资源简介

第22讲　化学平衡的移动
高考导向
构建体系
能力自测 判断正误(正确的画“√”，错误的画“×”)。(1) (2025·扬州中学)2CO2(g)＋6H2(g)??CH3OCH3(g)＋3H2O(g)，其他条件不变时，在恒压条件下通入一定量的惰性气体，H2的平衡转化率提高(×)(2) N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)　ΔH＜0，其他条件不变时，升高温度，反应速率和H2的平衡转化率均增大(×)(3) 工业上合成氨反应[N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)　ΔH＜0]采用500 ℃的高温，是为了提高反应物的平衡转化率(×)(4) 反应2SO2(g)＋O2(g)??2SO3(g)　ΔH＜0达到平衡后，升高温度，正反应速率减小，逆反应速率增大，平衡逆向移动(×)(5) 反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)使用V2O5的目的是增大SO2的平衡转化率(×)(6) 将少量氯化钴晶体溶于浓盐酸配成蓝色溶液{[CoCl4]2－}，加水稀释至溶液呈紫色{[Co(H2O)6]2＋}后，再加热，溶液又恢复蓝色，反应[Co(H2O)6]2＋＋4Cl－??[CoCl4]2－＋6H2O的ΔH>0(√)(7) (2025·扬州期中)N2(g)＋3H2(g)??2NH3(g)，使用催化剂，可以提高NH3的平衡产率(×)(8) 向盛有5 mL 0.005 mol/L FeCl3溶液的试管中加入5 mL 0.015 mol/L KSCN溶液，再加入少量铁粉，振荡，观察溶液颜色变化，探究反应物浓度影响化学平衡(√)(9) 向盛有2 mL 0.1 mol/L K2Cr2O7溶液的试管中滴加5～10滴6 mol/L NaOH溶液，再继续滴加5～10滴6 mol/L H2SO4溶液，观察现象，探究浓度对化学平衡的影响(√)(10) 依据相同温度下可逆反应的Q与K大小的比较，可推断反应进行的方向(√)
考点1　化学平衡的移动
知 识 梳 理
勒夏特列原理
1. 内容：如果改变影响平衡的一个因素(如参加反应的物质的浓度、压强或温度等)，平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。
2. 若其他条件不变，改变下列条件对化学平衡的影响
改变的条件(其他条件不变) 化学平衡移动的方向
浓度 增大反应物浓度或减小生成物浓度(Q减小反应物浓度或增大生成物浓度(Q>K) 平衡逆向移动
压强(对有气体参加的反应) 反应前后气体分子数改变 增大压强 向气体分子数减小的方向移动
减小压强 向气体分子数增大的方向移动
反应前后气体分子数不变 改变压强 平衡不移动
温度 升高温度 向吸热反应方向移动
降低温度 向放热反应方向移动
催化剂 — 同等程度地改变v正、v逆，平衡不移动
3. 不能用勒夏特列原理解释的问题
(1) 反应前后气体分子数不变的反应，如H2(g)＋I2(g)??2HI(g)，增大体系压强，气体颜色加深，但平衡不移动。
(2) 催化剂能同等程度地改变正、逆反应速率，催化剂不会影响化学平衡。
平衡移动方向的判断
1. 根据平衡常数K与Q判断
Q＜K，平衡正向移动；
Q＝K，平衡不移动；
Q＞K，平衡逆向移动。
2. 恒温条件下，密闭反应体系中通入“惰性气体”
(1) 恒容容器
原平衡体系体系总压强增大→体系中各组分的浓度不变→平衡不移动。
(2) 恒压容器
原平衡体系容器容积增大，体系中各组分气体的分压减小→体系中各组分的浓度同倍数减小(等效于减压) →平衡向气体分子数增大的方向移动。
典 题 悟 法
化学平衡移动
例1　(2024·浙江6月卷)为探究化学平衡移动的影响因素，设计方案并进行实验，观察到相关现象。其中方案设计和结论都正确的是(C)
选项 影响因素 方案设计 现象 结论
A 浓度 向1 mL 0.1 mol/L K2CrO4溶液中加入1 mL 1.0 mol/L HBr溶液 黄色溶液变橙色 增大反应物浓度，平衡向正反应方向移动
B 压强 向恒温恒容密闭玻璃容器中充入100 mL HI气体，分解达到平衡后再充入100 mL Ar 气体颜色不变 对于反应前后气体总体积不变的可逆反应，改变压强平衡不移动
C 温度 将封装有NO2和N2O4混合气体的烧瓶浸泡在热水中 气体颜色变深 升高温度，平衡向吸热反应方向移动
D 催化剂 向1mL乙酸乙酯中加入1 mL 0.3 mol/L H2SO4溶液，水浴加热 上层液体逐渐减少 使用合适的催化剂可使平衡向正反应方向移动
【解析】 Br－能被氧化为Br2，溴水也为橙色，A错误；恒温恒容密闭容器中发生反应：2HI(g)??H2(g)＋I2(g)，该反应前后气体分子数不变，充入Ar，相当于没有改变压强，故不能得出相应结论，B错误；2NO2(g)??N2O4为放热反应，升高温度，气体颜色变深，说明平衡逆向移动，C正确；催化剂不影响平衡移动，D错误。
化学反应原理小综合
例2　(2021·江苏卷)对于反应：2NO(g)＋O2(g)??2NO2(g)　ΔH＝－116.4 kJ/mol，下列说法正确的是(A)
A. 该反应的ΔH<0，ΔS<0
B. 反应的平衡常数可表示为K＝
C. 使用高效催化剂能降低反应的焓变
D. 其他条件相同，增大，NO的平衡转化率下降
【解析】 ΔH＝－116.4 kJ/mol <0，该反应是气体总物质的量减小的反应，ΔS<0，A正确；该反应的平衡常数K＝，B错误；催化剂能降低反应的活化能，但不能改变反应的焓变，C错误；其他条件相同，增大，相当于增大O2的量，则NO的平衡转化率增大，D错误。
考点2　化学平衡曲线分析
知 识 梳 理
催化剂的选择性
1. 定义：很多情况下，在给定条件下反应物之间能够同时发生多个反应，催化剂对不同反应的催化效率不同，各种产物所占的比例便会不同。理想的催化剂可以大幅度提高目标产物在最终产物中的比率，催化剂的这种特性称为它的选择性。
2. 选择性的表示方法：某产物的选择性可用消耗的原料转变为指定产物的百分率表示。如：CO2催化加氢主要反应如下：
反应Ⅰ. CO2(g)＋3H2(g)??CH3OH(g)＋H2O(g)
反应Ⅱ. CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)
CH3OH(或CO)的选择性＝×100%。
根据反应可知反应Ⅰ生成的n(CH3OH)＝反应Ⅰ消耗的n(CO2)、反应Ⅱ生成的n(CO)＝反应Ⅱ消耗的n(CO2)，故CH3OH的选择性＋CO的选择性＝1。
单一反应转化率-温度图像(如图所示)
1. 若不使用催化剂
(1) 拐点前，温度升高，反应速率加快，反应物转化率增大。此阶段是反应速率影响转化率。拐点前未平衡，拐点为平衡点。
(2) 拐点后，温度升高，反应物转化率降低，平衡逆向移动，此阶段是平衡影响转化率。
2. 若使用催化剂
最高点不一定代表平衡点，但最高点时催化剂活性最好。后半部分转化率减小的原因可能有：① 升高温度，平衡左移；② 催化剂活性降低。
多重平衡图像分析
1. 竞争反应体系中，不同温度、不同催化剂发生的主要反应不同，即温度、催化剂对反应选择性有影响。
2. 分析图像，判断反应是否已经达到平衡，是速率问题还是平衡问题，影响的因素有哪些，多个因素是协同的还是以某个因素为主，若改变出现相反的结论，要结合问题中的图像(或结论)抓住矛盾的主要方面解题。
3. 提高平衡转化率的方法：
(1) 调节p、T使平衡正移，则转化率增大；
(2) 增大反应物浓度，提高另一物质转化率，本身转化率降低。
例：(2023·江苏卷)二氧化碳加氢制甲烷过程中的主要反应如下：
CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.7 kJ/mol
CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH＝＋41.2 kJ/mol
在密闭容器中，1.01×105 Pa、n起始(CO2)∶n起始(H2)＝1∶4时，CO2平衡转化率、在催化剂作用下反应相同时间所测得的CO2实际转化率随温度的变化如图所示。CH4的选择性＝×100%。下列说法正确的是(　　)
