05 常考题空5　平衡图像原因解释之选择反应最佳条件 （附答案解析）-备战高考化学大题逐空突破系列（全国通用）

常考题空5　平衡图像原因解释之选择反应最佳条件

【高考必备知识】

【题组训练】

1．汽车尾气是雾霾形成的原因之一。研究氮氧化物的处理方法可有效减少雾霾的形成，可采用氧化还原法脱硝：4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)4N2(g)＋6H2O(g)　ΔH<0，根据下图判断提高脱硝效率的最佳条件是_________；

氨氮比一定时，在400 ℃时，脱硝效率最大，其可能的原因是__________________________________________

_________________________________________________________________

2．以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示。250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是_________________

  _______________________________________________________________________________

3．汽车排气管装有三元催化剂装置，在催化剂表面通过发生吸附、解吸消除CO、NO等污染物。反应机理如下[Pt(s)表示催化剂，右上角带“*”表示吸附状态]：

Ⅰ．NO＋Pt(s)===NO*            Ⅱ．CO＋Pt(s)===CO*                       Ⅲ．NO*===N*＋O*

Ⅳ．CO*＋O*===CO2＋Pt(s)   Ⅴ．N*＋ N*===N2＋Pt(s)            Ⅵ．NO*＋N*===N2O＋Pt(s)

经测定汽车尾气中反应物浓度及生成物浓度随温度T变化关系如图1和图2所示

(1)图1中温度从Ta升至Tb的过程中，反应物浓度急剧减小的主要原因是_____________________________

(2)图2中T2 ℃时反应Ⅴ的活化能________(填“<”“>”或“＝”)反应Ⅵ的活化能；T3 ℃时发生的主要反应为________(填“Ⅳ”“Ⅴ”或“Ⅵ”)

4．在密闭容器中充入5 mol CO和4 mol NO，发生反应：2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)　ΔH＝－746.5 kJ·mol－1，图1为平衡时NO的体积分数与温度、压强的关系。

(1)温度：T1________(填“＜”或“＞”) T2

(2)若在D点对反应容器升温的同时扩大体积使体系压强减小，重新达到的平衡状态可能是图中A～G点中的________点。

(3)某研究小组探究催化剂对CO、NO转化的影响。将NO和CO以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应，相同时间内测量逸出气体中NO含量，从而确定尾气脱氮率(脱氮率即NO的转化率)，结果如图2所示。若低于200 ℃，图2中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高而变化不大的主要原因为__________________________________；

a点________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡脱氮率，说明其理由：____________________________

5．已知：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH<0。若将一定比例的CO和H2在装有催化剂的反应器中反应12小时，体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图所示

(1)P点________(填“是”或“不是”)处于平衡状态，原因是_________________________________________

(2)490 K后，甲醇产率随温度升高而减小的原因可能是_________________________________________________

6．NH3催化还原氮氧化物是目前应用广泛的烟气氮氧化物脱除技术。例如：4NH3(g)＋6NO(g)5N2(g)＋6H2O(g)　以FeSO4作催化剂，在不同温度下经过相同的时间测试氨还原氮氧化物效果如图，当反应在250～300 ℃，NOx的转化率随温度升高而迅速升高的原因是________________________________________________，当400～450 ℃，NOx的转化率随温度升高而降低。当体系温度升至500 ℃以上时。NOx的转化率迅速下降，其可能原因是__________________________________________________________________________________

7．我国科学家对甲烷和水蒸气催化重整反应机理进行了广泛研究，通常认为该反应分两步进行。第一步：CH4催化裂解生成H2和碳(或碳氢物种)，其中碳(或碳氢物种)吸附在催化剂上，如CH4―→Cads/[C(H)n]ads＋(2－)H2；第二步：碳(或碳氢物种)和H2O反应生成CO2和H2，如Cads/[C(H)n]ads＋2H2O―→CO2＋(2＋)H2。反应过程和能量变化残图如下(过程①没有加催化剂，过程②加入催化剂)，过程①和②ΔH的关系为①______②(填“＞”“＜”或“＝”)；控制整个过程②反应速率的是第____________步(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)，其原因为______________________________________________________________________________

