第20练 化学反应速率与化学平衡归因分析问题
[分值：100分]
1.(7分)[2019·江苏，20(3)]CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2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 。
②220 ℃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 。
答案 ①反应Ⅰ的ΔH>0，反应Ⅱ的ΔH<0，温度升高，反应Ⅰ平衡正向移动，反应Ⅱ平衡逆向移动，使CO2转化为CO的平衡转化率上升，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 ②反应Ⅰ是反应前后气体分子数不变的反应，反应Ⅱ是反应前后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。
2.(4分)利用CO、CO2原料和氢气催化合成甲醇，发生如下反应：
反应① CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
反应② CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g)
反应③ CO(g)+2H2(g)===CH3OH(g)
温度超过210 ℃，随着温度的升高CO的产率下降的原因是 。
答案 温度超过210 ℃，随着温度的升高，反应②生成CO的量小于反应③消耗CO的量
3.(4分)低温等离子技术是在高压放电下，O2产生氧自由基(O·)，O·将NO氧化为NO2后，再用Na2CO3溶液吸收，达到消除NO的目的。实验室将模拟气(N2、O2、NO)以一定流速通入低温等离子体装置，实验装置如图1所示。
其他条件相同，等离子体的电功率与NO的转化率关系如图2所示，当电功率大于30 W时，NO转化率下降的原因可能是 。
答案 功率增大时，会产生更多的O·，NO更易被氧化为NO2；功率增大，N2和O2在放电时会生成NO；相比而言，后者产生的NO更多
4.(4分)某含砷酸性废水经过“沉砷、碱浸”“氧化脱硫”等步骤后进行“酸化、吸附”时，在氧化脱硫后的滤液中进行调节pH，加入某吸附剂。已知As(Ⅴ)在不同pH下的存在形式如图1所示。常温下，pH>7.1时，吸附剂表面带负电，pH越大，吸附剂表面带的负电荷越多；pH<7.1时，吸附剂表面带正电，pH越小，吸附剂表面带的正电荷越多。当溶液pH介于3~5之间时，吸附剂对As(Ⅴ)的平衡吸附量随pH的升高而增大(如图2所示)，分析其原因： 。
答案 pH介于3~5之间时，随pH升高，H3AsO4转变为H2As，负电荷数增加，吸附剂表面所带正电荷数减小，且前者增加的程度大于后者减小的程度，静电引力增加，吸附量增大
5.(11分)[2024·江苏，14(1)(2)①]回收磁性合金钕铁硼(Nd2Fe14B)可制备半导体材料铁酸铋和光学材料氧化钕。
(1)钕铁硼在空气中焙烧转化为Nd2O3、Fe2O3等(忽略硼的化合物)，用0.4 mol·L-1盐酸酸浸后过滤得到NdCl3溶液和含铁滤渣。Nd、Fe浸出率(×100%)随浸取时间变化如图所示。
①含铁滤渣的主要成分为 (填化学式)。
②浸出初期Fe浸出率先上升后下降的原因是 。
(2)含铁滤渣用硫酸溶解，经萃取、反萃取提纯后，用于制备铁酸铋。
用含有机胺(R3N)的有机溶剂作为萃取剂提纯一定浓度的Fe2溶液，原理为：
SO4+Fe3++H2OH++Fe(OH)(有机层)
已知：SO4+H++
2(R3NH·HSO4)
其他条件不变，水层初始pH在0.2~0.8范围内，随水层pH增大，有机层中Fe元素含量迅速增多的原因是 。
答案 (1)①Fe2O3 ②浸出初期，c(H+)较大，铁的浸出率较大，约5 min后，溶液酸性减弱，Fe3+水解生成Fe(OH)3进入滤渣，使铁的浸出率下降
(2)随水层pH增大，H+的浓度减小，SO4+Fe3++H2OH++Fe(OH)的化学平衡向正反应方向移动，SO4+H++2(R3NH·HSO4)的化学平衡逆向移动，该平衡逆向移动引起SO4浓度的增大，进一步促进萃取平衡向萃取方向移动，导致Fe(OH)的浓度增大，因此，有机层中Fe元素含量迅速增多