A. 反应2CO(g)＋2H2(g)===CO2(g)＋CH4(g)的焓变ΔH＝－205.9 kJ/mol
B. CH4的平衡选择性随着温度的升高而增大
C. 用该催化剂催化CO2反应的最佳温度范围约为480～530 ℃
D. 450 ℃时，提高的值或增大压强，均能使CO2平衡转化率达到X点的值
[反应分析] CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.7 kJ/mol，升高温度，平衡逆移，CH4的平衡选择性降低；CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.2 kJ/mol，升高温度，平衡正移，CO平衡选择性升高。
[图像分析]
[选项分析] 由盖斯定律知，2CO(g)＋2H2(g)===CO2(g)＋CH4(g)　ΔH＝[－164.7－2×(＋41.2)] kJ/mol＝－247.1 kJ/mol，A错误；生成CH4的反应为放热反应，随着温度的升高，CH4的平衡选择性减小，B错误；由CO2实际转化率曲线走势可知，400 ℃左右时，CO2实际转化率最大，故用该催化剂催化CO2反应的最佳温度约为400 ℃，C错误；450 ℃时，增大一种反应物的量可提高另外一种反应物的转化率，CO2平衡转化率可以达到X点的值，由图可看出，在560 ℃左右，CO2平衡转化率出现拐点，故在450 ℃时，以第一个反应为主，增大压强第一个反应平衡正向移动，CO2平衡转化率也可以达到X点的值，D正确。
典 题 悟 法
单一平衡　转化率－温度曲线
例3　CO2和H2催化合成CH4。主要发生反应：CO2(g)＋4H2(g)??CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－165 kJ/mol，一定温度和压强下，将一定比例CO2和H2分别通过装有两种不同催化剂的反应器，反应相同时间，测得CO2转化率随温度变化情况如图所示。
(1) 高于340 ℃后，用Ni作催化剂，CO2转化率明显上升，其原因是340 ℃后，Ni催化剂活性随温度升高而增大，与温度升高共同使反应速率迅速增大，CO2转化率增大。
(2) 高于340 ℃后，用Ni－CeO2作催化剂，CO2转化率略有下降，可能原因是340 ℃时，该反应已达到平衡，升高温度，平衡正向进行程度减小(平衡常数减小)，CO2转化率下降。
【解析】 (1) 由图可知，340 ℃时，Ni－CeO2的催化活性强于Ni的催化活性，以Ni－CeO2为催化剂时，催化合成反应已达到平衡，而以Ni为催化剂时，催化合成反应未达到平衡，340 ℃后，升高温度，反应速率加快，反应相同时间时CO2的转化率增加。(2) 由图可知，340 ℃时，以Ni－CeO2为催化剂时，该反应已达到平衡，反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，CO2的转化率减小。
多重平衡　转化率－温度曲线
例4　(2020·江苏卷改编)CH4与CO2重整生成H2和CO的过程中主要发生下列反应：
CH4(g)＋CO2(g)??2H2(g)＋2CO(g)　ΔH＝＋247.1 kJ/mol
H2(g)＋CO2(g)??H2O(g)＋CO(g)　ΔH＝＋41.2 kJ/mol
在恒压、反应物起始物质的量比n(CH4)∶n(CO2)＝1∶1条件下，CH4和CO2的平衡转化率随温度变化的曲线如图所示。
下列有关说法正确的是(D)
A. 升高温度、增大压强均有利于提高CH4的平衡转化率
B. 曲线A表示CH4的平衡转化率随温度的变化
C. 相同条件下，改用高效催化剂能使曲线A和曲线B相重叠
D. 恒压、800 K、n(CH4)∶n(CO2)＝1∶1条件下，反应至CH4转化率达到X点的值，改变除温度外的特定条件继续反应，CH4转化率能达到Y点的值
【解析】 标记CH4(g)＋CO2(g)??2H2(g)＋2CO(g)为反应Ⅰ，H2(g)＋CO2(g)??H2O(g)＋CO(g)为反应Ⅱ。上述两个反应均为吸热反应，升高温度，平衡右移，CH4的平衡转化率升高，增大压强，反应Ⅰ平衡左移，故CH4平衡转化率降低，A错误；CH4、CO2等物质的量投入，在反应Ⅰ中，二者的转化率相同，由于反应Ⅱ也消耗CO2，故相同条件下反应达到平衡时，CO2的平衡转化率大于CH4的平衡转化率，即曲线A表示CO2的平衡转化率随温度的变化，B错误；催化剂只能改变反应速率，不能改变平衡转化率，故改用高效催化剂后，曲线A、B也不可能重叠，C错误；如果不断分离出H2或CO，最终会导致反应Ⅰ正向进行的程度变大，从而提高CH4的转化率，CH4的转化率能从X点的值增大到Y点的值，D正确。
多重平衡　选择性-温度曲线
例5　(2022·江苏卷)乙醇－水催化重整可获得H2。其主要反应为
C2H5OH(g)＋3H2O(g)===2CO2(g)＋6H2(g)　ΔH＝＋173.3 kJ/mol
CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.2 kJ/mol
在1.0×105 Pa、n始(C2H5OH)∶n始(H2O)＝1∶3时，若仅考虑上述反应，平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。
CO的选择性＝×100%，下列说法正确的是(B)
A. 图中曲线①表示平衡时H2的产率随温度的变化
B. 升高温度，平衡时CO的选择性增大
C. 一定温度下，增大可提高乙醇的平衡转化率
D. 一定温度下，加入CaO(s)或选用高效催化剂，均能提高平衡时H2的产率
【解析】 由n始(C2H5OH)∶n始(H2O)＝1∶3可知，初始投料只有C2H5OH和H2O，故开始反应时，只能发生第一个反应，产物中没有CO，则CO2的选择性为100%，图中曲线①表示平衡时CO2的选择性随温度的变化，由CO的选择性＝×100%可知，CO2、CO的选择性之和为1，则曲线③表示平衡时CO的选择性随温度的变化，曲线②表示平衡时H2的产率随温度的变化，A错误；由图可知，升高温度时，曲线③上升，则平衡时CO的选择性随温度的升高而增大，B正确；一定温度下，增大，相当于增大n(C2H5OH)，H2O的平衡转化率增大，C2H5OH的平衡转化率减小，C错误；选用高效催化剂只能改变反应速率，不能改变平衡时H2的产率，D错误。
转化率、选择性-温度曲线
例6　(2021·江苏卷) NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应。工业尾气中的NH3可通过催化氧化为N2除去。将一定比例的NH3、O2和N2的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应管，NH3的转化率、生成N2的选择性与温度的关系如图所示。
下列说法正确的是(D)
A. 其他条件不变，升高温度，NH3的平衡转化率增大
B. 其他条件不变，在175～300 ℃范围，随着温度的升高，出口处N2、氮氧化物的量均不断增大
C. 催化氧化除去尾气中的NH3应选择反应温度高于250 ℃
D. 高效除去尾气中的NH3，需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂
【解析】 由于NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应，升高温度，三个反应的平衡均逆向移动，NH3的平衡转化率一定减小，A错误；由图像知，其他条件不变，在175～300 ℃范围内，随着温度升高，NH3的转化率逐渐增大至几乎不变，N2的选择性逐渐减小，曲线交点前NH3的转化率增大幅度大于N2的选择性减小幅度，则低温时，NH3的转化率为影响N2产量的主要因素，高温时，N2的选择性为影响N2产量的主要因素，故出口处N2的量先增大后减小，B错误；温度高于250 ℃时，NH3的转化率虽然接近100%，但是N2的选择性较小，NH3较多地转化为NO、N2O，NO、N2O属于污染性气体，C错误；由图可知，低温时，N2的选择性较高，温度高于250 ℃时，NH3的平衡转化率接近100%，由于NH3转化的反应为放热反应，随着温度的降低，NH3的平衡转化率应升高，故低温时，NH3的平衡转化率更接近100%，但实际上低温时，NH3的转化率远远低于平衡时NH3的转化率，说明在低温条件下NH3的转化反应速率较小，故要高效除去尾气中的NH3，需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂，D正确。