8．CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2的转化方法，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－1

反应Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)===CH3OCH3(g)＋3H2O(g)    ΔH＝－122.5 kJ·mol－1

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

其中：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__________________________________________

(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____________________________________

9．CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应ΔH_____0(填“＞”或“＜”)。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右，选择此压强的理由是________________________________________________________________________________

10．下图是在一定时间内，使用不同催化剂Mn和Cr在不同温度下对应的脱氮率，由图可知工业使用的最佳催化剂为________、相应温度为________；使用Mn作催化剂时，脱氮率b～a段呈现如图变化的可能原因是_____

  _______________________________________________________________________________________________

11．T ℃时，向一恒容密闭容器中加入3 mol H2和1 mol Se，发生反应：H2(g)＋Se(s)H2Se (g)　ΔH＜0，温度对H2Se产率的影响如图：

550 ℃时H2Se产率最大的原因：________________________________________________。

12．针对反应3CO(g)＋3H2(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)，在恒定压强下，该反应的反应物CO的平衡转化率随温度和不同投料比的变化如图所示。研究发现，使用Cu­Mn合金作催化剂，可以有效加快该反应的反应速率，实验测得反应体系中各物质的产率或转化率与催化剂中n(Mn)/n(Cu)的关系如图所示。则催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为________时最有利于二甲醚的合成。在实际生产过程中，需要加入催化剂，而且反应器必须要进行热交换，以保证反应器的温度控制在270～340 ℃，其原因是_________________________________________________

  ______________________________________________________________________________________________

13．工业上用AlSiFe合金在一定条件下还原白云石[主要成分为CaMg(CO3)2]可制取金属镁。实际生产中镁的还原率在不同条件下的变化曲线如图1、2所示。

             图1　不同氟盐添加量与还原率的关系         图2　不同还原温度下氟盐对还原过程的影响

(1)实际生产中通过添加氟盐来提高镁的还原率，选择最佳的氟盐及添加量是　　　　　

(2)温度一般控制在1 140 ℃，原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　                      

14．已知：生物脱H2S的原理：H2S＋Fe2(SO4)3===S↓＋2FeSO4＋H2SO4

4FeSO4＋O2＋2H2SO42Fe2(SO4)3＋2H2O

由图1和图2判断使用硫杆菌的最佳条件为__________________，若反应温度过高，反应速率下降，其原因是___________________________________________________

15．升高温度，绝大多数的化学反应速率增大，但是2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)的化学反应速率却随着温度的升高而减小。科学研究表明，反应2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)分为以下两步：

反应Ⅰ：2NO(g)N2O2(g)　ΔH1＜0　v1正＝k1正c2(NO)，v1逆＝k1逆c(N2O2)

反应Ⅱ：N2O2(g)＋O2(g)2NO2(g)　ΔH2＜0，v2正＝k2正c(N2O2)·c(O2)，v2逆＝k2逆c2(NO2)

其反应历程如图1所示

决定2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)反应速率的是__________(填“反应Ⅰ”或“反应Ⅱ”)，其理由是_______________

______________________________________，根据反应速率与浓度的关系式分析，升高温度该反应速率减小的原因是________________________________________________________________________________________

16．在一定条件下，由CO2和H2合成甲醇已成为现实，该合成对解决能源问题具有重大意义。该过程中有两个竞争反应，反应过程能量关系如图

由CO2和H2合成甲醇有两个竞争反应，为提高CH3OH的选择性，在原料气中掺入一定量CO，原因是_________

_______________________________________________________________________________________，另外，可以通过控制双组分催化剂(CuO­ZnO)中CuO的含量，可提高甲醇产率，根据下图判断，催化剂选择性最好的CuO的含量为________

17．CS2是一种重要的化工原料。工业上可以利用硫(S8)与CH4为原料制备CS2，S8受热分解成气态S2，发生反应2S(g)＋CH4(g)CS2(g)＋2H2S(g)，一定条件下，CH4与S2反应中CH4的平衡转化率、S8分解产生S2的体积分数随温度的变化曲线如图所示。据图分析，生成CS2的反应为___________(填“放热”或“吸热”)反应。工业上通常采用在600～650℃的条件下进行此反应，不采用低于600℃的原因是___________。

