突破08 图像中活化能分析-备战2021年高考化学《化学反应原理》逐空突破系列

化学平衡图像说理题(四) ——图像中活化能分析 【化工生产适宜条件选择的一般原则】 条件 原则 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学平衡移动分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性 从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本 从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压能力等 从催化剂的使用活性分析 注意催化剂的活性对温度的限制 【经典训练】 1、[2018·全国卷 II·节选] 反应中催化剂话性会因积碳反应而降低，同时存在的消碳反应则使积碳量减少。相关 数据如下表： 积碳反应：CH4(g)= C(s)+2H2(g) 消碳反应：CO2(g)+ C(s)= 2CO(g) ΔH/(kJ·mol−1) 75 172 活化能/(kJ·mol−1) 催化剂 X 33 91 催化剂 Y 43 72 由上表判断，催化剂 X____Y(填“优于”或“劣于”)，理由是_________________________________________ ________________________________________________________________________________ 2、[2018·江苏卷 I·节选] NOx(主要指 NO 和 NO2)是大气主要污染物之一。有效去除大气中的 NOx 是环境保护 的重要课题。在有氧条件下，新型催化剂 M 能催化 NH3 与 NOx 反应生成 N2。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(装置见图 1) 反应相同时间 NOx 的去除率随反应温度的变化曲线如图 2 所示，在 50～250 ℃范围内随着温度的升高，NOx 的去除率先迅速上升后上升缓慢的主要原因是___________________________________________；当反应温度 高于 380 ℃时，NOx 的去除率迅速下降的原因可能是______________________________________________ 3、[2017·天津卷·节选] 已知：生物脱 H2S 的原理：H2S＋Fe2(SO4)3===S↓＋2FeSO4＋H2SO4 4FeSO4＋O2＋2H2SO4 ===== 硫杆菌 2Fe2(SO4)3＋2H2O 由图 1 和图 2 判断使用硫杆菌的最佳条件为____________________________，若反应温度过高，反应速率下 降，其原因是_______________________________________________________________________________ 4、[2016·全国卷Ⅲ·节选] 煤燃烧排放的烟气含有 SO2 和 NOx，形成酸雨、污染大气，采用 NaClO2 溶液作为吸 收剂可同时对烟气进行脱硫、脱硝。在鼓泡反应器中通入含有 SO2 和 NO 的烟气，反应温度为 323 K，NaClO2 溶液浓度为 5×10−3mol·L−1。反应一段时间后溶液中离子浓度的分析结果如下表。 离子 SO42− SO32− NO3− NO2− Cl− c/(mol·L−1) 8.35×10−4 6.87×10−6 1.5×10−4 1.2×10−5 3.4×10−3 由实验结果可知，脱硫反应速率______脱硝反应速率(填“大于”或“小于”)。原因是除了 SO2 和 NO 在烟气中的 初始浓度不同，还可能是_______________________________________________________ 5、[2016·浙江卷·节选] 乙苯催化脱氢制苯乙烯反应：   催化剂 ＋H2(g) ΔH＝＋124 kJ·mol－1 工业上，通常在乙苯蒸气中掺混水蒸气(原料气中乙苯和水蒸气的物质的量之比为 1∶9)，控制反应温度 600 ℃， 并保持体系总压为常压的条件下进行反应。在不同反应温度下，乙苯的平衡转化率和某催化剂作用下苯乙烯 的选择性(指除了 H2 以外的产物中苯乙烯的物质的量分数)变化如图。控制反应温度为 600 ℃的理由是_____ ____________________________________________________________________________ 6、工业废气、汽车尾气中含有的 NOx、SO2 等，是形成雾霾的主要物质，其综合治理是当前重要的研究课题。 某研究小组探究催化剂对 CO、NO 转化的影响。