第55练　化学平衡综合 课时作业（含答案）2026届高三化学一轮总复习

第55练　化学平衡综合
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1. (2025·东山中学高三月考)CH3OH是一种绿色燃料，工业上制备CH3OH发生如下反应：
反应1：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.5 kJ·mol－1
反应2：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ·mol－1
(1)n起始(CO2)∶n起始(H2)＝1∶3的混合气体发生反应1和反应2，恒压分别为1 MPa、3 MPa、5 MPa下反应达到平衡时CO2的转化率(α)(曲线a、b、c)以及3 MPa时生成CH3OH、CO选择性(S)的变化如图所示(选择性为目标产物在总产物中的比率)。
①250 ℃时，反应2的平衡常数K＝__________________。
②随着温度升高，a、b、c三条曲线接近重合的原因是________________________________________________。
(2)恒压下，n起始(CO2)∶n起始(H2)＝1∶3的混合气体以一定流速通入分子筛膜反应器(如图所示)，反应相同时间，测得甲醇选择性随温度的变化如图所示。
　　　
①随温度升高，平衡时CH3OH选择性降低的原因是______________________________。
②温度相同时，CH3OH选择性的实验值高于平衡值，其原因可能是________________________________。
③分子筛膜反应器可提高CO2转化率的原因是______________________________________________。
2. 乙醇被广泛应用于能源、化工、食品等领域，工业上可用以下两种方法制备乙醇。
Ⅰ.2CO2(g)＋6H2(g)C2H5OH(g)＋3H2O(g)。一定条件下，在一密闭容器中充入4 mol CO2和14 mol H2发生该反应，如图表示不同压强下CO2的平衡转化率与温度的关系。回答下列问题。
(1)活化能Ea(正)__________Ea(逆)(填“>”或“<”)。
(2)若在恒容绝热的容器中发生该反应，下列情况下反应一定达到平衡状态的是__________(填序号)。
A. 容器内CO2和H2体积比不再改变 B. 容器内气体密度不再改变
C. 容器内温度不再发生改变 D. 断开C===O键与断开O—H键的数目之比为2∶3
Ⅱ.乙酸甲酯(CH3COOCH3)催化加氢制取乙醇。包括以下主要反应：
①CH3COOCH3(g)＋2H2(g)C2H5OH(g)＋CH3OH(g)　ΔH1
②CH3COOCH3(g)＋H2(g)CH3CHO(g)＋CH3OH(g)　ΔH2＝＋13.6 kJ·mol－1
(3)已知CH3COOCH3、H2、C2H5OH、CH3OH的燃烧热分别为1 593.4 kJ·mol－1，285.8 kJ·mol－1，1 366.8 kJ·mol－1，725.8 kJ·mol－1，ΔH1＝__________。
(4)其他条件相同，将乙酸甲酯与氢气按一定流速通过固体催化剂表面，乙酸甲酯的转化率随氢酯比[]的关系如图所示。已知固体催化剂作用下的反应速率与催化剂表面各反应物的吸附率有关。氢酯比为8附近，乙酸甲酯的转化率存在最大值的原因是_________________________________________________。
(5)T ℃时在1 L密闭容器内通入1 mol CH3COOCH3和3 mol H2，初始压强为100 MPa，发生反应①和②，达到平衡时体系压强变成90 MPa且H2的分压为CH3COOCH3分压的5倍，反应①的平衡常数Kp＝__________ MPa－1。
3. (2025·玄武高中高三下月考)苯乙烯是合成橡胶和塑料的重要原料，可由乙苯为原料制得。
(1)利用“乙苯脱氢反应”可制备苯乙烯。
