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变废为宝——硫和氮的氧化物的处理与利用
　　硫氧化物和氮氧化物是大气中常见的两类污染物，硫氧化物对环境的主要影响是酸雨的形成，酸雨对植物、土壤和水生生物造成了严重的损害，影响生态平衡。氮氧化物对环境的主要影响是大气污染和臭氧层破坏。大量的氮氧化物排放会导致臭氧层的破坏。硫和氮的氧化物处理方法主要包括吸收法、催化还原法和化学转化法。
1.NO是大气污染物之一，NO的转化技术对大气污染防治意义深远。炽热的活性炭可以处理NO，发生的反应为C（s）＋2NO（g）CO2（g）＋N2（g）　ΔH＝－574 kJ·mol－1。
（1）一定温度下，将足量的活性炭和一定量的NO加入一恒容密闭容器中发生上述反应，0～2 min内，气体密度增大1.2 g·L－1，计算v（N2）。
（2）下列哪些标志能表示该反应达到平衡状态？
A.容器内混合气体的密度保持不变
B.容器内混合气体的平均相对分子质量保持不变
C.NO和N2的消耗速率之比为1∶2
D.容器内压强不再改变
2.通过下列反应可从燃煤烟气中回收硫。2CO（g）＋SO2（g）2CO2（g） ＋ S（l）　ΔH＜0，在模拟回收硫的实验中，向某恒容密闭容器通入2.8 mol CO和1 mol SO2，反应在不同条件下进行，反应体系总压强随时间的变化如图所示：
（1）与实验a相比，实验c改变的实验条件可能是什么？
（2）计算实验b中的平衡转化率α（SO2）。
3.利用高效催化剂处理汽车尾气中的NO的反应为2NO（g）＋2CO（g）N2（g）＋2CO2（g）。一定温度下，在容积为1 L的恒容密闭容器中加入1 mol CO和1 mol NO发生上述反应，部分物质的体积分数φ随时间t变化如图所示。
（1）曲线b表示物质N2的φ～t关系，比较逆反应速率v（t3）与v（t4）的大小。
（2）若起始压强为p0，计算该反应温度下的压强平衡常数Kp（分压＝物质的量分数×总压，用含p0的式子表示）。
1.雾霾天气严重影响人们的生活，其中氮氧化物和硫氧化物是造成原因之一。消除氮氧化物和硫氧化物有多种方法。
（1）用活性炭还原法可以处理氮氧化物。某研究小组向某恒容密闭容器中加入一定量的活性炭和NO，发生反应：C（s）＋2NO（g）N2（g） ＋CO2（g）　ΔH＝a kJ·mol－1。 在T ℃时，反应进行到不同时间测得各物质的浓度如表：
　　　时间/min 浓度/　　 　　 （mol·L－1）　　 0 10 20 30 40 50
NO 1.00 0.58 0.40 0.40 0.48 0.48
N2 0 0.21 0.30 0.30 0.36 0.36
CO2 0 0.21 0.30 0.30 0.36 0.36
①10～20 min内，NO的平均反应速率v（NO）＝　　　　　。
②30 min后升高温度，再次达到平衡时，容器中NO、N2、CO2的浓度之比为5∶3∶3，则a　　　　（填“＞”“＝”或“＜”）0。
③30 min后，只改变某一反应条件，反应重新达到平衡，根据上表中的数据判断改变的条件可能是　　　　（填字母）。
A.通入一定量的NO
B.加入一定量的活性炭
C.降低温度
（2）汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，某研究小组在实验室以耐高温试剂Ag-ZSW-5为催化剂进行反应，测得NO转化为N2的转化率随温度的变化曲线如图所示。
① 在＝1时，最佳温度应控制在　　　　左右。
② 若不使用CO，温度超过775 K时，发现NO的转化率降低，其可能的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
2.（2025·西南大学附属中学高二月考）消除和利用硫氧化物、氮氧化物对保护环境意义重大。
Ⅰ.某绝热刚性容器中置入2 mol SO2和1 mol O2，发生反应2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g）　ΔH＜0。
（1）下列说法中，能够判断该反应一定处于平衡状态的有　　　　（填序号）。
①容器中SO2、O2、SO3共存
②单位时间内生成2 mol SO2的同时消耗2 mol SO3
③2v正（SO2）＝v逆（O2）
④容器中温度恒定不变
⑤容器中SO2、O2、SO3的物质的量之比为2∶1∶2
（2）上述反应达到平衡时，SO2的转化率为α1。其他条件不变，若改为恒温，达到平衡时SO2的转化率为α2，则α1　　　　α2（填“＞”“＜”或“＝”）。
Ⅱ.用NH3除去烟气中NO的反应原理为4NH3（g）＋6NO（g）5N2（g）＋6H2O（g）　ΔH。
（3）初始投料量一定，平衡时NO的转化率与温度、压强的关系如下图所示。
①压强最大的是　　　　 （填“p1”“p2”或“p3”）。
②图中a、b、c三点对应的平衡常数Ka、Kb、Kc的大小关系为　　　　。
（4）反应速率与浓度之间存在如下关系：v正＝k正·c4（NH3）·c6（NO），v逆＝k逆·c5（N2）·c6（H2O）。k正、k逆为速率常数，只受温度影响。某温度下，在2 L恒容密闭容器中，通入0.9 mol NH3（g）和1.2 mol NO（g）充分反应，5 min后反应达到平衡，平衡时NO的转化率为50％。
①反应开始至5 min，N2的平均速率为　　　　。
②此温度下，＝　　　　。
③当温度升高时，k正增大m倍，k逆增大n倍，则m　　　　n（填“＞”“＜”或“＝”）。
一、能量—反应进程、催化转化图像分析
