新教材高中化学二轮精品 专题六 题型专攻(九) 陌生图像的分析与应用

题型专攻(九) 陌生图像的分析与应用
1．[2020·全国卷Ⅰ，28(2)(3)(4)]硫酸是一种重要的基本化工产品，接触法制硫酸生产中的关
键工序是SO 2的催化氧化：SO 2(g)＋12
O 2(g)―――――→钒催化剂SO 3(g) ΔH ＝－98 kJ·mol －1。

回答下列问题：
(2)当SO 2(g)、O 2(g)和N 2(g)起始的物质的量分数分别为7.5%、10.5%和82%时，在0.5 MPa 、
2.5 MPa 和5.0 MPa 压强下，SO 2平衡转化率α随温度的变化如图(b)所示。

反应在5.0 MPa 、550 ℃时的α＝__________，判断的依据是_________________________________________。

影响α的因素有__________________________。

(3)将组成(物质的量分数)为2m % SO 2(g)、m % O 2(g)和q % N 2(g)的气体通入反应器，在温度t 、压强p 条件下进行反应。

平衡时，若SO 2转化率为α，则SO 3压强为__________________，平衡常数K p ＝________________(以分压表示，分压＝总压×物质的量分数)。

(4)研究表明，SO 2催化氧化的反应速率方程为：v ＝k (αα′
－1)0.8(1－nα′)。

式中：k 为反应速率常数，随温度t 升高而增大；α为SO 2平衡转化率，α′为某时刻SO 2转化率，n 为常数。

在α′＝0.90时，将一系列温度下的k 、α值代入上述速率方程，得到v ～t 曲线，如图(c)所示。

曲线上v 最大值所对应温度称为该α′下反应的最适宜温度t m 。

t <t m 时，v 逐渐提高；t >t m 后，v 逐渐下降。

原因是_____________________________________________________________。

答案 (2)0.975 该反应气体分子数减少，增大压强，α提高。

5.0 MPa ＞2.5 MPa ＝p 2，所以
p 1＝5.0 MPa 反应物(SO 2、N 2和O 2)的起始浓度(组成)、温度、压强 (3)2mαp 100－mα α(1－α)1.5⎝⎛⎭⎫mp 100－mα0.5 (4)升高温度，k 增大使v 逐渐提高，但α降低使v 逐渐
下降。

当t ＜t m ，k 增大对v 的提高大于α降低引起的降低；当t ＞t m ，k 增大对v 的提高小于α降低引起的降低
解析 (2)反应2SO 2(g)＋O 2(g)2SO 3(g)的正反应是气体总分子数减少的放热反应，其他条件相同时，增大压强，平衡正向移动，SO 2平衡转化率增大，则图中p 1＝5.0 MPa ，p 3＝0.5 MPa 。

由图可知，反应在5.0 MPa 、550 ℃时SO 2的平衡转化率α＝0.975。

温度、压强和反应物的起始浓度(组成)都会影响SO 2的平衡转化率α，温度一定时，压强越大，α越大；压强一定时，温度越高，α越小。

(3)假设原气体的物质的量为100 mol ，则SO 2、O 2和N 2的物质的量分别为2m mol ，m mol 和q mol,2m ＋m ＋q ＝100，利用“三段式法”计算：
SO 2(g) ＋ 12O 2(g) SO 3(g)
起始量/mol 2m m 0
转化量/mol 2mα mα 2mα
平衡量/mol 2m ×(1－α) m ×(1－α) 2mα
平衡时混合气体的总物质的量为2m ×(1－α) mol ＋m ×(1－α) mol ＋2mα mol ＋q mol ＝(3m －
mα＋q ) mol ，SO 3的物质的量分数为2mα mol (3m －mα＋q )mol ×100%＝2mα100－mα
×100%，则平衡时SO 3的压强为2mα100－mαp 。

平衡时，SO 2、O 2的压强分别为2m (1－α)100－mαp 、m (1－α)100－mα
p ，则平衡常数K p ＝2mα100－mαp 2m (1－α)100－mαp ·⎣⎢⎡⎦
⎥⎤m (1－α)100－mαp 0.5＝α(1－α)1.5(m 100－mαp )0.5。

(4)在α′＝0.90时，SO 2催化氧化的反应速率为v ＝k (α0.90
－1)0.8·(1－0.90n )。

升高温度，k 增大使v 逐渐提高，但α降低使v 逐渐下降。

t ＜t m 时，k 增大对v 的提高大于α降低引起的降低；t ＞t m 后，k 增大对v 的提高小于α降低引起的降低。

2．[2020·全国卷Ⅱ，28(1)]乙烷在一定条件可发生如下反应：C 2H 6(g)===C 2H 4(g)＋H 2(g) ΔH 1，相关物质的燃烧热数据如下表所示：
①ΔH 1＝________ kJ·mol －1。

