第二章　提升课时2　多重平衡体系下的化学平衡分析 练习（含答案）2025秋高中化学选择性必修一（人教版2019）

第二章　提升课时2　多重平衡体系下的化学平衡分析
1.(5分)一定温度、某催化剂条件下，物质A在某有机溶剂中同时发生以下两个反应：
①A(g)＋B(g)===X(g)＋Y(g)；②A(g)＋B(g)===X(g)＋Z(g)。反应①的速率可表示为v1＝k1c2(A)，反应②的速率可表示为v2＝k2c2(A)(k1、k2为速率常数)。已知反应过程中有关物质在该有机溶剂中的相对能量如图所示，下列说法错误的是(　　)
Z比Y稳定
k1大于k2
选择相对较长的反应时间，可提高产物Z的选择性
适当升高温度，可以使的比值增大
2.(6分)探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：
Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.5 kJ·mol－1
Ⅱ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH2＝－90.4 kJ·mol－1
Ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH3
回答下列问题：
(1)(4分)反应Ⅳ：不同压强下，按照n(CO2)∶n(H2)＝1∶3投料，实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如下图所示。
已知：CO2的平衡转化率＝×100%
CH3OH的平衡产率＝×100%
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图________(1分)(填“甲”或“乙”)；压强p1、p2、p3由大到小的顺序为________(1分)；图乙中T1温度时，三条曲线几乎交于一点的原因是_________________________________________________
_______________________________________________________(2分)。
(2)(2分)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率，应选择的反应条件为________(填标号)。
A.低温、高压 B.高温、低压
C.低温、低压 D.高温、高压
3.(7分)某温度下，N2O5气体在一体积固定的容器中发生如下反应：2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)(慢反应)　ΔH＜0，2NO2(g)N2O4(g)(快反应)　ΔH＜0，体系的总压强p总和p(O2)随时间的变化如图所示：
(1)(1分)图中表示O2压强变化的曲线是________(填“甲”或“乙”)。
(2)(4分)已知N2O5分解的反应速率v＝0.12p(N2O5) kPa·h－1，t＝10 h时，p(N2O5)＝________ kPa，v＝________ kPa·h－1(结果保留两位小数，下同)。
(3)(2分)该温度下2NO2(g)N2O4(g)反应的平衡常数Kp＝________ kPa－1(Kp为以分压表示的平衡常数)。
4.(10分)(2024·山东省实验中学高二期中)利用二氧化碳氢化法合成二甲醚(CH3OCH3，代号DME)涉及的反应有：
反应Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1<0
反应Ⅱ.2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH2<0
反应Ⅲ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH3>0
回答下列问题：
(1)(2分)反应Ⅳ：2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)　ΔH＝___________________________________________________________________
(用含ΔH1 、ΔH2的代数式表示)。
(2)(8分)已知：生成物A的选择性＝
×100%，在3.0 MPa下，密闭容器中充入1 mol CO2 和4 mol H2发生反应，CO2 的平衡转化率和生成物的选择性随温度变化如图所示(不考虑其他因素影响)：
①在220 ℃条件下，平衡时n(CH3OCH3)＝________ mol，计算反应Ⅱ的平衡常数为________(保留3位有效数字)。
②温度高于280 ℃，CO2 的平衡转化率随温度升高而上升，从平衡移动的角度分析原因：______________________________________________________
