第22讲 化学平衡的移动
练习1 化学平衡的移动
1. (2024·如东、前黄、姜堰三校)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＝－49.5 kJ/mol
Ⅱ. CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝＋43.9 kJ/mol
在密闭容器中，压强恒为1.0×106 Pa，n起始(CO2)＝1 mol，n起始(H2)＝4 mol，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，随温度的变化如图所示。
CH3OH的选择性可表示为()()n反应CO2(n生成CH3OHCO2)×100%。
(1) 反应的最佳温度为350～400 ℃。
(2) 反应温度超过550 ℃时，CO2平衡转化率逐渐增大的原因是温度超过550 ℃时，反应Ⅱ的正向移动幅度比反应Ⅰ的逆向移动幅度大。
(3) 反应温度超过550 ℃时，CO2实际转化率逐渐减小的原因是温度升高使催化剂的活性不断降低。
(4) 反应温度在550 ℃时，X点CH3OH的选择性为50%，则平衡时p(H2O)＝1.36×105Pa(保留三位有效数字，后面相同)，反应Ⅱ的压强平衡常数Kp＝0.161。
【解析】 (1) 由图可知，400 ℃时CO2实际转化率最大，用该催化剂催化CO2反应的最佳温度范围约为350～400 ℃。(2) 反应Ⅰ是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，CO2平衡转化率减小；反应Ⅱ是吸热反应，升高温度，平衡正向移动，CO2平衡转化率增大，反应温度超过550 ℃时，CO2平衡转化率逐渐增大的原因是温度超过550 ℃时，反应Ⅱ的正向移动幅度比反应Ⅰ的逆向移动幅度大。(3) 550 ℃以后，CO2平衡转化率随温度升高而增大，表明温度升高对平衡Ⅱ的影响占主导地位，CO2实际转化率随温度升高而降低，原因是温度升高使催化剂的活性不断降低。(4) 550 ℃时CO2转化率为60%，消耗的CO2为0.6 mol，CH3OH的选择性为50%，可知生成CH3OH的CO2为0.3 mol，则反应Ⅰ消耗的CO2和H2分别为0.3 mol、0.9 mol，生成的CH3OH和水分别为0.3 mol、0.3 mol；反应Ⅱ消耗的CO2和H2分别为0.3 mol、0.3 mol，生成的CO和H2O分别为0.3 mol、0.3 mol；平衡时体系中CO2、H2、CH3OH、CO、H2O分别为0.4 mol、2.8 mol、0.3 mol、0.3 mol、0.6 mol，总计为4.4 mol，平衡时p(H2O)＝4.4 mol(0.6 mol)×1.0×106 Pa≈1.36×105 Pa，反应Ⅱ的压强平衡常数Kp＝×1.0×106 Pa(2.8)≈0.161。
2. (2024·苏州、海门、淮阴、姜堰中学四校)石油化工、煤化工等行业的废气中均含有硫化氢，需要将其回收处理并利用。
(1) 热分解法：2H2S(g)2H2(g)＋S2(g) ΔH＝＋170 kJ/mol。工业上，通常在等温、等压条件下将H2S与Ar的混合气体通入反应器，发生H2S热分解反应，达到平衡状态后，若继续向反应器中通入Ar，H2S的平衡转化率会增大(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2) 氧化法：2H2S(g)＋O2(g)S2(g)＋2H2O(g)
已知：2H2S(g)＋3O2(g)===2SO2(g)＋2H2O(g) ΔH＝－1 036 kJ/mol
4H2S(g)＋2SO2(g)===3S2(g)＋4H2O(g) ΔH＝＋94 kJ/mol
在无催化剂条件下，将H2S与O2混合加热，探究相同时间内S2(g)产率的影响因素。
①用氧化法处理H2S，若生成1 mol S2(g)，放出热量为314 kJ。
②其他条件相同时，S2产率随温度的变化如图1所示。随着温度升高，S2(g)产率先增大后减小，原因是(反应未达到平衡)，升高温度，S2的生成速率增大，(单位时间S2的生成量增大)，S2的产率增大；(反应达到平衡时)升高温度，平衡正向进行程度减小，S2的产率减小。
③其他条件相同时，S2(g)产率随()()nH2S(nO2)值的变化如图2所示。()()nH2S(nO2)值过高不利于提高S2(g)产率，可能的原因是O2浓度过高，H2S和O2会反应生成SO2，导致S2产率减小。
图1 图2
【解析】 (1) 等温等压条件下通入稀有气体等效于减压，平衡右移，H2S的平衡转化率增大。(2) ① 根据盖斯定律，2H2S(g)＋O2(g)S2(g)＋2H2O(g)的ΔH＝3(1)[(－1 036)＋96]kJ/mol＝－314 kJ/mol，若生成1 mol S2(g)，放出热量为314 kJ。② 升高温度，S2的生成速率增大，平衡后升高温度，平衡左移，S2的产率减小。