如图所示趋势的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②研究表明,在700 K以后升高体系温度,HCOOCH3的产率下降,可能的原因是　　　　　　　　　　　。
3.CO2资源化利用对缓解碳减排压力具有重要意义,使用镍氢催化剂可使CO2转化为CH4。体系中主要反应的热化学方程式如下:
反应Ⅰ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)　ΔH1<0
反应Ⅱ:2CO2(g)+6H2(g) C2H4(g)+4H2O(g)　ΔH2<0
(3)相同投料比时,体系内CO2的平衡转化率与温度T和压强p的关系如图,温度从高到低的顺序为　　　　　　。
(4)镍氢催化剂活性会因为甲烷分解产生积碳而降低,同时二氧化碳可与碳发生消碳反应:
积碳反应:CH4(g) C(s)+2H2(g)　ΔH3=+74 kJ·mol-1
消碳反应:C(s)+CO2(g) 2CO(g)　ΔH4=+173 kJ·mol-1
其他条件相同时,催化剂表面积碳量与温度的关系如图所示,T0 ℃之后,温度升高积碳量减小的主要原因是　　　　　　　　　　　。
4.(4)氨的催化氧化过程中同时发生的反应主要如下:
反应Ⅰ.4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g)　ΔH<0
反应Ⅱ.4NH3(g)+3O2(g) 2N2(g)+6H2O(g)
测得相同时间内NO、N2的产率与温度的关系如图所示。
①反应Ⅱ为　　　　(填“放热”或“吸热”)反应。
②随着温度升高,NO的产率先增大后减小　　　　　　 　　　　。
题型二　　利用反应速率和平衡理论解释反应条件的选择
5.已知:生物脱H2S的原理为H2S+Fe2(SO4)3 S↓+2FeSO4+H2SO4,4FeSO4+O2+2H2SO4 2Fe2(SO4)3+2H2O。由图1和图2判断使用硫杆菌的最佳条件为　　　　　　　　,若反应温度过高,反应速率下降,其原因可能是　　　　　　　　　　　　。
图1　图2
6.(3)二氧化碳的资源化是目前的热门研究领域,在催化剂的作用下二氧化碳可以和氢气发生反应生成甲烷和低级烯烃CnH2n(n=2~4)。其他条件一定时,反应温度对CO2转化率、CH4选择性、CnH2n选择性的影响如图所示,从生产低级烯烃的角度考虑,最合适的反应温度是　　　。资料显示原料气中的增大,低级烯烃的选择性会逐渐降低,但氢气的总转化率不发生明显变化,原因可能是　　　　　　　　　　　。
7.CS2是一种重要的化工原料。工业上可以利用硫(S8)与CH4为原料制备CS2,S8受热分解成气态S2,发生反应2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g),回答下列问题:
(3)一定条件下,CH4与S2反应中CH4的平衡转化率、S8分解产生S2的体积分数随温度的变化曲线如图所示。据图分析,生成CS2的反应为　　　　(填“放热”或“吸热”)反应。工业上通常采用在600~650 ℃的条件下进行此反应,不采用低于600 ℃的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
8.甲醇和CO反应合成甲酸甲酯,反应原理如下:CH3OH(g)+CO(g) HCOOCH3(g)　ΔH=-29.1 kJ/mol。科研人员对该反应进行了研究,部分研究结果如下:
(1)工业上制取甲酸甲酯选择的压强是4.0×106 Pa而不选取更高压强的原因是　　　　　　　　　　　　。
(2)实际工业生产中采用的温度是80 ℃,其理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
9.CH4和CO2都是温室气体,由两者重整制合成气,是实现“碳中和”的重要研究课题。反应原理如下:
主反应:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)　ΔH
副反应: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
回答下列问题:
(2)在标准大气压下,CH4和CO2总物质的量为2 mol,研究温度、n(CH4)/n(CO2)分别对CH4和CO2的平衡转化率的影响如图1、图2所示。
图1
图2
①600 ℃时,随着n(CH4)/n(CO2)减小,CH4的平衡转化率增大的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②随着温度升高,不同n(CH4)/n(CO2)条件下,CH4的平衡转化率最终趋于相等的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　。
