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第25讲　速率、平衡原理在工业生产中的应用和分析
一、 选择题(每小题只有一个选项符合题意)
1 [2025南师附中期中]在CO2与H2反应制甲醇的反应体系中，主要反应的热化学方程式如下：
反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－49.5 kJ/mol
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝＋40.9 kJ/mol
向恒压密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2，CO2平衡转化率、CH3OH平衡产率随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A. 反应Ⅰ的平衡常数K＝
B. 1 mol CO2(g)和1 mol H2(g)充分反应，吸收热量40.9 kJ
C. 平衡时CH3OH的体积分数可能大于0.5
D. 曲线a代表的是CO2平衡转化率
2 [2025南京期初]反应4HCl(g)＋O2(g)===2Cl2(g)＋2H2O(g)　ΔH，可将工业废气中的HCl转化为Cl2，实现氯资源的循环利用。在n起始(HCl)∶n起始(O2)＝1∶1时，将HCl、O2混合气分别以不同流速通过装有催化剂的反应管，不同温度下出口处HCl转化率与HCl流速的关系如图所示。流速低于0.12 mol/h时HCl转化率可近似为平衡转化率。若仅考虑该反应，下列说法正确的是(　　)
A. ΔH>0
B. 减小或选用更高效的催化剂，均能提高X点HCl的平衡转化率
C. HCl流速高于0.12 mol/h时，流速越大，反应速率越快
D. 360 ℃时，当HCl流速为0.19 mol/h时，每小时约获得4 g Cl2
3 [2025南京中华中学期初]利用甲醇(CH3OH)和甲苯(Tol)发生甲基化反应可以获得对二甲苯(pX)、间二甲苯(mX)和邻二甲苯(oX)，反应过程中还有乙烯生成，涉及的反应如下：
反应Ⅰ：2CH3OH(g)===C2H4(g)＋2H2O(g) ΔH1＝－26 kJ/mol
反应Ⅱ：Tol(g)＋CH3OH(g)===pX(g)＋H2O(g) ΔH2＝－71.3 kJ/mol
反应Ⅲ：Tol(g)＋CH3OH(g)===mX(g)＋H2O(g) ΔH3＝－72.1 kJ/mol
反应Ⅳ：Tol(g)＋CH3OH(g)===oX(g)＋H2O(g) ΔH4＝－69.7 kJ/mol
研究发现，在密闭容器中，101 kPa、n起始(Tol)＝n起始(CH3OH)＝1 mol，平衡时甲苯的转化率、反应Ⅰ的选择性及反应Ⅳ的选择性随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A. p-X(g)===m-X(g)　ΔH>0
B. 随着温度的升高，反应Ⅳ的平衡常数先增大后减小
C. 在400～600 K范围内，随着温度的升高，n(H2O)基本不变
D. 800 K下反应达平衡后，增大压强，n(Tol) 保持不变
4 [2025连云港期中]CO2氧化乙烷制备乙烯，主要发生如下两个反应(忽略其他副反应)：
反应①：C2H6(g)＋CO2(g) C2H4(g)＋CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋178.1 kJ/mol
反应②：C2H6(g)＋2CO2(g) 4CO(g)＋3H2(g) ΔH＝＋432.7 kJ/mol
在密闭容器中，1.0×105 Pa、n起始(C2H6) ∶n起始(CO2) ＝1∶1时，催化反应相同时间，测得不同温度下C2H6的转化率、C2H4的选择性如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下C2H6的平衡转化率随温度的变化)。C2H4选择性＝×100%。下列说法正确的是(　　)
A. 反应过程中，C2H6的转化率大于CO2的转化率
B. 在300～700 ℃之间，C2H4的选择性下降的原因是随温度升高反应①平衡后又逆向移动
C. 保持其他条件不变，400 ℃时使用高效催化剂能使C2H6的转化率从a点的值升高到b点的值
D. 随温度升高，C2H6转化率衡转化率的主要原因是温度和催化剂共同影响，加快了反应速率
5 [2025苏州期初]CH4和CO2联合重整能减少温室气体的排放。重整时发生如下反应：
反应Ⅰ：CH4(g)＋CO2(g)===2H2(g)＋2CO(g) ΔH1＝＋247.1 kJ/mol
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝＋41.2 kJ/mol
其他条件相同，n(CH4)∶n(CO2)投料比为1∶1.5时，CH4和CO2的平衡转化率与温度变化关系如图所示，下列说法不正确的是(　　)
A. 其他条件不变，n(CH4)∶n(CO2)投料比为1∶1，则平衡时CO2转化率一定高于CH4
B. 一定条件下，使用高效催化剂可以提高单位时间内H2的产量
C. n(H2)∶n(CO)始终低于1.0，是因为发生了反应Ⅱ
D. 其他条件不变，550～650 ℃升高温度更有利于反应Ⅱ进行
6 [2025南京一中、金陵中学、南通海安中学期中联考]碳与水反应可获得H2，添加CaO后，其主要反应如下：
反应Ⅰ：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)　ΔH1>0
反应Ⅱ：CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH2<0
反应Ⅲ：CaO(s)＋CO2(g)===CaCO3(s)　ΔH3<0
恒压条件下，CH2OCaO体系达到平衡后，气相中CO、CO2和H2的物质的量分数随温度的变化关系如图所示[图示温度范围内C(s)已完全反应，CaCO3(s)在T1温度时完全分解]。下列说法不正确的是(　　)
A. CaO(s)＋CO(g)＋H2O(g)===CaCO3(s)＋H2(g)低温时可自发进行
B. 图中曲线a对应物质为H2
C. 当温度高于T1时，随温度升高，曲线c逐渐降低的原因是温度升高，反应Ⅱ逆向移动
D. 保持压强不变、温度为T0，向平衡体系中通入少量CO2(g)，重新达到平衡后，CO2的物质的量分数变大