例7　(2019·江苏卷)CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2转化方法，其过程中主要发生下列反应：
反应Ⅰ. CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.2 kJ/mol
反应Ⅱ. 2CO2(g)＋6H2(g)===CH3OCH3(g)＋3H2O(g) ΔH＝－122.5 kJ/mol
在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下，CO2平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图所示。CH3OCH3的选择性＝×100%。
(1) 温度高于300 ℃，CO2平衡转化率随温度升高而上升的原因是反应Ⅰ的ΔH＞0，反应Ⅱ的ΔH＜0，温度升高使CO2转化为CO的平衡转化率上升，使CO2转化为CH3OCH3的平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度。
(2) 220 ℃时，在催化剂作用下CO2与H2反应一段时间后，测得CH3OCH3的选择性为48%(图中A点)。不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OCH3选择性的措施有增大压强、使用对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂。
【解析】 反应Ⅰ为吸热反应，反应Ⅱ为放热反应，当升高温度时，反应Ⅰ平衡正向移动，CO2转化为CO的平衡转化率上升，反应Ⅱ平衡逆向移动，CO2转化为CH3OCH3的平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度。(2) 反应Ⅰ是气体分子数不变的反应，反应Ⅱ是气体分子数减小的反应，通过加压可使反应Ⅱ平衡正向移动，或者加入有利于反应Ⅱ进行的催化剂。
陌生图像分析
例8　(2024·江苏卷)二氧化碳加氢制甲醇的过程中的主要反应如下(忽略其他副反应)：
① CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH1＝＋41.2 kJ/mol
② CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g) ΔH2
225 ℃、8×106 Pa下，将一定比例CO2、H2混合气匀速通过装有催化剂的绝热反应管。装置及L1、L2、L3…位点处(相邻位点距离相同)的气体温度、CO和CH3OH的体积分数如图所示。下列说法正确的是(C)
　　　　　　　
A. L4处与L5处反应①的平衡常数K相等
B. 反应②的焓变ΔH2>0
C. L6处的H2O的体积分数大于L5处
D. 混合气从起始到通过L1处，CO的生成速率小于CH3OH的生成速率
【解析】 L4处与L5处的温度不同，故反应①的平衡常数K不相等，A错误；由图像可知，L1→L3温度在升高，该装置为绝热装置，反应①为吸热反应，所以反应②为放热反应，ΔH2<0，B错误；从L5到L6，甲醇的体积分数逐渐增加，说明反应②在向右进行，反应②消耗CO，而CO体积分数没有明显变化，说明反应①也在向右进行，L6处的H2O的体积分数大于L5处，C正确；L1处CO的体积分数大于CH3OH，说明生成的CO的物质的量大于CH3OH，二者反应时间相同，说明CO的生成速率大于CH3OH的生成速率，D错误。
化学反应原理综合
例9　(2021·江苏卷)甲烷是重要的资源，通过如下过程可实现由甲烷到氢气的转化：
甲烷―→―→―→―→氢气
(1) 500 ℃时，CH4与H2O重整主要发生下列反应：
CH4(g)＋H2O(g)??CO(g)＋3H2(g)、CO(g)＋H2O(g)??CO2(g)＋H2(g)
已知：CaO(s)＋CO2(g)===CaCO3(s)　ΔH＝－178.8 kJ/mol。向重整反应体系中加入适量多孔CaO，其优点是提高H2的产率；提供热量。
(2) CH4与CO2重整的主要反应的热化学方程式如下：
反应Ⅰ. CH4(g)＋CO2(g)??2CO(g)＋2H2(g)　ΔH1＝＋246.5 kJ/mol
反应Ⅱ. H2(g)＋CO2(g)??CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ/mol
反应Ⅲ. 2CO(g)??CO2(g)＋C(s)　ΔH3＝－172.5 kJ/mol
① 在CH4与CO2重整体系中通入适量H2O(g)，可减少C(s)的生成，反应3CH4(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)??4CO(g)＋8H2(g)的ΔH＝＋657.1 kJ/mol。
② 1.01×105 Pa下，将n起始(CO2)∶n起始(CH4)＝1∶1的混合气体置于密闭容器中，不同温度下重整体系中CH4和CO2的平衡转化率如图1所示。800 ℃下CO2平衡转化率远大于600 ℃下CO2平衡转化率，其原因是反应Ⅰ、反应Ⅱ的ΔH＞0，高温下正反应进行程度大，CO2反应的量多，反应Ⅲ的ΔH＜0，高温下正反应进行程度小，CO2生成的量少。
　　　　　
图1　　　　　　　　　　　　　图2　　　　　　　　　　　　　　　图3
(3) 利用铜-铈氧化物(xCuO·yCeO2，Ce是活泼金属)催化氧化可除去H2中少量CO，催化氧化过程中Cu、Ce元素的化合价均发生变化，可能机理如图2所示。将n(CO)∶n(O2)∶n(H2)∶n(N2)＝1∶1∶49∶49的混合气体以一定流速通过装有xCuO·yCeO2催化剂的反应器，CO的转化率随温度变化的曲线如图3所示。
① 基态Ce原子的简化电子排布式为[Xe]4f15d16s2，图2所示机理的步骤(i)中，元素Cu、Ce化合价发生的变化为Cu的化合价由＋2变为＋1，Ce的化合价由＋4变为＋3。
② 当催化氧化温度超过150 ℃时，催化剂的催化活性下降，可能原因是温度升高，Cu2＋(或Cu＋)被H2(或CO)还原为Cu。
【解析】 (1) CaO可以吸收一部分CO2，使体系中CO2的浓度降低，可促进反应CO(g)＋H2O(g)??H2(g)＋CO2(g)平衡右移，则体系中CO的浓度降低，又可促进反应CH4(g)＋H2O(g)??CO(g)＋3H2(g)平衡右移，则体系中H2的产率升高；由CaO吸收CO2的反应是放热反应，且CH4与H2O重整反应需要在500 ℃条件下发生知，CaO吸收CO2的反应可以为CH4与H2O重整反应的发生提供热量；多孔CaO与CO2的接触面积较大，吸收CO2效率更高。(2) ①根据盖斯定律，反应Ⅰ×3－反应Ⅱ×2，可得3CH4(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)??4CO(g)＋8H2(g)的ΔH＝3×246.5 kJ/mol－2×41.2 kJ/mol＝＋657.1 kJ/mol。②高温时(如800 ℃)，吸热反应(反应Ⅰ和反应Ⅱ)进行的程度更大，放热反应(反应Ⅲ)进行的程度更小，由图可知，在较低温度下(如低于600 ℃)，CH4的平衡转化率高于CO2的平衡转化率，体系中主要发生反应Ⅰ和反应Ⅲ；在较高温度下(如800 ℃)，CO2的平衡转化率逼近CH4的平衡转化率，体系中主要发生反应Ⅰ和反应Ⅱ，此时，反应Ⅲ受到抑制，反应Ⅱ受到促进，体系中主要反应发生转变。(3) ①图2所示机理的步骤(ⅰ)中，CO结合O转化为CO2，结合Ce原子的电子排布式，可判断铜的化合价由＋2变为＋1，铈的化合价由＋4变为＋3。②由于高温下，Cu(Ⅱ)或Cu(Ⅰ)可被H2还原为金属Cu，故当催化氧化温度超过150 ℃时，催化剂的催化活性可能下降。