C6H5C2H5(g)C6H5CH===CH2(g)＋H2(g)　ΔH＝a kJ·mol－1
保持气体总压不变，原料气按以下A、B、C三种投料方式进行：
A. 乙苯　　　　　B. n(乙苯)∶n(N2)＝1∶10　　　　　C. n(乙苯)∶n(CO2)＝1∶10
三种投料分别达到平衡时，乙苯转化为苯乙烯的转化率与温度的关系如图1所示。
①a__________0(填“＞”、“＜”或“不能确定”)。
②相同温度下，投料方式B乙苯的平衡转化率比投料方式A的高，其原因是____________________________________________________________________________________。
③相同温度下，投料方式C乙苯的平衡转化率比投料方式B的高，其可能原因是__________________________________________________________________________________________________________________________________。
④工业上利用“乙苯脱氢反应”生产苯乙烯时，会产生少量积碳。使用相同条件下的水蒸气代替N2，可较长时间内保持催化剂的催化活性，其原因是_______________________________________________。
(2)CO2用于制备苯乙烯有助于实现“碳中和”。
①在催化剂X作用下，CO2参与反应的机理如图2所示(α、β表示乙苯分子中C或H原子的位置；A、B为催化剂的活性位点，其中A位点带部分正电荷，B1、B2位点带部分负电荷)。根据元素电负性的变化规律，图2所示的反应机理中步骤Ⅰ和步骤Ⅱ可描述为__________________________________________________________。
②保持混合气体总压(p)等其他条件不变，CO2的分压与乙苯转化率的关系如图3所示。p(CO2)＞14 kPa时，乙苯转化率下降的原因是____________________________________。
4. (2024·海安高三上期末)CO2的资源化利用技术是世界各国研究的热点。CO2与H2合成二甲醚(CH3OCH3)的工艺主要涉及三个反应：
反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－49.01 kJ·mol－1
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.17 kJ·mol－1
反应Ⅲ：2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH＝－24.52 kJ·mol－1
(1)一定温度下，向1 L恒容密闭容器中加入0.25 mol CO2和1.0 mol H2发生上述3个反应，达到平衡时测得部分物质的浓度如表所示：
成分 CO CO2 CH3OCH3
浓度/(mol·L－1) 8×10－3 0.17 3×10－2
则CO2的平衡转化率α＝__________，平衡时CO2转化为CH3OCH3的选择性＝__________(选择性是指生成指定物质消耗的CO2占CO2消耗总量的百分比)。
(2)在压强3.0 MPa，＝4时，不同温度下CO2的平衡转化率和产物的选择性如图所示。
①当温度超过290 ℃，CO2的平衡转化率随温度升高而增大的原因是___________________________________。
②不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OCH3选择性的措施有_____________________________________。
第55练　化学平衡综合
1. (1)①或0.009 6或9.6×10－3　②升温会抑制放热反应1，同时促进吸热反应2，即温度较高时以反应2为主，而反应2前后气体分子数相等，压强改变对平衡无影响
(2)①温度升高，平衡时反应1正向进行程度减小　②在该条件下反应1的速率大于反应2，单位时间内生成甲醇的量比生成CO的量多　③分子筛膜可将H2O从体系中移出，使c(H2O)降低，促使反应1正向进行