1.（2024·安徽高考10题）某温度下，在密闭容器中充入一定量的X（g），发生下列反应：X（g）Y（g）（ΔH1＜0），Y（g）Z（g）（ΔH2＜0），测得各气体浓度与反应时间的关系如图所示。下列反应进程示意图符合题意的是（　　）
2.（2024·甘肃高考10题）甲烷在某含Mo催化剂作用下部分反应的能量变化如图所示，下列说法错误的是（　　）
A.E2＝1.41 eV
B.步骤2逆向反应的ΔH＝＋0.29 eV
C.步骤1的反应比步骤2快
D.该过程实现了甲烷的氧化
3.（2024·北京高考10题）可采用Deacon催化氧化法将工业副产物HCl制成Cl2，实现氯资源的再利用。反应的热化学方程式：4HCl（g）＋O2（g）2Cl2（g）＋2H2O（g）　ΔH＝－114.4 kJ·mol－1。下图所示为该法的一种催化机理。
下列说法不正确的是（　　）
A.Y为反应物HCl，W为生成物H2O
B.反应制得1 mol Cl2，须投入2 mol CuO
C.升高反应温度，HCl被O2氧化制Cl2的反应平衡常数减小
D.图中转化涉及的反应中有两个属于氧化还原反应
4.（2024·贵州高考14题）AgCN与CH3CH2Br可发生取代反应，反应过程中CN－的C原子和N原子均可进攻CH3CH2Br，分别生成腈（CH3CH2CN）和异腈（CH3CH2NC）两种产物。通过量子化学计算得到的反应历程及能量变化如图（TS为过渡态，Ⅰ、Ⅱ为后续物）。
由图示信息，下列说法错误的是（　　）
A.从CH3CH2Br生成CH3CH2CN和CH3CH2NC的反应都是放热反应
B.过渡态TS1是由CN－的C原子进攻CH3CH2Br的α-C而形成的
C.Ⅰ中“NAg”之间的作用力比Ⅱ中“CAg”之间的作用力弱
D.生成CH3CH2CN放热更多，低温时CH3CH2CN是主要产物
二、化学反应速率与限度的图像、图表分析
5.（2024·浙江6月选考11题）二氧化碳氧化乙烷制备乙烯，主要发生如下两个反应：
Ⅰ.C2H6（g）＋CO2（g）C2H4（g）＋CO（g）＋H2O（g）　ΔH1＞0
Ⅱ.C2H6（g）＋2CO2（g）4CO（g）＋3H2（g）　ΔH2＞0
向容积为10 L的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2，不同温度下，测得5 min时（反应均未平衡）的相关数据见下表，下列说法不正确的是（　　）
温度（℃） 400 500 600
乙烷转化率（％） 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性（％） 92.6 80.0 61.8
注：乙烯选择性＝×100％
A.反应活化能：Ⅰ＜Ⅱ
B.500 ℃时，0～5 min反应Ⅰ的平均速率为v（C2H4）＝2.88×10－3 mol·L－1·min－1
C.其他条件不变，平衡后及时移除H2O（g），可提高乙烯的产率
D.其他条件不变，增大投料比[n（C2H6）/n（CO2）]投料，平衡后可提高乙烷转化率
6.（2024·安徽高考12题）室温下，为探究纳米铁去除水样中Se的影响因素，测得不同条件下Se浓度随时间变化关系如图。
实验序号 水样体积/mL 纳米铁质量/mg 水样初始pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列说法正确的是（　　）
A.实验①中，0～2小时内平均反应速率v（Se）＝2.0 mol·L－1·h－1
B.实验③中，反应的离子方程式为：2Fe＋Se＋8H＋2Fe3＋＋Se＋4H2O
C.其他条件相同时，适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D.其他条件相同时，水样初始pH越小，Se的去除效果越好
7.（2024·湖南高考14题）恒压下，向某密闭容器中充入一定量的CH3OH和CO，发生如下反应：
主反应：CH3OH＋COCH3COOH　ΔH1
副反应：CH3OH＋CH3COOHCH3COOCH3＋H2O　ΔH2
在不同温度下，反应达到平衡时，测得两种含碳产物的分布分数δ［δ＝］随投料比x（物质的量之比）的变化关系如图所示，下列说法正确的是（　　）
A.投料比x代表
B.曲线c代表乙酸的分布分数
C.ΔH1＜0，ΔH2＞0
D.L、M、N三点的平衡常数：K＝K＞K
三、多平衡体系中的原因解释类问题
8.（2024·贵州高考17题节选）在无氧环境下，CH4经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一定温度下，CH4芳构化时同时存在如下反应：
ⅰ.CH4（g）C（s）＋2H2（g）　ΔH1＝＋74.6 kJ·mol－1　ΔS＝＋80.84 J·mol－1·K－1
ⅱ.6CH4（g）C6H6（l）＋9H2（g）　ΔH2
回答下列问题：
（1）受反应ⅰ影响，随着反应进行，单位时间内甲烷转化率和芳烃产率逐渐降低，原因是
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
（2）对催化剂在不同的pH条件下进行处理，能够改变催化剂的活性。将催化剂在5种不同pH条件下处理后分别用于催化CH4芳构化，相同反应时间内测定相关数据如下表，其中最佳pH为　　　　，理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
pH CH4平均 转化率/％ 芳烃平均 产率/％ 产物中积炭 平均含量/％
2.4 9.60 5.35 40.75
4.0 9.80 4.60 45.85
7.0 9.25 4.05 46.80
