專項訓練-多反應平衡體系1.[2024江蘇]乙醇－水催化重整可獲得H2。其主要反應為C2H5OH（g）＋3H2O（g）2CO2（g）＋6H2（g）ΔH＝173.3kJ·mol－1CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g）ΔH＝41.2kJ·mol－1在1.0×105Pa、n始（C2H5OH）∶n始（H2O）＝1∶3時，若僅考慮上述反應，平衡時CO2和CO的選擇性及H2的產(chǎn)率隨溫度的變更如圖所示。CO的選擇性＝n生成（CO）n生成（A.圖中曲線①表示平衡時H2產(chǎn)率隨溫度的變更B.上升溫度，平衡時CO的選擇性增大C.確定溫度下，增大n（D.確定溫度下，加入CaO（s）或選用高效催化劑，均能提高平衡時H2產(chǎn)率解析由CO的選擇性計算公式可知，相同溫度下，CO和CO2的選擇性之和為1，故圖中曲線②代表平衡時H2產(chǎn)率隨溫度的變更；由圖可知，約330℃以后H2的平衡產(chǎn)率隨溫度的上升而減小，結合題給方程式可知，此時CO的選擇性應隨溫度的上升而增大，故曲線③代表平衡時CO的選擇性，曲線①代表平衡時CO2的選擇性。A項，曲線②代表H2的平衡產(chǎn)率隨溫度的變更，錯誤；B項，由圖可知，上升溫度，平衡時CO的選擇性增大，正確；C項，增大n（C2H5OH）n（H2.[2024上海格致中學檢測]乙酸制氫氣過程中發(fā)生的反應主要有熱裂解反應：CH3COOH（g）?2CO（g）＋2H2（g）ΔH＝＋213.7kJ·mol－1；脫羧反應：CH3COOH（g）?CH4（g）＋CO2（g）ΔH＝－33.5kJ·mol－1。（1）在密閉容器中，利用乙酸制氫氣，應選擇常壓（填“較大壓強”或“常壓”）。（2）一段時間內(nèi)，該反應體系中溫度與氣體產(chǎn)率的關系如圖所示，640℃之前，氫氣產(chǎn)率低于甲烷產(chǎn)率；640℃之后氫氣產(chǎn)率高于甲烷產(chǎn)率，可能的緣由是隨著溫度上升，熱裂解反應向正反應方向移動，脫羧反應向逆反應方向移動。（3）保持其他條件不變，在CH3COOH（g）中摻雜確定量水蒸氣，氫氣產(chǎn)率顯著提高而CO的產(chǎn)率下降，請分析緣由：CO＋H2O（g）△H2＋CO2（用化學方程式表示）。解析（1）在密閉容器中，發(fā)生反應CH3COOH（g）?2CO（g）＋2H2（g），該反應為氣體分子數(shù)增大的反應，增大壓強，平衡逆向移動，氫氣產(chǎn)率減小，故相對于較大壓強，常壓下氫氣的產(chǎn)率較高且能耗低。（2）熱裂解反應的正反應吸熱，脫羧反應的正反應放熱，640℃之后升溫，熱裂解反應向正反應方向移動，脫羧反應向逆反應方向移動，故氫氣產(chǎn)率高于甲烷產(chǎn)率。（3）CH3COOH（g）中摻雜的水蒸氣與CO反應生成二氧化碳和氫氣，CO＋H2O（g）△H2＋CO2，氫氣產(chǎn)率顯著提高而CO的產(chǎn)率下降。3.[2024洛陽模擬]丁烯是一種重要的化工原料，可由丁烷催化脫氫制備。（1）正丁烷（C4H10）脫氫制丁烯（C4H①C4H10（g）?C4H8（g）＋H2（g）Δ已知：②C4H10（g）＋12O2（g）C4H8（g）＋H2O（g）ΔH2＝－③H2（g）＋12O2（g）H2O（g）ΔH3＝－242kJ·mol反應①的ΔH1為＋123kJ·mol－1。