2020年高考化学一轮复习化学反应速率与化学平衡的陌生图象学案

2020年高考化学一轮复习化学反应速率与化学平衡的陌生图象学案

高考热考题型攻关(十一)化学反应速率与化学平衡的陌生图象题 新课标全国卷对化学反应速率、化学平衡知识的考查，往往根据工业生产实际，并结合陌生图象，分析投料比、转化率、产率的变化。该类题目信息量较大，综合性较强，能够充分考查学生读图、提取信息、解决问题的能力以及原理分析、规范描述的表达能力，该类题目在高考中常受到命题者的青睐。‎ ‎1．(2018·全国卷Ⅱ)CH4CO2催化重整可以得到合成气(CO和H2)，在反应中催化剂活性会因积碳反应而降低，同时存在的消碳反应则使积碳量减少。相关数据如下表：‎ 项目 积碳反应CH4(g)=== C(s)＋2H2(g)‎ 消碳反应CO2(g)＋C(s) ‎ ‎===2CO(g)‎ ‎ ΔH/(kJ·mol－1)‎ ‎75‎ ‎172‎ 活化能/‎ ‎(kJ·mol－1)‎ 催化剂X ‎33‎ ‎91‎ 催化剂Y ‎43‎ ‎72‎ ‎(1)由上表判断，催化剂X____Y(填“优于”或“劣于”)，理由是_______________________________________________________‎ ‎____________________________________________________。‎ 在反应进料气组成、压强及反应时间相同的情况下，某催化剂表面的积碳量随温度的变化关系如图所示。升高温度时，下列关于积碳反应、消碳反应的平衡常数(K)和速率(v)的叙述正确的是________(填标号)。‎ A．K积、K消均增加 B．v积减小、v消增加 C．K积减小、K消增加 D．v消增加的倍数比v积增加的倍数大 ‎(2)在一定温度下，测得某催化剂上沉积碳的生成速率方程为v＝k·p(CH4)·[p(CO2)]－0.5(k为速率常数)。在p(CH4)一定时，不同p(CO2)下积碳量随时间的变化趋势如图所示，则pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)从大到小的顺序为________________________。‎ 解析：(1)积碳反应中，由于催化剂X的活化能比催化剂Y的活化能要小，所以催化剂X更有利于积碳反应的进行；而消碳反应中，催化剂X的活化能大于催化剂Y，所以催化剂Y更有利于消碳反应的进行；综合分析，催化剂X劣于催化剂Y。由表格可知积碳反应、消碳反应都是吸热反应，温度升高，平衡右移，K积、K消均增加，温度升高，反应速率均增大，从图象可知，随着温度的升高，催化剂表面的积碳量是减小的，所以v消增加的倍数要比v积增加的倍数大。‎ ‎(2)由速率方程表达式v＝k·p(CH4)·[p(CO2)]－0.5可知，v与p(CO2)成反比例关系，p(CO2)越大，反应速率越小，所以pc(CO2)＞pb(CO2)＞pa(CO2)。‎ 答案：(1)劣于　相对于催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小；而消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大　AD ‎(2)pc(CO2)、pb(CO2)、pa(CO2)‎ ‎2. (2017·全国卷Ⅱ)丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。回答下列问题：‎ ‎(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1丁烯(C4H8)的热化学方程式如下：‎ ‎①C4H10(g)===C4H8(g)＋H2(g)　ΔH1‎ 已知：②C4H10(g)＋O2(g)===C4H8(g)＋H2O(g)‎ ΔH2＝－119 kJ·mol－1‎ ‎③H2(g)＋O2(g)===H2O(g)　ΔH3＝－242 kJ·mol－1‎ 反应①的ΔH1为__________kJ·mol－1。图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图，x______0.1(填“大于”或“小于”)；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是________(填标号)。‎ A．升高温度　　　　 B．降低温度 C．增大压强 D．降低压强 ‎(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势，其降低的原因是___________________________‎ ‎_____________________________________________________。