溯因分析
例10　(2022·江苏卷)纳米FeS可去除水中微量六价铬[Cr(Ⅵ)]。在pH＝4～7的水溶液中，纳米FeS颗粒表面带正电荷，Cr(Ⅵ)主要以HCrO、Cr2O、CrO形式存在，纳米FeS去除水中Cr(Ⅵ)主要经过“吸附→反应→沉淀”的过程。
已知：Ksp(FeS)＝6.5×10－18，Ksp[Fe(OH)2]＝5.0×10－17；H2S的电离常数分别为Ka1＝1.1×10－7、Ka2＝1.3×10－13。
(1) 在弱碱性溶液中，FeS与CrO反应生成Fe(OH)3、Cr(OH)3和单质S，其离子方程式为FeS＋CrO＋4H2O===S＋Fe(OH)3＋Cr(OH)3＋2OH－。
(2) 在弱酸性溶液中，反应FeS＋H＋??Fe2＋＋HS－的平衡常数K的数值为5.0×10－5。
(3) 在pH＝4～7的水溶液中，pH越大，FeS去除水中Cr(Ⅵ)的速率越慢，原因是c(OH－)越大，FeS表面吸附Cr(Ⅵ)的量越少，FeS溶出量越少，Cr(Ⅵ)中CrO物质的量分数越大。
【解析】 (2) 反应FeS＋H＋??Fe2＋＋HS－的K＝＝＝＝＝5.0×10－5。(3) 在pH＝4～7的水溶液中，纳米FeS颗粒表面带正电荷，c(OH－)越大，被FeS吸附的OH－越多，被FeS吸附的CrO或Cr2O越少，CrO或Cr2O与FeS反应速率减慢；在弱酸性溶液中，发生反应FeS＋H＋??Fe2＋＋HS－，c(OH－)越大，c(Fe2＋)越小，与Cr(Ⅵ)的反应速率越慢；含Cr(Ⅵ)的溶液中存在平衡：2CrO＋2H＋??Cr2O＋H2O，c(OH－)越大，c(H＋)越小，平衡逆向移动程度越大，导致CrO的含量上升，CrO、Cr2O所带负电荷相等，均可被带正电的纳米FeS颗粒吸附，但CrO比Cr2O含铬量小，故会导致处理Cr(Ⅵ)的速率变慢。
例11　(2024·江苏卷)氢能是理想清洁能源，氢能产业链由制氢、储氢和用氢组成。
(1) 一定条件下，将氮气和氢气按n(N2)∶n(H2)＝1∶3混合匀速通入合成塔，发生反应N2＋3H22NH3。海绵状的α-Fe作催化剂，多孔Al2O3作为α-Fe的“骨架”和气体吸附剂。
① H2中含有CO会使催化剂中毒。CH3COO[Cu(NH3)2]和氨水的混合溶液能吸收CO生成CH3COO[Cu(NH3)3CO]溶液，该反应的化学方程式为CH3COO[Cu(NH3)2]＋NH3·H2O＋CO===CH3COO[Cu(NH3)3CO]＋H2O或CH3COO[Cu(NH3)2]＋NH3＋CO===CH3COO[Cu(NH3)3CO]。
② Al2O3含量与α-Fe表面积、出口处氨含量关系如图1所示。Al2O3含量大于2%，出口处氨含量下降的原因是Al2O3含量大于2%，α-Fe表面积减小，反应速率减小，产生的NH3减少；多孔Al2O3可作为气体吸附剂，含量增大会吸附更多的NH3。
　　　　
图1　　　　　　　　　　　　　　　　　图2
(2) 反应H2＋HCOHCOO－＋H2O可用于储氢。
密闭容器中，其他条件不变，向含有催化剂的0.1 mol/L NaHCO3溶液中通入H2，HCOO－产率随温度变化如图2所示。温度高于70 ℃，HCOO－产率下降的可能原因是随温度升高，H2的溶解度下降，HCO、HCOO－受热分解，催化剂活性下降。
【解析】 (1) ①CH3COO[Cu(NH3)2]与 NH3、CO 反应生成 CH3COO[Cu(NH3)3CO]，其中 NH3和 CO 均为配合物的配体。② α-Fe是反应的催化剂，由图知，Al2O3含量大于 2%时，α-Fe表面积减小，即反应速率减小，所以生成的NH3会减少；多孔Al2O3是气体吸附剂，当Al2O3含量增多时，可将生成的 NH3吸附，导致出口处NH3含量减少。(2) 温度升高，H2在水中的溶解度减小，与HCO反应的量减小，HCOO－的产率下降；温度升高，还可能导致催化剂失活，反应速率变慢，HCOO－的产率下降；温度升高，HCO、HCOO－受热分解，HCOO－的产率下降。
1. (2021·江苏适应性)已知反应：2SO2(g)＋O2(g)??2SO3(g)　ΔH＝－198 kJ/mol。下列有关该反应的说法错误的是(B)
A. 使用催化剂能缩短该反应达到平衡所需的时间
B. 温度升高有利于提高SO2的平衡转化率
C. 提高的值可增大SO2的转化率
D. 增大体系压强能增大SO2的反应速率和转化率
【解析】 催化剂能加快反应速率，缩短达到平衡所需的时间，A正确；正反应放热，升高温度，平衡左移，SO2的平衡转化率减小，B错误；增大O2浓度，SO2的平衡转化率增大，C正确；该反应为气体分子数减小的反应，增大压强，反应速率加快，平衡右移，SO2转化率增大，D正确。
2. (2021·江苏适应性)在二氧化碳加氢制甲烷的反应体系中，主要发生反应的热化学方程式如下：
反应Ⅰ：CO2(g)＋4H2(g)??CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.7 kJ/mol
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.2 kJ/mol
反应Ⅲ：2CO(g)＋2H2(g)??CO2(g)＋CH4(g)　ΔH＝－247.1 kJ/mol
向恒压、密闭容器中通入1 mol CO2和4 mol H2，平衡时CH4、CO、CO2的物质的量随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(C)
A. 反应Ⅰ的平衡常数可表示为K＝
B. 图中曲线B表示CO的物质的量随温度的变化
C. 提高CO2转化为CH4的转化率，需要研发在低温区高效的催化剂
D. CH4(g)＋H2O(g)??CO(g)＋3H2(g)的ΔH＝－205.9 kJ/mol
【解析】 H2O为气态，应列入K，A错误；反应Ⅱ是吸热反应，反应Ⅲ是放热反应，CO的物质的量随温度升高而增大，故曲线C表示CO的物质的量随温度的变化，B错误；曲线A表示CH4的物质的量随温度的变化，低温时以反应Ⅰ为主，高温时以反应Ⅲ为主，所以欲提高CO2转化为CH4的转化率，需要研发在低温区高效的催化剂，C正确；根据盖斯定律，反应Ⅱ－反应Ⅰ或－(反应Ⅱ＋反应Ⅲ)可得CH4(g)＋H2O(g)??CO(g)＋3H2(g)的ΔH＝＋205.9 kJ/mol，D错误。
3. (2021·江苏适应性)通过反应Ⅰ：4HCl(g)＋O2(g)??2Cl2(g)＋2H2O(g)可将有机氯化工业的副产品HCl转化为Cl2。在0.2 MPa、反应物起始物质的量比＝2的条件下，不同温度时HCl 平衡转化率如图所示。
向反应体系中加入CuCl2，能加快反应速率。
反应Ⅱ：2CuCl2(s)＋O2(g)??2CuO(s)＋2Cl2(g)　ΔH＝＋125.6 kJ/mol
反应Ⅲ：CuO(s)＋2HCl(g)??CuCl2(s)＋H2O(g)　ΔH＝－120.0 kJ/mol
下列说法正确的是(D)
A. 反应Ⅰ的ΔH＝＋5.6 kJ/mol
B. 升高温度和增大压强均能提高反应Ⅰ中HCl的平衡转化率
C. 保持其他条件不变，500 ℃时，使用CuCl2，能使HCl转化率从X点的值升至Y点的值
D. 在0.2 MPa、500 ℃条件下，若起始＜2，HCl的转化率可能达到Y点的值
【解析】 根据盖斯定律，反应Ⅱ＋反应Ⅲ×2＝反应Ⅰ，反应Ⅰ的ΔH＝＋125.6 kJ/mol＋(－120.0 kJ/mol)×2＝－114.4 kJ/mol，A错误；由图可知，升高温度，HCl的平衡转化率减小，反应Ⅰ为气体分子数减小的反应，增大压强平衡右移，HCl的平衡转化率提高，B错误；CuCl2作反应Ⅰ的催化剂，催化剂不能改变平衡转化率，故加催化剂可以使X点移至曲线上，但不能升至Y点，C错误；增大O2的浓度，HCl的转化率提高，D正确。
4. (2025·海门中学)以NH3、CO2为原料生产尿素[CO(NH2)2]的反应历程与能量变化示意图如图所示。