7 [2024南通、泰州、扬州等八市三调]CH3OH是一种液体燃料。利用CO2和H2合成CH3OH的主要反应为
反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－58 kJ/mol
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝＋41 kJ/mol
在密闭容器中，1.01×105 Pa，n起始(CO2)∶n起始(H2)＝1∶2 时，CO2平衡转化率、在催化剂作用下反应t min所测得的CO2实际转化率及CH3OH的选择性随温度的变化如图所示。CH3OH的选择性可表示为×100%。下列说法不正确的是(　　)
A. 0～t min内，240 ℃下反应Ⅰ的速率比在280 ℃下的大
B. 从220～280 ℃，H2O的平衡产率先增大后缓慢减小
C. 280 ℃时增大压强，CO2的转化率可能大于40%
D. 需研发低温下CO2转化率高和CH3OH选择性高的催化剂
8 [2024南通如皋适应性考试]利用H2和CO反应生成CH4的过程中主要涉及的反应如下：
反应Ⅰ：CO(g)＋3H2(g)===CH4(g)＋H2O(g) ΔH1＝－206.2 kJ/mol
反应Ⅱ：CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g) ΔH2＝ －41.2 kJ/mol
向密闭容器中充入一定量H2和CO发生上述反应，保持温度和容器体积一定，平衡时CO和H2的转化率、CH4和CO2的产率随起始的变化情况如图所示。[CH4的产率＝×100%，CH4的选择性＝×100%]。下列说法不正确的是(　　)
A. 当容器内气体总压强保持不变时，反应Ⅰ、Ⅱ均达到平衡状态
B. 曲线c表示CH4的产率随的变化
C. ＝0.5，反应达到平衡时，CH4的选择性为50%
D. 随着增大，CO2的选择性先增大后减小
9 [2025扬州中学期中] 利用CH4可以制备合成气(H2和CO)。
(1) CH4与CO2重整。
甲
①在Ni基催化剂作用下，CH4与CO2重整反应的可能机理如图甲所示，已知CH4转化的表达式为CH4＋*===CH＋H2，写出CO2转化为CO的表达式：________
____________________________________________________________________。
②已知：H2燃烧热ΔH1＝－285.8 kJ/mol；CO燃烧热ΔH2＝－283.0 kJ/mol；CH4燃烧热ΔH3＝－890.3 kJ/mol，则反应Ⅰ：CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝________kJ/mol。
③CH4与CO2重整反应制备合成气中的主要副反应如下：
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH＝＋41 kJ/mol
反应Ⅲ：CH4(g)===C(s)＋2H2(g)　ΔH＝＋75 kJ/mol
反应Ⅳ：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g) ΔH＝＋131.3 kJ/mol
在1.01×105 Pa、进气流速相同、n(CH4)∶n(CO2)∶n(N2)＝1∶1∶0.5时，Ni/La2O3/Al2O3作催化剂，反应相同时间测得CH4与CO2的转化率随温度变化如图乙所示(仅考虑上述反应)：
乙
不同温度下CO2转化率始终大于CH4转化率的主要原因为______________________________________________________________________________________；
850～900 ℃，随温度升高CH4与CO2转化率均下降的可能原因为______________
_________________________________________________________________。
(2) CH4部分氧化重整。反应原理为2CH4＋O2===2CO＋4H2、CH4＋H2O===
CO＋3H2。与该方法相比，CH4和CO2重整的优点是_________________________
________________________________________________________________。
10 [2025镇江期中]CO2的资源化利用是化学研究的热点。
(1) C3H8催化脱氢可制备丙烯。反应为C3H8(g)===C3H6(g)＋H2(g)　ΔH1＝＋123.8 kJ/mol。
①该反应高温下能自发进行的原因为________________________________________________________________________________________________________。
②工业生产反应温度选择600 ℃，温度过高，反应速率和丙烯选择性均快速下降，原因可能为___________________________________________________________________________________________________________________________。
(2) In/HZSM-5催化下，CO2与C3H8耦合反应过程如图所示。
已知：
3CO2(g)＋9H2(g)===C3H6(g)＋6H2O(g) ΔH2＝－250.2 kJ/mol
CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH3＝＋41.2 kJ/mol
耦合反应的ΔH＝________kJ/mol。
(3) 利用电化学装置可实现CH4和CO2的耦合转化，原理如图所示。
①阳极生成乙烷的电极反应式为_____________________。
②同温同压下，若生成乙烯和乙烷的体积之比为1∶1，则消耗的CH4和CO2体积之比为________。
(4) In2O3催化CO2加氢制甲醇。H2在In2O3表面吸附后活化生成HCOO－中间体的机理如图所示。
①转化Ⅰ中，In元素的化合价会________(填“升高”“降低”或“不变”)。
②根据元素电负性的变化规律，用文字描述转化Ⅱ和Ⅲ的机理：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
