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热点专项 多平衡体系中最佳反应条件、选择性、转化率、
产率判断
目录
01 考情透视·目标导航............................................................................................................................
02 知识导图·思维引航............................................................................................................................
03 核心精讲·题型突破............................................................................................................................
【真题研析】...........................................................................................................................................................
【核心精讲】...........................................................................................................................................................
1.多重平衡体系分类.............................................................................................................................................
2.有关多重平衡及选择性的问题.........................................................................................................................
3.连续反应的思维模型.........................................................................................................................................
4.竞争反应的思维模型.........................................................................................................................................
5.工业生产图像中转化率、产率变化分析思路.................................................................................................
【命题预测】...........................................................................................................................................................
考向1 选择反应最佳条件.......................................................................................................................................
考向2 解释曲线发生某种现象的原因...................................................................................................................
考向3 多重化学平衡的计算...................................................................................................................................
考点要求
考题统计
考情分析
反应条件
的选择或
曲线原因
分析
2024·安徽卷,12,3 分;2024·辽吉黑卷,10,3
分;2024·江苏卷,13,3 分;2023•江苏卷,
13,3 分;2022•江苏卷,13,3 分;
近几年高考对化学平衡相关
知识的考查中,经常出现同
一体系中多平衡共存问题,
这类试题有固定的的设问、
答法或有确定的解题思路。
预计2025 年重点考查多重平
衡下化学平衡体系的分析、
化学平衡常数的计算等。
多重化学
平衡的计
算
2024·浙江6 月卷,11,3 分;2024·湖南卷,
14,3 分;2023•湖南卷,16(2);
1
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1.(2024·浙江6 月卷,11,3 分)二氧化碳氧化乙烷制备乙烯,主要发生如下两个反应:
I.C2H6(g)+CO2(g)
C2H4(g)+CO(g)+H2O(g) ΔH1>0
II.C2H6(g)+2CO2(g)
4CO(g)+3H2(g) ΔH2>0
向容积为
的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同温度下,测得
时(反应均未平衡)的
相关数据见下表,下列说法不正确的是( )
温度(
)
400
500
600
乙烷转化率(
)
2.2
9.0
17.8
乙烯选择性(
)
92.6
80.0
61.8
注:乙烯选择性
A.反应活化能:I<II
B.
时,0~5 min 反应I 的平均速率为:v(C2H4)=2.88×10-3
mol·L-1·min-1
C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),可提高乙烯的产率
D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/ n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷转化率
2.(2024·安徽卷,12,3 分)室温下,为探究纳米铁去除水样中SeO4
2-的影响因素,测得不同条件下
SeO4
2-浓度随时间变化关系如下图。
2
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实验序号
水样体积/ mL
纳米铁质量/ mg
水样初始pH
①
50
8
6
②
50
2
6
③
50
2
8
下列说法正确的是( )
A.实验①中,0~2 小时内平均反应速率v(SeO4
2-)=2.0 mol·L-1·h-1
B.实验③中,反应的离子方程式为:2Fe+SeO4
2-+8H+=2Fe3++Se+4H2O
C.其他条件相同时,适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D.其他条件相同时,水样初始pH 越小,SeO4
2-的去除效果越好
3.(2024·辽吉黑卷,10,3 分)异山梨醇是一种由生物质制备的高附加值化学品,150℃时其制备过程
及相关物质浓度随时间变化如图所示,15 h 后异山梨醇浓度不再变化。下列说法错误的是( )
A.