解析 (1)①钕铁硼在空气中焙烧后得到的Nd2O3、Fe2O3，由图中信息可知，加入盐酸酸浸时，Nd的浸出率远大于Fe的浸出率，说明此过程中Nd2O3几乎全部溶于盐酸转化成Nd3+，而Fe2O3只有很少部分转化成Fe3+，因此，含铁滤渣的主要成分为Fe2O3。
6.(15分)(2025·海安模拟)高纯ZnO可用作电子元件材料。工业上利用锌焙砂(主要成分为ZnO，含有少量CuO、As2O3、NiO等)生产高纯ZnO的流程示意图如下：
(1) 浸出
用一定浓度的 (NH4)2SO4溶液和氨水的混合液浸取锌焙砂，得到含[Zn(NH3)4]SO4的浸出液。
①ZnO发生反应的化学方程式为 。
②锌元素的浸出率随浸出液初始pH 的变化关系如图所示，当浸出液初始pH大于10时，浸出率随pH增大而减小的原因是 。
(2)除砷
①过二硫酸铵[(NH4)2S2O8]中-1价O与 -2价O的个数比为 。
②滤渣主要成分为 FeAsO4(As为+5价)。理论上每生成1 mol FeAsO4，需要1.5 mol(NH4)2S2O8，其原因是 (用化学方程式解释)。
(3)沉锌
蒸氨后需要冷却处理才能进行“沉锌”的原因是 。
答案 (1)①ZnO+(NH4)2SO4+2NH3·H2O===[Zn(NH3)4]SO4+3H2O ②pH增大，溶液中c(OH-)增大，生成 Zn(OH)2沉淀 (2)①1∶3 ②4NH3·H2O+2(NH4)3AsO3+3(NH4)2S2O8+2FeSO4===8(NH4)2SO4+2H2O+2FeAsO4↓ (3)碳酸氢铵受热易分解，降低温度，防止碳酸氢铵分解，提高锌的沉淀率
解析 (2)①过二硫酸根中有一个过氧键，硫原子最高价为+6，则8个氧原子价态和为-14，若氧原子全为-2价，则价态和为-16，即应该有2个氧原子为-1价，-2价的O有6个，因此-1价O与-2价O的个数比为1∶3。②生成1 mol FeAsO4，有1 mol Fe2+氧化为 Fe3+，转移电子为1 mol，还有1 mol As转化为 As，转移电子为2 mol，所以一共转移3 mol电子，1 mol (NH4)2S2O8有1 mol过氧根，转移2 mol电子，所以生成 1 mol FeAsO4，需要1.5 mol(NH4)2S2O8。
7.(12分)(2025·苏州模拟)甲醇是重要的化工基础原料，以 CO2为原料制甲醇具有重要的社会价值
(1)CO2催化加氢制甲醇
CO2催化加氢制甲醇过程中的主要反应如下：
反应Ⅰ： CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+ H2O(g) ΔH=-49.2 kJ·mol-1
反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g) ΔH=41.2 kJ·mol-1
在恒压、 n(CO2)∶n(H2)投料比为1∶3时，CO2平衡转化率和 CH3OH平衡选择性随温度的变化如图所示[CH3OH选 择 性 = ×100%]。
①236~250 ℃范围内， CO2平衡转化率随温度升高而下降的原因是 。
②244 ℃时，反应一段时间后，测得 CH3OH选择性为56.8%(图中A点)。不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OH选择性的措施有 。
③244 ℃时，向密闭容器内投入 1 mol CO2和3 mol H2充分反应，则平衡时生成 CH3OH的物质的量为_____________ mol(结果保留小数点后4位)。
(2)CO2加氢制甲醇催化剂的研究
用 Co C作催化剂，可得到含少量甲酸的甲醇。相同条件下，将催化剂循环使用，甲醇产量与催化剂循环次数的关系如图所示。甲醇产量随循环次数增加而减小的原因可能是 。
答案 (1)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 CH3OH的平衡转化率下降，且下降幅度超过上升幅度 ②增大压强、使用对反应Ⅰ催化活性更高的催化剂 ③0.061 2 (2)反应产生的甲酸腐蚀催化剂，使催化剂活性降低
解析 (1)③244 ℃时，达到平衡时，CO2的平衡转化率为10.5%，CH3OH选择性为58.3%，CH3OH选择性 =×100%，投入1 mol CO2，消耗 0.105 mol CO2，n生成(CH3OH)=58.3%×0.105 mol≈0.061 2 mol。(2)反应过程中产生甲酸，催化剂为金属钴，甲酸会与钴反应使催化剂活性降低。