11 [2025连云港期中]工业上常用CeO2催化除去重整气(主要成分为H2、CO2、CO、N2、H2O和少量O2等)中含有的少量CO。主要反应为2CO＋O2===2CO2；CO＋3H2===CH4＋H2O。
(1) 用大孔径的催化剂载体可以提高催化氧化CO效果。
①制备泡沫铜载体。三羟甲基氨基甲烷(C4H11NO3)和硝酸铜混合均匀，在氩气的保护下点燃，冷却清洗后得到泡沫铜。三羟甲基氨基甲烷作用为__________________________________________________________________________________。
②Al2O3作载体。Al2O3导热性差，会导致反应管温度过高CO去除率明显降低，除因为催化剂失活外，还有___________________________________________
(用化学方程式表示)。
(2) CeO2(Ce是活泼金属)中添加CuO能提高反应催化效果。将n(CO)∶n(O2)∶n(H2)∶n(CO2)∶n(H2O)＝1∶1∶50∶15∶10的混合气体(其余为N2)以一定流速通过装有aCuO·bCeO2催化剂的反应管，实验表明催化剂中氧空位的数量影响反应速率，可能机理如图1所示。
图1
①CeO2中加入少量CuO能提高CO的去除率，其原因是__________________
______________________________________________________________。
②催化剂aCuO·bCeO2中铜原子上会形成少量碱性基团( )，其存在会降低CO去除率的原因是__________________________________________________________________________________________________________________。
③步骤ⅱO2也会参与反应。若参加反应的H2O和O2物质的量相等，则每转化1 mol CO产生H2的物质的量为________。
(3) aCuO·bCeO2、aCu·bCeO2均能催化CO反应。重整气通过装有aCuO·bCeO2催化剂的反应管，CO转化率和生成CO2选择性随温度变化的曲线如图2所示。
图2
①产物CO2选择性下降的原因可能是_______________________________________________________________________________________________________。
②aCuO·bCeO2相对于aCu·bCeO2催化剂，其优点是________________________________________________________。
第25讲　速率、平衡原理在工业生产中的应用和分析
1 D　H2O呈气态，需要列入平衡常数表达式中，A错误；反应Ⅰ、Ⅱ均存在反应限度，不能进行到底，且产物种类不确定，故无法计算反应的热效应，B错误；只发生反应Ⅰ且反应完成进行时，才可能出现CH3OH的体积分数等于0.5，故平衡时CH3OH的体积分数不可能大于0.5，C错误；生成CH3OH的反应是放热反应，升高温度，反应Ⅰ正向进行的程度减小，CH3OH平衡产率减小，故曲线b代表的是CH3OH平衡产率，则曲线a代表的是CO2平衡转化率，D正确。
2 D　流速低于0.12 mol/h时HCl转化率可近似为平衡转化率，此时HCl的转化率：360 ℃>400 ℃，说明升高温度，反应正向进行的程度减小，则该反应为放热反应，ΔH<0，A错误；催化剂不能使平衡发生移动，故选用更高效的催化剂，不能提高X点HCl的平衡转化率，B错误；HCl流速高于0.12 mol/h时，流速越大，部分反应物来不及反应就排出装有催化剂的反应管，反应速率会减小，C错误；360 ℃时，当HCl流速为0.19 mol/h时，HCl转化率为60%，则每小时约获得的m(Cl2)＝×0.19 mol/h×1 h×60%×71 g/mol≈4 g，D正确。
3 C　由盖斯定律可知，反应Ⅲ一反应Ⅱ可得pX(g)===mX(g)　ΔH＝－72.1 kJ/mol＋71.3 kJ/mol＝－0.8 kJ/mol<0，A错误；反应Ⅳ为放热反应，升高温度，平衡常数一直减小，B错误；每消耗一分子CH3OH，生成一分子H2O，400～600 K内，随着温度的升高，甲苯的转化率基本不变，则n(H2O)基本不变，C正确；800 K下反应达到平衡后，增大压强，反应Ⅰ平衡会逆向移动，使n(CH3OH)增大，则反应Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ平衡正向移动，使n(Tol)减小，D错误。
4 D　n起始(C2H6) ∶n起始(CO2) ＝1∶1，反应①中二者按物质的量之比为1∶1参与反应，C2H6的转化率等于CO2的转化率，反应②中CO2的转化率大于C2H6的转化率，故反应过程中，C2H6的转化率小于CO2的转化率，A错误；在300～700 ℃之间，实线一直位于虚线下方，反应始终未达到平衡状态，C2H4的选择性下降的原因是随温度升高反应②开始发生且正向进行程度越来越大，B错误；使用高效催化剂可以加快反应速率，节省达到平衡时所需的时间，但催化剂不能使平衡发生移动，故转化率不可能升高到虚线上方的b点，C错误；催化反应相同时间，随温度升高，C2H6转化率衡转化率，说明反应速率较快，影响反应速率的主要因素有温度和催化剂，D正确。
5 D　反应Ⅰ中，CH4和CO2按物质的量之比为1∶1参与反应，但CO2还参与反应Ⅱ，其他条件不变，n(CH4)∶n(CO2)投料比为1∶1，则平衡时CO2转化率一定高于CH4，A正确；使用高效催化剂可以加快反应速率，故一定条件下，使用高效催化剂可以提高单位时间内H2的产量，B正确；若只发生反应Ⅰ，则n(H2)∶n(CO)＝1.0，由图可知反应Ⅱ消耗H2，故n(H2)∶n(CO)始终低于1.0，C正确；由图可知，温度越高，CH4和CO2的平衡转化率差值越大，差值越大说明反应Ⅱ进行的程度越小，故其他条件不变，550～650 ℃升高温度不利于反应Ⅱ进行，D错误。
6 D　反应Ⅱ＋反应Ⅲ可得CaO(s)＋CO(g)＋H2O(g)===CaCO3(s)＋H2(g)　ΔH＝ΔH2＋ΔH3<0，该反应的ΔH<0、ΔS<0，反应能自发进行，说明ΔH－TΔS<0，故反应低温时可自发进行，A正确；生成CO、CO2时均有H2生成，故图中物质的量分数较大曲线a对应物质为H2，B正确；当温度高于T1时，反应Ⅲ不发生，反应Ⅱ的ΔH2<0，温度升高不利于反应Ⅱ发生，故曲线c逐渐降低的原因是温度升高，反应Ⅱ逆向移动，C正确；温度为T0，有反应Ⅲ发生，温度不变，反应Ⅲ的平衡常数不变，CaO(s)＋CO2(g)===CaCO3(s)的平衡常数K＝，重新达到的新平衡与原平衡一致，故CO2的物质的量分数不变大，D错误。