___________________________________________________________________。
③其他条件不变，压强改为4.0 MPa，图中点C将可能调至点________(填“A”“B”或“D”)。
5.(12分)空间站处理CO2的一种重要方法是对CO2进行收集和再生处理，重新生成可供人体呼吸的氧气。其技术路线可分为以下三步：
Ⅰ.固态胺吸收与浓缩CO2
在水蒸气存在下固态胺吸收CO2反应生成酸式碳酸盐(该反应是放热反应)，再解吸出CO2的简单方法是加热。
Ⅱ.CO2的加氢甲烷化，H2还原CO2制CH4的部分反应如下：
i.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH1＝＋41 kJ·mol－1
ii.CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g)　ΔH2＝－246 kJ·mol－1
(1)(2分)反应CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)的ΔH＝________ kJ·mol－1。
(2)(2分)向恒容绝热的密闭容器中充入a mol CO与2a mol H2(g)，进行反应ii，下列能判断反应已达化学平衡状态的是________。
a.容器中混合气体密度不变
b.混合气体中c(CH4)与c(H2O)之比不变
c.v正(H2)＝3v逆(H2O)
d.容器内温度不变
Ⅲ.CO2和H2合成甲烷也是资源化利用的重要方法。对于上述(1)的反应CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH，催化剂的选择是CO2甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂条件下反应相同时间，测得CO2转化率和生成CH4选择性随温度变化的影响如下图所示：
(3)(2分)高于320 ℃后，以Ni为催化剂，CO2转化率仍在上升，其原因是___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(4)(2分)对比上述两种催化剂的催化性能，工业上应选择的催化剂是___________________________________________________________________，
使用的合适温度为____________________________________________________。
(5)(4分)控制起始时＝4，p＝1 atm，恒容条件下，若只发生反应i、ii，平衡时各物质的量分数随温度的变化如图所示：
①(2分)图中代表CH4的曲线是________(填“a”“b”或“c”)；温度低于500 ℃时，CO的物质的量分数约为0，说明此条件下，反应________(填“i”或“ii”)化学平衡常数大，反应完全。
②(2分)M点(T<500 ℃)时，反应CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)的平衡常数Kp＝__________ atm－2(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
提升课时2　多重平衡体系下的化学平衡分析
1.C　[根据图中信息，Z的能量比Y的能量低，根据能量越低越稳定，则Z比Y稳定，A正确；根据图中信息反应①的活化能小于反应②的活化能，说明反应①速率快，则k1大于k2，B正确；达到平衡后，选择反应时间较长，生成Z的量都不会改变，因此不可提高产物Z的选择性，C错误；适当升高温度，分子吸收热量，活化分子数增多，活化分子百分数增多，则Z的生成量会增大，因此可以使的比值增大，D正确。]
2.(1)乙　p1、p2、p3　T1时以反应Ⅲ为主，反应Ⅲ前后气体分子数相等，压强改变对平衡没有影响　(2)A
解析　(1)反应Ⅰ和Ⅱ为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，则CH3OH的平衡产率减少，所以图甲表示CH3OH的平衡产率，图乙中，开始升高温度，由于反应Ⅰ和Ⅱ为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，CO2的平衡转化率降低，反应Ⅲ为吸热反应，升高温度反应Ⅲ向正反应方向移动，升高一定温度后以反应Ⅲ为主，CO2的平衡转化率又升高，所以图乙表示CO2的平衡转化率；压强增大，反应Ⅰ和Ⅱ是气体体积减小的反应，反应Ⅰ和Ⅱ平衡正向移动，反应Ⅲ气体体积不变化，平衡不移动，故压强增大CH3OH的平衡产率增大，根据图可知压强关系为p1>p2>p3；温度升高，反应Ⅰ和Ⅱ平衡逆向移动，反应Ⅲ向正反应方向移动，所以T1温度时，三条曲线交于一点的原因为T1时以反应Ⅲ为主，反应Ⅲ前后分子数相等，压强改变对平衡没有影响；(2)根据图示可知，温度越低，CO2的平衡转化率越大，CH3OH的平衡产率越大，压强越大，CO2的平衡转化率越大，CH3OH的平衡产率越大，所以选择低温和高压，答案选A。