圖1是反應①平衡轉(zhuǎn)化率與反應溫度及壓強的關系圖，x小于0.1（填“大于”或“小于”）；欲使丁烯的平衡產(chǎn)率提高，應實行的措施是AD（填標號）。A.上升溫度 B.降低溫度C.增大壓強 D.減小壓強（2）丁烷和氫氣的混合氣體以確定流速通過填充有催化劑的反應器（氫氣的作用是活化催化劑），出口氣中含有丁烯、丁烷、氫氣等。圖2為丁烯產(chǎn)率與進料氣中n（氫氣）/n（丁烷）的關系。圖中曲線呈現(xiàn)先上升后降低的變更趨勢，其降低的緣由是氫氣是產(chǎn)物之一，當達到某一值后，隨著n（氫氣）/n（丁烷）增大，平衡逆向移動，丁烯的產(chǎn)率下降。（3）圖3為反應產(chǎn)率和反應溫度的關系曲線，副產(chǎn)物主要是高溫裂解生成的短碳鏈烴類化合物。丁烯產(chǎn)率在590℃之前隨溫度上升而增大的緣由可能是上升溫度有利于反應向吸熱方向進行、溫度上升反應速率加快，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的丁烯更多；590℃之后，丁烯產(chǎn)率快速降低的主要緣由可能是丁烯高溫裂解生成短碳鏈烴類化合物。解析（1）依據(jù)蓋斯定律，由②－③可得①，則ΔH1＝ΔH2－ΔH3＝－119kJ·mol－1－（－242kJ·mol－1）＝＋123kJ·mol－1。反應①為氣體分子數(shù)增大的反應，減小壓強，平衡正向移動，平衡轉(zhuǎn)化率增大，故x小于0.1。反應①為氣體分子數(shù)增大的吸熱反應，減小壓強、上升溫度，均可使平衡正向移動，丁烯的平衡產(chǎn)率提高。（3）該反應為吸熱反應，上升溫度，反應速率加快，且平衡正向移動，因此丁烯產(chǎn)率在590℃之前隨溫度上升而增大；590℃之后，丁烯高溫裂解生成短碳鏈烴類化合物，因此丁烯產(chǎn)率降低。4.[全國Ⅰ高考]接受N2O5為硝化劑是一種新型的綠色硝化技術，在含能材料、醫(yī)藥等工業(yè)中得到廣泛應用?；卮鹣铝袉栴}：F.Daniels等曾利用測壓法在剛性反應器中探討了25℃時N2O5（g）分解反應：其中NO2二聚為N2O4的反應可以快速達到平衡。體系的總壓強p隨時間t的變更如表所示（t＝∞時，N2O5（g）完全分解）：t/min0408016026013001700∞p/kPa35.840.342.545.949.261.262.363.1（1）已知：2N2O5（g）2N2O4（g）＋O2（g）ΔH1＝－4.4kJ·mol－12NO2（g）N2O4（g）ΔH2＝－55.3kJ·mol－1則反應N2O5（g）2NO2（g）＋12O2（g）的ΔH＝53.1kJ·mol－1。（2）探討表明，N2O5（g）分解的反應速率v＝2×10－3×pN2O5（kPa·min－1）。t＝62min時，測得體系中pO2＝2.9kPa，則此時的pN2O5＝30.0kPa，v＝（3）若提高反應溫度至35℃，則N2O5（g）完全分解后體系壓強p∞（35℃）大于63.1kPa（填“大于”“等于”或“小于”），緣由是溫度提高，體積不變，總壓強提高；NO2二聚為放熱反應，溫度提高，平衡左移，體系物質(zhì)的量增加，總壓強提高。（4）25℃時N2O4（g）?2NO2（g）反應的平衡常數(shù)Kp＝13.4kPa（Kp為以分壓表示的平衡常數(shù)，計算結果保留1位小數(shù)）。