7 B　由图可知，0～t min内，CH3OH的选择性：240 ℃>280 ℃，CO2的实际转化率：240 ℃>280 ℃，故反应Ⅰ的速率：240 ℃>280 ℃，A正确；根据化学方程式知，CO2平衡转化率与H2O的平衡产率变化趋势基本一致，故从220～280 ℃，H2O的平衡产率先减小后缓慢增大，B错误；由图可知，280 ℃时CO2平衡转化率为40%，若在此基础上增大压强，则反应Ⅰ的平衡会正向移动，反应Ⅱ受反应Ⅰ影响会逆向移动，反应Ⅰ消耗CO2，反应Ⅱ产生CO2，两个反应进行的程度未知，故CO2的转化率有可能大于40%，C正确；反应Ⅰ是放热反应，高温不利于反应Ⅰ正向进行，CH3OH的产率低，虽然低温下反应正向进行程度大，但是反应速率慢，故需研发低温下CO2转化率高和CH3OH选择性高的催化剂，D正确。
8 D　在多重平衡中，几个可逆反应是相互影响的，当1个反应达到平衡时状态，其他反应也达到平衡状态，故当容器内气体总压强保持不变时，反应Ⅰ、Ⅱ均达到平衡状态，A正确；保持温度和容器容积一定，增大H2的量，可增大CO转化率，提高CH4的产率，CO可转化为CH4、CO2，CH4、CO2的选择性之和不可能大于100%，故曲线c表示CH4的产率随的变化，曲线d表示CO2的产率随的变化，B正确；由图可知，＝0.5，反应达平衡时，CH4、CO2的产率相等，则CH4选择性＝×100%＝50%，C正确；＝0.5之后的点，曲线c始终在曲线d的上方，且相距越来越远，即生成的CH4始终比CO2多，说明CO2的选择性一直减小，D错误。
9 (1) ①CO2＋*===O*＋CO　②＋247.3　③反应Ⅰ中CO2和CH4的转化率相同，相同条件下，反应Ⅱ中CO2的消耗速率大于反应Ⅲ中CH4的消耗速率　反应生成的积碳覆盖在催化剂表面，导致催化剂活性降低，反应速率减慢　(2) 避免了甲烷部分氧化重整可能的爆炸风险或综合利用CO2有利于碳中和
解析：(1) ①由图可知，CO2和*在Ni表面转化为O*和CO。②CH4燃烧热－2×CO燃烧热－2×H2燃烧热可得目标反应的燃烧热，则CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝ΔH3－2×ΔH2－2×ΔH1＝(－890.3＋2×285.8＋2×283.0)kJ/mol＝＋247.3 kJ/mol。③初始投料时，n(CH4)∶n(CO2)＝1∶1，且反应Ⅰ中CH4与CO2按照物质的量之比为1∶1反应，二者转化率应该相同，但实际上不同温度下CO2转化率始终大于CH4转化率，说明还存在其他反应，且其他反应中消耗CO2的速率比消耗CH4快。850～900 ℃，随温度升高，CH4与CO2转化率均下降，说明所有反应的反应速率均减小，可能的原因是发生反应Ⅲ产生了积碳，催化剂被覆盖。(2) CH4部分氧化重整中，涉及可燃物CH4和助燃剂O2，有爆炸的风险，CH4和CO2重整中，有CO2参与反应，有利于实现碳中和。
10 (1) ①该反应的ΔH>0、ΔS>0，高温下ΔH－TΔS<0，反应可自发进行　②温度过高，丙烷裂解产生CH4、C2H4、C和H2等副产物，使丙烯的选择性下降；同时高温下产生积碳使催化剂快速失活，反应速率快速下降　(2) ＋165.0
(3) ①2CH4＋O2-－2e－===CH3CH3＋H2O 　②4∶3
(4) ①降低　②CO2分子中的一个O原子填充到氧空位，促进CO2分子中C===O断裂；In的电负性小于H，与In相连的H原子带负电，C的电负性小于O，与O相连的C原子带正电；带负电的H进攻带正电的C原子生成HCOO*(吸附在In2O3表面)
解析：(1) ①C3H8(g)===C3H6(g)＋H2(g)的ΔH>0、ΔS>0，反应能自发进行需满足：ΔH－TΔS<0，故该反应高温下能自发进行。②对于吸热反应，升高温度，反应正向进行的程度会增大，但温度过高，催化剂会失活，故反应速率会快速下降，温度较高时，会发生副反应，C3H8会转化为其他产物，使得丙烯选择性快速下降。(2) 将C3H8(g)===C3H6(g)＋H2(g)　ΔH1＝＋123.8 kJ/mol和CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH3＝＋41.2 kJ/mol相加，可得耦合反应：CO2(g)＋C3H8(g)===C3H6(g)＋CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝ΔH1＋ΔH3＝＋(123.8＋41.2)kJ/mol＝＋165.0 kJ/mol。(3) ②同温同压下，若生成乙烯和乙烷的体积之比为1∶1，设二者均为1 mol，由C原子守恒知，消耗CH4的物质的量为4 mol，由得失电子守恒可得关系式：CH3CH3～
2e－、CH2===CH2～4e－，则共转移6 mol电子，CO2～2e－，则消耗CO2的物质的量为3 mol，消耗的CH4和CO2体积之比为4∶3。(4) ①转化Ⅰ中，加入还原剂H2，则金属元素In的化合价会降低。
11 (1) ①作燃料，产生大量气体造孔，提供还原性气体还原硝酸铜为铜单质　②CO2＋H2CO＋H2O　(2) ①增强了CO在CuO上的吸附量；Cu2+代替Ce4+增加了催化剂中氧空位的数量　②CO2与CO产生竞争吸附(使CO不易吸附)；CO2与碱性基团产生碳酸盐覆盖催化剂表面，阻碍反应发生　③ mol　(3) ①H2还原CuO为Cu，aCu·bCeO2催化剂有利于甲烷的生成　②产物CO2选择性高，不消耗H2