时,反应②正、逆反应速率相等
B.该温度下的平衡常数:①>②
C.0~3h 平均速率(异山梨醇) 0.014mol·kg-l·h-l
3
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D.反应②加入催化剂不改变其平衡转化率
4.(2024·湖南卷,14,3 分)恒压下,向某密闭容器中充入一定量的CH3OH(g)和CO(g,发生如下反应:
主反应:CH3OH(g)+CO(g)=CH3COOH(g) ΔH1
副反应:CH3OH (g)+CH3COOH(g)=CH3COOCH3(g)+H2O(g) ΔH2
在不同温度下,反应达到平衡时,测得两种含碳产物的分布分数
随投料比x(物质的量之比)的变化关系如图所示,
下列说法正确的是( )
A. 投料比x 代表
B. 曲线c 代表乙酸的分布分数
C.ΔH1<0,ΔH2>0
D. L、M、N 三点的平衡常数:K(L)=K(M)>K(N)
5.(2024·江苏卷,13,3 分) 二氧化碳加氢制甲醇的过程中的主要反应(忽略其他副反应)为:
①CO2(g)+H2(g)= CO(g)+H2O(g) ΔH1=41.2kJ·mol−1
②CO(g)+2H2(g)= CH3OH(g) ΔH2
225℃、8×106Pa 下,将一定比例CO2、H2混合气匀速通过装有催化剂的绝热反应管。装置及L1、L2、
L3…位点处(相邻位点距离相同)的气体温度、CO 和CH3OH 的体积分数如图所示。下列说法正确的是( )
4
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A.L4处与L5处反应①的平衡常数K 相等
B.反应②的焓变ΔH2>0
C.L6处的H2O 的体积分数大于L5处
D.混合气从起始到通过L1处,CO 的生成速率小于CH3OH 的生成速率
6.(2023•江苏卷,13,3 分)二氧化碳加氢制甲烷过程中的主要反应为
CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-164.7kJ·mol−1
CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g) ΔH=41.2kJ·mol−1
在密闭容器中,
、
时,CO2平衡转化率、在催化剂作用下
反应相同时间所测得的CO2实际转化率随温度的变化如题图所示。CH4的选择性可表示为
。下列说法正确的是( )
A.反应2CO(g)+2H2(g)=CO2(g)+CH4(g)的焓变ΔH=-205.9kJ·mol−1
B.CH4的平衡选择性随着温度的升高而增加
C.用该催化剂催化二氧化碳反应的最佳温度范围约为480~530℃
D.450℃时,提高
的值或增大压强,均能使
平衡转化率达到X 点的值
7.(2022•江苏卷,13)乙醇-水催化重整可获得H2。其主要反应为
5
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C2H5OH(g)+3H2O(g)= 2CO2(g)+6H2(g) ΔH2=173.3kJ·mol−1
CO2(g)+H2(g)= CO(g)+H2O(g) ΔH2=41.2kJ·mol−1
在
、n 始(C2H5OH):n 始(H2O)=1:3 时,若仅考虑上述反应,平衡时CO2和CO 的选择性及H2
的产率随温度的变化如图所示。
CO 的选择性
,下列说法正确的是( )
A.图中曲线①表示平衡时H2产率随温度的变化
B.升高温度,平衡时CO 的选择性增大
C.一定温度下,增大
可提高乙醇平衡转化率
D.一定温度下,加入CaO(s)或选用高效催化剂,均能提高平衡时H2产率
1.多重平衡问题的解题思路
2.多平衡体系中有关平衡常数的计算技巧
(1)有关多平衡体系平衡常数的计算,如何确定多个反应相关联物质在平衡时量的多少是解题的关键点。
若用常规的三段式计算,对反应过程分析要求高,容易出错。但无论多少个反应,反应进行的程度如何,
反应前后的原子总数是不变的,因而解答这类问题可用原子守恒法,可规避对反应过程的分析。
(2)原子守恒法解题基本思路。
6
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1 .多重平衡体系分类
多重平衡可分成两类:一种是竞争性的多重平衡,此类反应被称为平行反应或竞争反应。平行反应指
的是反应物相同,生成物不同的两个或多个反应(其中一个生成目标产物的反应是主反应,其余的是副反
应)。另一种是连续性的多重平衡,此类反应被称为连续反应或分步反应。
2 .有关多重平衡及选择性的问题
在多重平衡中,几个可逆反应是相互影响的。
(1)如果主反应的生成物又与主反应的某一反应物发生另一个可逆反应,那么该反应物的平衡转化率就
会增大。
(2)在一定温度下,特定的混合体系,多重平衡选择性为定值。因为平衡常数只与温度有关,且催化剂
不能改变某一物质的平衡转化率。
(3)如果在同一条件下,两个物质同时可以发生几个可逆反应,那么催化剂的选用就可以使其中某一反
应的选择性提高。
3 .连续反应的思维模型
7
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【易错提醒】
连续反应中只要有一个反应平衡发生移动,那么另一个反应平衡也会联动。
4 .竞争反应的思维模型
5 .工业生产图像中转化率、产率变化分析思路
【易错提醒】
多重平衡体系达到整体综合平衡后,每种平衡组分都只能有一个平衡浓度。
考向
1
选择反应最佳条件
1.(2025·四川省绵阳市阶段练习)二甲醚和水蒸气制氢气可作为燃料电池的氢能源,发生的主要反应
如下:
反应I:CH3OCH3(g)+H2O(g)
2CH3OH(g) ΔH1>0
反应Ⅱ:CH3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g) ΔH2>0
反应Ⅲ:CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH3>0
在恒压下,将一定比例的二甲醚和水蒸气混合后,以一定流速通过装有催化剂的反应器,反应相同时
8
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间测得的CH3OCH3实际转化率、CO2实际选择性与CO2平衡选择性随温度的变化如图所示,CO2的选择性
。下列说法不正确的是( )
A.曲线b 表示CO2实际选择性随温度的变化
B.适当增加H2O 的物质的量,可提高H2的产率
C.