10.0 10.45 6.45 33.10
12.0 9.95 4.10 49.45
9.（2024·江西高考16题节选）目前开采的天然气含有H2S，综合利用天然气制氢是实现“碳中和”的重要途径。CH4和H2S重整制氢的主要反应如下：
反应Ⅰ：CH4（g）＋2H2S（g）CS2（g）＋4H2（g）　ΔH1＝＋260 kJ·mol－1
反应Ⅱ：CH4（g）C（s）＋2H2（g）　ΔH2＝＋90 kJ·mol－1
反应Ⅲ：2H2S（g）S2（g）＋2H2（g）　ΔH3＝＋181 kJ·mol－1
回答下列问题：
（1）保持反应器进料口总压为100 kPa。分别以8 kPa CH4、24 kPa H2S（He作辅气）与25 kPa CH4、75 kPa H2S进料，CH4平衡转化率与温度的关系如图，含有He的曲线为　　　　　，理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
（2）假设H2S和CH4的混合气体在某固体催化剂上的吸附服从Langmuir等温吸附（吸附分子彼此不发生相互作用，且气体分子为单分子层吸附）。
吸附等温式为＝，＝
其中a是气体的吸附系数，Vm是气体在固体表面的饱和吸附量（标态），p是气体的分压，V是气体分压为p时的平衡吸附量（标态）。
在一定温度下，H2S的吸附系数是CH4的4倍，当H2S的分压为2 MPa及4 MPa，CH4和H2S的分压相同时，H2S平衡吸附量分别为0.6 m3·kg－1和0.8 m3·kg－1（已换算成标态），则H2S的吸附系数为　　　　MPa－1。
（3）与传统天然气制氢中需要脱硫将H2S转化为硫黄和水相比，上述方法优点是　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
四、多平衡体系中k、K、Kp等常数的相关计算
10.（2024·山东高考20题节选）水煤气是H2的主要来源，研究CaO对C-H2O体系制H2的影响，涉及主要反应如下：
C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g）（Ⅰ）　ΔH1＞0
CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）（Ⅱ）　ΔH2＜0
CaO（s）＋CO2（g）CaCO3（s）（Ⅲ）　ΔH3＜0
回答下列问题：
（1）压力p下，C-H2O-CaO体系达平衡后，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。气相中CO、CO2和H2摩尔分数随温度的变化关系如图所示，则a线对应物种为　　　　　　（填化学式）。当温度高于T1时，随温度升高c线对应物种摩尔分数逐渐降低的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
（2）压力p下、温度为T0时，图示三种气体的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05，则反应CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）的平衡常数Kp＝　　　　；此时气体总物质的量为4.0 mol，则CaCO3（s）的物质的量为　　　　mol；若向平衡体系中通入少量CO2（g），重新达平衡后，分压p（CO2）将　　　　（填“增大”“减小”或“不变”），p（CO）将　　　　（填“增大”“减小”或“不变”）。
11.（2024·甘肃高考17题节选）在催化剂作用下由粗硅制备SiHCl3：3SiCl4（g）＋2H2（g）＋Si（s）4SiHCl3（g）。773 K，2 L密闭容器中，经不同方式处理的粗硅和催化剂混合物与0.4 mol H2和0.1 mol SiCl4气体反应，SiCl4转化率随时间的变化如图所示：
（1）0～50 min，经方式　　　　处理后的反应速率最快；在此期间，经方式丙处理后的平均反应速率v（SiHCl3）＝　　　　mol·L－1·min－1。
（2）当反应达平衡时，H2的浓度为　　　　　　　mol·L－1，平衡常数K的计算式为　　　　　　　　　　。
12.（2024·贵州高考17题节选）引入丙烷可促进甲烷芳构化制备苯和二甲苯，反应如下：
（两个反应可视为同级数的平行反应）
对于同级数的平行反应有＝＝，其中v、k分别为反应速率和反应速率常数，Ea为反应活化能，A1、A2为定值，R为常数，T为温度，同一温度下是定值。已知Ea，苯＜Ea，二甲苯，若要提高苯的产率，可采取的措施有　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
8 / 8章末整合提升　体系构建 素养提升
变废为宝——硫和氮的氧化物的处理与利用
　　硫氧化物和氮氧化物是大气中常见的两类污染物，硫氧化物对环境的主要影响是酸雨的形成，酸雨对植物、土壤和水生生物造成了严重的损害，影响生态平衡。氮氧化物对环境的主要影响是大气污染和臭氧层破坏。大量的氮氧化物排放会导致臭氧层的破坏。硫和氮的氧化物处理方法主要包括吸收法、催化还原法和化学转化法。
　　
1.NO是大气污染物之一，NO的转化技术对大气污染防治意义深远。炽热的活性炭可以处理NO，发生的反应为C（s）＋2NO（g）CO2（g）＋N2（g）　ΔH＝－574 kJ·mol－1。
（1）一定温度下，将足量的活性炭和一定量的NO加入一恒容密闭容器中发生上述反应，0～2 min内，气体密度增大1.2 g·L－1，计算v（N2）。
