2023届新教材高考化学一轮复习多重平衡体系学案

多重平衡体系1．多重平衡一个化学反应体系中，往往存在着多个化学反应，一种物质既可能是某个反应的产物，同时也可能是其他化学反应的反应物，在一定条件下，这些反应都可以达到平衡状态，这种现象称作多重平衡现象，该体系称作多重平衡体系。2．多重平衡规则在多重平衡体系中，如果一个反应由另外两个或多个反应相加减而来，则该反应的平衡常数等于这两个或多个反应的平衡常数的乘积或商。3．多重平衡问题的解题思路【典例】(2020·山东等级考节选)探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高CH3OH的产率。以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH1＝－49.5kJ·mol－1Ⅱ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH2＝－90.4kJ·mol－1Ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH3一定条件下，向体积为VL的恒容密闭容器中通入1molCO2和3molH2发生上述反应，达到平衡时，容器中CH3OH(g)为amol，CO为bmol，此时H2O(g)的浓度为__________mol·L－1(用含a、b、V的代数式表示，下同)，反应Ⅲ的平衡常数为___________________________。【解析】假设反应Ⅱ中，CO反应了xmol，则Ⅱ生成的CH3OH为xmol，Ⅰ生成的CH3OH为(a－x)mol，Ⅲ生成CO为(b＋x)mol，根据反应Ⅰ：，反应Ⅱ：，反应Ⅲ：，所以平衡时水的物质的量为(a－x)mol＋(b＋x)mol＝(a＋b)mol，浓度为eq\f(（a＋b）mol,VL)＝eq\f(a＋b,V)mol·L－1；平衡时CO2的物质的量为1mol－(a－x)mol－(b＋x)mol＝(1－a－b)mol，H2的物质的量为3mol－3(a－x)mol－2x－(b＋x)mol＝(3－3a－b)mol，CO的物质的量为bmol，水的物质的量为(a＋b)mol，则反应Ⅲ的平衡常数为eq\f(\f(b,V)×\f(a＋b,V),\f(1－a－b,V)×\f(3－3a－b,V))＝eq\f(b×（a＋b）,（1－a－b）×（3－3a－b）)答案：eq\f(a＋b,V)eq\f(b（a＋b）,（1－a－b）（3－3a－b）)原因分析·理论解释本题中也可以根据原子守恒进行有关计算。请利用碳原子守恒计算平衡时CO2的物质的量。提示：已知反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)、CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)，根据碳原子守恒可知n(CO2)消耗＝n(CH3OH)＋n(CO)＝(a＋b)mol，所以n(CO2)平衡＝(1－a－b)mol。·命题角度一：竞争型多重平衡1．(2022·广州模拟)二甲醚(CH3OCH3)被称为“21世纪的清洁燃料”。以CO2、H2为原料制备二甲醚涉及的主要反应如下：Ⅰ.2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)ΔH1＝－122.5kJ·mol－1Ⅱ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝＋41.1kJ·mol－1回答下列问题：(1)反应2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)的ΔH＝__________。(2)在压强、CO2和H2的起始投料一定的条件下，发生反应Ⅰ、Ⅱ，实验测得CO2平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图所示。已知：CH3OCH3的选择性＝eq\f(2×CH3OCH3的物质的量,反应的CO2的物质的量)×100%，其中表示平衡时CH3OCH3的选择性的是曲线__________(填“①”或“②”)；温度高于300℃时，曲线②随温度升高而升高的原因是__________________；为同时提高CO2的平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性，应选择的反应条件为____________(填标号)。a．低温、低压 b．高温、高压c．高温、低压 d．低温、高压【解析】(1)由盖斯定律有“Ⅰ－Ⅱ×2”得到2CO(g)＋4H2(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g)，所以ΔH＝ΔH1－2ΔH2＝(－122.5－82.2)kJ·mol－1＝－204.7kJ·mol－1。(2)升高温度，反应向吸热方向进行(即ΔH＞0的方向)，所以反应Ⅰ向逆向进行，Ⅱ向正向进行，CH3OCH3变少，CO2增多，故CH3OCH3选择性应一直减小，故表示平衡时CH3OCH3选择性的是曲线①；当T＞300℃时曲线②(CO2平衡转化率)随温度升高的原因为反应Ⅰ的ΔH1<0，Ⅱ的ΔH2>0，升高温度使CO2转化为CO的平衡转化率上升，使CO2转化CH3OCH3的平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度，故温度T＞300℃时反应Ⅱ占主导；增大压强，反应向气体体积减小的方向进行，若想要提高CH3OCH3的选择性，应向反应Ⅰ的正反应方向进行、Ⅱ的逆反应方向进行，所以应选择低温高压。