时,反应Ⅱ的速率大于反应Ⅲ的速率
D.一定温度下,若增大压强,反应Ⅲ平衡不移动,CO 的平衡产量不变
2.(2025·北京市北师大附中高三模拟)甲烷还原二氧化碳是实现“双碳”目标的有效途径之一,常压、
催化剂作用下,按照CO2和CH4的物质的量之比
投料。有关反应如下:
反应I:CH4(g)+CO2(g)
2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247kJ·mol−1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41kJ·mol−1
某一时段内,CH4和CO2的转化率随温度变化如下图所示。
已知:CO2的转化效率
下列分析不正确的是( )
9
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A.根据反应Ⅰ、Ⅱ,低压高温有利于提高CO2的平衡转化率
B.
时,CO2转化的R 值为
C.由
升高到
,含氢产物中水的占比增大
D.由
升高到
,CO2的转化效率逐渐增大
3.(2025·江苏省南京师大附中高三质检)在CO2与H2反应制甲醇的反应体系中,主要反应的热化学方
程式为
反应I:CO2(g)+3H2(g)
CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5kJ·mol−1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH2=+40.9kJ·mol−1
向恒压密闭容器中通入1molCO2和3molH2,CO2的平衡转化率、CH3OH 的平衡产率随温度的变化如下
图所示。下列说法正确的是( )
A.反应I 的平衡常数
B.1molCO2(g)和1molH2(g)充分反应,吸收热量40.9kJ
C.平衡时CH3OH 的体积分数可能大于0.5
D.曲线a 代表的是CO2的平衡转化率
4.一定条件下,用Fe2O3、NiO 或Cr2O3 作催化剂对燃煤烟气回收。反应为2CO(g)+SO2(g)
2CO2(g)+S(l) ΔH=-270 kJ·mol-1。
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(1)其他条件相同、催化剂不同,SO2的转化率随反应温度的变化如图1,Fe2O3和NiO 作催化剂均能使
SO2的转化率达到最高,不考虑催化剂价格因素,选择Fe2O3的主要优点是_____________________。
(2)某科研小组用Fe2O3作催化剂,在380 ℃时,分别研究了n(CO)∶n(SO2)为1∶1、3∶1 时SO2转化
率的变化情况(图2)。则图2 中表示n(CO)∶n(SO2)=3∶1 的变化曲线为____(填“a”或“b”)。
5.CO2 和H2 合成甲烷也是CO2 资源化利用的重要方法。对于反应CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+
2H2O(g) ΔH=-165 kJ·mol-1,催化剂的选择是CO2甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂条件下反应
相同时间,测得CO2转化率和生成CH4选择性随温度变化的影响如图所示:
(1)高于320 ℃后,以Ni-CeO2为催化剂,CO2转化率略有下降,而以Ni 为催化剂,CO2转化率仍在上
升,其原因是________________________________________________________。
(2)对比上述两种催化剂的催化性能,工业上应选择的催化剂是____________________,使用的合适温
度为______________________。
考向
2
解释曲线发生某种现象的原因
6.(2025·江苏省南通市高三第四次质量检测)CO2催化加氢制CH3OH 能实现碳的循环利用。一定压强
下,1 mol CO2与3 mol H2在密闭容器中发生的反应如下:
Ⅰ: CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) ΔH<0
Ⅱ: CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g) ΔH>0
11
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反应相同时间,测得不同温度下CO2转化率和CH3OH 选择性如图实验值所示。图中平衡值表示在相
同条件下达到平衡状态时CO2转化率和CH3OH 选择性随温度的变化。已知:CH3OH 的选择性=
×100%。
下列说法正确的是( )
A.曲线b 表示CO2的平衡转化率
B.其他条件不变,240 ℃时加压或使用高效催化剂均可能使CO2转化率达到X 点
C.220~280 ℃时,反应Ⅰ生成CH3OH 速率小于反应Ⅱ生成CO 的速率