提示：0.05 mol·L－1·min－1。设容器的体积为V L，起始时NO为2 mol，反应生成N2为a mol，由题意可建立如下三段式：
由0～2 min内，气体密度增大1.2 g·L－1，可得，＝1.2，解得a＝0.1V，则氮气的反应速率为＝0.05 mol·L－1·min－1。
（2）下列哪些标志能表示该反应达到平衡状态？
A.容器内混合气体的密度保持不变
B.容器内混合气体的平均相对分子质量保持不变
C.NO和N2的消耗速率之比为1∶2
D.容器内压强不再改变
提示：AB　反应前后气体的质量增大，在恒容密闭容器中混合气体的密度增大，则容器内混合气体的密度保持不变说明正、逆反应速率相等，反应已达到平衡，A正确；该反应为气体体积不变的反应，反应后气体的质量增大，混合气体的平均相对分子质量增大，容器内混合气体的平均相对分子质量保持不变，说明反应已达到平衡，B正确；NO和N2的消耗速率之比为1∶2不能说明正、逆反应速率相等，无法判断反应是否达到平衡，C错误；该反应为气体体积不变的反应，容器内压强始终不变，则容器内压强不再改变不能说明正、逆反应速率相等，无法判断反应是否达到平衡，D错误。
2.通过下列反应可从燃煤烟气中回收硫。2CO（g）＋SO2（g）2CO2（g） ＋ S（l）　ΔH＜0，在模拟回收硫的实验中，向某恒容密闭容器通入2.8 mol CO和1 mol SO2，反应在不同条件下进行，反应体系总压强随时间的变化如图所示：
（1）与实验a相比，实验c改变的实验条件可能是什么？
提示：升高温度。a、c开始均通入2.8 mol CO和1 mol SO2，容器的容积相同，而起始时c的压强大于a，物质的量与体积一定，压强与温度呈正比关系，故c组改变的实验条件可能是升高温度。
（2）计算实验b中的平衡转化率α（SO2）。
提示：95％。
设消耗二氧化硫物质的量x mol，
＝，解得x＝0.95，
实验b中的平衡转化率α（SO2）＝×100％＝95％。
3.利用高效催化剂处理汽车尾气中的NO的反应为2NO（g）＋2CO（g）N2（g）＋2CO2（g）。一定温度下，在容积为1 L的恒容密闭容器中加入1 mol CO和1 mol NO发生上述反应，部分物质的体积分数φ随时间t变化如图所示。
（1）曲线b表示物质N2的φ～t关系，比较逆反应速率v（t3）与v（t4）的大小。
提示：v（t3）＜v（t4）。由图中曲线b可知，t3时反应未达到平衡，t4时反应达到平衡，在反应达到平衡之前，生成物的浓度逐渐增大，即逆反应速率逐渐增大，则t3时逆反应速率小于t4时逆反应速率。
（2）若起始压强为p0，计算该反应温度下的压强平衡常数Kp（分压＝物质的量分数×总压，用含p0的式子表示）。
提示：。由图可知，曲线b表示物质N2的φ～t关系，设反应生成N2为a mol，由题意可建立如下三段式：
平衡时氮气的体积分数为0.25，可得：＝0.25，解得a＝0.4，由平衡前后气体的压强之比等于物质的量之比可知，反应后的压强为×p0＝0.8p0，则该反应温度下Kp＝＝。
1.雾霾天气严重影响人们的生活，其中氮氧化物和硫氧化物是造成原因之一。消除氮氧化物和硫氧化物有多种方法。
（1）用活性炭还原法可以处理氮氧化物。某研究小组向某恒容密闭容器中加入一定量的活性炭和NO，发生反应：C（s）＋2NO（g）N2（g） ＋CO2（g）　ΔH＝a kJ·mol－1。 在T ℃时，反应进行到不同时间测得各物质的浓度如表：
　　　时间/min浓度/　　 　　 （mol·L－1）　　 0 10 20 30 40 50
NO 1.00 0.58 0.40 0.40 0.48 0.48
N2 0 0.21 0.30 0.30 0.36 0.36
CO2 0 0.21 0.30 0.30 0.36 0.36
①10～20 min内，NO的平均反应速率v（NO）＝0.018 mol·L－1·min－1。
②30 min后升高温度，再次达到平衡时，容器中NO、N2、CO2的浓度之比为5∶3∶3，则a＜（填“＞”“＝”或“＜”）0。
③30 min后，只改变某一反应条件，反应重新达到平衡，根据上表中的数据判断改变的条件可能是A（填字母）。
A.通入一定量的NO
B.加入一定量的活性炭
C.降低温度
（2）汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，某研究小组在实验室以耐高温试剂Ag-ZSW-5为催化剂进行反应，测得NO转化为N2的转化率随温度的变化曲线如图所示。
① 在＝1时，最佳温度应控制在870 K（850～900 K范围都可以）左右。
② 若不使用CO，温度超过775 K时，发现NO的转化率降低，其可能的原因是NO直接分解成N2的反应是放热反应，升高温度不利于反应进行　。
解析：（1）①10～20 min内，v（NO）＝ ＝ ＝0.018 mol·L－1·min－1，②T ℃时，该反应的平衡常数K1＝＝ ＝0.562 5，若30 min后升高温度，达到平衡时，容器中NO、N2、CO2的浓度之比为5∶3∶3，K2＝＝ ＝0.36＜K1，平衡逆向移动，则ΔH＜0，即a＜0；③通入一定量的NO，平衡正向移动，生成物的浓度增大，因为加入反应物，再次达到平衡后，反应物的浓度也增大，A正确；加入一定量的活性炭，固体对平衡移动没有影响，B错误；降低温度，平衡向正反应方向移动，反应物的浓度减小，生成物的浓度增大，也不符合表中数据，C错误。（2）①由图可知，＝1，870 K左右，NO转化为N2的转化率最大（或850 K～900 K之间都可以）且再升高温度转化率变化不大；②此反应为放热反应，升高温度，不利于反应进行，反应更有利于向逆反应方向进行，NO的分解率降低。