答案：(1)－204.7kJ·mol－1(2)①高于300℃时，以反应Ⅱ为主，反应Ⅱ为吸热反应，温度升高平衡正向移动，CO2的平衡转化率增大d【加固训练】(2022·济南模拟)CO2催化重整CH4的反应：(Ⅰ)CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)；ΔH1，主要副反应：(Ⅱ)H2(g)＋CO2(g)CO(g)＋H2O(g)；ΔH2＞0，(Ⅲ)4H2(g)＋CO2(g)CH4(g)＋2H2O(g)；ΔH3＜0。在恒容反应器中CH4和CO2按物质的量之比1∶1充入气体，加入催化剂，测得反应器中平衡时各物质的体积分数与温度的关系如图所示。下列说法错误的是()A.ΔH1＞0B．若反应Ⅰ、Ⅲ消耗等量的CO2时，转移电子数之比为3∶4C．300～580℃时，H2O的体积分数不断增大，是由于反应(Ⅲ)生成H2O的量大于反应(Ⅱ)消耗的量D．T℃时，在2.0L容器中加入2molCH4、2molCO2以及催化剂进行重整反应，测得CO2的平衡转化率为75%，则反应(Ⅰ)的平衡常数小于81【解析】选C。反应(Ⅰ)可由2倍(Ⅱ)减去反应(Ⅲ)得到，故ΔH1＝2ΔH2－ΔH3，再根据图示，随温度的升高，CH4和CO2的体积分数减小，说明升温，平衡正向移动，而升温平衡向吸热方向移动，正反应吸热，ΔH1＞0，故A正确；反应Ⅰ每消耗1molCO2，转移电子数为6mol，反应Ⅲ每消耗1molCO2，转移电子数为8mol，所以反应Ⅰ、Ⅲ消耗等量的CO2时，转移电子数之比为3∶4，故B正确；300～580℃时，H2O的体积分数不断增大，反应(Ⅲ)是放热反应，升温时，平衡逆向移动消耗H2O，反应(Ⅱ)是吸热反应，升温时正向移动，生成H2O，而由于反应(Ⅲ)消耗H2O的量小于反应(Ⅱ)生成H2O的量，故C错误；T℃时，在2.0L容器中加入2molCH4、2molCO2以及催化剂进行重整反应，测得CO2的平衡转化率为75%，则CO2转化的浓度为eq\f(2mol,2L)×75%＝0.75mol·L－1，根据三段式：CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)起始量:mol·L-11100转化量:mol·L-10.750.751.51.5平衡量:mol·L-10.250.251.51.5若不考虑副反应，则反应(Ⅰ)的平衡常数＝eq\f(（1.5）2×（1.5）2,0.25×0.25)，但由于副反应(Ⅲ)中，消耗的氢气的量比二氧化碳多得多，故计算式中，分子减小得更多，值小于81，故D正确。·命题角度二：连续型多重平衡2．(2019·天津高考节选)在1L真空密闭容器中加入amolPH4I固体，t℃时发生如下反应：PH4I(s)PH3(g)＋HI(g)①4PH3(g)P4(g)＋6H2(g)②2HI(g)H2(g)＋I2(g)③达平衡时，体系中n(HI)＝bmol，n(I2)＝cmol，n(H2)＝dmol，则t℃时反应①的平衡常数K值为________(用字母表示)。【解析】2HIH2＋I2，因反应达到平衡时，n(I2)＝cmol，即该反应生成n(H2)＝cmol，反应消耗n(HI)＝2cmol，则PH4I分解生成n(PH3)＝n(HI)＝(b＋2c)mol；在反应4PH3P4＋6H2中，生成n(H2)＝(d－c)mol，该反应消耗的n(PH3)＝eq\f(2,3)(d－c)mol，在反应PH4I(s)PH3＋HI达到平衡时，n(HI)＝bmol，n(PH3)＝(b＋2c)mol－eq\f(2,3)(d－c)mol，该反应的化学平衡常数K＝b×[(b＋2c)－eq\f(2,3)(d－c)]＝(b＋eq\f(8c－2d,3))×b。答案：(b＋eq\f(8c－2d,3))b【加固训练】有效除去大气中的SO2和氮氧化物，是打赢蓝天保卫战的重中之重。某温度下，N2O5气体在一体积固定的容器中发生如下反应：2N2O5(g)=4NO2(g)＋O2(g)(慢反应)ΔH＜0，2NO2(g)N2O4(g)(快反应)ΔH＜0，体系的总压强p总和p(O2)随时间的变化如图所示：(1)图中表示O2压强变化的曲线是________(填“甲”或“乙”)。(2)已知N2O5分解的反应速率v＝0.12p(N2O5)kPa·h－1，t＝10h时，p(N2O5)＝________kPa，v＝________kPa·h－1(结果保留两位小数，下同)。(3)该温度下2NO2(g)N2O4(g)反应的平衡常数Kp＝__________kPa－1(Kp为以分压表示的平衡常数)。【解析】(1)根据反应分析，随着反应的进行氧气的压强从0开始逐渐增大，所以乙为氧气的压强变化曲线。(2)t＝10h时，p(O2)＝12.8kPa，由2N2O5(g)=4NO2(g)＋O2(g)分析，反应的五氧化二氮的分压为25.6kPa，起始压强为53.8kPa，所以10h时p(N2O5)＝(53.8－25.6)kPa＝28.20kPa，N2O5分解的反应速率v＝0.12p(N2O5)kPa·h－1＝0.12×28.20kPa·h－1≈3.38kPa·h－1。(3)N2O5完全分解时，p(NO2)＝53.8kPa×2＝107.