最新高考化学二轮增分策略 加试30题专练(三)化学平衡原理综合应用(考试必备)

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加试30题专练(三) 化学平衡原理综合应用
1．[2018·温州市高三选考适应性测试(二模)]甲醇是一种重要的有机化工原料，CO2与H2在
催化剂CZZA(普通铜基催化剂)作用下合成甲醇，相关反应如下：
反应Ⅰ CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－49.2 kJ·mol－1
反应Ⅱ CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2
已知：①CO和H2的标准燃烧热分别为－283.0 kJ·mol－1和－285.8 kJ·mol－1
②H2O(g)===H2O(l) ΔH3＝－44.0 kJ·mol－1
请回答：
(1)反应Ⅱ的ΔH2＝________ kJ·mol－1。
(2)研究表明：在其他条件相同的情况下，将催化剂CZZA换成新型催化剂(CZZA/rGO)，可以
显著提高甲醇的选择性，试用过渡态理论解释其原因：_____________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)以CZZA/rGO为催化剂，在一定条件下，将物质的量之比为1∶3(总量为a mol)的CO2与
H2通入恒容密闭容器中进行反应，CO2的平衡转化率和甲醇的选择率(甲醇的选择率：转化的
CO2中生成甲醇的物质的量分数)随温度的变化趋势如图1所示：

①在553 K时，反应体系内甲醇的物质的量为________ mol。
②随着温度的升高，CO2的平衡转化率增大但甲醇的选择率降低，请分析其原因：
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________。
(4)将CO2与H2按物质的量之比为1∶3通入恒温恒容密闭容器中，控制条件，使其仅仅按反
应Ⅰ进行，得到甲醇的体积分数与时间的关系如图2所示。保持其他条件不变，t1时再向容
器中加入一定量物质的量之比为1∶3 的CO2与H2混合气，t2时再次达到平衡，请在下图中画
出t1～t3时间内甲醇体积分数随时间的变化曲线。
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答案 (1)41.2 (2)新型催化剂能将反应Ⅰ活化能降低更多，使反应物更容易生成甲醇
(3)①0.031 5a ②当温度升高时反应Ⅰ平衡逆向移动，而反应Ⅱ平衡正向移动且幅度更大，
所以CO2的转化率增加，但甲醇的选择性却降低。
(4)

解析 ①CO(g)＋12O2(g)===CO2(g) ΔH＝－283.0 kJ·mol－1、②H2(g)＋12O2(g)===H2O(l)
ΔH＝－285.8 kJ·mol－1，③H2O(g)===H2O(l) ΔH3＝－44.0 kJ·mol－1，④反应ⅠCO2(g)＋
3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－49.2 kJ·mol－1，⑤反应Ⅱ CO2(g)＋H2(g)CO(g)
＋H2O(g) ΔH2
(1)由盖斯定律，②－①－③得反应Ⅱ的ΔH2＝－285.8 kJ·mol－1－(－283.0 kJ·mol－1)－
(－44.0 kJ·mol－1)＝41.2 kJ·mol－1。(2)在其他条件相同的情况下，将催化剂CZZA换成
新型催化剂(CZZA/rGO)，可以显著提高甲醇的选择性，用过渡态理论解释其原因：新型催化
剂能将反应Ⅰ活化能降低更多，使反应物更容易生成甲醇。
(3) CO2(g) ＋ 3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)
始/mol 0.25a 0.75a
变/mol 0.25a×21%×60% 0.031 5a
平/mol 0.031 5a
①在553 K时，反应体系内甲醇的物质的量为 0.25a×21%×60%＝0.031 5a；②随着温度的
升高，CO2的平衡转化率增大但甲醇的选择率降低，其原因是当温度升高时反应Ⅰ平衡逆向移
动，而反应Ⅱ平衡正向移动且幅度更大，所以CO2的转化率增加，但甲醇的选择性却降低。
(4)保持其他条件不变，t1时再向容器中加入一定量物质的量之比为1∶3的CO2与H2混合气，
t2时再次达到平衡，t
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时相当于对原平衡进行加压，平衡正向移动，甲醇的体积分数增大。
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2．(2017·浙江省金华十校高二第一学期期末调研)二氧化碳加氢合成乙烯的反应如下：
2CO2(g)＋6H2(g)催化剂C2H4(g)＋4H2O(g) ΔH。
已知：①C2H4(g)＋3O2(g)===2CO2(g)＋2H2O(l) ΔH1＝a kJ·mol－1；
②2H2(g)＋O2(g)===2H2O(l) ΔH2＝b kJ·mol－1；
③H2O(l)===H2O(g) ΔH3＝c kJ·mol－1；
请回答：
(1)ΔH＝________ kJ·mol－1。(用a、b、c表示)
(2)在催化剂[Fe3(CO)12/ZSM－5]、空速1200 h－1 条件下，温度、压强、氢碳比[n(H2)/n(CO2)
＝x]对CO2平衡转化率及温度对催化效率影响如图1所示。

