常考點9化學反應速率和化學平衡的綜合應用123A組基礎達標1.氫能作為清潔能源,對實現“碳達峰”和“碳中和”雙碳目標具有廣泛應用前景。甲烷水蒸氣催化重整制備氫氣也是工業上常用的制氫工藝。發生如下反應:①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

ΔH1=+206.4kJ·mol-1②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)

ΔH2=-41.1kJ·mol-1請回答:(1)反應①自發進行的條件是

。

A.高溫

B.高壓 C.低溫

D.低壓A123(2)研究表明,上述反應②在Fe3O4催化下進行,反應歷程如下:①ΔH4=

kJ·mol-1;

②請在圖中畫出CO和H2O(g)在Fe3O4催化下反應進程的能量變化圖。-23.4答案

123(3)恒壓條件下,將CH4(g)和H2O(g)按照體積比1∶3通入反應器中。平衡時各組分的物質的量分數與溫度的關系如圖所示。123①H2O的含量在700℃左右出現最小值的原因為_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

。

②下列說法不正確的是

。

A.某溫度下,當氣體密度不再變化時反應達到平衡狀態B.其他條件不變,溫度升高,反應①v(正)增大,v(逆)減小C.其他條件不變,使用更高效的催化劑,可以提高原料的平衡轉化率D.其他條件不變,加入稀有氣體,重新達到平衡時H2的物質的量增加溫度低于700℃,由于反應①ΔH1>0,隨溫度升高,反應正向進行的程度增大,H2O的物質的量分數逐漸減小;溫度高于700℃,由于反應②ΔH2<0,隨溫度升高,平衡逆移,H2O的物質的量分數增大;綜合導致H2O的含量在700℃左右出現最小值BC123(4)500℃、恒壓(p0)條件下,1molCH4和1molH2O(g)反應達平衡時,CH4的轉化率為0.5,CO2的物質的量為0.25mol,則反應②的平衡常數Kp=______

(用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓×物質的量分數)。

7123解析

(1)反應①ΔS>0,ΔH>0,所以反應在高溫下自發進行。(2)①第1步+第2步=4×反應②,即ΔH3+ΔH4=4ΔH2,ΔH4=-23.4

kJ·mol-1;②兩步反應均放熱,且第1步比第2步放出熱量更多,第1步為慢反應,第2步為快反應,則第1步活化能大于第2步。(3)②該反應在恒壓條件下進行,氣體體積逐漸增大,氣體質量不變,即密度逐漸減小,平衡時保持不變,可以作為平衡狀態判據,A項正確;溫度升高,正、逆反應速率均增大,B項錯誤;催化劑不能使平衡發生移動,C項錯誤;其他條件不變,加入稀有氣體,體積增大,相當于減壓,反應①平衡正向移動,H2的物質的量增加,D項正確。(4)500

℃、恒壓(p0)條件下,1

mol

CH4(g)和1

mol

H2O(g)反應達平衡時,CH4的轉化率為0.5,結合反應列三段式:123

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)起始量/mol

1

1

0

0轉化量/mol

0.5

0.5

0.5

1.5平衡量/mol

0.5

0.5

0.5

1.5

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)起始量/mol

0.5

0.5

0

1.5轉化量/mol

0.25

0.25

0.25

0.25平衡量/mol

0.25

0.25

0.25

1.75平衡時體系中含有:0.5

mol

CH4、0.25

mol

H2O、0.25

mol

CO、0.25

mol

CO2、1.75

mol

H2,氣體總物質的量為3

mol,則反應②的平衡常數1232.(2024·浙江溫州高三一模)苯乙烯是用來制備重要高分子聚苯乙烯的原料。以水蒸氣作稀釋劑、催化劑存在條件下,乙苯催化脫氫可生成苯乙烯。可能發生如下兩個反應:(1)已知在298K、101kPa條件下,某些物質的相對能量(ΔH)變化關系如圖所示:ΔH2=

kJ·mol-1。

-54.6123(2)在不同的溫度條件下,以水烴比=9投料,在膜反應器中發生乙苯脫氫反應。膜反應器可以通過多孔膜移去H2,提高乙苯的平衡轉化率,原理如圖所示。123①忽略副反應。維持體系總壓強p恒定,在溫度T時,已知乙苯的平衡轉化率為α,H2的移出率為b,則在該溫度下主反應的平衡常數Kp=______________