解析：(1) ①三羟甲基氨基甲烷(C4H11NO3)的结构式为，三羟甲基氨基甲烷可用于制备泡沫铜载体，在氩气的保护下点燃三羟甲基氨基甲烷，可将Cu(NO3)2还原为Cu，且该“泡沫铜”疏松多孔，说明三羟甲基氨基甲烷可燃，且能产生大量气体还原Cu并造孔。②CO去除率明显降低，除因为催化剂失活导致原有的CO去除量下降外，还有可能是发生副反应产生了新的CO，能产生CO的气体为CO2，故该副反应为CO2＋H2CO＋H2O。(2) ①由图可知，CO可附着在Cu上，而后放出CO2产生氧空位，进而引发后续反应；用少量Cu2+代替Ce4+，CuO与CeO2相比，CuO中的O少，故可增加催化剂中氧空位的数量，能提高CO的去除率。②原本铜原子上会吸附CO，当铜原子上形成少量碱性基团时，可吸附酸性气体CO2，CO2与CO产生竞争吸附；CO2还可与碱性基团产生碳酸盐，催化剂被覆盖，阻碍反应发生。③消耗1 mol H2O时可产生1 mol H2，设参加反应的H2O、O2均为1 mol，则会消耗3 mol 氧空位，可为3 mol CO提供氧原子，可得关系式：1 mol H2O＋1 mol O2～1 mol H2～3 mol CO，故每转化1 mol CO产生H2的物质的量为 mol。(3) ①已知：CeO2催化除去重整气涉及的主要反应为2CO＋O2===2CO2、CO＋3H2===CH4＋H2O，aCuO·bCeO2、aCu·bCeO2均能催化CO反应。产物CO2选择性下降，说明CO转化为CH4的反应速率变快，已知aCuO·bCeO2对CO2选择性高，故aCu·bCeO2对CH4选择性高，生成CH4的反应速率加快时，说明催化剂中的CuO被还原为Cu。(共46张PPT)
模块三　
化学反应原理
主题7　化学反应速率与化学平衡
第25讲　速率、平衡原理在工业生产中的应用和分析
配套练习
一、 选择题(每小题只有一个选项符合题意)
1 [2025南师附中期中]在CO2与H2反应制甲醇的反应体系中，主要反应的热化学方程式如下：
反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.5 kJ/mol
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋40.9 kJ/mol
向恒压密闭容器中通入1 mol CO2和3 mol H2，CO2平衡转化率、CH3OH平衡产率随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
2
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1
3
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6
8
11
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B. 1 mol CO2(g)和1 mol H2(g)充分反应，吸
收热量40.9 kJ
C. 平衡时CH3OH的体积分数可能大于0.5
D. 曲线a代表的是CO2平衡转化率
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解析： H2O呈气态，需要列入平衡常数表达式中，A错误；反应Ⅰ、Ⅱ均存在反应限度，不能进行到底，且产物种类不确定，故无法计算反应的热效应，B错误；只发生反应Ⅰ且反应完成进行时，才可能出现CH3OH的体积分数等于0.5，故平衡时CH3OH的体积分数不可能大于0.5，C错误；生成CH3OH的反应是放热反应，升高温度，反应Ⅰ正向进行的程度减小，CH3OH平衡产率减小，故曲线b代表的是CH3OH平衡产率，则曲线a代表的是CO2平衡转化率，D正确。
答案： D
2 [2025南京期初]反应4HCl(g)＋O2(g)===2Cl2(g)＋2H2O(g)　ΔH，可将工业废气中的HCl转化为Cl2，实现氯资源的循环利用。在n起始(HCl)∶n起始(O2)＝1∶1时，将HCl、O2混合气分别以不同流速通过装有催化剂的反应管，不同温度下出口处HCl转化率与HCl流速的关系如图所示。流速低于0.12 mol/h时HCl转化率可近似为平衡转化率。若仅考虑该反应，下列说法正确的是(　　)
A. ΔH>0
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C. HCl流速高于0.12 mol/h时，流速越大，反应速率越快
D. 360 ℃时，当HCl流速为0.19 mol/h时，每小时约获得4 g Cl2
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答案： D
3 [2025南京中华中学期初]利用甲醇(CH3OH)和甲苯(Tol)发生甲基化反应可以获得对二甲苯(p－X)、间二甲苯(m－X)和邻二甲苯(o－X)，反应过程中还有乙烯生成，涉及的反应如下：
反应Ⅰ：2CH3OH(g)===C2H4(g)＋2H2O(g)　ΔH1＝－26 kJ/mol
反应Ⅱ：Tol(g)＋CH3OH(g)===p－X(g)＋H2O(g)　ΔH2＝－71.3 kJ/mol
反应Ⅲ：Tol(g)＋CH3OH(g)===m－X(g)＋H2O(g)　ΔH3＝－72.1 kJ/mol
反应Ⅳ：Tol(g)＋CH3OH(g)===o－X(g)＋H2O(g)　ΔH4＝－69.7 kJ/mol
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A. p－X(g)===m－X(g)　ΔH>0
B. 随着温度的升高，反应Ⅳ的平衡常数
先增大后减小
C. 在400～600 K范围内，随着温度的升
高，n(H2O)基本不变
D. 800 K下反应达平衡后，增大压强，n(Tol) 保持不变
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解析：由盖斯定律可知，反应Ⅲ一反应Ⅱ可得p－X(g)===m－X(g)　ΔH＝－72.1 kJ/mol＋71.3 kJ/mol＝－0.8 kJ/mol<0，A错误；反应Ⅳ为放热反应，升高温度，平衡常数一直减小，B错误；每消耗一分子CH3OH，生成一分子H2O,400～600 K内，随着温度的升高，甲苯的转化率基本不变，则n(H2O)基本不变，C正确；800 K下反应达到平衡后，增大压强，反应Ⅰ平衡会逆向移动，使n(CH3OH)增大，则反应Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ平衡正向移动，使n(Tol)减小，D错误。
答案： C
4 [2025连云港期中]CO2氧化乙烷制备乙烯，主要发生如下两个反应(忽略其他副反应)：
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A. 反应过程中，C2H6的转化率大于CO2的
转化率
B. 在300～700 ℃之间，C2H4的选择性下降
的原因是随温度升高反应①平衡后又逆向移动