下列措施可以增大尿素的平衡产率的是BC(填字母)。
A. 移走部分尿素 B. 增大体系压强
C. 降低反应温度 D. 选择合适的催化剂
【解析】 根据图像可知，该反应为2NH3(g)＋CO2(g)??CO(NH2)2(s)＋H2O(g)　ΔH＜0。尿素为固体，移走部分尿素，平衡不移动，不能增大尿素的平衡产率，A错误；增大体系压强，平衡右移，尿素平衡产率增大，B正确；降低反应温度，平衡右移，尿素平衡产率增大，C正确；催化剂对平衡移动无影响，D错误。
练习1　化学平衡的移动
1. (2025·南京、盐城期末)对于反应：2SO2(g)＋O2(g)??2SO3(g)　ΔH，下列说法不正确的是(D)
A. 上述反应的ΔH<0
B. 上述反应的平衡常数K＝
C. 提高的值可增大SO2的平衡转化率
D. 使用催化剂提高了反应的活化能
【解析】 使用催化剂能降低反应的活化能，增大化学反应速率，D错误。
2. (2025·启东中学)Mg2NiH4的释氢原理为Mg2NiH4(s)＋4H2O(l)===2Mg(OH)2(s)＋Ni(s)＋4H2(g)。下列关于该反应的说法正确的是(B)
A. H2O的量越多，生成H2的速率越快
B. 该反应在室温下不能自发进行的可能原因是ΔH>0
C. 溶液的pH越大，越有利于释氢反应正向进行
D. 每消耗1 mol Mg2NiH4，转移电子的数目约为2×6.02×1023
【解析】 水为纯液体，浓度视为常数，增加水的量不影响反应速率，A错误；该反应ΔS>0，室温下不能自发进行说明ΔH>0，B正确；溶液的pH越小，会溶解Mg(OH)2(s)，有利于释氢反应正向进行，C错误；每消耗1 mol Mg2NiH4，转移电子的数目约为4×6.02×1023，D错误。
3. (2025·南菁中学)将盛有NO2的密闭烧瓶浸入冷水，红棕色变浅。对于反应2NO2(g)??N2O4(g)，下列说法正确的是(B)
A. 该反应的ΔH>0
B. 将反应器容积压缩为原来的一半，气体颜色比压缩前深
C. 升高温度，该反应的正反应速率减小，逆反应速率增大
D. 其他条件不变，向平衡后的容器中再加入少量N2O4，达新平衡后的值减小
【解析】 将盛有NO2的密闭烧瓶浸入冷水，红棕色变浅，说明该反应平衡正向移动，正反应放热，ΔH<0，A错误；正反应是气体分子数减小的反应，将反应器容积压缩为原来的一半，平衡正向移动，气体颜色先变深后变浅，但比压缩前深，B正确；升高温度，正、逆反应速率都加快，C错误；该反应的平衡常数K＝，温度不变，的值不变，D错误。
4. (2025·江苏各地模拟)下列叙述错误的是(B)
A. 在4 mL 0.1 mol/L K2Cr2O7溶液中加入数滴1 mol/L NaOH溶液，溶液由橙色变为黄色，Cr2O (橙色)＋H2O??CrO (黄色)＋2H＋反应平衡正向移动
B. 用少量蒸馏水溶解CuCl2固体得绿色溶液，继续加水稀释，溶液逐渐变为蓝色，[CuCl4]2－(绿色)＋4H2O?? [Cu(H2O)4]2＋(蓝色)＋4Cl－，增大了水的浓度，使上述平衡正向移动
C. 探究反应2NO2(g)??N2O4(g)中气体颜色变化的原因：用50 mL注射器吸入20 mL NO2和N2O4的混合气体，将细管端用橡胶塞封闭，然后压缩注射器活塞，只观察到气体颜色变浅，原因是NO2分子总数减小
D. 探究反应物浓度影响化学平衡：向盛有5 mL 0.005 mol/L FeCl3溶液的试管中加入5 mL 0.015 mol/L KSCN溶液，再加入少量铁粉，振荡，观察溶液颜色变化
【解析】 Cr2O (橙色)＋H2O??CrO (黄色)＋2H＋，向体系中加入NaOH溶液，OH－与H＋反应，平衡右移，溶液由橙色变为黄色，A正确；水为纯液体，浓度视为常数，B错误；2NO2(g)??N2O4(g)，增大压强，平衡向右移动，气体颜色先变深后变浅，C正确；Fe3＋＋3SCN－??Fe(SCN)3，加入铁粉，Fe与Fe3＋反应，平衡左移，溶液红色变浅，D正确。
5. (2025·射阳中学)V2O5－WO3/TiO2催化剂可以催化NH3脱除烟气中的NO。已知反应：4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)===4N2(g)＋6H2O(g)　ΔH＝－1 632.4 kJ/mol。将模拟烟气以一定流速通过装有V2O5－WO3/TiO2催化剂的反应管，反应相同时间，测得NO的转化率随温度的变化如图所示。
(1) 反应温度高于350 ℃，NO转化率下降的原因可能是催化剂活性下降，反应速率减慢；NH3与O2发生反应生成NO。
(2) 若烟气中含有SO2，则会导致催化剂失活，原因可能是SO2会被(V2O5)催化氧化为SO3，SO3与NH3作用生成NH4HSO4或(NH4)2SO4，覆盖(沉积)在催化剂的表面，大大降低了催化剂和反应物的接触面积[或SO2与NH3作用生成NH4HSO3或(NH4)2SO3，最终被氧化为NH4HSO4或(NH4)2SO4，覆盖(沉积)在催化剂的表面，大大降低了催化剂和反应物的接触面积]。
6. (2025·常州期末)天然气的主要成分CH4是重要的化工原料。在无氧环境下，CH4经催化脱氢制备C6H6时主要发生如下反应：
ⅰ. 6CH4(g)===C6H6(g)＋9H2(g)　ΔH＝＋530.5 kJ/mol
ⅱ. CH4(g)===C(s)＋2H2(g)　ΔH＝＋74.6 kJ/mol
(1) 反应ⅰ在高温(填“低温”“高温”或“任何温度”)可自发进行。
(2) 随着反应的进行，CH4转化率和C6H6产率均逐渐降低，原因是反应ⅱ中有积碳生成，随着生成的积碳逐渐增多，催化剂表面活性位点减少，催化性能降低，反应速率减慢。
7. (2025·海安中学)黄铁矿(FeS2)可用于制硫和处理废水。
(1) 黄铁矿、焦炭和适量空气混合加热制硫，发生反应：3FeS2＋2C＋3O2===3S2＋Fe3O4＋2CO。该反应中生成CO而不是CO2的原因是为避免S2被O2氧化，O2不能过量，C不完全燃烧生成CO。
(2) 制硫反应所得气体经冷凝回收S2后，尾气中还含有CO和SO2。将尾气通过催化剂进行处理，发生反应Ⅰ，同时发生副反应Ⅱ。
反应Ⅰ：2SO2(g)＋4CO(g)??S2(g)＋4CO2(g)　ΔH<0
反应Ⅱ：SO2(g)＋3CO(g)??COS(g)＋2CO2(g)　ΔH<0
理论分析及实验结果表明，600～1 000 K范围内，SO2平衡转化率接近100%。其他条件相同，不同温度下，S2、COS平衡产率和10 min时S2实际产率如图所示。
① 10 min时，S2实际产率大于平衡产率的原因是反应Ⅰ的活化能较低，反应Ⅰ速率比反应Ⅱ快，SO2与CO主要生成S2，超过平衡产率。
② 随温度升高，S2平衡产率上升的原因是温度升高，反应Ⅱ平衡逆向移动，使c(SO2)、c(CO)增大；对于反应Ⅰ，浓度改变对平衡的影响超过温度改变的影响，平衡正向移动。
8. (2025·如阜三模)一种合成气(含体积分数为54%的H2、35%的CO、7%的CO2和4%的N2)可通过如下图所示转化制取合成氨气的原料。
(1) 若转化Ⅰ中CO、CO2完全反应，得到的Fe3O4和CaCO3的物质的量之比为5∶3。(2) 实际进行转化(Ⅰ)反应时，合成气中需添加一定量的水蒸气。添加水蒸气的目的是抑制H2与Fe2O3的反应、将部分CO转化为CO2和H2。
(3) 其他条件一定，将添加了水蒸气的合成气通过装有Fe2O3和CaO的反应管，测得出口处CO的体积分数与反应温度的关系如下图所示。
① 400～550 ℃，温度越高，出口处CO体积分数越低的原因是温度越高，CO与Fe2O3的反应速率越快。
② 高于550 ℃，出口处CO体积分数随温度升高增大的原因是温度越高，CO2与CaO反应程度越小(或CaCO3分解程度越大)，CO2浓度增大，抑制了CO与Fe2O3(或H2O)的反应正向进行的程度。
【解析】 (1) 设混合气体物质的量为100 mol，由CO＋3Fe2O3===2Fe3O4＋CO2可知生成70 mol Fe3O4和35 mol CO2，由CO2＋CaO===CaCO3可知生成CaCO3物质的量为35 mol＋7 mol＝42 mol，得到的Fe3O4和CaCO3物质的量之比为70 mol∶42 mol＝5∶3。