‎ ‎(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是________________________、_____________；‎ ‎590 ℃之后，丁烯产率快速降低的主要原因可能是___________‎ ‎____________________________________________________。‎ 解析：(1)根据盖斯定律，可得①＝②－③，则ΔH1＝ΔH2－ΔH3＝－119 kJ·mol－1＋242 kJ·mol－1＝123 kJ·mol－1。反应①为气体总体积增大的反应，在温度相同时降低压强有利于提高平衡转化率，故x<0.1。反应①为吸热反应，升高温度有利于平衡正向移动，A项正确；降低压强平衡向气体总体积增大的方向移动，D项正确。‎ ‎(2)结合图(b)可看出随着增大，丁烯产率先升高后降低，这是因为氢气是生成物，当逐渐增大时，逆反应速率加快，故丁烯的产率逐渐降低。‎ ‎(3)在590 ℃之前随温度升高丁烯产率逐渐增大，这是因为温度升高不仅能加快反应速率，还能促使平衡正向移动；但温度高于590 ℃时，丁烯高温裂解生成短链烃类，导致丁烯产率快速降低。‎ 答案：(1)123　小于　AD　(2)氢气是产物之一，随着增大，逆反应速率增大 ‎(3)升高温度有利于反应向吸热方向进行　温度升高反应速率加快　丁烯高温裂解生成短链烃类 解答该类题目要注意的步骤 第一步：识别图象类型。即明确横坐标和纵坐标的含义，理清线和点(平台、折线、拐点等)的关系。‎ 第二步：把握反应特点。即分析可逆反应化学方程式，观察物质的状态、气态物质分子数的变化(正反应是气体分子数增大的反应，还是气体分子数减小的反应)、反应热(正反应是放热反应，还是吸热反应)等。‎ 第三步：联想平衡原理。联想化学反应速率、化学平衡移动原理，特别是影响因素及使用前提条件等。‎ 第四步：数形结合解答。图表与原理整合，逐项分析图表，重点看图表是否符合可逆反应的特点、化学反应速率和化学平衡原理。‎ ‎1．大气中CO2含量的增加会加剧温室效应，为减少其排放，需将工业生产中产生的CO2分离出来进行储存和利用。‎ ‎(1)CO2与NH3反应可合成化肥尿素[化学式为CO(NH2)2]，反应2NH3(g)＋CO2(g)CO(NH2)2(l)＋H2O(g)在合成塔中进行。如图1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条曲线为合成塔中按不同氨碳比[]和水碳比[]投料时二氧化碳转化率的情况。‎ ‎①曲线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ水碳比的数值范围分别为0.6～0.7、1～1.1和1.5～1.61，则生产中应选用水碳比的数值范围为____________。‎ ‎②请推测生产中氨碳比控制在4.0左右还是控制在4.5‎ 左右比较适宜，并简述你的理由_______________________________________‎ ‎_____________________________________________________。‎ ‎(2)CO2与H2也可用于合成甲醇：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)。在体积可变的恒压密闭容器中，该反应在不同温度、不同投料比时，CO2的平衡转化率如图2所示。‎ ‎①该反应的化学平衡常数的表达式为______________________‎ ‎_____________________________________________________。‎ ‎②该反应的ΔS______0，ΔH______0(填“>”或“<”)。‎ ‎③700 K投料比[]＝2时，H2的平衡转化率为____________。‎ 解析：(1)①由图象可知，在相同条件下，水碳比越小，CO2的转化率越高，所以生产中应选用水碳比的数值范围为0.6～0.7。②氨碳比在4.0左右时CO2的转化率与4.5时相差不大，所以生产中氨碳比控制在4.0左右比较适宜。氨碳比在4.5时，NH3的量增大较多，而CO2转化率增加不大，提高了生产成本。‎ ‎(2)①反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)的化学平衡常数的表达式为K＝。②该反应正反应方向是气体分子数减少的方向，反应的ΔS<0，由于该反应在一定的条件下可以自发进行，所以ΔH<0。③由图象可知，700 K投料比 eq f(n（H2）,n（CO2）)＝2时，CO2的转化率为30%。假设H2和CO2的起始投料分别为2 mol和1 mol，则CO2的变化量为1 mol×30%＝0.3 mol，由反应方程式CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)求出氢气的变化量为0.3 mol×3＝0.9 mol，所以H2的平衡转化率为×100%＝45%。