解析（1）將已知熱化學方程式依次編號為a、b，依據(jù)蓋斯定律，由12×a－b得N2O5（g）2NO2（g）＋12O2（g）ΔH＝ΔH1－2ΔH22＝－4.4+55.3×22kJ·mol－1＝＋53.1kJ·mol－2N2O5（g）2N2O4（g）＋O2（g）起始量35.8kPa00轉(zhuǎn)化量5.8kPa5.8kPa2.9kPa62min量30.0kPa5.8kPa2.9kPa則62min時pN2O5＝30.0kPa，v＝2×10－3×30.0kPa·min－1＝6.0×10－2kPa·min－1。（3）剛性反應容器的體積不變，25℃N2O5（g）完全分解時體系的總壓強為63.1kPa，上升溫度，從兩個方面分析：一方面是體積不變，上升溫度，體系總壓強增大；另一方面，2NO2?N2O4的逆反應是吸熱反應，升溫，平衡向生成NO2的方向移動，體系物質(zhì)的量增大，故體系總壓強增大。（4）N2O5完全分解生成N2O4和O2，起始pN2O5＝35.8kPa，其完全分解時pN2O4＝35.8kPa，pON2O4?2NO2平衡量35.8kPa－x2x35.8kPa－x＋2x＋17.9kPa＝63.1kPa，解得x＝9.4kPa。平衡時，pN2O4＝26.4kPa，pNO2＝18.8kPa，K＝5.[2024福建福州質(zhì)檢改編]以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的反應如下：Ⅰ.CO2（g）＋3H2（g）?CH3OH（g）＋H2O（g）ΔH1＝－49kJ·mol－1Ⅱ.CO2（g）＋H2（g）?CO（g）＋H2O（g）ΔH2＝＋41kJ·mol－1Ⅲ.CO（g）＋2H2（g）?CH3OH（g）ΔH3（1）Kp為分壓平衡常數(shù)，各反應的lnKp隨1T的變更如圖1所示。計算反應Ⅲ的ΔH3＝－90kJ·mol－1，其對應的曲線為a（填“a”或“c”圖1（2）在5MPa下，依據(jù)n（CO2）∶n（H2）＝1∶3投料，平衡時，CO和CH3OH在含碳產(chǎn)物中的物質(zhì)的量分數(shù)及CO2的轉(zhuǎn)化率隨溫度的變更如圖2所示。圖2①圖中代表CH3OH的曲線為m（填“m”或“n”）。②說明150～250℃范圍內(nèi)CO2轉(zhuǎn)化率隨溫度上升而降低的緣由反應Ⅰ是放熱反應，反應Ⅱ是吸熱反應，溫度上升反應Ⅰ使CO2平衡轉(zhuǎn)化率減小的程度大于反應Ⅱ使CO2平衡轉(zhuǎn)化率增大的程度。③下列說法錯誤的是B（填字母）。A.H2的平衡轉(zhuǎn)化率始終低于CO2B.溫度越低，越有利于工業(yè)生產(chǎn)CH3OHC.加入選擇性高的催化劑，可提高CH3OH的平衡產(chǎn)率D.150～400℃范圍內(nèi)，溫度上升，H2O的平衡產(chǎn)量先減小后增大④270℃時平衡體系中CO的分壓為0.16MPa，反應Ⅱ的平衡常數(shù)為0.解析（1）依據(jù)蓋斯定律，由Ⅰ－Ⅱ可得CO（g）＋2H2（g）?CH3OH（g）ΔH3＝ΔH1－ΔH2＝－90kJ·mol－1。該反應為放熱反應，且放出的熱量比反應Ⅰ多，1T增大，溫度降低，平衡正向移動，Kp增大，且增大程度比反應Ⅰ的大，故其對應曲線為a。（2）①反應Ⅰ、Ⅲ為放熱反應，隨著溫度上升，平衡逆向移動，CH3OH的物質(zhì)的量分數(shù)減小，故代表CH3OH的曲線是m。