9. (2025·南京、盐城一模) CO2的捕集与利用有助于“碳中和”。CO2催化加氢制甲醇经过“吸附→反应→脱附”等过程，主要反应为
反应Ⅰ： CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－49.5 kJ/mol
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH＝＋41.2 kJ/mol
反应Ⅲ：CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g) ΔH＝－90.7 kJ/mol
3．0 MPa时，将n起始(CO2)∶n起始(H2)＝1∶3的原料气匀速通过装有催化剂的反应管，测得CH3OH产率随温度的变化如图1所示。已知CH3OH的选择性＝×100%。
　　　　　　　
图1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2
(1) 240 ℃时，若n起始(CO2)＝1 mol，反应管出口处检测到0.68 mol CO2，则CH3OH的选择性＝93.75%。
(2) 温度高于260 ℃，CH3OH产率下降的可能原因是CO2和H2的吸附量下降、积碳覆盖催化剂活性位点、生成CO等其他含碳产物。
(3) 研究发现，CH3OH可由HCOO*(吸附在催化剂表面的物种用“*”标注)转化生成，CO与H*或OH*作用生成HCOO*的相对能量变化如图2所示。在催化剂表面修饰羟基的优点是降低生成HCOO*的活化能，加快反应速率。
【解析】 (1) 反应管出口处检测到0.68 mol CO2，则参与反应的CO2为0.32 mol，由图1可知CH3OH产率为30%，则实际生成0.3 mol CH3OH，故CH3OH的选择性＝×100%＝93.75%。(2) 在加氢制取甲醇的过程中经过“吸附→反应→脱附”等过程，温度越高气体的吸附能力越低，故CH3OH产率下降的可能原因之一是CO2和H2的吸附量下降，产率下降也可能是在反应过程中产生了积碳，积碳覆盖催化剂活性位点位，导致催化效果降低；结合反应Ⅱ可知，产率下降也可能是生成CO等其他含碳产物。(3) 由图2看出，催化剂表面用羟基修饰后的优点在于降低了生成HCOO*的活化能，加快反应速率。
练习2　化学平衡与图像分析
1. (2025·苏锡常镇一模) CO2加氢制CH3OH过程中的主要反应如下：
① CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.1 kJ/mol
② CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ/mol
将一定比例和流速的CO2、H2通过装有催化剂的容器反应相同时间，测得5 MPa时反应温度变化、250 ℃时压强变化对甲醇产量影响的关系如图所示。下列说法正确的是(C)
A. 反应CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g)的ΔH＝＋90.3 kJ/mol
B. 曲线X表示5 MPa时反应温度变化对甲醇产量的影响
C. 增大体系压强，产物中H2O的体积分数增大
D. 增大碳氢比可提高CO2的平衡转化率
【解析】 根据盖斯定律，①－②得CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g)　ΔH＝－49.1 kJ/mol－41.2 kJ/mol＝－90.3 kJ/mol，A错误；反应①为放热反应，反应达平衡后，继续升高温度，平衡逆向移动，甲醇的产量，则曲线Y表示5 MPa时反应温度变化对甲醇产量的影响，B错误；曲线X表示250 ℃时压强变化对甲醇产量的影响，即随压强增大，甲醇产量增大，根据反应①可知，H2O的体积分数增大，C正确；增大碳氢比相当于n(H2)不变而n(CO2)增大，则CO2的平衡转化率减小，D错误。
2. (2025·南通一模)二氧化碳催化加氢可获得CO。其主要反应为
反应Ⅰ：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH1
反应Ⅱ：CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH2
在1.01×105 Pa、n始(CO2)∶n始(H2)＝1∶1时，若仅考虑上述反应，平衡时部分物种的物质的量分数随温度的变化如图所示。下列说法不正确的是(C)
A. ΔH1>0、ΔH2<0
B. 图中X表示H2
C. 提高CO的产率，需研发380 ℃以下的高效催化剂
D. 900 ℃时，其他条件不变，增大容器压强，n(CO)不变
【解析】 由图示看出，随着温度的升高，CH4的物质的量分数逐渐减小，故反应Ⅱ为放热反应，在700 ℃以后，CH4的物质的量分数几乎不变，但H2O的物质的量分数逐渐增大，说明随着温度的升高，反应Ⅰ正向进行，故反应Ⅰ为吸热反应，即ΔH1>0，A正确；700 ℃以后，CH4的物质的量分数约为0，但H2O的物质的量分数逐渐增大，结合反应Ⅰ可知CO的物质的量分数也逐渐增大，但图示中X的物质的量分数有减小趋势，故X表示H2的物质的量分数，B正确；高温时CO2转化率大，CH4的物质的量分数接近于0，则CO的物质的量分数大，故应该研发高温下的高效催化剂，C错误；在900 ℃时，CH4的物质的量分数接近于0，说明体系中只存在反应Ⅰ，反应Ⅰ反应前后气体物质的量不变，故增大压强时反应Ⅰ平衡不移动，即CO的物质的量保持不变，D正确。
3. (2025·镇江期初) CO2的捕集与转化是“碳达峰·碳中和”的有效途径。利用CH4和CO2制备合成气CO和H2的原理如下：
① CH4(g)＋CO2(g)===2H2(g)＋2CO(g)　ΔH1
② CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH2
在恒压为p kPa、起始时n(CH4)∶n(CO2)＝1∶1条件下，CH4和CO2的平衡转化率与温度的关系如图所示。下列说法不正确的是(D)
A. 随着温度升高，体系中H2O(g)的物质的量一直增大
B. 反应CH4(g)＋2CO2(g)===H2(g)＋3CO(g)＋H2O(g)的ΔH>0
C. 800 K时，反应开始经过t min达到平衡状态，CO的体积分数为25%
D. 在反应器中充入CH4和CO2制备合成气，增大压强能提高合成气平衡产率
【解析】 由所给反应可知，反应①②都消耗CO2，而CH4只是反应①的反应物，且反应①中CH4和CO2按1∶1反应，故CO2平衡转化率高于CH4，即曲线甲为CO2平衡转化率曲线，曲线乙为CH4平衡转化率曲线。随着温度升高，CO2平衡转化率增大，故体系中H2O(g)的物质的量一直增大，A正确；CH4和CO2平衡转化率都随温度升高而增大，说明反应①和反应②均为吸热反应，目标反应＝反应①＋反应②，故目标反应ΔH＝ΔH1＋ΔH2>0，B正确；800 K时，设起始时CH4和CO2物质的量都是1 mol，CH4平衡转化率为20%，故反应①消耗CO2和CH4都是0.2 mol，生成H2和CO物质的量都为0.4 mol，CO2平衡转化率为40%，说明反应②有0.2 mol CO2参与，则也消耗0.2 mol H2，生成CO和H2O分别为0.2 mol，故平衡时，CH4剩余0.8 mol，CO2剩余0.6 mol，H2为0.2 mol，CO共生成0.6 mol，H2O有0.2 mol，混合气体总物质的量为2.4 mol，同温同压下，混合气体体积之比等于物质的量之比，则CO的体积分数为25%，C正确；反应②反应前后气体体积不变，增大压强平衡不移动，而反应①是气体体积数增大的反应，增大压强平衡逆向移动，合成气平衡产率减小，D错误。
4. (2025·苏锡常镇二模) CO2加氢转化为二甲醚(CH3OCH3)的反应过程如下：
Ⅰ. CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.1 kJ/mol