8.(7分)将甲醇转化耦合到丁烯裂解过程中生产丙烯，主要涉及下列反应：
①2C4H8(g)2C3H6(g)+ C2H4(g) ΔH>0
②2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g) ΔH<0
③C2H4(g)+C4H8(g)2C3H6(g) ΔH<0
已知：甲醇吸附在催化剂上，可以活化催化剂；甲醇浓度过大也会抑制丁烯在催化剂上的转化。
(1)图1是C3H6及某些副产物的产率与的关系曲线。最佳的约为 。
(2)图2是某压强下，将CH3OH和C4H8按一定的物质的量之比投料，反应达到平衡时C3H6的体积分数随温度的变化曲线。由图2可知平衡时C3H6的体积分数随温度的升高呈现先升高后降低的变化，其原因可能是 。
答案 (1)1.0 (2)300~500 ℃时，丁烯裂解(反应①)为主要反应，是吸热反应，升高温度，平衡正向移动，使C3H6的体积分数增大；温度高于500 ℃时，反应②③为主要反应，是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，同时温度升高易发生副反应，均使C3H6的体积分数降低
9.(24分)丙烯是重要的化工原料，可用丙烷脱氢制备丙烯：
C3H8(g)C3H6(g)+H2(g) ΔH1 Kp1
已知：2C3H8(g)+O2(g)2C3H6(g)+2H2O(g)
ΔH2=-236 kJ·mol-1 Kp2
2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH3=-484 kJ·mol-1 Kp3
(1)ΔH1= kJ·mol-1；平衡常数Kp1= (用Kp2和Kp3表示)。
(2)不同压强下，在密闭容器中丙烷平衡转化率随温度变化关系如图1。
①图中压强由大到小的顺序为 ，判断的依据是 。
②800 K、p2压强下，若进料组成中加入惰性气体Ar，a点将 (填“上移”或“下移”)。
(3)丙烷直接脱氢存在副反应C3H8(g)C2H4(g)+CH4(g)。一定温度下，丙烷和氢气的混合气体以一定流速通过Ga2O3/Al2O3催化剂表面，丙烷转化率、丙烷平衡转化率、丙烯选择性(曲线a)和丙烯生成速率随变化如图2。催化剂Ga2O3/Al2O3反应过程中会有如图3转化，且Ga H/GaOx催化活性更强。
①丙烷转化率随变化的曲线为 (填字母)。
②曲线b随的增加而降低的原因是 。
丙烯生成速率随增加变化的原因是 。
答案 (1)124 (2)①p3>p2>p1
反应为气体分子数增大的反应，增大压强，平衡向左移动，丙烷的平衡转化率减小 ②上移 (3)①c
②随着H2的含量增大，平衡向左移动，丙烷平衡转化率降低 H2活化了催化剂
解析 (1)将3个反应依次记为反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，由盖斯定律可知反应Ⅰ=，ΔH1===124 kJ·mol-1，则Kp1=。(2)①该反应为正向气体分子数增大的反应，当温度一定时，增大压强，平衡逆向移动，丙烷的转化率减小，则压强p3>p2>p1。②800 K、p2压强下，若进料组成中加入惰性气体Ar，原气体的分压减小，则平衡正向移动，丙烷的转化率增大，a点将上移。(3)①已知曲线a为丙烯选择性，随增加丙烯选择性基本不变，则丙烷转化率基本不变，故曲线c为丙烷转化率。
10.(12分)(2025·苏锡常镇一模)将废旧锂离子电池(外壳为铁，电芯含铝)置于不同浓度的Na2S和NaCl溶液中使电池充分放电是电池回收工艺的首要步骤。电池在不同溶液中放电的残余电压随时间的变化如图1所示。对浸泡液中沉淀物热处理后，得到X射线衍射图谱如图2所示。
(1)①电池在5%Na2S溶液中比在5%NaCl溶液中放电速率更大，其原因是 。
②与Na2S溶液相比，NaCl溶液的质量分数由5%增大至10%时，电池残余电压降低速率更快。依据图2 X射线衍射图谱，分析其主要原因： 。
(2)将放电完全的钴酸锂电池正极材料粉碎后进行酸浸处理。实验测得，在相同条件下，使用盐酸作浸取剂可使钴转化为Co2+，转化率达到99%，但工业生产使用HCl H2O2混合物作浸取剂。