③综合考虑CH4和CO2的原料利用率及平衡转化率,重整反应的最适宜温度、n(CH4)/n(CO2)的最佳值分别为　　　　、　　　　。
答案与分层梯度式解析
1.答案　(2)甲醇由液态→气态吸热,升高温度,平衡右移,气体分子数增多,压强增大
解析　(2)根据题目信息“ΔH=+1 109 kJ·mol-1”可知,升高温度,平衡右移,气体分子数增多,压强增大。
2.答案　(3)①反应Ⅰ、Ⅱ均为吸热反应,升高温度,平衡均向正反应方向移动,CH3OH的平衡组成比下降　②反应Ⅰ的选择性下降
解析　(3)②在700 K以后升高体系温度,HCOOCH3的产率下降,可能的原因是反应Ⅰ的选择性下降。
3.答案　(3)T3>T2>T1
(4)T0 ℃之后,温度升高,消碳反应速率增大的程度大于积碳反应速率增大的程度
解析　(3)解答本小题,可以根据“定一议二”原则,作等压辅助线,讨论CO2的平衡转化率与温度T的关系(解题技法)。
(4)积碳反应、消碳反应均为吸热反应。升高温度,平衡均正向移动,T0 ℃之后,温度升高,消碳反应速率增大的程度大于积碳反应速率增大的程度,所以积碳量减小。
4.答案　(4)①放热　②低于840 ℃,反应未达到平衡状态,温度升高,反应速率加快,NO的产率增大;高于840 ℃,反应达到平衡状态,反应Ⅰ的正反应是放热反应,升高温度,平衡逆向移动,NO的产率减小
解析　解答本题的关键在于确定“平衡点”,在达到平衡之前反应一直正向进行;“平衡点”之后,可以利用平衡移动原理解释曲线的变化趋势(解题技法)。
反思升华
　　(1)依据化学反应速率和平衡移动原理,分析造成图像中曲线变化的原因。(2)催化剂对化学反应速率的影响、温度对催化剂催化活性的影响、不同反应在不同条件下的选择性问题等是这类题目的常考点,解题时要多加关注。(3)这类题目一般都是多因素影响,需要多角度分析原因。
5.答案　30 ℃、pH=2.0　硫杆菌失去活性
解析　根据图1可判断30 ℃时亚铁离子的氧化速率最大,根据图2可判断pH=2.0时亚铁离子的氧化速率最大,所以使用硫杆菌的最佳条件为30 ℃、pH=2.0;反应温度过高时硫杆菌会失去活性,所以反应速率会下降。
6.答案　(3)240 ℃　低级烯烃与氢气发生加成反应生成烷烃
解析　(3)由题图可知,240 ℃时,二氧化碳转化率和低级烯烃选择性最高,甲烷选择性最低,因此生产低级烯烃应选择240 ℃;>1时,随着的增大,低级烯烃的选择性逐渐降低,说明生成的烯烃比例减小,氢气的总转化率不发生明显变化说明氢气发生了其他反应,可能是烯烃与氢气发生加成反应生成了烷烃。
7.答案　(3)放热　600 ℃时甲烷平衡转化率大于99%,低于600 ℃时,S2浓度明显偏小,且反应速率慢
解析　
8.答案　(1)4.0×106 Pa时甲醇转化率较高,且再增大压强,甲醇转化率变化不大,但对设备要求较高
(2)80 ℃时反应速率较大且高于80 ℃时,升高温度反应速率变化较小;反应放热,升高温度平衡逆向移动,甲醇的转化率降低
解析　(1)由题图可知,4.0×106 Pa时甲醇转化率较高,再增大压强,甲醇转化率变化不大,但对设备要求较高,会提高生产成本。
(2)从反应速率角度分析:温度为80 ℃时反应速率较大且高于80 ℃时,升高温度反应速率变化较小;从平衡移动角度分析:反应放热,升高温度时平衡逆向移动,甲醇的转化率降低,故温度不能太高。
9.答案　(2)①对于主反应,随着n(CH4)/n(CO2)减小,CO2浓度增大,促进平衡正向移动,CH4的平衡转化率增大　②温度较低时,n(CH4)/n(CO2)对CH4的平衡转化率的影响占主导作用;温度较高时,温度对CH4的平衡转化率的影响占主导作用　③900 ℃　1
解析　(2)①主反应CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)　ΔH,n(CH4)/n(CO2)减小,CO2浓度增大,平衡正向移动,CH4平衡转化率增大。②温度较低时,n(CH4)/n(CO2)对CH4的平衡转化率的影响占主导作用,相同温度下,n(CH4)/n(CO2)越小,CH4的平衡转化率越大;温度较高时,温度对CH4的平衡转化率的影响占主导作用,使CH4的平衡转化率趋于相等。③温度达到900 ℃时CH4的平衡转化率、CO2的平衡转化率都较高,温度再升高,转化率几乎不变,但耗能增大;n(CH4)/n(CO2)为1时,二者平衡转化率都较高,故最适宜温度为900 ℃, n(CH4)/n(CO2)的最佳值为1。
反思升华
条件选择类题目的答题方向
　　实验最佳条件的选择或控制就是为了又“快”又“好”地生产,即主要是从化学反应速率与转化率(化学平衡)两个角度来分析。“快”就是提高化学反应速率,“好”就是提高转化率。
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