将 NO 和 CO 以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应， 相同时间内测量逸出气体中的 NO 含量，从而确定尾气脱氮率(脱氮率即 NO 的转化率)，结果如图所示。 若温度低于 200℃，图中曲线脱氯率随温度升高而变化不大的主要原因是_________________________；判断 a 点对应的脱氮率是否为对应温度下的平衡脱氮率，并说明其理由____________________________________ ______________________________________________________________________________ 7、下图是在一定时间内，使用不同催化剂 Mn 和 Cr 在不同温度下对应的脱氮率，由图可知工业使用的最佳催 化剂为________、相应温度为________；使用 Mn 作催化剂时，脱氮率 b～a 段呈现如图变化的可能原因是____ ____________________________________________________________________________ 8、以 TiO2/Cu2Al2O4 为催化剂，可以将 CO2 和 CH4 直接转化为乙酸，请写出该反应的化学方程式：____________。 在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率的关系如图 2 所示。在温度为______时，催化剂的活性最 好，效率最高。请解释图中 250～400 ℃时乙酸生成速率变化的原因：250～300 ℃时______________________； 300～400 ℃时____________________________________________________________ 9、环戊二烯是重要的有机化工原料，制备环戊烯涉及的反应如下： 研究环戊二烯氢化制备环戊烯在不同温度下催化剂的活性。下表是以 Pd/Al2O3 为催化剂，相同反应时间测得 不同温度的数据(其它条件相同) 温度/℃ 25 30 35 40 45 环戊二烯转化率/% 84.9 93.9 100.0 100.0 100.0 环戊烯选择性/% 81.3 88.6 75.5 60.6 51.3 说明： ， ，常用收率来衡量催化剂的活性 ①最佳的反应温度为______，选择该温度的原因是______________________________ ②表中实验数据表明，升高温度，环戊二烯转化率提高而环戊烯选择性降低，其原因是_____________________ ______________________________________________________________ 11、中科院大连化学物理研究所的“煤基甲醇制取低碳烯烃技术(简称 DMTO)”荣获 2014 年度国家技术发明一 等奖。DMTO 技术主要包括煤的气化、液化、烯烃化三个阶段，相关反应的热化学方程式如下： ①煤气化制合成气：C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g) ②煤液化制甲醇：CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ③甲醇制取低碳烯烃：2CH3OH(g) C2H4(g)+2H2O(g) ΔH＝—11.72 kJ·mol－1 3CH3OH(g) C3H6(g)+3H2O(g) ΔH＝—30.98kJ·mol－1 烯烃化阶段：在常压和某催化剂作用下，甲醇的平衡转化率及乙烯、丙烯等物质的选择性（指除了水蒸气以 外的产物中乙烯、丙烯等物质的物质的量分数）与反应温度之间的关系如图 3。为尽可能多地获得乙烯，控 制反应温度为 550℃的理由是_________________________________________________________________ 11、向恒容密闭容器中加入适量催化剂，并充入一定量的 H2 和 CO 合成甲醇：2H2(g)＋CO(g) CH3OH(g)，单 位时间内，CO 的转化率[α(CO)]与反应温度的变化关系如图所示 温度为 T1～T2 ℃时，CO 的转化率降低，原因是____________________________________________ 12、甲醇是重要的化工原料。利用合成气（主要成分为 CO、CO2 和 H2）在催化剂的作用下合成甲醇，可能发生 的反应如下： ①CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1 ＝＋99kJ·mol－1 ②CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2 ＝＋36kJ·mol－ 1 ③CH3OH(g) CO(g)+2H2(g) ΔH3＝＋99kJ·mol－1 一定比例的合成气在装有催化剂的反应器中反应 12 小时。