‎ 答案：(1)①0.6～0.7　②4.0比较适宜；氨碳比在4.5时，NH3的量增大较多，而CO2转化率增加不大，提高了生产成本 ‎(2)①K＝　②<　<　③45%‎ ‎2．(2019·锦州模拟)二氧化碳的捕集、利用与封存是我国能源领域的一个重要战略方向，发展成一项重要的新兴产业。‎ 二氧化碳催化加氢合成低碳烯烃，起始时以0.1 MPa，n(H2)∶n(CO2)＝3∶1的投料比充入反应器中，发生反应：2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)　ΔH。‎ ‎(1)温度对CO2的平衡转化率和催化效率的影响如图1所示。‎ 图中M点时，乙烯的体积分数为________(保留两位有效数字)；为提高CO2的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施有 ‎_______________________________________________________‎ ‎___________________________________________(任写两条)。‎ ‎(2)不同温度下平衡时的四种气态物质的物质的量如图2所示：‎ b曲线代表的物质是________；T1温度下的平衡转化率为________。‎ 解析：(1)设H2的物质的量为3n mol，则CO2的物质的量为n mol，由图知，M点时CO2的转化率为50%，则有：‎ ‎6H2(g)＋ 2CO2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)‎ n起始 ‎/mol　　　　3n　　　　n　　　　 　0　　　 　0‎ n变化 ‎/mol 1.5n 0.5n 0.25n n nM点 ‎/mol 1.5n 0.5n 0.25n n 乙烯的体积分数为×100%＝7.7%；提高CO2平衡转化率的措施还有：增大压强、增大n(H2)∶n(CO2)的比值、将产物乙烯气体分离出来等。‎ ‎(2)由图1可知，升高温度，CO2的平衡转化率降低，则正反应为放热反应，图2表示的是不同温度下平衡时的四种气态物质的物质的量随温度的升高而变化，b曲线随温度的升高物质的量减小，则为生成物，且变化趋势大，应该是化学计量数大的H2O(g)，即b曲线代表的物质是H2O(g)；起始时以H2和CO2投料，T1时n(H2)＝6 mol，n(H2O)＝4 mol，生成4 mol H2O，需反应6 mol H2，则开始投料时n(H2)＝6 mol＋6 mol＝12 mol，转化率为×100%＝50%。‎ 答案：(1)7.7%(或0.077)　增大压强、提高H2和CO2的物质的量的比值(或将产物乙烯气体分离出来等)‎ ‎(2)H2O(g)　50%‎ ‎3．(2019·攀枝花模拟)甲烷以天然气和可燃冰两种主要形式存在于地球上，储量巨大，充分利用甲烷对人类的未来发展具有重要意义。‎ ‎(1)乙炔(CH≡CH)是重要的化工原料。工业上可用甲烷裂解法制取乙炔，反应为：2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)。甲烷裂解时还发生副反应： 2CH4(g)C2H4(g)＋2H2(g)。甲烷裂解时，几种气体平衡时分压(Pa)的对数即lg P与温度(℃)之间的关系如图所示。‎ ‎①1 725 ℃时，向恒容密闭容器中充入CH4，达到平衡时CH4生成C2H2的平衡转化率为__________________________________。‎ ‎②1 725 ℃时，若图中H2的lgP＝5，则反应2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)的平衡常数Kp＝________________________________‎ ‎(注：用平衡分压Pa代替平衡浓度mol·L－1进行计算)。‎ ‎③根据图判断，2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)ΔH________0(填“＞”或“＜”)。由图可知，甲烷裂解制乙炔过程中有副产物乙烯生成。为提高甲烷制乙炔的产率，除改变温度外，还可采取的措施有 ‎_______________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________。‎ ‎(2)‎ 工业上用甲烷和水蒸气在高温和催化剂存在的条件下制得合成气(CO、H2)，发生反应为CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH＞0‎ 图中a、b、c、d四条曲线中的两条代表压强分别为1 MPa、2 MPa时甲烷含量曲线，其中表示1 MPa的是________(填字母)。