2.（2025·西南大学附属中学高二月考）消除和利用硫氧化物、氮氧化物对保护环境意义重大。
Ⅰ.某绝热刚性容器中置入2 mol SO2和1 mol O2，发生反应2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g）　ΔH＜0。
（1）下列说法中，能够判断该反应一定处于平衡状态的有④（填序号）。
①容器中SO2、O2、SO3共存
②单位时间内生成2 mol SO2的同时消耗2 mol SO3
③2v正（SO2）＝v逆（O2）
④容器中温度恒定不变
⑤容器中SO2、O2、SO3的物质的量之比为2∶1∶2
（2）上述反应达到平衡时，SO2的转化率为α1。其他条件不变，若改为恒温，达到平衡时SO2的转化率为α2，则α1　＜　α2（填“＞”“＜”或“＝”）。
Ⅱ.用NH3除去烟气中NO的反应原理为4NH3（g）＋6NO（g）5N2（g）＋6H2O（g）　ΔH。
（3）初始投料量一定，平衡时NO的转化率与温度、压强的关系如下图所示。
①压强最大的是　p1　（填“p1”“p2”或“p3”）。
②图中a、b、c三点对应的平衡常数Ka、Kb、Kc的大小关系为　Ka＝Kb＞Kc　。
（4）反应速率与浓度之间存在如下关系：v正＝k正·c4（NH3）·c6（NO），v逆＝k逆·c5（N2）·c6（H2O）。k正、k逆为速率常数，只受温度影响。某温度下，在2 L恒容密闭容器中，通入0.9 mol NH3（g）和1.2 mol NO（g）充分反应，5 min后反应达到平衡，平衡时NO的转化率为50％。
①反应开始至5 min，N2的平均速率为　0.05 mol·L－1·min－1　。
②此温度下，＝　0.25　。
③当温度升高时，k正增大m倍，k逆增大n倍，则m　＜　n（填“＞”“＜”或“＝”）。
解析：（1）该反应为可逆反应，容器中SO2、O2、SO3共存，不能判断为平衡状态；反应速率都是逆反应方向，不能判断为平衡状态；2v正（SO2）＝v逆（O2）表示正、逆反应速率不相等，反应没有达到平衡状态；在绝热的某刚性容器中，温度是变量，温度恒定不变可以判断达到平衡状态，④符合题意；容器中SO2、O2、SO3的物质的量之比为2∶1∶2，不能说明各物质浓度不变，不能判断平衡状态。（2）绝热刚性容器中进行该反应，反应放热，会使温度升高，若改为恒温，相当于是降低温度，平衡正向移动， SO2的转化率变大，即α1＜α2。（3）①由图可知，温度相同时，p3→p2→p1过程NO平衡转化率减小，因正反应为气体分子数增大的反应，加压平衡逆移，NO的平衡转化率减小，则p3→p2→p1为增大压强的过程，即压强最大的是p1；②压强相同时，升高温度，NO平衡转化率减小，说明升温平衡逆向移动，ΔH＜0，即温度越高，K越小，a、b温度相同，K相同，则Ka、Kb、Kc的大小关系为Ka＝Kb＞Kc。（4）根据已知数据列三段式：
①反应开始至5 min，N2的平均速率为＝0.05 mol·L－1·min－1；②平衡时，v正＝v逆，即k正·c4（NH3）·c6（NO）＝k逆·c5（N2）·c6（H2O），＝＝＝0.25；③该反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，则k逆增大的倍数大于k正增大的倍数，即m＜n。
一、能量—反应进程、催化转化图像分析
1.（2024·安徽高考10题）某温度下，在密闭容器中充入一定量的X（g），发生下列反应：X（g）Y（g）（ΔH1＜0），Y（g）Z（g）（ΔH2＜0），测得各气体浓度与反应时间的关系如图所示。下列反应进程示意图符合题意的是（　　）
解析：B　由题图可知，生成Y的速率大于生成Z的速率，则第一步反应的活化能比第二步反应的活化能小，C、D项错误；结合ΔH1、ΔH2均小于0可知，两步反应均为放热反应，故反应物总能量高于生成物总能量，则能量：X＞Y＞Z，A项错误，B项正确。
2.（2024·甘肃高考10题）甲烷在某含Mo催化剂作用下部分反应的能量变化如图所示，下列说法错误的是（　　）
A.E2＝1.41 eV
B.步骤2逆向反应的ΔH＝＋0.29 eV
C.步骤1的反应比步骤2快
D.该过程实现了甲烷的氧化
解析：C　由能量变化图可知，E2＝0.70 eV－（－0.71 eV）＝1.41 eV，A项正确；由ΔH＝生成物总能量－反应物总能量知，步骤2逆向反应的ΔH＝－0.71 eV－（－1.00 eV）＝＋0.29 eV，B项正确；由能量变化图可知，步骤1的活化能（E1）大于步骤2的活化能（E3），则步骤1的反应比步骤2慢，C项错误；该过程中甲烷转化为甲醇，实现了甲烷的氧化，D项正确。
3.（2024·北京高考10题）可采用Deacon催化氧化法将工业副产物HCl制成Cl2，实现氯资源的再利用。反应的热化学方程式：4HCl（g）＋O2（g）2Cl2（g）＋2H2O（g）　ΔH＝－114.4 kJ·mol－1。下图所示为该法的一种催化机理。
下列说法不正确的是（　　）
A.Y为反应物HCl，W为生成物H2O
B.反应制得1 mol Cl2，须投入2 mol CuO
C.升高反应温度，HCl被O2氧化制Cl2的反应平衡常数减小
D.图中转化涉及的反应中有两个属于氧化还原反应
解析：B　由该反应的热化学方程式可知，该反应涉及的主要物质有HCl、O2、CuO、Cl2、H2O。CuO与Y反应生成Cu（OH）Cl，则Y为HCl，Cu（OH）Cl分解生成W和Cu2OCl2，则W为H2O，CuCl2分解为X和CuCl，则X为Cl2，CuCl和Z反应生成Cu2OCl2，则Z为O2，A正确；CuO在反应中作催化剂，会不断循环，适量即可，B错误；总反应为放热反应，其他条件一定，升温平衡逆向移动，平衡常数减小，C正确；图中涉及的两个氧化还原反应是CuCl2→CuCl和CuCl→Cu2OCl2，D正确。
