2023届高三化学一轮复习-多重平衡体系问题

化学反应速率化学平衡——多重平衡体系问题

思考高考为什么青睐于多重平衡体系考查？多重平衡分为几种类型？A+B→C+DA+B→E+FA+B→C+DA+C→E+F平行反应耦合反应多重平衡类型（2021北京高考题14）丙烷经催化脱氢可制丙烯:C3H8

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C3H6+１H2。600℃，将一定浓度的CO2与固定浓度的C3H8通过含催化剂的恒容反应器，经相同时间，流出的C3H6、CO和H2浓度随初始CO2浓度的变化关系如图。基于元素守恒原理，H2为什么变化不明显？产生H2去哪里了？CO为什么越来越多？多重平衡问题、图像问题——很有化学味道。盖斯定律：①─②─③C碳元素守恒CO2多，C3H8转化大；CO2少，C3H8转化小。（2022年北京14）．CO2捕获和转化可减少CO2排放并实现资源利用，原理如图1所示。反应①完成之后，以N2为载气，以恒定组成的N2、CH4混合气，以恒定流速通入反应器，单位时间流出气体各组分的物质的量随反应时间变化如图2所示。反应过程中始终未检测到CO2，在催化剂上有积碳。下列说法不正确的是（

）H2CH4COV(H2)=V(H2)(②)+V(H2)(副）=2V(H2)(②)=V(CO)==1.5V(H2)(副）=0.5C深度分析：为啥随时间的推移，反应②变慢，可能是积碳反应将催化剂覆盖。类型1：协同作战【例题1】思考与交流1.反应I和反应II有何特点。2.若有II参与，对反应I有何影响？反应I+II得：TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)=TiCl4(g)+2CO(g)KIII=KIKII=4.1×1019,远远大于K1，反应II使得TiO2氯化为TiCl4得以实现。再根据：ΔHIII＝ΔHI+ΔHII=－40kJ·mol－1，反应II可为反应I提供能力。扭转乾坤类型1：协同作战（2）水煤气反应：C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g)ΔH=+131kJ·mol-1。工业生产水煤气时，通常交替通入合适量的空气和水蒸气与煤炭反应，其理由是________。水蒸气与煤炭反应吸热，氧气与煤炭反应放热，交替通入空气和水蒸气有利于保持较高温度，有利于加快化学反应速率。

【2022年1月浙江省高考化学-29】学生出现问题利用空气带出产物，使平衡正向移动增加水蒸气浓度平衡正向移动教学启示：引导学生从关注平衡到关注速率转变【例题2】2017年北京高考能量的综合利用，属于化学中耦合反应，体现了化学价值。16.CaSO4热分解温度很高（＞1200℃）2022年北京高考增大固体与空气的接触面积，加快反应速率；使煤粉完全燃烧，提高了转化率。偶联一个放热反应C+O2=CO2，降低热分解反应对能量的要求。真实情境的考查补充.我国自然界有许多硫酸钠(芒硝),其中含钠、硫,以它为原料生产Na2S（Na2S俗名臭碱，广泛应用于冶金、染料、皮革、电镀等工业）有吸引力。分析：Na2SO4=Na2S+2O2

ΔH=+1011kJ/mol

ΔS=357J/(K·mol)

从ΔG=ΔH—TΔS（ΔG<0反应自发发生）看，这个反应几乎不可能进行，再则即使生成了Na2S和O2，O2还会氧化Na2S。思考：反应有O2生成。设加入碳，则可能发生。①2C+2O2=2CO2ΔH=-787.0kJ/molΔS=3x2=6J/(K·mol)②4C+2O2=2C0ΔH=-442.0kJ/molΔS=358J/(K·mol)若和1反应偶联得(主要从焓变、熵变降低原反应对能量的要求)Na2SO4+2C=Na2S+2CO2

ΔH=+357(kJ/mol)，ΔS=+363J/(K·mol)ΔG=0的温度为：710℃若和2反应偶联得(从反应的焓变、熵变降低原反应对能量的要求)Na2SO4+4C=Na2S+4CO

ΔH=569kJ/mol，ΔS=715J/(K·mol)ΔG=0的的温度为：523℃，两种情况都能使Na2SO4转化为Na2S。

实际生产条件:把一定质量比的Na2SO4和C混合，在>900℃条件下加热，产物为Na2S和CO、CO2(生成的CO、CO2不仅不和Na2S反应，还起着保护Na2S的作用。)化学工作者的工作：调控反应、使很难进行的反应发生，制的有价值的物质，实际上这就是化学的价值。类型2：合作共赢例3（2021顺义高三一模）在有氧条件下，新型催化剂Y能催化NH3与NOx反应生成N2。②将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体，匀速通入装有催化剂Y的反应器中反应（装置见题20图−1）。反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如题20图−2所示，(1)催化剂活性随温度升高变大，后活性减小(2)温度升高，反应速率增大(3)温度升高，平衡正向移动(4)其他或不做答学生答题情况【思维障碍】首选“化学平衡”①在50～380℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率先缓慢上升、后迅速上升、后又缓慢上升的主要原因是____；类型2：合作共赢例3（2021顺义高三一模）在有氧条件下，新型催化剂Y能催化NH3与NOx反应生成N2。②将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体，匀速通入装有催化剂Y的反应器中反应（装置见题20图−1）。反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如题20图−2所示，①在50～380℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率先缓慢上升、后迅速上升、后上升缓慢的主要原因是____；②当反应温度高于380℃时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是_____________。