18．乙苯催化脱氢制苯乙烯反应：＋H2(g)　ΔH＝＋124 kJ·mol－1，工业上，通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气(原料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为1∶9)，控制反应温度600 ℃，并保持体系总压为常压的条件下进行反应。在不同反应温度下，乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯的选择性(指除了H2以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)变化如图，控制反应温度为600 ℃的理由____________

_________________________________________________________________________________

19．以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副产物丙烯醛(C3H4O)的热化学方程式如下：①C3H6(g)＋NH3(g)＋O2(g)===C3H3N(g)＋3H2O(g)　ΔH＝－515 kJ·mol－1

②C3H6(g)＋O2(g)===C3H4O(g)＋H2O(g)　ΔH＝－353 kJ·mol－1

丙烯腈和丙烯醛的产率与n(氨)/n(丙烯)的关系如图所示。由图可知，最佳n(氨)/n(丙烯)约为__________，理由是______________________________________________

20．CO2与CH4经催化重整，制得合成气：CH4(g)+ CO2(g)2CO (g)+ 2H2(g)   ΔH＝＋120kJ·mol－1，按一定体积比加入CH4和CO2，在恒压下发生反应，温度对CO和H2产率的影响如图所示。此反应优选温度为900℃的原因是_______________________________________________________________________________________

21．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。在有氧条件下，新型催化剂M能催化NH3与NOx反应生成N2。将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体，匀速通入装有催化剂M的反应器中反应(装置见图1)

反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如图2所示，在50～250 ℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率先迅速上升后上升缓慢的主要原因是___________________________________________；当反应温度高于380 ℃时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是______________________________________________

【常考题空5　平衡图像原因解释之选择反应最佳条件】答案

1．氨氮物质的量之比为1，温度为400 ℃　

在400 ℃时催化剂的活性最好，催化效率最高，同时400 ℃温度较高，反应速率快

2．温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低

3．(1)温度升高，催化剂活性增强，反应速率加快　

(2)>　Ⅳ

解析：(1)由图1可知，温度升高，反应物的消耗量增大，说明催化剂的活性增强，反应速率加快。

(2)反应的活化能越小，反应速率越快，反应物的消耗量越大，其浓度越小，生成物的浓度越大。由图2可知，T2 ℃时，N2的浓度小于N2O的浓度，说明反应Ⅴ的反应速率小于反应Ⅵ的反应速率，则反应Ⅴ的活化能大于反应Ⅵ的活化能；T3 ℃时，生成物二氧化碳的浓度最大，说明发生的主要反应为反应Ⅳ。

4．(1)＞　

(2)A　

(3)温度较低时，催化剂的活性偏低　

不是　该反应为放热反应，根据曲线Ⅱ可知，a点对应温度下的平衡脱氮率应该更高

解析：(1)根据反应2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)　ΔH＝－746.5 kJ·mol－1，升高温度，平衡逆向移动，所以NO的体积分数会增大，即T1＞T2。

(2)若在D点对反应容器升温的同时扩大体积使体系压强减小，则平衡会逆向移动，NO的体积分数增加，重新达到的平衡状态可能是图中A点。

(3)根据图像可知，温度较低时，催化剂的活性偏低，因此温度低于200 ℃，曲线Ⅰ脱氮率随温度升高而变化不大；a点不是对应温度下的平衡脱氮率，因为该反应为放热反应，根据曲线Ⅱ可知，a点对应温度下的平衡脱氮率应该更高。

5．(1)不是　随着温度升高，甲醇的产率继续增大，说明反应正向进行　

(2)升高温度，平衡逆向移动；催化剂活性降低

解析：对于含量(转化率)—温度图像，若曲线成“V型”或“倒V型”，则前半部分反应尚未达到平衡，后半部分反应达到平衡，反应为放热反应。

6．温度升高化学反应速率增大，温度升高催化剂的活性增强　

催化剂的活性降低(或FeSO4受热分解)