②提高该反应平衡转化率的方法有________________、________________。

③容器中通入等物质的量的乙烷和氢气，在等压下(p )发生上述反应，乙烷的平衡转化率为α。

反应的平衡常数K p ＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。

答案 ①＋137 ②升高温度 减小压强(或增大体积)
③α(1＋α)p (2＋α)(1－α) 解析 ①先写出三种气体的燃烧热的热化学方程式，然后根据盖斯定律，ΔH 1＝－1 560 kJ·mol －1－(－1 411 kJ·mol －1)－(－286 kJ·mol －1)＝＋137 kJ·mol －1。

②C 2H 6(g)===C 2H 4(g)＋H 2(g) ΔH 1＝＋137 kJ·mol －1是一个气体分子数增大的吸热反应，要提高反应物的转化率，可以采取升高温度、减小压强(增大体积)等措施。

③设容器中通入的乙烷和氢气均为1 mol ，则：
C 2H 6(g)===C 2H 4(g)＋H 2(g) n (总)
初始量/mol 1 0 1
转化量/mol α α α
平衡量/mol 1－α α 1＋α 2＋α
K p ＝(α2＋α×p )×(1＋α2＋α×p )1－α2＋α
×p ＝α(1＋α)p (2＋α)(1－α)。

3．(2020·全国卷Ⅲ，28)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO 2的热点研究领域。

回答下列问题：
(1)CO 2催化加氢生成乙烯和水的反应中，产物的物质的量之比n (C 2H 4)∶n (H 2O)＝________。

当反应达到平衡时，若增大压强，则n (C 2H 4)________(填“变大”“变小”或“不变”)。

(2)理论计算表明，原料初始组成n (CO 2)∶n (H 2)＝1∶3，在体系压强为0.1 MPa ，反应达到平衡时，四种组分的物质的量分数x 随温度T 的变化如图所示。

图中，表示C 2H 4、CO 2变化的曲线分别是________、________。

CO 2催化加氢合成C 2H 4反应的ΔH ________0(填“大于”或“小于”)。

(3)根据图中点A(440 K,0.39)，计算该温度时反应的平衡常数K p ＝________(MPa)－3(列出计算式。

以分压表示，分压＝总压×物质的量分数)。

(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应，生成C 3H 6、C 3H 8、C 4H 8等低碳烃。

一定温度和压强条件下，为了提高反应速率和乙烯选择性，应当________________________。

答案 (1)1∶4 变大
(2)d c 小于 (3)94×10.0393
(其他合理计算式也可) (4)选择合适催化剂等
解析 (1)CO 2催化加氢生成乙烯和水的化学方程式为2CO 2(g)＋6H 2(g)催化剂C 2H 4(g)＋4H 2O(g)，产物的物质的量之比n (C 2H 4)∶n (H 2O)＝1∶4；该反应是气体体积减小的反应，增大压强平衡右移，则n (C 2H 4)变大。

(2)由平衡图像知，390 K 时四种组分的物质的量分数之比满足1∶3的是c 曲线和a 曲线，物质的量分数之比满足1∶4的是d 曲线和b 曲线，结合反应化学方程式2CO 2(g)＋6H 2(g)催化剂C 2H 4(g)＋4H 2O(g)和原始投料n (CO 2)∶n (H 2)＝1∶3可得，曲线c 表示CO 2，曲线a 表示H 2，曲线d 表示C 2H 4，曲线b 表示H 2O ；由图像的变化趋势可知，升高温度，曲线a 、c 增大，曲线b 、d 减小，说明平衡左移，所以正反应放热，ΔH ＜0。

(3)起始投料比n (CO 2)∶n (H 2)＝1∶3，平衡时总压为0.1 MPa ，结合反应方程式可知p (CO 2)∶ p (H 2)＝1∶3，p (C 2H 4)∶p (H 2O)＝1∶4，由图像可知p (H 2)＝p (H 2O)＝0.1×0.39 MPa ，所以p (CO 2)＝0.13×0.39 MPa ，p (C 2H 4)＝0.14
×0.39 MPa 。

根据反应的化学方程式
2CO 2(g)＋ 6H 2(g)
催化剂C 2H 4(g)＋ 4H 2O(g) 平衡时压强/MPa 0.1×0.393 0.1 ×0.39 0.1×0.394
0.1×0.39 该温度下的平衡常数K p ＝p (C 2H 4)·p 4(H 2O )p 2(CO 2)·p 6(H 2)＝0.1×0.394×(0.1×0.39)4(0.1×0.393
)2×(0.1 ×0.39)6(MPa)－3＝94×10.0393(MPa)－3。

