《2025年高中总复习优化设计高中化学》

[对点训练2] “丁烯裂解法”是另一种重要的丙烯生产法，在生产过程中会有生成乙烯的副反应发生。反应如下：
主反应：$3C_{4}H_{8}(g)\underset{}{\overset{催化剂}{\rightleftharpoons}}4C_{3}H_{6}(g)$；
副反应：$C_{4}H_{8}(g)\underset{}{\overset{催化剂}{\rightleftharpoons}}2C_{2}H_{4}(g)$。
测得上述两反应的平衡体系中，各组分的质量分数$(w)$随温度$(T)$和压强$(p)$变化的趋势分别如图甲和图乙所示：
(1) 平衡体系中的$C_{3}H_{6}(g)$和$C_{2}H_{4}(g)$的质量比是工业生产$C_{3}H_{6}(g)$时选择反应条件的重要依据之一，从产物的纯度考虑，该数值越高越好，据图甲和图乙判断，反应条件应选择C(填字母)。
A. $300^{\circ}C$、$0.1MPa$
B. $700^{\circ}C$、$0.1MPa$
C. $300^{\circ}C$、$0.5MPa$
D. $700^{\circ}C$、$0.5MPa$
(2) 有研究者结合图甲数据并综合考虑各种因素，认为$450^{\circ}C$的反应温度比$300^{\circ}C$或$700^{\circ}C$更合适，从反应原理角度分析其理由可能是______。

答案： 对点训练2 答案
(1)C
(2)300℃反应速率慢，700℃副反应的转化率大于丁烯转化成丙烯的转化率
解析
(1)由图甲可知，300℃时C₂H₄(g)的质量分数接近于0，而温度升高，C₂H₄(g)的质量分数增大，故选择300℃；由图乙可知，压强增大，C₂H₄(g)的质量分数减小，C₃H₆(g)的质量分数增大，故选0.5MPa，因此控制反应条件为300℃，0.5MPa。
(2)温度越低，反应速率越慢，由图甲可知，300℃时反应速率慢；温度升高，C₂H₄(g)的质量分数增大，700℃的副反应的转化率大于丁烯转化成丙烯的转化率。而450℃时，C₃H₆(g)的质量分数达到最大值，且C₂H₄(g)的质量分数在10%左右，产物中C₃H₆(g)的含量较高，故450℃更合适。

1. 已知：$2SO_{2}(g)+O_{2}(g)\rightleftharpoons 2SO_{3}(g)$ $\Delta H=-197.8kJ· mol^{-1}$。起始反应物为$SO_{2}$和$O_{2}$(物质的量之比为$2:1$，且总物质的量不变)。$SO_{2}$的平衡转化率($\%$)随温度和压强的变化如下表，下列说法不正确的是(B)


A.一定压强下降低温度，$SO_{2}$的转化率增大
B.在不同温度、压强下，转化相同物质的量的$SO_{2}$所需要的时间相等
C.使用催化剂可以缩短反应达到平衡所需的时间
D.工业生产通常不采取加压措施是因为常压下$SO_{2}$的转化率已相当高

答案： 1.B 解析 由表中数据及勒夏特列原理知，针对放热反应，一定压强下降低温度，平衡正向移动，反应物SO₂的转化率增大，A正确；由于在不同温度、压强下，化学反应速率不一定相等，故转化相同物质的量的SO₂所需要的时间不一定相等，B错误；催化剂对化学平衡移动无影响，但可以缩短反应达到平衡所需的时间，C正确；由表中数据可知，不同温度下，1.01×10⁵Pa(常压)下SO₂的转化率分别为99.2%、97.5%、93.5%，已经相当高了，且加压后转化率升高并不明显，所以没有必要通过加压提高转化率，D正确。

2. (2024·江苏南通调研)甲烷催化氧化为合成气的主要反应有：
Ⅰ. $2CH_{4}(g)+O_{2}(g)\rightleftharpoons 4H_{2}(g)+2CO(g)$
Ⅱ. $CH_{4}(g)+2O_{2}(g)\rightleftharpoons 2H_{2}O(g)+CO_{2}(g)$
将$2molCH_{4}$与$2molO_{2}$投入密闭容器中反应，不同温度下，相同时间内$CH_{4}$转化率、$H_{2}$选择性$[\frac{n(H_{2})}{n(H_{2})+n(H_{2}O)}]$与$CO$的选择性$[\frac{n(CO)}{n(CO)+n(CO_{2})}]$随温度的变化如图所示，下列说法正确的是(C)


A.反应Ⅰ为吸热反应
B.在$700^{\circ}C$时，容器中生成的$CO_{2}$的物质的量为$1.44mol$
C.在$500^{\circ}C$、$600^{\circ}C$、$700^{\circ}C$时都可能发生反应$CH_{4}(g)+H_{2}O(g)\rightleftharpoons 3H_{2}(g)+CO(g)$
D.该过程中，低温有利于合成气的生成