C. 保持其他条件不变，400 ℃时使用高效催化剂能使C2H6的转化率从a点的值升高到b点的值
D. 随温度升高，C2H6转化率衡转化率的主要原因是温度和催化剂共同影响，加快了反应速率
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解析： n起始(C2H6) ∶n起始(CO2) ＝1∶1，反应①中二者按物质的量之比为1∶1参与反应，C2H6的转化率等于CO2的转化率，反应②中CO2的转化率大于C2H6的转化率，故反应过程中，C2H6的转化率小于CO2的转化率，A错误；在300～700 ℃之间，实线一直位于虚线下方，反应始终未达到平衡状态，C2H4的选择性下降的原因是随温度升高反应②开始发生且正向进行程度越来越大，B错误；使用高效催化剂可以加快反应速率，节省达到平衡时所需的时间，但催化剂不能使平衡发生移动，故转化率不可能升高到虚线上方的b点，C错误；催化反应相同时间，随温度升高，C2H6转化率衡转化率，说明反应速率较快，影响反应速率的主要因素有温度和催化剂，D正确。
答案： D
5 [2025苏州期初]CH4和CO2联合重整能减少温室气体的排放。重整时发生如下反应：
反应Ⅰ：CH4(g)＋CO2(g)===2H2(g)＋2CO(g)　ΔH1＝＋247.1 kJ/mol
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ/mol
其他条件相同，n(CH4)∶n(CO2)投料比为1∶1.5时，CH4和CO2的平衡转化率与温度变化关系如图所示，下列说法不正确的是(　　)
A. 其他条件不变，n(CH4)∶n(CO2)投料
比为1∶1，则平衡时CO2转化率一定高于CH4
B. 一定条件下，使用高效催化剂可以提
高单位时间内H2的产量
C. n(H2)∶n(CO)始终低于1.0，是因为发
生了反应Ⅱ
D. 其他条件不变，550～650 ℃升高温度更有利于反应Ⅱ进行
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解析：反应Ⅰ中，CH4和CO2按物质的量之比为1∶1参与反应，但CO2还参与反应Ⅱ，其他条件不变，n(CH4)∶n(CO2)投料比为1∶1，则平衡时CO2转化率一定高于CH4，A正确；使用高效催化剂可以加快反应速率，故一定条件下，使用高效催化剂可以提高单位时间内H2的产量，B正确；若只发生反应Ⅰ，则n(H2)∶n(CO)＝1.0，由图可知反应Ⅱ消耗H2，故n(H2)∶n(CO)始终低于1.0，C正确；由图可知，温度越高，CH4和CO2的平衡转化率差值越大，差值越大说明反应Ⅱ进行的程度越小，故其他条件不变，550～650 ℃升高温度不利于反应Ⅱ进行，D错误。
答案： D
6 [2025南京一中、金陵中学、南通海安中学期中联考]碳与水反应可获得H2，添加CaO后，其主要反应如下：
反应Ⅰ：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)　ΔH1>0
反应Ⅱ：CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH2<0
反应Ⅲ：CaO(s)＋CO2(g)===CaCO3(s)　ΔH3<0
恒压条件下，C－H2O－CaO体系达到平衡后，
气相中CO、CO2和H2的物质的量分数随温度的变
化关系如图所示[图示温度范围内C(s)已完全反应，
CaCO3(s)在T1温度时完全分解]。下列说法不正确的是(　　)
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A. CaO(s)＋CO(g)＋H2O(g)===CaCO3(s)＋H2(g)低温时可自发进行
B. 图中曲线a对应物质为H2
C. 当温度高于T1时，随温度升高，曲线c逐渐降低的原因是温度升高，反应Ⅱ逆向移动
D. 保持压强不变、温度为T0，向平衡体系中通入少量CO2(g)，重新达到平衡后，CO2的物质的量分数变大
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答案： D
7 [2024南通、泰州、扬州等八市三调]CH3OH是一种液体燃料。利用CO2和H2合成CH3OH的主要反应为
反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－58 kJ/mol
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41 kJ/mol
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A. 0～t min内，240 ℃下反应Ⅰ的速率比在280 ℃下的大
B. 从220～280 ℃，H2O的平衡产率先增大后缓慢减小
C. 280 ℃时增大压强，CO2的转化率可能大于40%
D. 需研发低温下CO2转化率高和CH3OH选择性高的催化剂
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解析：由图可知，0～t min内，CH3OH的选择性：240 ℃>280 ℃，CO2的实际转化率：240 ℃>280 ℃，故反应Ⅰ的速率：240 ℃>280 ℃，A正确；根据化学方程式知，CO2平衡转化率与H2O的平衡产率变化趋势基本一致，故从220～280 ℃，H2O的平衡产率先减小后缓慢增大，B错误；由图可知，280 ℃时CO2平衡转化率为40%，若在此基础上增大压强，则反应Ⅰ的平衡会正向移动，反应Ⅱ受反应Ⅰ影响会逆向移动，反应Ⅰ消耗CO2，反应Ⅱ产生CO2，两个反应进行的程度未知，故CO2的转化率有可能大于40%，C正确；反应Ⅰ是放热反应，高温不利于反应Ⅰ正向进行，CH3OH的产率低，虽然低温下反应正向进行程度大，但是反应速率慢，故需研发低温下CO2转化率高和CH3OH选择性高的催化剂，D正确。
答案： B
8 [2024南通如皋适应性考试]利用H2和CO反应生成CH4的过程中主要涉及的反应如下：
反应Ⅰ：CO(g)＋3H2(g)===CH4(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－206.2 kJ/mol
反应Ⅱ：CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH2＝－41.2 kJ/mol