4.（2024·贵州高考14题）AgCN与CH3CH2Br可发生取代反应，反应过程中CN－的C原子和N原子均可进攻CH3CH2Br，分别生成腈（CH3CH2CN）和异腈（CH3CH2NC）两种产物。通过量子化学计算得到的反应历程及能量变化如图（TS为过渡态，Ⅰ、Ⅱ为后续物）。
由图示信息，下列说法错误的是（　　）
A.从CH3CH2Br生成CH3CH2CN和CH3CH2NC的反应都是放热反应
B.过渡态TS1是由CN－的C原子进攻CH3CH2Br的α-C而形成的
C.Ⅰ中“NAg”之间的作用力比Ⅱ中“CAg”之间的作用力弱
D.生成CH3CH2CN放热更多，低温时CH3CH2CN是主要产物
解析：D　由能量变化图可知，异腈或腈与AgBr的能量总和均低于起始AgCN与CH3CH2Br的能量总和，即从CH3CH2Br生成CH3CH2CN和CH3CH2NC的反应均为放热反应，A正确；由题图可知，过渡态TS1最终产物为腈（CH3CH2CN），结合TS1的物质结构可知，过渡态TS1是由CN－的C原子进攻CH3CH2Br的α-C而形成的，B正确；由题图可知，状态Ⅰ生成腈时能量变化小于状态Ⅱ生成异腈时的能量变化，即“NAg”断裂所需的能量小于“CAg”，说明Ⅰ中“NAg”之间的作用力比Ⅱ中“CAg”之间的作用力弱，C正确；生成CH3CH2CN的反应和生成CH3CH2NC的反应均为放热反应，低温均有利于二者的生成，但生成CH3CH2CN的活化能比生成CH3CH2NC的活化能大，则低温时CH3CH2NC是主要产物，D错误。
二、化学反应速率与限度的图像、图表分析
5.（2024·浙江6月选考11题）二氧化碳氧化乙烷制备乙烯，主要发生如下两个反应：
Ⅰ.C2H6（g）＋CO2（g）C2H4（g）＋CO（g）＋H2O（g）　ΔH1＞0
Ⅱ.C2H6（g）＋2CO2（g）4CO（g）＋3H2（g）　ΔH2＞0
向容积为10 L的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2，不同温度下，测得5 min时（反应均未平衡）的相关数据见下表，下列说法不正确的是（　　）
温度（℃） 400 500 600
乙烷转化率（％） 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性（％） 92.6 80.0 61.8
注：乙烯选择性＝×100％
A.反应活化能：Ⅰ＜Ⅱ
B.500 ℃时，0～5 min反应Ⅰ的平均速率为v（C2H4）＝2.88×10－3 mol·L－1·min－1
C.其他条件不变，平衡后及时移除H2O（g），可提高乙烯的产率
D.其他条件不变，增大投料比[n（C2H6）/n（CO2）]投料，平衡后可提高乙烷转化率
解析：D　由表可知，相同温度下，乙烷在发生转化时，反应Ⅰ更易发生，则反应活化能：Ⅰ＜Ⅱ，A正确；由表可知，500 ℃时，乙烷的转化率为9.0％，可得转化的乙烷的总物质的量为2 mol×9.0％＝0.18 mol，而此温度下乙烯的选择性为80％，则转化为乙烯的乙烷的物质的量为0.18 mol×80％＝0.144 mol，根据化学方程式可得，生成乙烯的物质的量为0.144 mol，则0～5 min反应Ⅰ的平均速率为v（C2H4）＝＝2.88×10－3 mol·L－1·min－1，B正确；其他条件不变，平衡后及时移除H2O（g），反应Ⅰ的平衡正向移动，可提高乙烯的产率，C正确；其他条件不变，增大投料比[n（C2H6）/n（CO2）]投料，平衡后CO2的转化率提高，C2H6的转化率降低，D错误。
6.（2024·安徽高考12题）室温下，为探究纳米铁去除水样中Se的影响因素，测得不同条件下Se浓度随时间变化关系如图。
实验序号 水样体积/mL 纳米铁质量/mg 水样初始pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列说法正确的是（　　）
A.实验①中，0～2小时内平均反应速率v（Se）＝2.0 mol·L－1·h－1
B.实验③中，反应的离子方程式为：2Fe＋Se＋8H＋2Fe3＋＋Se＋4H2O
C.其他条件相同时，适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D.其他条件相同时，水样初始pH越小，Se的去除效果越好
解析：C　实验①中，0～2小时内平均反应速率v（Se）＝＝2.0×10－5 mol·L－1·h－1，A项错误；实验③中水样初始pH＝8，溶液呈弱碱性，结合氧化还原反应规律可得离子方程式为2Fe＋Se＋4H2O2Fe（OH）3＋Se＋2OH－，B项错误；由实验①、②可知，其他条件相同时，适当增加纳米铁质量，反应速率加快，C项正确；由实验②、③可知，其他条件相同时，适当减小水样初始pH，Se的去除效果更好，但若水样初始pH太小，与H＋反应的纳米铁的量增多，从而影响Se的去除效果，D项错误。
7.（2024·湖南高考14题）恒压下，向某密闭容器中充入一定量的CH3OH和CO，发生如下反应：
主反应：CH3OH＋COCH3COOH　ΔH1
副反应：CH3OH＋CH3COOHCH3COOCH3＋H2O　ΔH2
在不同温度下，反应达到平衡时，测得两种含碳产物的分布分数δ［δ＝］随投料比x（物质的量之比）的变化关系如图所示，下列说法正确的是（　　）
A.投料比x代表
B.曲线c代表乙酸的分布分数
C.ΔH1＜0，ΔH2＞0