③依據(jù)起始投料比與化學計量數(shù)之比的關系，知若只發(fā)生反應Ⅰ，CO2和H2的轉(zhuǎn)化率相等，但有反應Ⅱ、Ⅲ發(fā)生，且反應Ⅱ、Ⅲ消耗的H2的量確定小于反應Ⅱ消耗的CO2的量的3倍，因此H2的轉(zhuǎn)化率始終低于CO2，A正確；溫度太低，反應速率過慢，不利于工業(yè)生產(chǎn)CH3OH，B錯誤；加入選擇性高的催化劑，使CO2和H2更趨向于發(fā)生反應Ⅰ，可以提高CH3OH的平衡產(chǎn)率，C正確；由已知反應知，轉(zhuǎn)化的CO2的量等于生成的水的量，150～400℃時，CO2的轉(zhuǎn)化領先減小后增大，故H2O的平衡產(chǎn)量先減小后增大，D正確。④據(jù)圖2可知，270℃時平衡體系中CO和CH3OH的含量相同，CO2轉(zhuǎn)化率為24％，設起始時CO2的物質(zhì)的量為1mol，H2的物質(zhì)的量為3mol，則反應達平衡時CO2的物質(zhì)的量為0.76mol，依據(jù)C原子守恒知CH3OH、CO的物質(zhì)的量均為0.12mol，H2O的物質(zhì)的量為0.24mol（與CO2的轉(zhuǎn)化量相等），由已知反應結合H原子守恒，可計算出H2的物質(zhì)的量為2.52mol，則氣體總物質(zhì)的量為3.76mol，故CO的分壓為5MPa×0.123.76≈0.16MPa6.[能量作圖＋物質(zhì)結構＋多反應體系]利用反應原理CH4（g）＋2H2S（g）?CS2（g）＋4H2（g），既可以消退工業(yè)廢氣中的H2S，又可以獲得CS2和H2。（1）CS2在制造玻璃等方面應用廣泛。已知CS2（l）的燃燒熱為1077kJ·mol－1，寫出表示CS2（l）燃燒熱的熱化學方程式：CS2（l）＋3O2（g）CO2（g）＋2SO2（g）ΔH＝－1077kJ·mol－1。（2）CH4、H2S、CS2的鍵角從大到小的依次為CS2＞CH4＞H2S。（3）反應CH4（g）＋2H2S（g）?CS2（g）＋4H2（g）可認為由如下反應分步實現(xiàn)：反應ⅰ.2H2S（g）?2H2（g）＋S2（g）ΔH1＝＋170kJ·mol－1反應ⅱ.CH4（g）＋S2（g）?CS2（g）＋2H2（g）ΔH2＝＋64kJ·mol－1現(xiàn)將原料按n（CH4）∶n（H2S）＝1∶2通入某密閉容器中（保持體系壓強為60kPa），不同溫度下反應相同時間后，測得H2和CS2的體積分數(shù)如圖1所示：①請在圖2中畫出低溫階段反應ⅱ過程中的能量變更曲線：（合理即可）②試驗測得在950～1150℃范圍內(nèi)（其他條件相同），S2（g）的體積分數(shù)隨溫度上升先增大后減小，其緣由可能是低溫階段，只發(fā)生反應ⅰ，溫度上升，S2（g）的體積分數(shù)增大；高溫階段，溫度上升，反應ⅱ消耗S2（g）的速率大于反應ⅰ生成S2（g）的速率，S2（g）的體積分數(shù)減小（合理即可）。③在1150℃時，為提高H2S的平衡轉(zhuǎn)化率，除變更溫度外，還可實行的措施是減小體系壓強、剛好分別出產(chǎn)物、減小起始時H2S與CH4的物質(zhì)的量之比、在恒壓條件下通入稀有氣體稀釋反應物等（任寫兩條，合理即可）（列舉兩條）。④假定圖1中1200℃下為平衡態(tài)，則該溫度下CH4（g）＋2H2S（g）?CS2（g）＋4H2（g）的壓強平衡常數(shù)Kp＝6×24410×202kPa2（列出計算式即可，K（4）工業(yè)上處理廢氣中的H2S也可以用氧化鋅法，其原理為H2S＋ZnOZnS＋H2O。某六方ZnO晶胞的結構如圖3所示：具有相像晶胞結構的Z