3.(1)乙　(2)28.20　3.38　(3)0.05
解析　(1)根据反应分析，随着反应的进行氧气的压强从0开始逐渐增大，所以乙为氧气的压强变化曲线。(2)t＝10 h时，p(O2)＝12.8 kPa，由2N2O5(g)===4NO2(g)＋O2(g)分析，反应的五氧化二氮的分压为25.6 kPa，起始压强为53.8 kPa，所以10 h时p(N2O5)＝(53.8－25.6) kPa＝28.20 kPa，N2O5分解的反应速率v＝0.12p(N2O5) kPa·h－1＝0.12×28.20 kPa·h－1≈3.38 kPa·h－1。(3)N2O5完全分解时，p(NO2)＝53.8 kPa×2＝107.6 kPa，p(O2)＝＝26.9 kPa。
有107.6－2x＋x＋26.9＝94.7 kPa，解得x＝39.8 kPa，
平衡常数Kp＝ kPa－1≈0.05 kPa－1。
4.(1)2ΔH1＋ΔH2
(2)0.16　24.9　反应Ⅰ(或反应Ⅳ)ΔH＜0，反应ⅢΔH＞0，升温时反应Ⅰ(或反应Ⅳ)左移，反应Ⅲ右移，且温度高于280 ℃时，反应Ⅲ右移程度大于反应Ⅰ左移程度，使CO2 的平衡转化率上升　B
解析　(1)根据盖斯定律可知，反应2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)是2×反应Ⅰ＋反应Ⅱ，则ΔH＝2ΔH1＋ΔH2；(2)①在220 ℃条件下，CO2平衡转化率为40%，CO的选择性为5%、二甲醚的选择性为80%，则有0.38 mol CO2参与反应Ⅰ，0.02 mol CO2参与反应Ⅲ，反应生成CH3OCH3(g) 0.16 mol，所以平衡时n(H2O)＝(0.38＋0.16＋0.02) mol＝0.56 mol，达到平衡时CH3OH(g)的物质的量为(0.38－0.16×2) mol＝0.06 mol，反应2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)在220 ℃下的平衡常数为：K＝＝24.9；②反应Ⅲ的ΔH＞0，反应Ⅰ(或Ⅳ)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，所以温度高于280 ℃，CO2平衡转化率随温度升高而上升；③增大压强，反应Ⅳ正向移动，二甲醚的选择性升高，当其他条件不变，压强为4.0 MPa、图中点C可能调至点B。
5.(1)－205　(2)cd
(3)以Ni为催化剂，CO2甲烷化速率较慢，升高温度加快反应速率，相同的时间内CO2转化率提高
(4)Ni－CeO2　320 ℃
(5)①b　ii　②625
解析　(1)根据盖斯定律，反应i＋ii可得反应CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)的ΔH＝41＋(－246)＝－205 kJ/mol；(2)达到平衡状态的判断方法是“正逆反应速率相等”，“变量不变”；容器中混合气体密度是定值，密度不变不能说明达到平衡状态，a错误；混合气体中c(CH4)与c(H2O)之比是定值，始终是1∶1，不能说明达到平衡状态，b错误；v正(H2)＝3v逆(H2O)符合正逆反应速率相等，能说明达到平衡状态，c正确；恒容绝热的密闭容器中温度是变量，温度不变说明达到平衡状态，d正确。(3)高于320 ℃后，以Ni为催化剂，CO2转化率仍在上升，其原因是以Ni为催化剂，CO2甲烷化速率较慢，升高温度加快反应速率，相同的时间内CO2转化率提高；(4)对比上述两种催化剂，Ni－CeO2作为催化剂时甲烷的选择性高，工业上应选择的催化剂是Ni－CeO2，320 ℃时转化率高选择性大，使用的合适温度为320 ℃；(5)①对于反应CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－205 kJ·mol－1，升高温度，反应逆向移动，H2的物质的量分数增大，CH4和H2O的物质的量分数减小，且CH4和H2O的物质的量分数之比为1∶2，故图中a、b、c代表的物质分别为H2O、CH4、H2；温度低于500 ℃时，CO的物质的量分数约为0，说明CO几乎完全反应，化学平衡常数越大，反应越完全，则反应ii的化学平衡常数大；②起始时＝4，设CO2的起始量为a mol，变化量为x mol，则H2的起始量为4a mol，列三段式计算如下：
，
M点时，n(CH4)＝n(H2)，即4a－4x＝x，整理得x＝0.8a，则平衡时CO2、H2、CH4、H2O的物质的量分别为0.2a mol、0.8a mol、0.8a mol、1.6a mol，各气体的总物质的量为(0.2a＋0.8a＋0.8a＋1.6a) mol＝3.4a mol，在恒温恒容下，压强之比等于物质的量之比，则＝，平衡时p＝ atm，平衡分压p(CO2)＝× atm＝0.04 atm，平衡常数Kp＝＝＝625。