体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如 图所示 温度为 470K 时，图中 P 点________(填“是”或“不是”)处于平衡状态。在 490K 之前，甲醇产率随温度升高而增 大，490K 之后，甲醇产率随温度升高而减小的原因分别是____________________________________________ 【化学平衡图像说理题(四)——图像中活化能分析】答案 1、劣于 相对于催化剂 X，催化剂 Y 积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小；而消碳反应活化能相对小，消 碳反应速率大 解析：根据表中数据可知相对于催化剂 X，催化剂 Y 积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小；而消碳反应 活化能相对小，消碳反应速率大，所以催化剂 X 劣于 Y 2、迅速上升段是催化剂活性随温度升高增大与温度升高共同使 NOx 去除反应速率迅速增大； 上升缓慢段主要是温度升高引起的 NOx 去除反应速率增大催化剂活性下降；NH3 与 O2 反应生成了 NO 解析：因为反应时间相同，所以低温时主要考虑温度和催化剂对化学反应速率的影响；高温时 NH3 与 O2 发生催 化氧化反应。在 50~250℃范围内，NOx 的去除率迅速上升段是催化剂活性随温度升高增大与温度升高共同使 NOx 去除反应速率迅速增大；上升缓慢段主要是温度升高引起的 NOx 去除反应速率增大，温度升高催化剂活性下降。 反应温度高于 380℃时，NOx 的去除率迅速下降的原因可能是 NH3 与 O2 反应生成了 NO，反应的化学方程式为 4NH3+5O2 4NO+6H2O。 3、30 ℃、pH＝2.0 蛋白质变性(或硫杆菌失去活性) 解析：由图 1 可知，温度在 30 ℃左右时，Fe2＋氧化速率最快；由图 2 可知，反应混合液的 pH＝2.0 左右时，Fe2 ＋氧化速率最快。由此可推断使用硫杆菌的最佳条件为温度为 30 ℃、混合液的 pH＝2.0。硫杆菌属于蛋白质，若 反应温度过高，受热变性失活，导致反应速率下降。 4、大于；NO 溶解度较低或脱硝反应活化能较高 解析：由实验结果可知，在相同时间内硫酸根离子的浓度增加的多，因此脱硫反应速率大于脱硝反应速率。原 因是除了 SO2 和 NO 在烟气中的初始浓度不同，还可能是二氧化硫的还原性强，易被氧化。 5、600 ℃，乙苯的转化率和苯乙烯的选择性均较高。温度过低，反应速率慢，转化率低；温度过高，选择性下 降，高温还可能使催化剂失活，且能耗大 6、温度较低时，催化剂的活性偏低 不是平衡脱氮率，因为该反应为放热反应，根据曲线Ⅱ可知，a 点对应温度的平衡脱氮率应该更高 解析：①温度若低于 200℃，催化剂的活性偏低，对化学反应速率的影响比较小；该反应的正反应为放热反应， 降低温度平衡正向移动，脱氮率增大，根据曲线Ⅱ可知，a 点对应温度下的平衡脱氮率应高于 450℃时曲线Ⅱ对 应的脱氮率。故答案为：温度较低时，催化剂的活性偏低；不是平衡脱氮率，因为该反应为放热反应，根据曲 线Ⅱ可知，a 点对应温度的平衡脱氮率应该更高。 7、Mn 200 ℃左右 b～a 段，开始温度较低，催化剂活性较低，脱氮反应速率较慢，反应还没达到化学平衡， 随着 温度升高反应速率变大，一定时间参与反应的氮氧化物变多，导致脱氮率逐渐升高 8、CO2＋CH4 =========TiO2/Cu2Al2O4CH3COOH 250 ℃ 催化剂效率下降是影响乙酸生成速率的主要原因 温度升高是影响乙酸生成速率的主要原因 9、①30℃ 该温度下，收率最大，催化剂的活性最好 或：该温度下转化率较高，选择性好 ②温度升高，ⅱ、ⅲ的反应速率均加快，但对ⅱ的反应速率的影响小于ⅲ 10、550℃时，甲醇的转化率和乙烯的选择性均较高。温度过低，反应速率慢，乙烯的选择性低；温度 过高， 性质下降。高温还可能使催化剂积碳和失活，且耗能大。 解析：根据图像可知 550℃时，甲醇的转化率和乙烯的选择性均较高。温度过低，反应速率慢，乙烯的选择性低； 温度过高，性质下降。高温还可能使催化剂积碳和失活，且耗能大。所以为尽可能多地获得乙烯，控制 反应温度为550℃。 11、催化剂的活性降低，反应速率减小 12、不是 升高温度，反应逆向移动，催化剂活性降低 解析：温度为 470K 时，图中 P 点 不是处于平衡状态；在 490K 之前，甲醇产率随着温度升高而增大的原因是 温度越高化学反应速率越快，490K 之后，甲醇产率下降的原因是升高温度，反应 i 逆向移动，催化剂活性降低； 综上所述，本题答案是：不是；升高温度，反应逆向移动，催化剂活性降低。