D.L、M、N三点的平衡常数：K＝K＞K
解析：D　依题意，图中曲线表示的是测得两种含碳产物的分布分数即分别为δ、δ，若投料比x代表，x越大，可看作是CH3OH的量增多，则对于主、副反应可知生成的CH3COOCH3越多，CH3COOCH3分布分数越高，则曲线a或曲线b表示CH3COOCH3分布分数，曲线c或曲线d表示CH3COOH分布分数，据此分析可知A、B均正确，可知如此假设错误，则可知投料比x代表，曲线a或曲线b表示δ，曲线c或曲线d表示δ。投料比x代表，A错误；曲线c表示CH3COOCH3分布分数，B错误；CH3OH与CO的反应为熵减反应，若反应为吸热，则任何条件下都不能自发，所以CH3OH和CO的反应为放热反应，则ΔH1＜0；当同一投料比时，观察可知T1时δ大于T2时δ，由T2＞T1可知，温度越高δ越小，说明温度升高副反应的平衡逆向移动，ΔH2＜0，C错误；L、M、N三点对应副反应ΔH2＜0，且TN＞TM＝TL，升高温度平衡逆向移动，K＝K＞K，D正确。
三、多平衡体系中的原因解释类问题
8.（2024·贵州高考17题节选）在无氧环境下，CH4经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一定温度下，CH4芳构化时同时存在如下反应：
ⅰ.CH4（g）C（s）＋2H2（g）　ΔH1＝＋74.6 kJ·mol－1　ΔS＝＋80.84 J·mol－1·K－1
ⅱ.6CH4（g）C6H6（l）＋9H2（g）　ΔH2
回答下列问题：
（1）受反应ⅰ影响，随着反应进行，单位时间内甲烷转化率和芳烃产率逐渐降低，原因是反应ⅰ产生的C（s）附着在催化剂表面，使CH4与催化剂的接触面积减小，反应速率减慢。
（2）对催化剂在不同的pH条件下进行处理，能够改变催化剂的活性。将催化剂在5种不同pH条件下处理后分别用于催化CH4芳构化，相同反应时间内测定相关数据如下表，其中最佳pH为10.0，理由是此条件下CH4平均转化率最大，芳烃平均产率最大，产物中积炭平均含量最低　。
pH CH4平均 转化率/％ 芳烃平均 产率/％ 产物中积炭 平均含量/％
2.4 9.60 5.35 40.75
4.0 9.80 4.60 45.85
7.0 9.25 4.05 46.80
10.0 10.45 6.45 33.10
12.0 9.95 4.10 49.45
解析：（1）反应ⅰ会产生积炭，覆盖在催化剂表面，阻止甲烷与催化剂接触，从而导致反应速率减慢。9.（2024·江西高考16题节选）目前开采的天然气含有H2S，综合利用天然气制氢是实现“碳中和”的重要途径。CH4和H2S重整制氢的主要反应如下：
反应Ⅰ：CH4（g）＋2H2S（g）CS2（g）＋4H2（g）　ΔH1＝＋260 kJ·mol－1
反应Ⅱ：CH4（g）C（s）＋2H2（g）　
ΔH2＝＋90 kJ·mol－1
反应Ⅲ：2H2S（g）S2（g）＋2H2（g）　
ΔH3＝＋181 kJ·mol－1
回答下列问题：
（1）保持反应器进料口总压为100 kPa。分别以8 kPa CH4、24 kPa H2S（He作辅气）与25 kPa CH4、75 kPa H2S进料，CH4平衡转化率与温度的关系如图，含有He的曲线为M，理由是　恒温恒压下充入稀有气体，平衡向气体分子数增大的方向移动。
（2）假设H2S和CH4的混合气体在某固体催化剂上的吸附服从Langmuir等温吸附（吸附分子彼此不发生相互作用，且气体分子为单分子层吸附）。
吸附等温式为＝，＝
其中a是气体的吸附系数，Vm是气体在固体表面的饱和吸附量（标态），p是气体的分压，V是气体分压为p时的平衡吸附量（标态）。
在一定温度下，H2S的吸附系数是CH4的4倍，当H2S的分压为2 MPa及4 MPa，CH4和H2S的分压相同时，H2S平衡吸附量分别为0.6 m3·kg－1和0.8 m3·kg－1（已换算成标态），则H2S的吸附系数为0.4MPa－1。
（3）与传统天然气制氢中需要脱硫将H2S转化为硫黄和水相比，上述方法优点是　实现H2S的综合利用同步产生氢　。
解析：（1）恒温恒压下充入稀有气体，相当于减压，平衡向气体分子数增大的方向移动，即向正反应方向移动，CH4的平衡转化率增大，故含有He的曲线为M。（2）设H2S的吸附系数为x MPa－1，根据吸附等温式，H2S的分压分别为2 MPa、4 MPa时，其平衡吸附量之比为＝＝，解得x＝0.4。（3）与传统天然气制氢中需要脱硫将H2S转化为硫黄和水相比，该方法的优点是能够实现H2S的综合利用并同步产氢。
四、多平衡体系中k、K、Kp等常数的相关计算
10.（2024·山东高考20题节选）水煤气是H2的主要来源，研究CaO对C-H2O体系制H2的影响，涉及主要反应如下：
C（s）＋H2O（g）CO（g）＋H2（g）（Ⅰ）　ΔH1＞0
CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）（Ⅱ）　ΔH2＜0
CaO（s）＋CO2（g）CaCO3（s）（Ⅲ）　ΔH3＜0
回答下列问题：
（1）压力p下，C-H2O-CaO体系达平衡后，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。气相中CO、CO2和H2摩尔分数随温度的变化关系如图所示，则a线对应物种为H2（填化学式）。当温度高于T1时，随温度升高c线对应物种摩尔分数逐渐降低的原因是　当温度高于T1，CaCO3（s）已完全分解，只发生反应Ⅱ，温度升高，反应Ⅱ平衡逆向移动，所以CO2的摩尔分数减小　　。