学生答题情况展示(1)催化剂活性降低、有副反应发生(2)催化剂活性降低或失去活性(3)完全反应、平衡移动、不做答【思维障碍】还是离不开“化学平衡”催化剂和温度对反应速率的影响结论：催化剂对反应速率的影响远远大于温度对反应速率的影响（催化剂高效性），工业上提高生产效率首先“催化剂”鲁科版选择性必修1p70鲁科版选择性必修1p73类型2：合作共赢例3（2021顺义高三一模）在有氧条件下，新型催化剂M能催化NH3与NOx反应生成N2。②将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体，匀速通入装有催化剂M的反应器中反应（装置见题20图−1）。反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如题20图−2所示，①在0～380℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率先缓慢上升、后迅速上升、后上升缓慢的主要原因是____；②当反应温度高于380℃时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是_____________。思考与交流（1）在0~50℃范围内随着温度上升NOx的去除率缓慢升高主要原因是什么呢？（2）在50～150℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率迅速上升的主要原因是什么呢？（3）在150～380℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率均较高且上升缓慢的主要原因是什么呢？（4）当反应温度高于380℃时，随着温度上升NOx的去除率迅速下降的原因可能是什么呢？类型2：合作共赢例3（2021顺义高三一模）在有氧条件下，新型催化剂M能催化NH3与NOx反应生成N2。（3）将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体，匀速通入装有催化剂M的反应器中反应（装置见题20图−1）。反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如题20图−2所示；①在0～380℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率先缓慢上升、后迅速上升、后上升缓慢的主要原因是____；②当反应温度高于380℃时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是_____________。（1）在0~50℃范围内随着温度上升NOx的去除率缓慢升高主要原因是温度升高。（2）在50～150℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率迅速上升的主要原因是催化剂（活性高）和温度共同作用的结果（3）在150～380℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率均较高且上升缓慢的主要原因是催化剂的活性已经很高了，主要是温度升高化学反应速率加快。

（4）温度高于380℃时，随着温度上升NOx的去除率迅速下降的原因可能是催化剂的活性降低、或者发生了副反应、后者是平衡逆向进行。

总结归纳1.反应速率迅速增大：是催化剂和温度共同影响的结果。2.催化剂是有一定的活性温度的，在一定温度范围内，催化剂的活性最好，考虑反应速率，不但考虑催化剂，还要考虑温度，引导学生树立动态全面的观点。3.影响反应速率往往催化剂是非常重要的一个方面。类型3：竞争优先例4：CO2的资源化利用能有效减少CO2排放，充分利用碳资源。（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=+41.2kJ·mol−1反应Ⅱ：2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(g)ΔH=﹣122.5kJ·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：①温度低于300℃，CO2平衡转化率随温度升高而减低的原因是_____。②温度高于300℃，CO2平衡转化率随温度升高而升高的原因是_____。思考与交流本题是从速率还是平衡角度考虑呢？升高温度对反应I和反应II产生怎样的影响呢？对CO2平衡转化率产生怎么影响呢？为什么低于3000CCO2平衡转化率随温度升高而降低？

而高于3000CCO2平衡转化率随温度升高而上升呢？反应I和反应II对CO２的转化率贡献存在竞争关系。温度升高，反应I正移，CO2的转化率增大；反应II逆移，使CO2转化率降低。类型3：竞争优先例4：CO2的资源化利用能有效减少CO2排放，充分利用碳资源。（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=+41.2kJ·mol−1反应Ⅱ：2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(g)ΔH=﹣122.5kJ·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：①温度低于300℃，CO2平衡转化率随温度升高而减低的原因是_____。②温度高于300℃，CO2平衡转化率随温度升高而升高的原因是_____。反应Ⅰ吸热，反应Ⅱ放热，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，且上升幅度小于下降幅度.反应Ⅰ吸热，反应Ⅱ放热，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.教学启示：这两个反应属于平行反应，相互竞争，最终看图像看那个反应起主导作用。类型3：竞争优先例5(2022年广东揭阳）

思考交流这两个反应是什么关系？2600C时CO转化高而CH3OCH3产率低说明什么问题呢？反应①CO转化成CH3OH的速率快，但反应②CH3OH转化成CH3OCH3的速率慢，因此在固定时间内CO转化率高但CH3OCH3产率很低学生存在的问题：容易从平衡的角度答题。类型3：竞争优先思考交流随着温度升高为什么CO转化率降低？随着温度升高为什么CH3OCH3

产率先增加后降低呢？教学启示:动力学与热力竞争调控反应(5）为什么温度升高，CO的转降低呢？而二甲醚的产率先缓慢增大，后迅速增大，又缓慢增大，后又突然减小，分析原因

。反应①是快反应，很快达到平衡，升高温度平衡逆向移动，CO转化率降低。温度260—270温度升高，化学反应速率缓慢增大，原因是这个时候催化剂的活性还不高，主要是温度升高速率加快；温度270—280，催化剂的活性也增大，温度和催化剂共同作用，使化学反应速率迅速增大；温度280—290催化剂的活性已经很高了，且反应物浓度下降速率减慢，这个时候，主要是只是温度升高化学反应速率加快。290℃以后温度升高，催化剂活性减低，平衡逆向移动，或发生副反应等，造成产率下降。例5(2022年广东揭阳）

例6