D.为提高CH3OH 生产效率,需选择相对较低的温度
7.(2025·江苏省南京市五校联盟高三联考)二甲醚催化制备乙醇主要涉及以下两个反应:
反应Ⅰ:CO(g)+CH3OCH3(g)
CH3COOCH3(g) ΔH1=a kJ/mol;
反应Ⅱ:CH3COOCH3(g)+2H2(g)
CH3CH2OH(g)+CH3OH(g) ΔH2=b kJ/mol。
反应Ⅰ、Ⅱ的平衡常数的对数lgK1、lgK2与温度的关系如图甲所示;固定CO、CH3OCH3、H2的原料
比、体系压强不变的条件下,同时发生反应Ⅰ、Ⅱ,平衡时各物质的物质的量分数随温度的变化如图乙所
示。下列说法正确的是( )
A.a>0
B.测得X 点CH3CH2OH 的物质的量分数是10%,则X 点反应Ⅱ有:v 正<v 逆
C.由CH3COOCH3的曲线知,600 K 后升高温度对反应Ⅰ的影响程度小于反应Ⅱ
D.曲线B 表示CO 或CH3OCH3的物质的量分数随温度的变化
8.CO2 催化加氢直接合成二甲醚的反应为2CO2(g)+6H2(g)
CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH=-
122.54 kJ·mol-1。有时还会发生副反应:CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1,其他
条件相同时,反应温度对CO2平衡总转化率及反应2.5 小时的CO2实际总转化率影响如图1 所示;反应温
度对二甲醚的平衡选择性及反应2.5 小时的二甲醚实际选择性影响如图2 所示。(已知:CH3OCH3的选择性
=×100%)
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(1) 图1 中,温度高于290 ℃,CO2 平衡总转化率随温度升高而上升的原因可能是
___________________。
(2)图2 中,在240~300 ℃范围内,相同温度下,二甲醚的实际选择性高于其平衡值,从化学反应速
率的角度解释原因:__________________________________________。
9.甲基环己烷催化脱氢(
)是石油工业制氢常见方法,以Ni-Cu 为催化剂,
固定反应温度为650 K,以氮气为载气,在不同载气流速情况下,甲基环己烷脱氢转化率如图所示,b 点转
化率能与a 点保持相当的原因是__________________________________________。
10 .工业上用SiO2 和焦炭高温下反应制得粗硅,再经如下2 步反应制得精硅:Si(s) +
3HCl(g)===SiHCl3(g)+H2(g) ΔH=-141.8 kJ·mol-1,SiHCl3(g)+H2(g)===Si(s)+3HCl(g),反应过程中可
能会生成SiCl4。
如图所示,当>3,SiHCl3平衡产率减小的原因是____________________________。
11.二甲醚既是重要的工业品,也是燃料电池制氢的重要原料。二甲醚水蒸气重整制氢的总反应为
CH3OCH3(g)+(1+2x)H2O(g)
(4+2x)H2(g)+(2-2x)CO(g)+2xCO2(g),其过程包括:
Ⅰ.CH3OCH3(g)+H2O(g)
2CH3OH(g) ΔH1=+23.6 kJ·mol-1
Ⅱ.CH3OH(g)+H2O(g)
CO2(g)+3H2(g) ΔH2=+49.5 kJ·mol-1
Ⅲ.CH3OH(g)
CO(g)+2H2(g) ΔH3=+90.7 kJ·mol-1
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Ⅳ.CO(g)+H2O(g)
CO2(g)+H2(g) ΔH4=-41.2 kJ·mol-1
CO2的选择性()与水醚比[]和温度的关系如图1 所示;423 K 时,平衡时H2的物质的量分数与水醚比的
关系如图2 所示:
(1)图1 中相同温度下,水醚比越大,CO2的选择性越高的原因是____________________;
相同水醚比时,温度升高,CO2的选择性降低的原因是____________________________。
(2)图2 中水醚比大于3 时,随水醚比的增大H2的物质的量分数减小的原因是__________。
考向
3 多重化学平衡的计算
12.(2025·陕西省普通高等院校统一考试第二次适应性训练)南京理工大学朱卫华等人基于单簇催化剂
(SCC),提出了一种一氧化氮还原反应(NORR)的新型结构~活性关系,经研究发现主要反应如下:
(Ⅰ) 2NO(g)+2H2(g)
N2(g)+2H2O(g) ΔH<0
(Ⅱ) 2NO(g)+5H2(g)
2NH3(g)+2H2O(g) ΔH<0
(Ⅲ) N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH<0
在T℃、100 kPa 反应条件下,向密闭容器中充入2 molNO 和6 mol H2,发生上述反应,测得含氮元素