(用α等符號表示)。[對于氣相反應,用某組分B的平衡壓強p(B)代替物質的量濃度c(B)也可表示平衡常數,記作Kp,如p(B)=p·x(B),p為平衡總壓強,x(B)為平衡系統中B的物質的量分數];

②乙苯的平衡轉化率增長百分數與H2的移出率在不同溫度條件下的關系如下表:H2移出率/%增長百分數/%700℃950℃1000℃608.434.382.778016.86.13.890277.14.39123高溫下副反應程度極小。試說明當溫度高于950℃時,乙苯的平衡轉化率隨H2的移出率的變化改變程度不大的原因:_______________________________________________________________________________________

;

③下列說法正確的是

。

A.生成H2的總物質的量與苯乙烯相等B.因為H2被分離至隔離區,故反應器中不發生副反應C.在恒容的膜反應器中,其他條件不變,增大水烴比,可提高乙苯的轉化率D.膜反應器可降低反應溫度,減少副反應的影響

主反應吸熱,高于950℃時,乙苯的平衡轉化率很大(或平衡常數很大),H2的移出率對平衡轉化率的影響很小C123(3)不同催化劑效能與水烴比有關。保持體系總壓為常壓的條件下,水烴比為9(曲線Ⅰ)時乙苯的平衡轉化率與溫度的關系的示意圖如下:①請在圖中畫出水烴比為1時乙苯的平衡轉化率與溫度的關系曲線(曲線Ⅱ);答案

123②工業上,減小水烴比是降低苯乙烯脫氫裝置能耗的一個重要方向。若其他條件不變,減少水烴比,為使反應從起始到平衡均達到或接近原有的反應速率、限度,則可相應的改變的條件:

。

A.升溫B.降溫C.增壓D.減壓E.催化劑AE123解析

(1)根據圖像可知:①C(s)+2H2(g)===CH4(g)

ΔH=-74.8

kJ·mol-1;②8C(s)+5H2(g)===C6H5C2H5(g)

ΔH=+29.8

kJ·mol-1;③7C(s)+4H2(g)===C6H5CH3(g)

ΔH=+50

kJ·mol-1;根據蓋斯定律:③-②+①,得C6H5C2H5(g)+H2(g)C6H5CH3(g)+CH4(g)

ΔH2=-54.6

kJ·mol-1。(2)①設C6H5C2H5的起始投料為1

mol,

C6H5C2H5(g)C6H5CH==CH2(g)+H2(g)起始/mol

1

0

0轉化/mol

α

α

α123H2的移出率為b,剩余氫氣α(1-b)

mol,結合總壓強p,將數據代入得

③由于有副反應發生,生成H2的總物質的量與苯乙烯不相等,故A錯誤;主反應為可逆過程,始終有H2存在,故反應器中發生副反應,故B錯誤;在恒容的膜反應器中,其他條件不變,增大水烴比,乙苯的轉化率升高,故C正確;膜反應器通過移出H2,減少副反應的影響,D正確。1233.乙烯年產量的高低是衡量一個國家石油化工發展水平的一個極為重要的指標,乙烷裂解制乙烯具有極高的經濟效益。回答下列問題:乙烷脫氫制備乙烯的熱化學方程式為

;生產中會間斷性地向容器中通入適量O2,使其發生反應2C2H6(g)+O2(g)2C2H4(g)+2H2O(g)

ΔH<0,發生此反應的意義是

。

C2H6(g)C2H4(g)+H2(g)

ΔH=+134kJ·mol-1

為乙烷脫氫生成乙烯提供能量

123(2)一定條件下,向某密閉容器中通入4mol乙烷,使其發生脫氫轉化為乙烯,測得乙烯產率隨著溫度、壓強的變化如圖1所示:圖1①X表示

(填“溫度”或“壓強”),Y1

(填“>”或“<”)Y2。

②與A點對應的反應中,若容器容積為2L,反應開始到恰好達到平衡狀態所用時間為5min,則0~5min內,用C2H6濃度變化表示的平均反應速率v(C2H6)=

,此溫度下,平衡常數K=

,A、B兩點對應的平衡常數K(A)

(填“>”“=”或“<”)K(B)。

溫度

<0.24mol·L-1·min-1

1.8=123圖2Ⅰ、Ⅱ兩條曲線表示乙烷轉化率的是

(填“Ⅰ”或“Ⅱ”);乙烯的選擇性和收率越小的原因是________________________________________________________________________________________________