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答案： D
9 [2025扬州中学期中] 利用CH4可以制备合成气(H2和CO)。
(1) CH4与CO2重整。
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甲
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②已知：H2燃烧热ΔH1＝－285.8 kJ/mol；CO燃烧热ΔH2＝－283.0 kJ/mol；CH4燃烧热ΔH3＝－890.3 kJ/mol，则反应Ⅰ：CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝________kJ/mol。
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③CH4与CO2重整反应制备合成气中的主要副反应如下：
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41 kJ/mol
反应Ⅲ：CH4(g)===C(s)＋2H2(g)　ΔH＝＋75 kJ/mol
反应Ⅳ：C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)　ΔH＝＋131.3 kJ/mol
在1.01×105 Pa、进气流速相同、n(CH4)∶n(CO2)
∶n(N2)＝1∶1∶0.5时，Ni/La2O3/Al2O3作催化剂，反
应相同时间测得CH4与CO2的转化率随温度变化如图乙
所示(仅考虑上述反应)：
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不同温度下CO2转化率始终大于CH4转化率的主要原因为_________
___________________________________________________________________________________；850～900 ℃，随温度升高CH4与CO2转化率均下降的可能原因为_______________________________________________
________________________________________________________________________。
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(2) CH4部分氧化重整。反应原理为2CH4＋O2===2CO＋4H2、CH4＋H2O===CO＋3H2。与该方法相比，CH4和CO2重整的优点是________
________________________________________________________________________。
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解析：(1) ①由图可知，CO2和*在Ni表面转化为O*和CO。②CH4燃烧热－2×CO燃烧热－2×H2燃烧热可得目标反应的燃烧热，则CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝ΔH3－2×ΔH2－2×ΔH1＝(－890.3＋2×285.8＋2×283.0)kJ/mol＝＋247.3 kJ/mol。③初始投料时，n(CH4)∶n(CO2)＝1∶1，且反应Ⅰ中CH4与CO2按照物质的量之比为1∶1反应，二者转化率应该相同，但实际上不同温度下CO2转化率始终大于CH4转化率，说明还存在其他反应，且其他反应中消耗CO2的速率比消耗CH4快。850～900 ℃，随温度升高，CH4与CO2转化率均下降，说明所有反应的反应速率均减小，可能的原因是发生反应Ⅲ产生了积碳，催化剂被覆盖。(2) CH4部分氧化重整中，涉及可燃物CH4和助燃剂O2，有爆炸的风险，CH4和CO2重整中，有CO2参与反应，有利于实现碳中和。
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答案： (1) ①CO2＋*===O*＋CO　②＋247.3　③反应Ⅰ中CO2和CH4的转化率相同，相同条件下，反应Ⅱ中CO2的消耗速率大于反应Ⅲ中CH4的消耗速率　反应生成的积碳覆盖在催化剂表面，导致催化剂活性降低，反应速率减慢　(2) 避免了甲烷部分氧化重整可能的爆炸风险或综合利用CO2有利于碳中和
10 [2025镇江期中]CO2的资源化利用是化学研究的热点。
(1) C3H8催化脱氢可制备丙烯。反应为C3H8(g)===C3H6(g)＋H2(g)　ΔH1＝＋123.8 kJ/mol。
①该反应高温下能自发进行的原因为___________________________
___________________________________________________________。
②工业生产反应温度选择600 ℃，温度过高，反应速率和丙烯选择性均快速下降，原因可能为_______________________________________
________________________________________________________。
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(2) In/HZSM－5催化下，CO2与C3H8耦合反应过程如图所示。
已知：
3CO2(g)＋9H2(g)===C3H6(g)＋6H2O(g)　ΔH2＝－250.2 kJ/mol
CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH3＝＋41.2 kJ/mol
耦合反应的ΔH＝________kJ/mol。
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(3) 利用电化学装置可实现CH4和CO2的耦合转化，原理如图所示。
①阳极生成乙烷的电极反应式为_______________________________
_____________________。
②同温同压下，若生成乙烯和乙烷的体积之比为1∶1，则消耗的CH4和CO2体积之比为________。