占比[如N2的含氮元素占比
]与时间的关系如图所示。
已知:反应Ⅱ为快速平衡,可认为不受慢反应Ⅰ、Ⅲ的影响;
为用物质的量分数表示的平衡常数。
下列有关说法正确的是( )
14
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A.曲线c 表示的是氨气的含氮元素占比
B.若选择对反应Ⅱ催化效果更好的催化剂,则F 点将移向E 点
C.I 点时,0~45 min 内用氨气表示的平均反应速率约为
D.若95 min 时达到平衡,则反应Ⅲ的平衡常数
的计算式为
13.(2025·湖南省湖南师大附中高三检测)逆水煤气变换体系中存在以下两个反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g)
CO(g)+H2O(g) ΔH1
反应Ⅱ:CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O(g) ΔH2
在恒压条件下,按投料比
进行反应,含碳物质的平衡体积分数随温度的变化如图所示。下
列说法错误的是( )
A.ΔH1>0,ΔH2<0
B.反应CO2(g)+3H2(g)
CH4(g)+H2O(g)的
C.
点反应I 的平衡常数
D.
点H2O 的压强是
的2 倍
14.H2还原NO 的化学方程式为2NO(g)+2H2(g)===N2(g)+2H2O(g) ΔH<0。
(1)研究表明上述反应历程分两步:
Ⅰ.2NO(g)+H2(g)
N2(g)+H2O2(l)(慢反应)
Ⅱ.H2O2(l)+H2(g)
2H2O(g)(快反应)
该总反应的速率由反应________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)决定,反应Ⅰ的活化能比反应Ⅱ的活化能
________(填“高”或“低”)。
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(2)该反应常伴有副产物N2O 和NH3的生成。以Pt 作催化剂,用H2还原某废气中的NO(其他气体不反
应),270 ℃时H2的体积分数对H2-NO 反应的影响如图所示。随着H2体积分数的增大,N2的体积分数呈下
降趋势,原因是__________________________________________________________。
(3)在一定温度下,副产物N2O 分解反应的化学方程式为2N2O(g)===2N2(g)+O2(g),测得在恒容容器中
N2O 分解的部分实验数据如下表。
反应时间/min
0
20
40
60
80
100
c(N2O)/ (mol·L-1)
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0~20 min,反应速率v(N2O)为________ mol·L-1·min-1;若N2O 的起始浓度为0.20 mol·L-1,则反应至
40 min 时N2O 的转化率α=________。
15.乙酸是生物油的主要成分之一,乙酸制氢具有重要意义:
热裂解反应:CH3COOH(g)===2CO(g)+2H2(g) ΔH=+213.7 kJ·mol-1
脱羧基反应:CH3COOH(g)===CH4(g)+CO2(g) ΔH=-33.5 kJ·mol-1
若利用合适的催化剂控制其他的副反应,温度为T K 时达到平衡,总压强为p kPa,热裂解反应消耗
乙酸20%,脱羧基反应消耗乙酸60%,乙酸体积分数为__________(计算结果保留1 位小数);脱羧基反应
的平衡常数Kp为________kPa(Kp为以分压表示的平衡常数,计算结果保留1 位小数)。
16.(1)向某容器中通入等物质的量的乙烷和氢气,在等压(p)下发生反应:C2H6(g)
C2H4(g)+
H2(g) ΔH1=+137 kJ·mol-1,乙烷的平衡转化率为α。反应的平衡常数Kp=________(用平衡分压代替平衡
浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
(2)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SO2 的催化氧化:SO2(g)+
O2(g)
SO3(g) ΔH=-98 kJ·mol-1。将组成(物质的量分数)为2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% N2(g)的
气体通入反应器,在温度为T、压强为p 条件下进行反应。平衡时,若SO2 转化率为α,则SO3 压强为
__________________,平衡常数Kp=________________(以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
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