2025浙江专版新教材化学高考第一轮基础练--常考点9化学反应速率和化学平衡的综合应用（含答案）

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2025浙江专版新教材化学高考第一轮
常考点9化学反应速率和化学平衡的综合应用
1.氢能作为清洁能源,对实现“碳达峰”和“碳中和”双碳目标具有广泛应用前景。甲烷水蒸气催化重整制备氢气也是工业上常用的制氢工艺。发生如下反应:
①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)　
ΔH1=+206.4 kJ·mol-1
②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)　
ΔH2=-41.1 kJ·mol-1
请回答:
(1)反应①自发进行的条件是　　　　。
A.高温 B.高压
C.低温 D.低压
(2)研究表明,上述反应②在Fe3O4催化下进行,反应历程如下:
第1步:Fe3O4(s)+4CO(g)3Fe(s)+4CO2(g)(慢)　ΔH3=-141 kJ·mol-1
第2步:3Fe(s)+4H2O(g)Fe3O4(s)+4H2(g)(快)　ΔH4
①ΔH4=　　　　　　 kJ·mol-1;
②请在图中画出CO和H2O(g)在Fe3O4催化下反应进程的能量变化图。
(3)恒压条件下,将CH4(g)和H2O(g)按照体积比1∶3通入反应器中。平衡时各组分的物质的量分数与温度的关系如图所示。
①H2O的含量在700 ℃左右出现最小值的原因为
　。
②下列说法不正确的是　　　　。
A.某温度下,当气体密度不再变化时反应达到平衡状态
B.其他条件不变,温度升高,反应①v(正)增大,v(逆)减小
C.其他条件不变,使用更高效的催化剂,可以提高原料的平衡转化率
D.其他条件不变,加入稀有气体,重新达到平衡时H2的物质的量增加
(4)500 ℃、恒压(p0)条件下,1 mol CH4和1 mol H2O(g)反应达平衡时,CH4的转化率为0.5,CO2的物质的量为0.25 mol,则反应②的平衡常数Kp=　　　　(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
2.(2024·浙江温州高三一模)苯乙烯是用来制备重要高分子聚苯乙烯的原料。以水蒸气作稀释剂、催化剂存在条件下,乙苯催化脱氢可生成苯乙烯。可能发生如下两个反应:
主反应:C6H5C2H5(g)C6H5CH==CH2(g)+H2(g)　ΔH1=+117.5 kJ·mol-1
副反应:C6H5C2H5(g)+H2(g)C6H5CH3(g)+CH4(g)　ΔH2
(1)已知在298 K、101 kPa条件下,某些物质的相对能量(ΔH)变化关系如图所示:
ΔH2=　　　　　 kJ·mol-1。
(2)在不同的温度条件下,以水烃比=9投料,在膜反应器中发生乙苯脱氢反应。膜反应器可以通过多孔膜移去H2,提高乙苯的平衡转化率,原理如图所示。
已知H2移出率Y(H2)=×100%
①忽略副反应。维持体系总压强p恒定,在温度T时,已知乙苯的平衡转化率为α,H2的移出率为b,则在该温度下主反应的平衡常数Kp=　　　　　(用α等符号表示)。[对于气相反应,用某组分B的平衡压强p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数,记作Kp,如p(B)=p·x(B),p为平衡总压强,x(B)为平衡系统中B的物质的量分数];
②乙苯的平衡转化率增长百分数与H2的移出率在不同温度条件下的关系如下表:
H2移出率/% 增长百分数/%
700 ℃ 950 ℃ 1 000 ℃
60 8.43 4.38 2.77
80 16.8 6.1 3.8
90 27 7.1 4.39
高温下副反应程度极小。试说明当温度高于950 ℃时,乙苯的平衡转化率随H2的移出率的变化改变程度不大的原因: 　;
③下列说法正确的是　　　　　　。
A.生成H2的总物质的量与苯乙烯相等
B.因为H2被分离至隔离区,故反应器中不发生副反应
C.在恒容的膜反应器中,其他条件不变,增大水烃比,可提高乙苯的转化率
D.膜反应器可降低反应温度,减少副反应的影响
(3)不同催化剂效能与水烃比有关。保持体系总压为常压的条件下,水烃比为9(曲线Ⅰ)时乙苯的平衡转化率与温度的关系的示意图如下:
①请在图中画出水烃比为1时乙苯的平衡转化率与温度的关系曲线(曲线Ⅱ);
②工业上,减小水烃比是降低苯乙烯脱氢装置能耗的一个重要方向。若其他条件不变,减少水烃比,为使反应从起始到平衡均达到或接近原有的反应速率、限度,则可相应的改变的条件:　　　　　。
A.升温　　B.降温　　C.增压　　D.减压
E.催化剂
3.乙烯年产量的高低是衡量一个国家石油化工发展水平的一个极为重要的指标,乙烷裂解制乙烯具有极高的经济效益。回答下列问题:
(1)已知:①2C2H6(g)+7O2(g)4CO2(g)+6H2O(l)　ΔH1=-3 120 kJ·mol-1;
②C2H4(g)+3O2(g)2CO2(g)+2H2O(l)　
ΔH2=-1 411 kJ·mol-1;
③2H2(g)+O2(g)2H2O(l)　ΔH3=-566 kJ·mol-1。
乙烷脱氢制备乙烯的热化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;生产中会间断性地向容器中通入适量O2,使其发生反应2C2H6(g)+O2(g)2C2H4(g)+2H2O(g)　ΔH<0,发生此反应的意义是　。
(2)一定条件下,向某密闭容器中通入4 mol乙烷,使其发生脱氢转化为乙烯,测得乙烯产率随着温度、压强的变化如图1所示:
图1
①X表示　　　　　(填“温度”或“压强”),Y1　　　　　(填“>”或“<”)Y2。
②与A点对应的反应中,若容器容积为2 L,反应开始到恰好达到平衡状态所用时间为5 min,则0~5 min内,用C2H6浓度变化表示的平均反应速率v(C2H6)=　　　　　,此温度下,平衡常数K=　　　　　,A、B两点对应的平衡常数K(A)　　　　　(填“>”“=”或“<”)K(B)。
(3)在800 ℃时乙烷、O2混合后发生的主要反应为2C2H6(g)+O2(g)2C2H4(g)+2H2O(g),测得乙烷的转化率、乙烯的选择性和收率(等于产率×选择性)随投料比的变化关系如图2所示:
图2
Ⅰ、Ⅱ两条曲线表示乙烷转化率的是　　　　　(填“Ⅰ”或“Ⅱ”);当<2时,越小,乙烯的选择性和收率越小的原因是　 　。
常考点9　化学反应速率和化学平衡的综合应用
1.答案 (1)A　(2)①-23.4　②
(3)①温度低于700 ℃,由于反应①ΔH1>0,随温度升高,反应正向进行的程度增大,H2O的物质的量分数逐渐减小;温度高于700 ℃,由于反应②ΔH2<0,随温度升高,平衡逆移,H2O的物质的量分数增大;综合导致H2O的含量在700 ℃左右出现最小值　②BC
(4)7
解析 (1)反应①ΔS>0,ΔH>0,所以反应在高温下自发进行。(2)①第1步+第2步=4×反应②,即ΔH3+ΔH4=4ΔH2,ΔH4=-23.4 kJ·mol-1;②两步反应均放热,且第1步比第2步放出热量更多,第1步为慢反应,第2步为快反应,则第1步活化能大于第2步。
(3)②该反应在恒压条件下进行,气体体积逐渐增大,气体质量不变,即密度逐渐减小,平衡时保持不变,可以作为平衡状态判据,A项正确;温度升高,正、逆反应速率均增大,B项错误;催化剂不能使平衡发生移动,C项错误;其他条件不变,加入稀有气体,体积增大,相当于减压,反应①平衡正向移动,H2的物质的量增加,D项正确。(4)500 ℃、恒压(p0)条件下,1 mol CH4(g)和1 mol H2O(g)反应达平衡时,CH4的转化率为0.5,结合反应列三段式:
　　　　CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)
起始量/mol 1 1 0 0
转化量/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
转化量/mol 0.25 0.25 0.25 0.25
平衡量/mol 0.25 0.25 0.25 1.75
平衡时体系中含有:0.5 mol CH4、0.25 mol H2O、0.25 mol CO、0.25 mol CO2、1.75 mol H2,气体总物质的量为3 mol,则反应②的平衡常数Kp==7。
2.答案 (1)-54.6
(2)①　②主反应吸热,高于950 ℃时,乙苯的平衡转化率很大(或平衡常数很大),H2的移出率对平衡转化率的影响很小(或主反应吸热,高于950 ℃时,温度对于主反应的影响大于H2的移出率对平衡转化率的影响)　③C
(3)①　②AE
解析 (1)根据图像可知:
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;
根据盖斯定律:③-②+①,得C6H5C2H5(g)+H2(g)C6H5CH3(g)+CH4(g)　ΔH2=-54.6 kJ·mol-1。
(2)①设C6H5C2H5的起始投料为1 mol,
　　　C6H5C2H5(g)C6H5CH==CH2(g)+H2(g)
起始/mol 1 0 0
转化/mol α α α
H2的移出率为b,剩余氢气α(1-b) mol,结合总压强p,将数据代入得Kp=;
③由于有副反应发生,生成H2的总物质的量与苯乙烯不相等,故A错误;主反应为可逆过程,始终有H2存在,故反应器中发生副反应,故B错误;在恒容的膜反应器中,其他条件不变,增大水烃比,乙苯的转化率升高,故C正确;膜反应器通过移出H2,减少副反应的影响,D正确。
3.答案 (1)C2H6(g)C2H4(g)+H2(g)　ΔH=+134 kJ·mol-1　为乙烷脱氢生成乙烯提供能量
(2)①温度　<　②0.24 mol·L-1·min-1　1.8　=
(3)Ⅰ　当<2时,O2过量,越小,O2过量越多,乙烷的转化率越大,过量的O2可氧化乙烯,导致乙烯的选择性和收率越低
解析 (1)根据盖斯定律,0.5×①-②-0.5×③可得C2H6(g)C2H4(g)+H2(g)　ΔH=+134 kJ·mol-1;由于乙烷脱氢生成乙烯需要吸收热量,而乙烷部分氧化时会放出热量,放出的热量满足乙烷脱氢需要吸收的热量。(2)①由于乙烷脱氢是吸热反应,其他条件相同时,温度越高乙烯的平衡产率越大,而压强越大,越不利于平衡正向进行,故X代表温度,Y代表压强。②乙烯的理论产量是c(C2H4)=2 mol·L-1,由此知A点对应平衡时c(C2H4)=c(H2)=1.2 mol·L-1,c(C2H6)=0.8 mol·L-1,v(C2H6)==0.24 mol·L-1·min-1;K==1.8,平衡常数是温度的函数,只和温度有关,A、B两点温度相同,故平衡常数相等。(3)原料中O2含量越低,乙烷的转化率一定是越低的,故Ⅰ表示乙烷的转化率;高温下,乙烷除脱氢生成乙烯外,还可以转化为C、CO、CO2等物质,由化学方程式可知,当<2时,O2过量,越小,O2过量越多,乙烷的转化率越大,过量的O2可氧化乙烯,导致乙烯的选择性和收率降低。
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