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热点强化练 13 多平衡体系的综合分析
1．(2020·江苏盐城高三三模)CO 催化重整CH 的反应如下：
2 4
(Ⅰ)CH (g)＋CO (g)2CO(g)＋2H (g) ΔH ，
4 2 2 1
主要副反应：(Ⅱ)H (g)＋CO (g)CO(g)＋H O(g) ΔH >0，
2 2 2 2
(Ⅲ)4H (g)＋CO (g)CH (g)＋2H O(g) ΔH <0。
2 2 4 2 3
在恒容反应器中按体积分数V(CH )∶V(CO )＝50%∶50%充入气体，加入催
4 2
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
正确的是( )
A．ΔH ＝2ΔH －ΔH <0
1 2 3
B．其他条件不变，适当增大起始时V(CH )∶V(CO )，可抑制副反应(Ⅱ)、(Ⅲ)
4 2
的进行
C．300～580 ℃时，H O的体积分数不断增大，是由于反应(Ⅲ)生成H O的量
2 2
大于反应(Ⅱ)消耗的量
D．T ℃时，在2.0 L容器中加入2 mol CH 、2 mol CO 以及催化剂进行重整反
4 2
应，测得CO 的平衡转化率为75%，则反应(Ⅰ)的平衡常数等于81
2
答案 B
解析 反应(Ⅰ)可由2倍(Ⅱ)减去反应(Ⅲ)得到，故ΔH ＝2ΔH －ΔH ，再根据
1 2 3
图示，随温度的升高，CH 和CO 的体积分数减小，说明升温，平衡正移，而升温
4 2
平衡向吸热方向移动，正反应吸热，ΔH >0，A不正确；其他条件不变，适当增大起
1
始时V(CH )∶V(CO )，即增大CH 浓度或减小CO 浓度，根据平衡移动原理，减
4 2 4 2
小反应物浓度或增加生成物浓度，平衡都逆向移动，B正确；300～580 ℃时，H O
2
的体积分数不断增大，反应(Ⅲ)是放热反应，升温时，平衡逆移消耗H O，反应(Ⅱ)
2
是吸热反应，升温时正移，生成H O，而由于反应(Ⅲ)消耗H O的量小于反应(Ⅱ)
2 2
生成水的量，C错误；T ℃时，在2.0 L容器中加入2 mol CH 、2 mol CO 以及催化
4 2
剂进行重整反应，测得CO 的平衡转化率为75%，则CO 转化的浓度＝×75%＝
2 20.75 mol/L根据三段式：
若不考虑副反应，则反应(Ⅰ)的平衡常数＝＝81，但由于副反应(Ⅲ)中，消耗
的氢气的量比二氧化碳多的多，故计算式中，分子减小的更多，值小于81，D错误。
2．(2020·安徽省江南十校4月综合素质测试)CH 用水蒸气重整制氢包含的反
4
应为：
Ⅰ.水蒸气重整：CH (g)＋H O(g)CO(g)＋3H (g) ΔH＝＋206 kJ·mol－1
4 2 2
Ⅱ.水煤气变换：CO(g)＋H O(g)CO (g)＋H (g) ΔH＝－41.2 kJ·mol－1
2 2 2
平衡时各物质的物质的量分数如图所示：
(1)为提高 CH 的平衡转化率，除压强、温度外，还可采取的措施是
4
_________________________________________________________(写一条)。
(2)温度高于 T ℃时，CO 的物质的量分数开始减小，其原因是
1 2
______________________________________________________________。
(3)T ℃时，容器中＝________。
2
答案 (1)增大起始时(或及时从产物中分离出氢气) (2)反应Ⅱ为放热反应，
从T ℃升高温度，平衡向逆反应方向移动的因素大于CO浓度增大向正反应方
1
向移动的因素，净结果是平衡逆向移动 (3)7(或7∶1)
解析 (1)为提高CH 的平衡转化率，即要让反应向正向进行，除压强、温度
4
外，还可将生成的氢气从产物中分离出去，或增大起始时的；(2)反应Ⅰ是吸热反
应，升高温度，平衡正向移动，CO的浓度增大，反应Ⅱ为放热反应，升高温度，反