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(4) In2O3催化CO2加氢制甲醇。H2在In2O3表面吸附后活化生成HCOO－中间体的机理如图所示。
①转化Ⅰ中，In元素的化合价会________(填“升高”“降低”或“不变”)。
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②根据元素电负性的变化规律，用文字描述转化Ⅱ和Ⅲ的机理：___
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解析：(1) ①C3H8(g)===C3H6(g)＋H2(g)的ΔH>0、ΔS>0，反应能自发进行需满足：ΔH－TΔS<0，故该反应高温下能自发进行。②对于吸热反应，升高温度，反应正向进行的程度会增大，但温度过高，催化剂会失活，故反应速率会快速下降，温度较高时，会发生副反应，C3H8会转化为其他产物，使得丙烯选择性快速下降。(2) 将C3H8(g)===C3H6(g)＋H2(g)　ΔH1＝＋123.8 kJ/mol和CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　
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ΔH3＝＋41.2 kJ/mol相加，可得耦合反应：CO2(g)＋C3H8(g)===C3H6(g)＋CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝ΔH1＋ΔH3＝＋(123.8＋41.2)kJ/mol＝＋165.0 kJ/mol。(3) ②同温同压下，若生成乙烯和乙烷的体积之比为1∶1，设二者均为1 mol，由C原子守恒知，消耗CH4的物质的量为4 mol，由得失电子守恒可得关系式：CH3CH3～2e－、CH2===CH2～4e－，则共转移6 mol电子，CO2～2e－，则消耗CO2的物质的量为3 mol，消耗的CH4和CO2体积之比为4∶3。(4) ①转化Ⅰ中，加入还原剂H2，则金属元素In的化合价会降低。
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答案：(1) ①该反应的ΔH>0、ΔS>0，高温下ΔH－TΔS<0，反应可自发进行　②温度过高，丙烷裂解产生CH4、C2H4、C和H2等副产物，使丙烯的选择性下降；同时高温下产生积碳使催化剂快速失活，反应速率快速下降　(2) ＋165.0
(3) ①2CH4＋O2－－2e－===CH3CH3＋H2O 　②4∶3
(4) ①降低　②CO2分子中的一个O原子填充到氧空位，促进CO2分子中C===O断裂；In的电负性小于H，与In相连的H原子带负电，C的电负性小于O，与O相连的C原子带正电；带负电的H进攻带正电的C原子生成HCOO*(吸附在In2O3表面)
11 [2025连云港期中]工业上常用CeO2催化除去重整气(主要成分为H2、CO2、CO、N2、H2O和少量O2等)中含有的少量CO。主要反应为2CO＋O2===2CO2；CO＋3H2===CH4＋H2O。
(1) 用大孔径的催化剂载体可以提高催化氧化CO效果。
①制备泡沫铜载体。三羟甲基氨基甲烷(C4H11NO3)和硝酸铜混合均匀，在氩气的保护下点燃，冷却清洗后得到泡沫铜。三羟甲基氨基甲烷作用为_________________________________________________________
_________________________________________________________。
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②Al2O3作载体。Al2O3导热性差，会导致反应管温度过高CO去除率明显降低，除因为催化剂失活外，还有_____________________________ (用化学方程式表示)。
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(2) CeO2(Ce是活泼金属)中添加CuO能提高反应催化效果。将n(CO)∶n(O2)∶n(H2)∶n(CO2)∶n(H2O)＝1∶1∶50∶15∶10的混合气体(其余为N2)以一定流速通过装有aCuO·bCeO2催化剂的反应管，实验表明催化剂中氧空位的数量影响反应速率，可能机理如图1所示。
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图1
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①CeO2中加入少量CuO能提高CO的去除率，其原因是___________
__________________________________________________________。
③步骤ⅱO2也会参与反应。若参加反应的H2O和O2物质的量相等，则每转化1 mol CO产生H2的物质的量为________。
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(3) aCuO·bCeO2、aCu·bCeO2均能催化CO反应。重整气通过装有aCuO·bCeO2催化剂的反应管，CO转化率和生成CO2选择性随温度变化的曲线如图2所示。
图2
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①产物CO2选择性下降的原因可能是___________________________
___________________________________________________________。
②aCuO·bCeO2相对于aCu·bCeO2催化剂，其优点是______________
____________________________________________________________。
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明CO转化为CH4的反应速率变快，已知aCuO·bCeO2对CO2选择性高，故aCu·bCeO2对CH4选择性高，生成CH4的反应速率加快时，说明催化剂中的CuO被还原为Cu。
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