Ⅱ. CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ/mol
Ⅲ. 2CH3OH(g)===CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH3＝－23.4 kJ/mol
在3.0 MPa的恒压密闭容器中充入5.4 mol H2和2 mol CO2发生反应，CO2的平衡转化率、CH3OCH3和CO生成物的选择性随温度变化如图所示。已知：生成物R的选择性＝×100%。下列说法不正确的是(C)
A. 曲线b表示CH3OCH3的选择性
B. 升高温度，反应Ⅰ的平衡常数K持续减小
C. 350 ℃，达到平衡时，容器内H2O的物质的量小于1.7 mol
D. 高于280 ℃后，温度对反应Ⅱ的影响程度大于反应Ⅰ
【解析】 反应Ⅰ和反应Ⅲ为放热反应，反应Ⅱ为吸热反应，升高温度，反应Ⅰ和反应Ⅲ平衡逆向移动，反应Ⅱ平衡正向移动，则随着温度升高，CO的选择性增大，CH3OCH3的选择性减小，即曲线a表示CO的选择性，曲线b表示CH3OCH3的选择性，曲线c表示CO2的平衡转化率，A正确；反应Ⅰ的ΔH<0，为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数K减小，B正确；350 ℃时，CO2的平衡转化率为85%，则参加反应的n(CO2)＝2 mol×85%＝1.7 mol，由图像可知，此时CH3OCH3的选择性为0，即此温度下只发生反应Ⅰ、Ⅱ，生成H2O的物质的量为1.7 mol，C错误；由题干图像可知，高于280 ℃后，CO2的平衡转化率增大，说明温度对反应Ⅱ的影响程度大于反应Ⅰ，D正确。
5. (2025·苏州期末)利用Mo－Ce/Al2O3作催化剂，可将废气中的SO2转化为硫单质，涉及的反应主要如下：
反应Ⅰ　SO2(g)＋3H2(g)===H2S(g)＋2H2O(g)
反应Ⅱ　SO2(g)＋2H2S(g)===3S(g)＋2H2O(g)
将n(SO2)∶n(H2)＝1∶3的混合气体以一定流速通过反应管，其他条件不变，出口处SO2的转化率及S的选择性随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(C)
A. 低于300 ℃时，反应Ⅰ的速率大于反应Ⅱ
B. 硫单质的产率随温度的升高而下降
C. 300 ℃时，出口处的气体中H2O(g)的体积分数约为30%
D. 增大体系压强，S单质的平衡选择性增大
【解析】 低于300 ℃时，S的选择性为100%，即反应Ⅰ生成的H2S立即参与反应Ⅱ生成S单质，故反应Ⅰ的速率小于反应Ⅱ，A错误；低于300 ℃时，随着SO2的转化率增大，S的选择性一直为100%，随着温度的升高，硫单质的产率升高，B错误；300 ℃时S的选择性为100%，则平衡体系中不含有H2S，设加入的n(SO2)＝1 mol、n(H2)＝3 mol，根据SO2的转化率以及S元素守恒可知，生成的n[S(g)]＝0.6 mol，根据O元素守恒可知生成的n(H2O)＝1.2 mol，根据H元素守恒可知，剩余的n(H2)＝1.8 mol，则平衡体系中n(SO2)＝0.4 mol，故出口处的气体中H2O(g)的体积分数＝×100%＝30%，C正确；增大压强时，反应Ⅰ的平衡正向移动，反应Ⅱ的平衡逆向移动，故S单质的平衡选择性减小，D错误。
6. (2025·徐州调研) CO2催化加氢制备CH4的主要反应如下：
Ⅰ. CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH1
Ⅱ. CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH2
一定压强下，在密闭容器中投入1 mol CO2和4 mol H2在催化剂作用下发生反应。平衡时CO2转化率、CH4产率及另外2种含氢气体的物质的量随温度的变化如图所示。CO选择性可表示为×100%。下列说法正确的是(C)
A. 图中曲线①、曲线③分别表示平衡时H2物质的量、CO2转化率随温度的变化
B. 反应Ⅰ的ΔH1>0、反应Ⅱ的ΔH2<0
C. 图中P点对应温度下，平衡时CO选择性约为11.1%
D. 450 ℃之后，温度升高导致催化剂活性降低，从而导致甲烷平衡产率减小
【解析】 由图像可知450 ℃前，CO2的平衡转化率等于CH4的平衡产率，且随着温度的升高， CO2的转化率和甲烷的平衡产率均减小，故反应Ⅰ为放热反应，450 ℃后，曲线③和曲线④不再相等，且随着温度的升高反应Ⅰ继续逆向进行，CH4的平衡产率继续减小，故曲线③代表的是平衡时CH4的产率随温度的变化情况，则曲线④代表的是平衡时CO2的转化率随温度的变化情况，CO2平衡转化率增大是因为随着温度的升高，反应逐渐以反应Ⅱ为主，则反应Ⅱ为吸热反应；随着温度升高，CH4产率在减小，则CO的选择性逐渐增大，结合化学方程式可知，生成的H2O的物质的量逐渐减小，故曲线①为H2物质的量随温度的变化情况，曲线②代表H2O(g)物质的量随温度的变化情况，A、B错误；在P点时n(H2O)＝n(H2)＝1.36 mol，根据H元素守恒可得n(CH4)＝0.64 mol，设该点时n(CO2)＝x mol，n(CO)＝y mol，根据C元素守恒有x＋y＝1－0.64＝0.36，根据O守恒有2x＋y＝2－1.36＝0.64，故x＝0.28、y＝0.08，故平衡时CO选择性＝×100%＝×100%＝×100%≈11.1%，C正确；450 ℃以后，甲烷平衡产率减小的原因是反应Ⅰ和Ⅱ同时发生，反应Ⅰ平衡左移，反应Ⅱ平衡右移，且以反应Ⅱ为主，D错误。
7. (2025·南京二模) CH4－H2O(g)重整制氢过程中的主要反应(忽略其他副反应)如下：
① CH4(g)＋H2O(g)===CO(g)＋3H2(g)　ΔH1＝＋206 kJ/mol
② CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)　ΔH2＝－41 kJ/mol
一定温度、压强下，将n(CH4)∶n(H2O)＝1∶3的混合气体匀速通过装有催化剂的透氢膜反应管，透氢膜用于分离H2且透过H2的速率随温度升高而增大。装置及CH4转化率、出口气中CO、CO2和H2的质量分数随温度变化如图所示。下列说法不正确的是(D)
A. 反应CH4(g)＋2H2O(g)===CO2(g)＋4H2(g)的ΔH＝＋165 kJ/mol
B. 适量添加CaO可提高H2的平衡产率
C. 800 K时，产氢速率大于透氢速率
D. 该装置理想工作温度约为900 K
【解析】 根据盖斯定律，反应①＋②得CH4(g)＋2H2O(g)===CO2(g)＋4H2(g)　ΔH＝ΔH1＋ΔH2＝＋206 kJ/mol＋(－41 kJ/mol)＝＋165 kJ/mol，A正确；若在体系中加入CaO，CaO会与生成的CO2反应生成CaCO3，从而降低反应体系中CO2浓度(分压)，使平衡正向移动，提高H2的平衡产率，B正确；由图中可知，800 K左右时甲烷转化率约为40%，氢气质量分数约为20%，随温度升高，氢气在出口气中的质量分数增大，到900 K时达最大值，之后甲烷转化率增大，而氢气在出口气中质量分数减小，说明800 K时产氢速率大于透氢速率，C正确；由图示可见，在约900 K时甲烷转化率和氢气质量分数均达到较高水平，此时氢气和二氧化碳在出口气中的质量分数相近，透氢率较低，故900 K不是该装置理想工作温度，D错误。
练习3　化学平衡综合
1. (2025·苏州期中)氢气是清洁能源，氢能产业链包括制氢、储氢和用氢。
(1) 铁酸铜(CuFe2O4)是有良好前景的分解水制氢的材料。制氢反应中，首先铁酸铜在较低的温度下分解形成氧缺位铁酸铜(CuFe2O4－x)，然后氧缺位铁酸铜从水中夺取氧恢复至原状态并释放出氢气，且氧缺位值(即式中x)越大，产氢量越大。
① 氧缺位铁酸铜与水反应的化学方程式为CuFe2O4－x＋xH2O===CuFe2O4＋xH2↑。
② 反应过程中，若产生2 mol CuFe2O4－x(x＝0.15)，理论上能制得标准状况下H2体积为6.72 L。