解析：(1)①由图可知，250 ℃、3 MPa时下生成CH3OH、CO的选择性(S)均为50%，平衡时CO2的转化率为20%，设n起始(CO2)＝1 mol，n起始(H2)＝3 mol，则平衡时CO2的转化量为1 mol×20%＝0.2 mol，生成n(CH3OH)＝n(CO)＝0.2 mol×50%＝0.1 mol，建立三段式：
CO2(g) ＋ 3H2(g) CH3OH(g) ＋ H2O(g)
n0·mol－1 1 3 0 0
Δn·mol－1 0.1 0.3 0.1 0.1
n平·mol－1 0.8 2.6 0.1 0.2
CO2(g) ＋ H2(g) CO(g) ＋ H2O(g)
n0·mol－1 1 3 0 0
Δn·mol－1 0.1 0.1 0.1 0.1
n平·mol－1 0.8 2.6 0.1 0.2
设体积为V，则此时反应2的平衡常数K＝＝＝(或0.009 6或9.6×10－3)；
②由图可知，温度较高时甲醇的选择性(S)较小，CO选择性(S)较大，说明温度较高时主要发生反应2，反应2是气体体积不变的吸热反应，压强改变对CO2平衡转化率无影响，导致三条曲线接近重合，则随着温度升高，a、b、c三条曲线接近重合的原因是：升温会抑制放热反应1，同时促进吸热反应2，即温度较高时以反应2为主，而反应2前后气体分子数相等，压强改变对平衡无影响；
(2)①反应1是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，导致反应1正向进行程度减小，CH3OH选择性降低，则随温度升高，平衡时CH3OH选择性降低的原因是：温度升高，平衡时反应1正向进行程度减小；②温度相同时，若反应速率：反应1>反应2，可导致CH3OH选择性的实验值高于平衡值，则原因可能是：在该条件下反应1的速率大于反应2，单位时间内生成甲醇的量比生成CO的量多；③由图可知，反应过程中分子筛膜可将H2O从体系中移出，再用N2作吹扫气，及时将生成的H2O从反应器中分离移出，c(H2O)降低，使反应1平衡正向移动，可提高CO2转化率，则分子筛膜反应器可提高CO2转化率的原因是分子筛膜可将H2O从体系中移出，使c(H2O)降低，促使反应1正向进行。
2. (1)<　(2)AC
(3)－72.4 kJ·mol－1
(4)氢酯比小于8，乙酸甲酯及H2均有较大的吸附率，增大氢酯比，H2的吸附率增大，使乙酸甲酯转化率增大(或增大氢酯比，平衡正向移动，乙酸甲酯转化率增大)；氢酯比大于8，大量的H2吸附在催化剂的表面，阻碍了催化剂吸附乙酸甲酯，导致乙酸甲酯的转化率减小
(5)0.006
解析：(1)根据图表可知，温度升高二氧化碳平衡转化率下降，平衡逆向移动，故逆反应放热，正反应吸热，ΔH＝Ea(正)－Ea(逆)<0，活化能Ea(正)(2)密闭容器中充入4 mol CO2和14 mol H2发生该反应，容器内CO2和H2体积比不再改变时，可以判断达到平衡，故A正确；恒容容器中，气体的密度不会改变，故B错误；绝热容器内，未达到平衡前，温度一直在变，当温度不变时达到了平衡，故C正确；断开C===O键与断开O—H键的数目之比为4∶7才说明反应速率相等，故D错误。故选AC。
(3)燃烧热是1 mol物质完全燃烧生成稳定产物的放热，通过盖斯定律，反应①可以由CH3COOCH3燃烧反应＋H2燃烧反应×2－C2H5OH燃烧反应－CH3OH燃烧反应得到，故可以算出ΔH1＝－1 593.4 kJ·mol－1＋(－285.8 kJ·mol－1)×2－(－1 366.8 kJ·mol－1)－(－725.8 kJ·mol－1)＝－72.4 kJ·mol－1。
(4)由题目提示，固体催化剂作用下的反应速率与催化剂表面各反应物的吸附率有关，故氢酯比小于8，乙酸甲酯及H2均有较大的吸附率，增大氢酯比，H2的吸附率增大，使乙酸甲酯转化率增大(或增大氢酯比，平衡正向移动，乙酸甲酯转化率增大)；氢酯比大于8，大量的H2吸附在催化剂的表面，阻碍了催化剂吸附乙酸甲酯，导致乙酸甲酯的转化率减小，故氢酯比为8附近，乙酸甲酯的转化率最大。