①写出盐酸作浸取剂发生酸浸反应的化学方程式： 。
②工业生产时在盐酸中加入H2O2，H2O2的作用是 。
答案 (1)①等质量分数的Na2S溶液中离子浓度更大、离子所带电荷更多；S2-、HS-还原性比Cl-强 ②NaCl溶液质量分数由5%增大为10%时，对电池外壳和电芯的腐蚀速率加快
(2)①2LiCoO2+8HCl===2LiCl+2CoCl2+Cl2↑+4H2O ②作还原剂第20练 化学反应速率与化学平衡归因分析问题
[分值：100分]
1.(7分)[2019·江苏，20(3)]CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2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 。
②220 ℃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 。
2.(4分)利用CO、CO2原料和氢气催化合成甲醇，发生如下反应：
反应① CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
反应② CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g)
反应③ CO(g)+2H2(g)===CH3OH(g)
温度超过210 ℃，随着温度的升高CO的产率下降的原因是 。
3.(4分)低温等离子技术是在高压放电下，O2产生氧自由基(O·)，O·将NO氧化为NO2后，再用Na2CO3溶液吸收，达到消除NO的目的。实验室将模拟气(N2、O2、NO)以一定流速通入低温等离子体装置，实验装置如图1所示。
其他条件相同，等离子体的电功率与NO的转化率关系如图2所示，当电功率大于30 W时，NO转化率下降的原因可能是 。
4.(4分)某含砷酸性废水经过“沉砷、碱浸”“氧化脱硫”等步骤后进行“酸化、吸附”时，在氧化脱硫后的滤液中进行调节pH，加入某吸附剂。已知As(Ⅴ)在不同pH下的存在形式如图1所示。常温下，pH>7.1时，吸附剂表面带负电，pH越大，吸附剂表面带的负电荷越多；pH<7.1时，吸附剂表面带正电，pH越小，吸附剂表面带的正电荷越多。当溶液pH介于3~5之间时，吸附剂对As(Ⅴ)的平衡吸附量随pH的升高而增大(如图2所示)，分析其原因： 。
5.(11分)[2024·江苏，14(1)(2)①]回收磁性合金钕铁硼(Nd2Fe14B)可制备半导体材料铁酸铋和光学材料氧化钕。
(1)钕铁硼在空气中焙烧转化为Nd2O3、Fe2O3等(忽略硼的化合物)，用0.4 mol·L-1盐酸酸浸后过滤得到NdCl3溶液和含铁滤渣。Nd、Fe浸出率(×100%)随浸取时间变化如图所示。
①含铁滤渣的主要成分为 (填化学式)。
②浸出初期Fe浸出率先上升后下降的原因是 。
(2)含铁滤渣用硫酸溶解，经萃取、反萃取提纯后，用于制备铁酸铋。
用含有机胺(R3N)的有机溶剂作为萃取剂提纯一定浓度的Fe2溶液，原理为：
SO4+Fe3++H2OH++Fe(OH)(有机层)
已知：SO4+H++2(R3NH·HSO4)
其他条件不变，水层初始pH在0.2~0.8范围内，随水层pH增大，有机层中Fe元素含量迅速增多的原因是 。
6.(15分)(2025·海安模拟)高纯ZnO可用作电子元件材料。工业上利用锌焙砂(主要成分为ZnO，含有少量CuO、As2O3、NiO等)生产高纯ZnO的流程示意图如下：
(1) 浸出
用一定浓度的 (NH4)2SO4溶液和氨水的混合液浸取锌焙砂，得到含[Zn(NH3)4]SO4的浸出液。
①ZnO发生反应的化学方程式为 。
②锌元素的浸出率随浸出液初始pH 的变化关系如图所示，当浸出液初始pH大于10时，浸出率随pH增大而减小的原因是 。
(2)除砷
①过二硫酸铵[(NH4)2S2O8]中-1价O与 -2价O的个数比为 。
②滤渣主要成分为 FeAsO4(As为+5价)。理论上每生成1 mol FeAsO4，需要1.5 mol(NH4)2S2O8，其原因是 (用化学方程式解释)。
(3)沉锌
蒸氨后需要冷却处理才能进行“沉锌”的原因是 。
7.(12分)(2025·苏州模拟)甲醇是重要的化工基础原料，以 CO2为原料制甲醇具有重要的社会价值