在实际生产中采用图中M点而不是N点对应的反应条件，运用化学反应速率和平衡知识，同时考虑实际生产，说明选择该反应条件的主要原因是 ‎_______________________________________________________‎ ‎_____________________________________________________。‎ 解析：(1)①由图可知，在1 725 ℃达到平衡时，CH4、C2H2、C2H4的平衡分压的对数分别为2、2、1，故其CH4、C2H2、C2H4的平衡分压分别为100 Pa、100 Pa、10 Pa，在同温同体积条件下，不同气体的压强之比等于其物质的量之比，故CH4、C2H2、C2H4的物质的量之比为10∶10∶1，由C原子守恒可知，CH4生成C2H2的平衡转化率为×100%＝62.5%。②1 725 ℃时，若图中H2的lgP＝5，则反应2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)的平衡常数Kp＝＝1×1013。③根据图可知，C2H2的平衡分压随温度升高而增大，所以反应2CH4(g)C2H2(g)＋3H2(g)为吸热反应，故其ΔH>0。由图可知，甲烷裂解制乙炔过程中有副产物乙烯生成。为提高甲烷制乙炔的产率，除改变温度外，还可采取的措施有充入适量乙烯使2CH4(g)C2H4(g)＋2H2(g)‎ 的平衡向逆反应方向移动，或使用对甲烷转化为乙炔的选择性更高的催化剂等。‎ ‎(2)CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH＞0，该反应为气体分子数增大的吸热反应，平衡时甲烷的含量随温度升高而减小、随压强增大而增大，所以，图中a、b、c、d四条曲线中表示1 MPa的是a。在实际生产中采用图中M点而不是N点对应的反应条件，类比工业上合成氨条件的选择可知，选择该反应条件的主要原因是与2 MPa的压强相比，1 MPa条件下CH4的平衡转化率更高，对设备要求不高，有利于降低成本，虽然温度越高越有利于提高CH4的平衡转化率，但700 ℃时CH4的平衡转化率已经较高，再升高温度，平衡转化率变化不大；700 ℃时催化剂活性高，反应的速度快。‎ 答案：(1)①62.5%　②1×1013　③＞　充入适量乙烯(或使用选择性更高的催化剂等)‎ ‎(2)a　与2 MPa的压强相比，1 MPa条件下CH4的平衡转化率更高，对设备要求不高，有利于降低成本；虽然温度越高越有利于提高CH4的平衡转化率，但700 ℃时CH4的平衡转化率已经较高，再升高温度，平衡转化率变化不大；700 ℃时催化剂活性高，反应的速率快 ‎4．磷石膏是湿法生产磷酸排出的工业废渣，主要成分是CaSO4·2H2O。用不同的还原剂可以将CaSO4还原，所得SO2可用于工业生产硫酸。‎ ‎(1)以CO作还原剂，改变反应温度可得到不同的产物。不同温度下反应后所得固体成分的物质的量如图1所示。在低于800 ℃时主要还原产物为____________；高于800 ℃时CaS减少的原因是______________________________________(用化学方程式表示)。‎ ‎(2)以高硫煤为还原剂焙烧2.5 h，不同条件对硫酸钙转化率的影响如图2所示。CaCl2的作用是_______________________________‎ ‎____________________________________________________；‎ 当温度高于1 200 ℃时，无论有无CaCl2存在，CaSO4的转化率趋于相同，其原因是_________________________________________‎ ‎____________________________________________________。 ‎ ‎(3)以C作还原剂，向密闭容器中加入相同质量的几组不同值(C与CaSO4的物质的量比)的混合物在1 100 ℃加热，结果如图3所示。当值为0.5时，反应产物为CaO、SO2、CO2；当值大于0.7时，反应所得气体中SO2的体积分数不升反降，其可能原因是__________‎ ‎_____________________________________________________。‎ 解析： (1)由图示可知，在低于800 ℃时，还原的主要产物为CaS，在高于800 ℃ 时，得到的主要产物为CaO，则此时是CaS与CaSO4反应生成CaO。‎ ‎(2)由图示可看出，在高于1 200 ℃时，加入CaCl2与不加入 CaCl2时CaSO4的转化率相同，但较低温度下加入CaCl2时转化率高，故CaCl2的作用为催化剂。‎ ‎(3)当值大于0.7时，原料中的还原剂C的含量增加，则高温下过量的C与CO2发生反应CO2＋C2CO，从而使得气体总体积增大。‎ 答案：(1)CaS　CaS＋3CaSO44CaO＋4SO2↑‎ ‎(2)作催化剂　两种情况下反应均达到平衡状态，催化剂CaCl2不改变平衡状态 ‎(3)CO2高温下与过量C反应生成CO，使气体总体积增大(或部分转化为其他含S物质)‎