7．＝　Ⅱ　第Ⅱ步的活化能大，反应速率慢

解析：过程①和②中，催化剂不影响反应物的转化率，对ΔH不产生影响，所以过程①和②的ΔH关系为①＝②；整个过程②分两步进行，第Ⅱ步的活化能大，所以控制整个过程②反应速率的是第Ⅱ步。

8．(1)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)增大压强、使用对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂

解析：(1)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，所以可以通过加压使反应Ⅱ平衡正向移动，或者加入有利于反应Ⅱ进行的催化剂。

9．＜　

在1.3×104 kPa下，CO的转化率已较高，再增大压强CO转化率提高不大，同时生产成本增加，得不偿失

10．Mn　200 ℃左右　b～a段，开始温度较低，催化剂活性较低，脱氮反应速率较慢，反应还没达到化学平衡，随着温度升高反应速率变大，一定时间参与反应的氮氧化物变多，导致脱氮率逐渐升高

11．低于550 ℃时，温度越高反应速率越快，H2Se的产率越大；高于550 ℃时，反应达到平衡，该反应为放热反应，温度升高平衡逆向移动，H2Se的产率越小

12．2.0(与2.0接近的值均算正确，如2.1)　

制取二甲醚的反应是放热反应，随着反应的进行，反应器内的温度必然升高，而温度升高，化学平衡向左移动，同时，温度不断升高，催化剂的活性将降低，均不利于二甲醚的合成

13． (1)CaF2、3%　

(2)该温度时，镁的还原率已近90%，温度低还原率低，温度太高能耗高

14．30 ℃、pH＝2.0　蛋白质变性(或硫杆菌失去活性)

15．反应Ⅱ　  反应Ⅱ的活化能大于反应Ⅰ，反应Ⅱ是慢反应　

温度升高，反应Ⅰ、Ⅱ均逆向进行，反应Ⅰ是快反应，c(N2O2)减小对反应速率的影响大于k2正c(O2)增大对反应速率的影响

解析：(1)反应Ⅱ的活化能大于反应Ⅰ，反应Ⅱ是慢反应，决定2NO(g)＋O2(g)===2NO2(g)反应速率的是慢反应Ⅱ，由反应速率与浓度的关系式分析，升高温度该反应速率减小的原因是：温度升高，反应Ⅰ、Ⅱ均逆向进行，反应Ⅰ是快反应，c(N2O2)减小对反应速率的影响大于k2正c(O2)增大对反应速率的影响

16．加入一定浓度的CO，使反应CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)逆向移动，提高生成CH3OH的选择性　50%

解析：根据图像可知CH3OH含量最大，催化剂选择性最好的CuO的含量为50%。

17．放热    600℃时甲烷平衡转化率高达99%，低于600℃时，S2浓度明显偏小，且反应速率慢   

解析：由图可知，随温度升高，甲烷的转化率降低，故反应为放热反应。工业上通常采用在600～650℃的条件下进行此反应，不采用低于600℃的原因是600℃时甲烷平衡转化率高达99%，低于600℃时，S2浓度明显偏小，且反应速率慢。

18．600 ℃，乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。温度过低，反应速率慢，转化率低；温度过高，选择性下降，高温还可能使催化剂失活，且能耗大

19．1.0　该比例下丙烯腈产率最高，而副产物丙烯醛产率最低

20．900 ℃时，合成气产率已经较高，再升高温度产率增幅不大，但能耗升高，经济效益降低。   

解析：根据图3得到，900℃时反应产率已经比较高，温度再升高，反应产率的增大并不明显，而生产中的能耗和成本明显增大，经济效益会下降，所以选择900℃为反应最佳温度

21．迅速上升段是催化剂活性随温度升高增大与温度升高共同使NOx去除反应速率迅速增大；

上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大催化剂活性下降；NH3与O2反应生成了NO

解析：因为反应时间相同，所以低温时主要考虑温度和催化剂对化学反应速率的影响；高温时NH3与O2发生催化氧化反应。在50~250℃范围内，NOx的去除率迅速上升段是催化剂活性随温度升高增大与温度升高共同使NOx去除反应速率迅速增大；上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大，温度升高催化剂活性下降。反应温度高于380℃时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是NH3与O2反应生成了NO，反应的化学方程式为4NH3+5O24NO+6H2O