(1)CO2催化加氢制甲醇
CO2催化加氢制甲醇过程中的主要反应如下：
反应Ⅰ： CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+ H2O(g) ΔH=-49.2 kJ·mol-1
反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g) ΔH=41.2 kJ·mol-1
在恒压、 n(CO2)∶n(H2)投料比为1∶3时，CO2平衡转化率和 CH3OH平衡选择性随温度的变化如图所示[CH3OH选 择 性 = ×100%]。
①236~250 ℃范围内， CO2平衡转化率随温度升高而下降的原因是 。
②244 ℃时，反应一段时间后，测得 CH3OH选择性为56.8%(图中A点)。不改变反应时间和温度，一定能提高CH3OH选择性的措施有 。
③244 ℃时，向密闭容器内投入 1 mol CO2和3 mol H2充分反应，则平衡时生成 CH3OH的物质的量为_____________ mol(结果保留小数点后4位)。
(2)CO2加氢制甲醇催化剂的研究
用 Co C作催化剂，可得到含少量甲酸的甲醇。相同条件下，将催化剂循环使用，甲醇产量与催化剂循环次数的关系如图所示。甲醇产量随循环次数增加而减小的原因可能是 。
8.(7分)将甲醇转化耦合到丁烯裂解过程中生产丙烯，主要涉及下列反应：
①2C4H8(g)2C3H6(g)+ C2H4(g) ΔH>0
②2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g) ΔH<0
③C2H4(g)+C4H8(g)2C3H6(g) ΔH<0
已知：甲醇吸附在催化剂上，可以活化催化剂；甲醇浓度过大也会抑制丁烯在催化剂上的转化。
(1)图1是C3H6及某些副产物的产率与的关系曲线。最佳的约为 。
(2)图2是某压强下，将CH3OH和C4H8按一定的物质的量之比投料，反应达到平衡时C3H6的体积分数随温度的变化曲线。由图2可知平衡时C3H6的体积分数随温度的升高呈现先升高后降低的变化，其原因可能是 。
9.(24分)丙烯是重要的化工原料，可用丙烷脱氢制备丙烯：
C3H8(g)C3H6(g)+H2(g) ΔH1 Kp1
已知：2C3H8(g)+O2(g)2C3H6(g)+2H2O(g)
ΔH2=-236 kJ·mol-1 Kp2
2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH3=-484 kJ·mol-1 Kp3
(1)ΔH1= kJ·mol-1；平衡常数Kp1= (用Kp2和Kp3表示)。
(2)不同压强下，在密闭容器中丙烷平衡转化率随温度变化关系如图1。
①图中压强由大到小的顺序为 ，判断的依据是 。
②800 K、p2压强下，若进料组成中加入惰性气体Ar，a点将 (填“上移”或“下移”)。
(3)丙烷直接脱氢存在副反应C3H8(g)C2H4(g)+CH4(g)。一定温度下，丙烷和氢气的混合气体以一定流速通过Ga2O3/Al2O3催化剂表面，丙烷转化率、丙烷平衡转化率、丙烯选择性(曲线a)和丙烯生成速率随变化如图2。催化剂Ga2O3/Al2O3反应过程中会有如图3转化，且Ga H/GaOx催化活性更强。
①丙烷转化率随变化的曲线为 (填字母)。
②曲线b随的增加而降低的原因是 。
丙烯生成速率随增加变化的原因是 。
10.(12分)(2025·苏锡常镇一模)将废旧锂离子电池(外壳为铁，电芯含铝)置于不同浓度的Na2S和NaCl溶液中使电池充分放电是电池回收工艺的首要步骤。电池在不同溶液中放电的残余电压随时间的变化如图1所示。对浸泡液中沉淀物热处理后，得到X射线衍射图谱如图2所示。
(1)①电池在5%Na2S溶液中比在5%NaCl溶液中放电速率更大，其原因是 。
②与Na2S溶液相比，NaCl溶液的质量分数由5%增大至10%时，电池残余电压降低速率更快。依据图2 X射线衍射图谱，分析其主要原因： 。
(2)将放电完全的钴酸锂电池正极材料粉碎后进行酸浸处理。实验测得，在相同条件下，使用盐酸作浸取剂可使钴转化为Co2+，转化率达到99%，但工业生产使用HCl H2O2混合物作浸取剂。
①写出盐酸作浸取剂发生酸浸反应的化学方程式： 。
②工业生产时在盐酸中加入H2O2，H2O2的作用是 。