（2）压力p下、温度为T0时，图示三种气体的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05，则反应CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）的平衡常数Kp＝；此时气体总物质的量为4.0 mol，则CaCO3（s）的物质的量为0.5mol；若向平衡体系中通入少量CO2（g），重新达平衡后，分压p（CO2）将不变（填“增大”“减小”或“不变”），p（CO）将不变（填“增大”“减小”或“不变”）。
解析：（1）图示温度范围内C（s）已完全反应，则反应Ⅰ已经进行完全，反应Ⅱ和Ⅲ均为放热反应，从开始到T1，温度不断升高，反应Ⅱ和Ⅲ平衡逆向移动，依据反应Ⅱ，H2的量减少，摩尔分数减小，CO的量增多，摩尔分数增大，且二者摩尔分数变化斜率相同，所以a曲线代表H2的摩尔分数随温度的变化，b曲线代表CO的摩尔分数随温度的变化，c曲线代表CO2的摩尔分数随温度的变化；从开始到T1，CO2的摩尔分数升高，说明在这段温度范围内，反应Ⅲ占主导，当温度高于T1，CaCO3（s）已完全分解，只发生反应Ⅱ，所以CO2的摩尔分数减小。（2）压力p下、温度为T0时，H2、CO和CO2的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05，则H2O（g）的摩尔分数为1－0.5－0.15－0.05＝0.3，则反应CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）的平衡常数Kp＝＝＝。设起始时有x mol C（s），因反应Ⅰ进行完全，C（s）＋H2OCO＋H2，生成x mol CO（g）和x mol H2（g），设有y mol CO（g）发生了反应Ⅱ，
CO＋H2OCO2＋H2
y　　　　　　y　　y
CO的物质的量为（x－y）mol，H2的物质的量为（x＋y）mol；根据平衡时H2、CO和CO2的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05，气体总物质的量为4 mol，H2、CO和CO2的物质的量分别为2 mol、0.6 mol、0.2 mol，则x－y＝0.6，x＋y＝2，可算出x＝1.3，y＝0.7。反应Ⅱ生成的CO2的物质的量为0.7 mol，但实际CO2的物质的量为0.2 mol，说明有0.5 mol CO2发生反应Ⅲ：
CaO（s）＋CO2CaCO3（s）
　　　　0.5　　 　0.5
生成了0.5 mol的CaCO3（s）。若向平衡体系中通入少量CO2（g），重新达平衡后，反应CaO（s）＋CO2（g）CaCO3（s）的Kp＝，温度不变，Kp不变，则分压p（CO2）不变；体系中增加了CO2（g），若反应Ⅱ平衡逆向移动，在CO2分压不变的前提下，CO、H2O的分压增大，H2的分压减小，则反应Ⅱ的Kp将会发生变化，与事实不符，所以为了保证反应Ⅱ的Kp也不变，最终所有物质的分压均不变，即p（CO）不变。
11.（2024·甘肃高考17题节选）在催化剂作用下由粗硅制备SiHCl3：3SiCl4（g）＋2H2（g）＋Si（s）4SiHCl3（g）。773 K，2 L密闭容器中，经不同方式处理的粗硅和催化剂混合物与0.4 mol H2和0.1 mol SiCl4气体反应，SiCl4转化率随时间的变化如图所示：
（1）0～50 min，经方式甲处理后的反应速率最快；在此期间，经方式丙处理后的平均反应速率v（SiHCl3）＝5.6×10－5　mol·L－1·min－1。
（2）当反应达平衡时，H2的浓度为0.195 1mol·L－1，平衡常数K的计算式为。
解析：（1）由SiCl4转化率图像可知，0～50 min内经方式甲处理后的反应速率最快；经方式丙处理后，50 min时SiCl4的转化率为4.2％，故参与反应的SiCl4的物质的量为0.1 mol×4.2％＝0.004 2 mol，根据粗硅制备SiHCl3的化学方程式可得反应生成的SiHCl3的物质的量为0.004 2 mol×＝0.005 6 mol，则0～50 min的平均反应速率v（SiHCl3）＝＝5.6×10－5 mol·L－1·min－1。 （2）由题图可知，反应达到平衡时，SiCl4的转化率为14.6％，即参与反应的SiCl4的浓度为×14.6％＝0.007 3 mol·L－1，结合起始c（SiCl4）＝0.05 mol·L－1，c（H2）＝0.2 mol·L－1，则可列三段式：
　　 　　3SiCl4（g）＋2H2（g）＋Si（s）4SiHCl3（g）
起始浓度/
（mol·L－1） 0.05 0.2 0
转化浓度/
（mol·L－1） 0.007 3 0.004 9 0.009 7
平衡浓度/
（mol·L－1） 0.042 7 0.195 1 0.009 7
当反应达平衡时，H2的浓度为0.195 1 mol·L－1，平衡常数K的计算式为。
12.（2024·贵州高考17题节选）引入丙烷可促进甲烷芳构化制备苯和二甲苯，反应如下：
CH4（g）＋（两个反应可视为同级数的平行反应）
对于同级数的平行反应有＝＝，其中v、k分别为反应速率和反应速率常数，Ea为反应活化能，A1、A2为定值，R为常数，T为温度，同一温度下是定值。已知Ea，苯＜Ea，二甲苯，若要提高苯的产率，可采取的措施有加入合适的催化剂（或适当降低温度）。
解析：根据题给公式，若要提高苯的产率，则需要减小Ea，苯，可以加入催化剂，另外适当降低温度也可提高苯的产率。
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