应逆向进行，CO 的量减少，出现如图所示CO 的物质的量分数开始减小，说明T
2 2 1
℃升高温度，平衡向逆向移动的因素大于CO浓度增大向正向移动的因素，结果
是平衡逆向移动；(3)根据图像，T ℃时，容器中一氧化碳和二氧化碳的物质的量
2分数相等，设T ℃时，二氧化碳的物质的量为x，列三段式：
2
根据上述分析，T ℃时，n(H )＝6x＋x＝7x，n(CO )＝x，则＝＝7。
2 2 2
3．氨催化氧化时会发生如下两个竞争反应Ⅰ、Ⅱ。
4NH (g)＋5O (g)4NO(g)＋6H O(g) Ⅰ
3 2 2
4NH (g)＋3O (g)2N (g)＋6H O(g) ΔH<0 Ⅱ
3 2 2 2
为分析某催化剂对该反应的选择性，在 1 L密闭容器中充入1 mol NH 和2
3
mol O ，测得有关物质的物质的量与温度的关系如图所示。
2
(1)该催化剂在低温时选择反应________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
(2)520 ℃ 时 ， 4NH (g) ＋ 3O (g)2N (g) ＋ 6H O(g) 的 平 衡 常 数 K ＝
3 2 2 2
________(不要求得出计算结果，只需列出数字计算式)。
(3)C点比B点所产生的NO的物质的量少的主要原因是______________。
答案 (1)Ⅱ (2) (3)该反应为放热反应，当温度升高，平衡向左(逆反应方
向)移动
解析 (1)由图示可知低温时，容器中主要产物为N ，则该催化剂在低温时选
2
择反应Ⅱ。
(2)两个反应同时进行故520 ℃时4NH (g)＋3O (g)2N (g)＋6H O(g)的平衡常数K＝。
3 2 2 2
(3)已知4NH (g)＋5O (g)4NO(g)＋6H O(g) ΔH<0，正反应是放热反应，
3 2 2
当反应达到平衡后，温度升高，平衡向左(逆反应方向)移动，导致NO的物质的量
逐渐减小，即C点比B点所产生的NO的物质的量少。
4．(2020·河南许昌、济源、平顶山三市二次联考)二甲醚(CH OCH )是无色气
3 3
体，是柴油的理想替代燃料。清华大学王志良等研究了由合成气(组成为H 、CO
2
和少量的CO )一步法制备二甲醚的问题，其中的主要过程包括以下三个反应：
2
(ⅰ)CO(g)＋2H (g)CH OH(g)
2 3
ΔH ＝－90.1 kJ/mol
1
(ⅱ)CO(g)＋H O(g)CO (g)＋H (g)
2 2 2
ΔH ＝－41.1 kJ/mol
2
(ⅲ)2CH OH(g)CH OCH (g)＋H O(g)
3 3 3 2
ΔH ＝－24.5 kJ/mol
3
(1) 由 H 和 CO 制备二甲醚 (另一产物为 CO )的热化学方程式为
2 2
___________________________________________________________________。
(2)合成气初始组成为n(H )∶n(CO)∶n(CO )＝0.67∶0.32∶0.01的反应体系。
2 2
在250 ℃和5.0 MPa条件下，在1 L密闭容器中经10 min达到化学平衡时，各
组分的物质的量如下表：
成分 H CO H O CH OH CH OCH
2 2 3 3 3
物质的量(mol) 0.26 0.01 0.04 0.02 0.11
则反应(iii)在该条件下的平衡常数是________；在反应进行的10 min内，用
CH OH表示的反应(i)的平均速率是________。
3
(3)课题组探究了外界条件，对合成气单独合成甲醇反应体系和直接合成二
甲醚反应体系的影响。
①图1和图2显示了温度250 ℃和5.0 MPa条件下，合成气组成不同时，反
应达到平衡时的情况。(图中M代表甲醇、D代表二甲醚、D＋M代表甲醇和二甲
醚。下同)由图可知，随着合成气中H 所占比例的提高，合成甲醇的反应体系中，CO转
2
化率的变化趋势是________。对于由合成气直接合成二甲醚的反应体系，为了提
