常考点9化学反应速率和化学平衡的综合应用方法突破例1(2023浙江6月选考)水煤气变换反应是工业上的重要反应,可用于制氢。请回答:(1)H2=kJmol-1。+6(2)恒定总压1.70MPa和水碳比投料,在不同条件下达到平衡时CO2和H2的分压(某成分分压=总压该成分的物质的量分数)如下表:条件p(CO2)/MPap(H2)/MPap(CH4)/MPa10.400.40020.420.360.02在条件1下,水煤气变换反应的平衡常数K=。对比条件1,条件2中H2产率下降是因为发生了一个不涉及CO2的副反应,写出该反应方程式。2CO+3H2CH4+H2O(3)下列说法正确的是。A.通入反应器的原料气中应避免混入O2C.通入过量的水蒸气可防止Fe3O4被进一步还原为FeD.通过充入惰性气体增加体系总压,可提高反应速率(4)水煤气变换反应是放热的可逆反应,需在多个催化剂反应层间进行降温操作以“去除”反应过程中的余热(如图1所示),保证反应在最适宜温度附近进行。AC图1图2图3在催化剂活性温度范围内,图2中bc段对应降温操作的过程,实现该过程的一种操作方法是。A.按原水碳比通入冷的原料气B.喷入冷水(蒸气)C.通过热交换器换热AC若采用喷入冷水(蒸气)的方式降温,在图3中作出CO平衡转化率随温度变化的曲线。答案(5)在催化剂活性温度范围内,水煤气变换反应的历程包含反应物分子在催化剂表面的吸附(快速)、反应及产物分子脱附等过程。随着温度升高,该反应的反应速率先增大后减小,其速率减小的原因是。温度过高时,不利于反应物分子在催化剂表面的吸附,从而导致其反应物分子在催化剂表面的吸附量及浓度降低,反应速率减小;温度过高还会导致催化剂的活性降低,从而使化学反应速率减小解析(1)根据盖斯定律,H2=H-H1=(-41.2kJmol-1)-(-47.2kJmol-1)=+6kJmol-1。(2)条件1下没有甲烷生成,只发生了水煤气变换反应,该反应是一个气体分子数不变的反应。设在条件1下平衡时容器的容积为V,参加反应的一氧化碳为xmol,根据已知信息可得以下三段式:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)开始/mol51200转化/molxxxx平衡/mol5-x12-xxx(3)一氧化碳和氢气都可以与氧气反应,则通入反应器的原料气中应避免混入O2,A正确;该反应前后气体体积相同,则增加体系总压平衡不移动,不能提高平衡产率,B错误;通入过量的水蒸气可以促进四氧化三铁被氧化为氧化铁,水蒸气不能将铁的氧化物还原为单质铁,但过量的水蒸气可以降低体系中CO和H2的浓度,从而防止铁的氧化物被还原为单质铁,C正确;若保持容器的容积不变,通过充入惰性气体增加体系总压,反应物浓度不变,反应速率不变,D错误。(4)按原水碳比通入冷的原料气,可以降低温度,同时化学反应速率稍减小,导致CO的转化率稍减小,与图中变化相符,A正确;喷入冷水(蒸气),可以降低温度,但是同时水蒸气的浓度增大,会导致CO的转化率增大,与图中变化不符,B错误;通过热交换器换热,可以降低温度,且不改变投料比,同时化学反应速率稍减小,导致CO的转化率稍减小,与图中变化相符,C正确;增大水蒸气的浓度,平衡正向移动,则一氧化碳的平衡转化率增大,会高于原平衡线。例2(2023浙江1月选考)“碳达峰、碳中和”是我国社会发展重大战略决策之一,CH4还原CO2是实现“双碳”经济的有效途径之一,相关的主要反应有:请回答:(1)有利于提高CO2平衡转化率的条件是。A.低温低压B.低温高压C.高温低压D.高温高压C(2)反应CH4(g)+3CO2(g)4CO(g)+2H2O(g)的H=kJmol-1,K=(用K1、K2表示)。(3)恒压、750时,CH4和CO2按物质的量之比13投料,反应经如下流程(主要产物已标出)可实现CO2高效转化。+329下列说法正确的是。A.Fe3O4可循环利用,CaO不可循环利用B.过程,CaO吸收CO2可促进Fe3O4氧化CO的平衡正移C.过程产生的H2O最终未被CaO吸收,在过程被排出D.相比于反应,该流程的总反应还原1molCO2需吸收的能量更多过程平衡后通入He,测得一段时间内CO物质的量上升,根据过程,结合平衡移动原理,解释CO物质的量上升的原因_。BC通入He,CaCO3分解平衡(4)CH4还原能力(R)可衡量CO2转化效率,R=(同一时段内CO2与CH4的物质的量变化之比)。常压下CH4和CO2按物质的量之比13投料,某一时段内CH4和CO2的转化率随温度变化如图1,请在图2中画出4001000之间R的变化趋势,并标明1000时R值。答案 催化剂X可提高R值,另一时段内CH4转化率、R值随温度变化如下表:温度/480500520550CH4转化率/%7.911.520.234.8R2.62.42.11.8下列说法不正确的是。A.R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应的速率B.温度越低,含氢产物中H2O占比越高C.温度升高,CH4转化率增加,CO2转化率降低,R值减小D.改变催化剂提高CH4转化率,R值不一定增大C解析(1)反应为反应后气体体积增大的吸热反应,反应为反应前后气体体积不变的吸热反应,升高温度,两反应平衡右移,CO2平衡转化率增大,减小压强,反应平衡右移,CO2平衡转化率增大,故有利于提高CO2平衡转化率的条件是高温低压,C正确。(3)根据流程可知,Fe3O4转化为Fe,Fe又转化为Fe3O4,则Fe3O4可循环利用,CaO转化成CaCO3,CaCO3又转化成CaO,CaO也可循环利用,A错误;过程,CaO吸收CO2使CO2浓度降低,促进Fe3O4氧化CO的平衡正移,B正确;过程产生的H2O最终未被CaO吸收,在过程被排出,C正确;该流程的总(4)升高温度,对CH4转化率的影响更大,n(CH4)更大,则R值先变小,温度达到600时,n(CH4)几乎不变,n(CO2)继续增大,则R值增大,设初始投入1molCH4和3molCO2,根据题图可知1000时,CH4转化率为100%,即n(CH4)=1mol,CO2转化率为60%,即n(CO2)=3mol60%=1.8mol,值见答案。R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应的速率,使单位时间内反应中CO2的转化率增大,n(CO2)增大的倍数比n(CH4)大,则R值提高,A正确;根据题表中数据可知,温度越低,CH4转化率越小,R值越大,含氢产物中H2O占比越高,B正确;温度升高,CH4转化率增加,CO2转化率也增大,但n(CH4)增大倍数多,故R值减小,C错误;改变催化剂使反应有选择性地按反应进行,提高反应中CH4、CO2转化率,但反应中n(CO2)变化未知,n(CH4)、n(CO2)增大倍数的大小关系未知,则R值不一定增大,D正确。