①下列有关说法正确的是________(填字母)。
A．ΔH>0
B．增大氢碳比，可以提高CO2的平衡转化率
C．温度低于300 ℃时，随温度升高乙烯的产率增大
D．平衡常数：K(M)>K(N)
E．为提高CO2的平衡转化率，工业生产中应在尽可能低的温度下合成乙烯

②M点时，CO2的平衡转化率为23，则此时平衡体系中乙烯的体积分数为__________。
③工业生产中压强一般控制在2.1～2.6 MPa之间，理由是____________________________
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______________________________________________________________________________。
(3)恒温(300 ℃)，在体积为1 L的恒容容器中以n(H2)/n(CO2)＝3的投料比加入反应物，至
t1时达到平衡。t2时将容器体积瞬间扩大至2 L并保持不变，t
3
时重新达平衡。在图2中绘

制0～t4时间段内，容器内混合气体的平均相对分子质量(M)随时间(t)变化的图像。
答案 (1)3b＋4c－a (2)①BD ②1/9(或11.1%)
③压强小于2.1 MPa，CO2的平衡转化率较小；压强大于2.6 MPa，CO2 的平衡转化率提高幅

度较小，运行成本增加 (3)[起点12.5，t2低于20(实际为
16.7)，t3高于12.5]
解析 (1) 已知：①C2H4(g)＋3O2(g)===2CO2(g)＋2H2O(l) ΔH1＝a kJ·mol－1；②2H2(g)＋
O2(g)===2H2O(l) ΔH2＝b kJ·mol－1；③H2O(l)===H2O(g) ΔH3＝c kJ·mol－1；根据盖斯定

律，将②×3＋③×4－①得：2CO2(g )＋6H2(g)催化剂C2H4(g)＋4H2O(g) ΔH＝(3b＋4c－a)
kJ·mol－1。
(2)①根据图像，CO2平衡转化率随温度升高而降低，说明升高温度，平衡逆向移动，正反应

为放热反应，ΔH＜0，故A错误；根据方程式2CO2(g)＋6H2(g)催化剂C2H4(g)＋4H2O(g)，
增大氢碳比nH2nCO2，可以提高CO2的平衡转化率，故B正确；根据A的分析，ΔH＜0，温度
升高，平衡逆向移动，乙烯的产率降低，故C错误；升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减
小，则平衡常数：K(M)>K(N)，故D正确；根据图像，为提高CO2的平衡转化率，工业生产中
应在300 ℃温度下合成乙烯，但温度太低，催化剂的活性较低，反应速率太慢，故E错误。
②设参与反应的二氧化碳的物质的量为3n mol，则氢气为9n mol，根据反应2CO2(g)＋

6H2(g)催化剂C2H4(g)＋4H2O(g)可知，CO2的平衡转化率为23，平衡时n(CO2)＝n mol，n(H2)
＝3n mol，n(C2H4)＝n mol，n (H2O)＝4n mol，平衡体系中乙烯的体积分数＝物质的量分数
＝n9n＝19≈11.1%。
③根据图像，工业生产中压强一般控制在2.1～2.6 MPa之间，是因为压强小于2.1 MPa，CO
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的平衡转化率较小；压强大于2.6 MPa，CO2 的平衡转化率提高幅度较小，运行成本增加。

(3)设参与反应的二氧化碳的物质的量为3 mol，则氢气为9 mol，起始时混合气体的平均相对
分子质量(M)＝3×44＋2×93＋9＝12.5；300 ℃时，CO2的平衡转化率为23，根据反应2CO2(g)＋
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6H2(g)催化剂C2H4(g)＋4H2O(g)可知，平衡时n(CO2)＝1 mol，n(H2)＝3 mol，n(C2H4)＝1 mol，
n (H2O)＝4 mol，混合气体的平均相对分子质量(M)＝3×44＋2×99≈16.67；t2时将容器体积
瞬间扩大至2 L并保持不变，平衡逆向移动，气体的物质的量增大，但小于12 mol，新平衡
时混合气体的平均相对分子质量(M)减小，但大于12.5，容器内混合气体的平均相对分子质量

(M)随时间(t)变化的图像为 [起点12.5，t2低于20(实际为16.7)，
t3高于12.5]。