(2) 反应H2＋HCOHCOO－＋H2O可用于储氢。
① “纳米多孔镍”催化碳酸氢盐和氢气反应生成HCOO－的部分机理如右图所示。HCO转化为HCOO－的过程可描述为H2吸附在纳米多孔镍的表面，断键为H原子，一个H原子与HCO中的C形成C—H，C与
羟基氧之间的C—O断裂，形成HCOO－；另一个H原子与羟基结合生成H2O。
② 密闭容器中，其他条件不变，向含有催化剂的0.1 mol/L NaHCO3溶液中通入H2，测得反应时间对HCOO－产率的影响如图1所示。2小时后HCOO－产率随时间延长而减少的可能原因是HCOO－被氢气进一步还原。
　　　
图1　　　　　　　　　　　　　　　图2
(3) H2选择性催化还原汽车尾气中NO主要经历“吸附→氧化→还原”的过程。将一定比例的H2、NO、O2、He(作平衡气)气体匀速通过装有Pd/Al2O3催化剂的反应器，测得NO转化率随温度的变化如图2所示。
① 当n(NO)∶n(O2)＝2∶1参加反应时，H2催化还原NO转化为N2的化学方程式为2NO＋4H2＋O2N2＋4H2O。
② 温度高于125 ℃，NO转化率随温度升高而呈下降趋势，可能的原因是温度升高，催化剂的活性下降，反应速率减慢；温度升高，H2与O2发生反应，使还原NO(或NOx)的H2的量减少，NO转化率下降。
【解析】 (1) ②根据①中化学方程式可知若产生2 mol CuFe2O4－x，理论上能生成2x mol H2，即0.3 mol H2，标准状况下体积为0.3 mol×22.4 L/mol＝6.72 L。(2) ②2 h后HCOO－产率随时间延长而减少的可能原因是生成的HCOO－被氢气进一步还原。(3) ①n(NO)∶n(O2)＝2∶1，H2还原NO生成N2，根据得失电子相等可知NO、O2、H2物质的量之比为2∶1∶4，则化学方程式为2NO＋2H2＋O2N2＋2H2O。
2. (2025·盐城期中)NOx (主要指NO和NO2)是大气主要污染物之一。有效去除大气中的NOx是环境保护的重要课题。
(1) 已知：N2(g)＋O2(g)===2NO(g)　ΔH＝＋179.5 kJ/mol
2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)　ΔH＝－112.3 kJ/mol
NO2(g)＋CO(g)===NO(g)＋CO2(g)　ΔH＝－234 kJ/mol
① 在汽车上安装三元催化转化器可实现反应：2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)　ΔH＝－759.8 kJ/mol。
②在恒温恒容的密闭容器发生2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)反应。下列能说明反应达到平衡状态的是BC(填字母)。
A. 容器内气体的密度不再改变 B. v正(CO)＝2v逆(N2)
C. 容器内气体的压强不再改变
(2) 用活化后的V2O5作催化剂，在烟气中加入适量氨气，使NO、O2转化为N2，反应历程如图1所示。
　　　　
　　　图1　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2
① 写出该总反应的化学方程式：4NH3＋4NO＋O24N2＋6H2O。
② 步骤1过程中，NH3控制在催化剂的表面，其原理是NH3中N和V—O—H中的H形成N…H—O氢键；NH3中H和V===O中的O形成N—H…O氢键。
(3) 用CeO2－SnO2作催化剂，将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体，匀速通入装有催化剂的反应器中反应。其他条件相同，如图2所示为不同空速，随温度的变化NOx转化率的关系。空速(GHSV)是指规定的条件下，单位时间单位体积催化剂处理的气体量。
① 温度低于250 ℃时，相同温度下，空速越小，NOx转化率越高的原因是反应温度较低时，反应速率慢。此时空速越大，反应气体与催化剂的接触时间越短，反应不够充分，NOx转化率越低。空速越小，反应气体与催化剂的接触时间长，反应充分，NOx转化率越高；
② 高于350 ℃时，不同空速，随温度升高，NOx转化率迅速下降的原因是高于350 ℃时，温度升高，催化剂活性下降；NH3与O2反应生成了NOx。
【解析】 (1) ①将三个反应依次编号为①、②、③，根据盖斯定律，②＋2×③－①得2NO(g)＋2CO(g)===N2(g)＋2CO2(g)，ΔH＝－112.3 kJ/mol＋2×(－234 kJ/mol)－(＋179.5 kJ/mol)＝－759.8 kJ/mol。②容器内气体的质量不变，容器容积不变，则气体的密度是定值，A错误；v正(CO)＝2v逆(N2)，说明正、逆反应速率相等，是平衡状态，B正确；恒温恒容下，气体的压强与物质的量成正比，反应后气体物质的量减小，压强减小，容器内气体压强不再改变是平衡状态，C正确。(2) ①由反应历程可知，反应物为NH3、NO、O2，生成物为N2和H2O，NH3、NO、O2物质的量之比为1∶1∶。
3. (2025·南京二模)乙烯是常用化工原料，其制备、利用和转化具有重要意义。
(1) 二氧化碳氧化乙烷制备乙烯，主要发生的反应如下：
Ⅰ. C2H6(g)＋CO2(g)??C2H4(g)＋CO(g)＋H2O(g)　ΔH1＝＋177.7 kJ/mol
Ⅱ. C2H6(g)＋2CO2(g)??4CO(g)＋3H2(g) ΔH2＝＋428.9 kJ/mol
① 若起始加入CO2和C2H6的物质的量分别为n0(CO2)、n0(C2H6)，仅考虑上述反应，达到平衡时体系中所有含碳物质n(X)与起始物质之间存在的等量关系为n0(CO2)＋2n0(C2H6)＝n(CO2)＋2n(C2H6)＋2n(C2H4)＋n(CO)(X用具体物质化学式表示)。
② 实际投料比采用＝2∶1，而不采用3∶1的原因是防止更多的CO2将乙烷转化为CO，使乙烯产率下降。
(2) 乙烯催化氧化制乙醛和环氧乙烷()，发生以下反应：
ⅰ. 2C2H4(g)＋O2(g)―→2CH3CHO(g)；ⅱ. 2C2H4(g)＋O2(g)―→
常压下，将一定比例C2H4、O2混合气体匀速通过装有Ag/MnO2催化剂的反应器，不同温度下测得的相关数据见右表：
温度/ ℃ 90 110 130 150
乙烯转化率/% 8 13 29 60
乙醛选择性/% 78 70 65 57
① 90～150 ℃范围内，乙醛产率随温度升高而增大(填“增大”“减小”或“不变”)。
② 90～150 ℃范围内，乙醛选择性随温度升高而降低的原因是温度升高和催化剂活性变化共同作用，使反应ⅱ的速率增幅大于反应ⅰ的速率增幅。
③ 150 ℃时，控制反应温度和时间不变，能提高环氧乙烷选择性的措施是使用对反应ⅱ选择性更高的催化剂、及时分离环氧乙烷。
(3) 在果蔬储存和运输中，一种C2H4转化反应的部分机理如下图所示(*O表示活性氧)。研究表明，催化剂表面酸性强的桥羟基()是催化氧化的活性位点，而酸性弱的硅羟基(Si—OH)和铝羟基(Al—OH)则不显示催化活性。
① 从键的极性角度，分析桥羟基酸性更强的原因是桥羟基中O同时受到Si(Ⅳ)与Al(Ⅲ)吸引，使O—H极性增强。
② 生成的H2O吸附在催化剂表面使催化活性下降，其原理是H2O结合桥羟基电离出的H＋生成H3O＋(或H2O中氧原子与桥羟基中氢原子形成氢键)。
【解析】 (1) ①起始加入CO2和C2H6的物质的量分别为n0(CO2)、n0(C2H6)，根据C原子守恒可知达到平衡时n0(CO2)＋2n0(C2H6)＝n(CO2)＋2n(C2H6)＋2n(C2H4)＋n(CO)。(2) ①假设乙烯的投入量为1 mol，由表格数据可知，90～150 ℃范围内，升高温度，生成乙醛的物质的量分别为1 mol×8%×78%＝0.062 4 mol(90 ℃)、1 mol×13%×70%＝0.091 mol(110 ℃)、1 mol×29%×65%＝0.188 5 mol(130 ℃)、1 mol×60%×57%＝0.342 mol(150 ℃)，说明乙醛产率增大。

展开更多......

收起↑