答案： 2.C 解析 由图可知，升温CH₄转化率增大，但不管反应是放热还是吸热，没有达到平衡时升温，正反应速率增大相同时间内CH₄转化率都会增大，所以不能判断反应是吸热反应，A错误；在700℃时，CH₄转化率为0.8，所以转化的CH₄为0.8×2mol = 1.6mol，据C守恒可知CO与CO₂共1.6mol，又CO的选择性为0.9，n(CO)=1.6mol×0.9 = 1.44mol，故n(CO₂)=0.16mol，B错误；对比500℃、600℃、700℃图中H₂、CO的选择性，H₂选择性变化较为平缓，CO选择性变化较大，说明还有反应生成H₂和CO，而且化学计量数之比和反应I不同，所以该反应可能是CH₄(g)+H₂O(g)⇌3H₂(g)+CO(g)，C正确；800℃时H₂和CO的选择性接近1，说明高温有利于甲烷催化氧化为合成气反应的进行，即高温有利于合成气的生成，D错误。

3. 丙烯是制造一次性医用口罩的重要原料。丙烷催化脱氢法是工业生产丙烯的重要途径，丙烷催化脱氢技术主要分为氧化脱氢和直接脱氢两种。回答下列问题：
(1) 丙烷催化氧化脱氢法制备丙烯的主要反应如下：
$2C_{3}H_{8}(g)+O_{2}(g)\underset{}{\overset{催化剂}{\rightleftharpoons}}2C_{3}H_{6}(g)+2H_{2}O(g) \Delta H_{1}=-236kJ\cdot mol^{-1}（ⅰ）$
反应过程中消耗的$C_{3}H_{8}$和生成的$C_{3}H_{6}$的物质的量随温度的变化关系见下表。

分析表中数据得到丙烯的选择性随温度的升高而_________（填“不变”“升高”或“降低”）；出现此结果的原因除生成乙烯等副产物外还可能是_________。$(C_{3}H_{6}$的选择性$=\frac{C_{3}H_{6}的物质的量}{消耗C_{3}H_{8}的物质的量}×100\%$
(2) 丙烷催化直接脱氢反应：$C_{3}H_{8}(g)\rightleftharpoons C_{3}H_{6}(g)+H_{2}(g) \Delta H_{2}=+124.3kJ\cdot mol^{-1}（ⅱ） $副反应：$C_{3}H_{8}(g)\rightleftharpoons C_{2}H_{4}(g)+CH_{4}(g) \Delta H_{3}（ⅲ）$

① 反应ⅱ的平衡常数、产物丙烯选择性、副产物乙烯选择性与温度关系如图所示，分析工业生产中采用的温度为$650^{\circ}C$左右的原因是_________。
② 温度为$670^{\circ}C$时，若在1L的容器中投入$8molC_{3}H_{8}，$充分反应后，平衡混合气体中有$2molCH_{4}$和一定量$C_{3}H_{8}、$$C_{3}H_{6}、$$H_{2}、$$C_{2}H_{4}，$计算该条件下$C_{3}H_{6}$的选择性为50\%。
③ 欲使丙烯的产率提高，下列措施可行的是_________（填字母）。
a. 恒压条件下向原料气中掺杂水蒸气
b. 增大氢气与丙烷的投料比
c. 选择对脱氢反应更好选择性的催化剂
d. 增大压强

答案： 3.答案
(1)降低 升高温度，反应ⅰ的化学平衡逆向移动
(2)①温度控制在650℃，丙烯选择性高，反应速率快，平衡常数较大 ②50 ③ac
解析
(1)根据表格数据可知各温度下C₃H₆的选择性分别为$\frac{4}{6}$、$\frac{8}{13}$、$\frac{17}{33}$、$\frac{4}{6}$、$\frac{8}{13}$、$\frac{17}{33}$，所以随温度升高丙烯的选择性降低；反应ⅰ为放热反应，升高温度，反应ⅰ的化学平衡逆向移动，也会导致丙烯的选择性下降。
(2)①据题图可知，温度控制在650℃，丙烯选择性高，且此时温度较高，反应速率快，而且该温度条件下平衡常数较大；②平衡混合气体中有2molCH₄，则根据反应ⅲ可知平衡时该反应消耗的n₁(C₃H₆)=2mol；设平衡时C₃H₆的物质的量为xmol，根据反应ⅱ可知平衡时n(H₂)=xmol，反应ⅱ消耗的n₂(C₃H₈)=xmol，则平衡时容器中n(C₃H₈)=(8-2-x)mol，据图可知该温度下反应ⅱ的lgK = 0，所以K = 1，容器容积为1L，则有$\frac{x·x}{8-2-x}$=1，解得x = 2，C₃H₆的选择性 =$\frac{C_3H_6的物质的量}{消耗C_3H_8的物质的量}$×100% =$\frac{2mol}{2mol+2mol}$×100% = 50%；
③恒压条件下向原料气中掺杂水蒸气，则反应物和生成物的分压减小，该反应的正反应为气体体积增大的反应，减小压强平衡正向移动，可以提高丙烯的产率，故a正确；氢气为产物，增大氢气的量会使平衡逆向移动，丙烯的产率降低，故b错误；选择对脱氢反应有更好选择性的催化剂，增大丙烯的选择性，提高产率，故c正确；该反应的正反应为气体体积增大的反应，增大压强会使平衡逆向移动，降低产率，故d错误；综上所述选ac。