(4)在一定温度和压强下，为了提高反应速率和乙烯的选择性，减少副反应的发生，应当选择合适催化剂等。

考向一 选择反应最佳条件
1．汽车尾气是雾霾形成的原因之一。

研究氮氧化物的处理方法可有效减少雾霾的形成，可采用氧化还原法脱硝：4NO(g)＋4NH 3(g)＋O 2(g)
催化剂4N 2(g)＋6H 2O(g) ΔH <0，根据下图判断提高脱硝效率
的最佳条件是____________________________________________________；
氨氮比一定时，在400 ℃时，脱硝效率最大，其可能的原因是______________________ ___________________________________________________________________________。

答案 氨氮物质的量之比为1，温度为400 ℃ 在400 ℃时催化剂的活性最好，催化效率最高，同时400 ℃温度较高，反应速率快
2．锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用。

某钴酸锂电池的正极材料含有钴酸锂(LiCoO 2)、导电剂乙炔黑、铝箔及少量铁，通过如图工艺流程可回收铝、钴、锂。

“酸浸”时Co 、Li 元素的浸出率随温度的变化如图所示：
“酸浸”的适宜温度：________，写出该步骤中发生的主要氧化还原反应的化学方程式：___________________________________________________________________________。

答案80 ℃2LiCoO2＋3H2SO4＋H2O2===Li2SO4＋2CoSO4＋O2↑＋4H2O
解析根据图示，80 ℃时Co、Li元素的浸出率最大，所以“酸浸”的适宜温度为80 ℃；LiCoO2中Co元素化合价为＋3，“酸浸”时被还原为Co2＋，该步骤中发生的主要氧化还原反应的化学方程式为2LiCoO2＋3H2SO4＋H2O2===Li2SO4＋2CoSO4＋O2↑＋4H2O。

考向二解释曲线发生某种现象的原因
3．科学家正致力于研究一种“碳中和”技术—(CH4-CO2)重整，该技术具有一定的经济效益和深远的社会意义。

其工艺过程中涉及如下反应：
Ⅰ：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)
ΔH1＝＋234 kJ·mol－1
Ⅱ：H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)
ΔH2＝＋41 kJ·mol－1
(1)将1 mol CH4与1 mol CO2在2 L密闭容器中反应制取CO和H2时，CH4和CO2的平衡转化率随温度变化关系如图所示。

①923 K时CO2的平衡转化率大于CH4的原因是_____________________________________ ______________________________________________________________________________。

②1 200 K以上CO2和CH4的平衡转化率趋于相等的原因可能是______________________ _____________________________________________________________________________。

(2)以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。

在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示。

250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是__________________________ ____________________________________________________________________________。

答案 (1)①温度较低时，有利于反应Ⅱ发生，CH 4和CO 2按1∶1投料发生反应Ⅰ时转化率相等，CO 2还发生反应Ⅱ，所以平衡转化率大于CH 4
②1 200 K 以上时反应Ⅰ的正向进行程度远大于反应Ⅱ
(2)温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低
4．二甲醚是一种重要的化工原料。

在恒温恒压条件下，化工生产上利用二甲醚与氧气为原料
制备合成气，反应原理如下：CH 3OCH 3(g)＋12
O 2 (g)2CO(g)＋3H 2(g) ΔH ＝＋72.413 4 kJ· mol －1。

实际生产过程中常常添加一定量的水蒸气，其目的是_________________________ ______________________________________________________________________________；
研究发现，所得平衡混合气体中H 2的体积分数随n (O 2)n (CH 3OCH 3)
变化如图所示，试解释该曲线先变大后减小的原因：_________________________________________________________ _____________________________________________________________________________。

答案 使原混合体系中气体的分压减小，有利于平衡正向移动，从而提升原料的转化率 根
据CH 3OCH 3(g)＋12O 2(g)===2CO(g)＋3H 2(g)反应特点，n (O 2)n (CH 3OCH 3)
＝0.5时与反应物的化学计量数相等，所以当n (O 2)n (CH 3OCH 3)<0.5时，随着n (O 2)n (CH 3OCH 3)
逐渐增大，该反应会正向移动，平衡混合气体中H 2的体积分数会随着增大；当n (O 2)n (CH 3OCH 3)
>0.5时，O 2会有剩余，另外过量的O 2会与H 2发生副反应生成H 2O ，H 2的体积分数会减小。