(5)由反应①和反应②知，压强减小是反应①造成，设反应①中CH3COOCH3反应a mol，列出三段式：
CH3COOCH3(g) ＋ 2H2(g) C2H5OH(g) ＋ CH3OH(g)
起始(mol) 1 3 0 0
转化(mol) a 2a a a
平衡(mol) 1－a 3－2a a a
＝＝，解得a＝0.4，设反应②中CH3COOCH3反应b mol，根据反应②的方式化学计量数，反应②中H2也反应b mol，根据达到平衡时H2的分压为CH3COOCH3分压的5倍，＝，解得b＝0.2，则平衡时CH3OH、C2H5OH、H2、CH3COOCH3物质的量分别为0.4 mol、2 mol、0.4 mol、0.6 mol，气体总物质的量为3.6 mol，反应①的平衡常数Kp＝＝0.006 MPa－1。
3. (1)①＞　②加入一定量N2使“乙苯脱氢反应”的Qc＜Kc(或Qp＜Kp)，反应平衡时正向进行程度更大　③CO2与C6H5C2H5反应生成C6H5CH===CH2；CO2与H2反应[H2(g)＋CO2(g)===CO(g)＋H2O(g)]使H2浓度减小，“乙苯脱氢反应”平衡时正向进行程度更大　④水蒸气与积碳发生反应H2O(g)＋C(s)===CO(g)＋H2(g)，可消除催化剂表面的积碳
(2)①乙苯α H带部分正电荷，被带部分负电荷的B1位点吸引，随后解离出H＋并吸附在B1位点上；(B1位点上的)H＋与B2位点上CO2中带部分负电荷的O作用生成，带部分正电荷的C吸附在带部分负电荷的B2位点上　②过多的CO2占据了带部分负电荷的B1位点，使得乙苯α H的脱除速率降低，乙苯转化率下降
解析：(1)①脱氢反应通常需要吸收热量来打破化学键，所以这是吸热反应，ΔH>0，即a＞0。②相同温度下，投料方式B乙苯的平衡转化率比投料方式A的高，其原因是加入一定量N2使“乙苯脱氢反应”的Qc＜Kc(或Qp＜Kp)，反应平衡时正向进行程度更大。③相同温度下，投料方式C乙苯的平衡转化率比投料方式B的高，其可能原因是CO2与C6H5C2H5反应生成C6H5CH===CH2；CO2与H2反应[H2(g)＋CO2(g)===CO(g)＋H2O(g)]使H2浓度减小，“乙苯脱氢反应”平衡时正向进行程度更大。④工业上利用“乙苯脱氢反应”生产苯乙烯时，会产生少量积碳。使用相同条件下的水蒸气代替N2，可较长时间内保持催化剂的催化活性，其原因是水蒸气与积碳发生反应H2O(g)＋C(s)===CO(g)＋H2(g)，可消除催化剂表面的积碳。
(2)①图2所示的反应机理中步骤Ⅰ和步骤Ⅱ可描述为乙苯α H带部分正电荷，被带部分负电荷的B1位点吸引，随后解离出H＋并吸附在B1位点上；(B1位点上的)H＋与B2位点上CO2中带部分负电荷的O作用生成，带部分正电荷的C吸附在带部分负电荷的B2位点上。②CO2的分压与乙苯转化率的关系如图3所示，p(CO2)＞14 kPa时，乙苯转化率下降的原因是过多的CO2占据了带部分负电荷的B1位点，使得乙苯α H的脱除速率降低，乙苯转化率下降。
4. (1)32%　75%
(2)①反应Ⅱ的ΔH>0，反应Ⅰ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CH3OH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Ⅰ、Ⅲ催化活性更高的催化剂
解析：(1)c始(CO2)＝0.25 mol·L－1，c平(CO2)＝0.17 mol·L－1，CO2的平衡转化率α＝×100%＝32%；平衡时，CO2转化为CH3OCH3的选择性＝×100%＝75%。
(2)①反应Ⅱ的ΔH>0，反应Ⅰ的ΔH<0，温度升高，使CO2转化为CO平衡转化率上升，使CO2转化为CH3OH平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度，当温度超过290 ℃，CO2平衡转化率随温度升高而增大。②要提高CH3OCH3选择性，就要抑制反应Ⅱ、促进反应Ⅰ、Ⅲ，可以增大压强、使用对反应Ⅰ、Ⅲ催化活性更高的催化剂等。