高原料转化率和产品产率，的值应控制在________附近。
②在压强为5.0 MPa、＝2.0及＝的条件下，反应温度对平衡转化率和产率的
影响如图3和图4所示。
课题组认为图3所示的各反应物的转化率变化趋势符合反应特点，其理由是
____________________________________________________________________。
图中显示合成气直接合成二甲醚体系中，CO的转化率明显高于H 的转化率
2
原因是________________________________________________。图4显示随着温度增大，合成气单独合成甲醇时的产率，要比合成气直接合
成二甲醚时的产率减小的快，原因是________________________________。
答案 (1)3CO(g)＋3H (g)===CO (g)＋CH OCH (g) ΔH＝－245.8 kJ/mol
2 2 3 3
(2)11 0.024 mol/(L·min) (3)①由小逐渐变大 1 ②反应体系中的所有反应均
为放热反应 反应(ⅱ)有H 生成 反应(ⅰ)的焓变大于反应(ⅲ)的焓变
2
解析 (1)已知：(ⅰ)CO(g)＋2H (g)CH OH(g) ΔH ＝－90.1 kJ/mol
2 3 1
(ⅱ)CO(g)＋H O(g)CO (g)＋H (g)
2 2 2
ΔH ＝－41.1 kJ/mol
2
(ⅲ)2CH OH(g)CH OCH (g)＋H O(g)
3 3 3 2
ΔH ＝－24.5 kJ/mol
3
根据盖斯定律，将(ⅰ)×2＋(ⅱ)＋(ⅲ)，整理可得：3CO(g)＋3H (g)===CO (g)
2 2
＋CH OCH (g) ΔH＝－245.8 kJ/mol；
3 3
(2)对于2CH OH(g)CH OCH (g)＋H O(g)，由于容器的容积是1 L，所以平
3 3 3 2
衡时各种物质的浓度与其物质的量在数值上相等，平衡时 c(CH OH)＝0.02
3
mol/L，c(CH OCH )＝0.11 mol/L，c(H O)＝0.04 mol/L，故其平衡常数K＝＝11；
3 3 2
对于反应(ⅰ)，开始时从正反应方向开始，c(CH OH)＝0 mol/L，10 min时
3
c(CH OCH )＝0.11 mol/L，则发生反应(ⅲ)消耗甲醇的浓度是 c(CH OH)＝0.11
3 3 3
mol/L×2＝0.22 mol/L，此时还有c(CH OH)＝0.02 mol/L，则反应(ⅰ)产生甲醇的
3
浓度是c(CH OH) ＝0.22 mol/L＋0.02 mol/L＝0.24 mol/L，故用甲醇表示的反应
3 总
速率v(CH OH)＝＝0.024 mol/(L·min)；
3
(3)①根据图1可知：在合成甲醇的反应体系中，随着合成气中H 所占比例的
2
提高，CO转化率的变化趋势是由小逐渐变大；
根据图1可知：在合成二甲醚的反应体系中，随着合成气中H 所占比例的提
2
高，CO转化率的变化趋势是由小逐渐变大，当＝1时达到最大值，此后几乎不再
发生变化；根据图2可知：在＝1时二甲醚的产率达到最大值，此后随着的增大，
产品产率又逐渐变小，故为了提高原料转化率和产品产率，的值应控制在1附近
②根据图示可知：在不变时，随着温度的升高，各个反应平衡转化率降低，这
是由于反应体系中的所有反应均为放热反应，升高温度，平衡向吸热的逆反应方
向移动，导致平衡时产生的物质相应的量减小；图中显示合成气直接合成二甲醚
体系中，CO 的转化率明显高于 H 的转化率，原因是反应(ⅱ) CO(g)＋
2
H O(g)CO (g)＋H (g)中有H 生成，增大了反应物H 的浓度，平衡正向移动，
2 2 2 2 2
因而可提高另一种反应物CO的转化率；根据图4显示：随着温度增大，合成气单独合成甲醇时的产率，要比合成气直接合成二甲醚时的产率减小的快，原因是反
应(ⅰ)的焓变大于反应(ⅲ)的焓变，平衡逆向移动消耗的多，故物质二甲醚转化率
降低的多。
