【母題來源】2020年高考新課標Ⅲ卷
【母題題文】二氧化碳催化加氫合成乙烯是綜合利用CO2的熱點研究領域。回答下列問題：
(1)CO2催化加氫生成乙烯和水的反應中，產物的物質的量之比n(C2H4)∶n(H2O)=__________。當反應達到平衡時，若增大壓強，則n(C2H4)___________(填「變大」「變小」或「不變」)。
(2)理論計算表明，原料初始組成n(CO2)∶n(H2)=1∶3，在體系壓強為0.1MPa，反應達到平衡時，四種組分的物質的量分數x隨溫度T的變化如圖所示。
圖中，表示C2H4、CO2變化的曲線分別是______、______。CO2催化加氫合成C2H4反應的ΔH______0(填「大於」或「小於」)。
(3)根據圖中點A(440K，0.39)，計算該溫度時反應的平衡常數Kp=_________(MPa)3(列出計算式。以分壓表示，分壓=總壓×物質的量分數)。
(4)二氧化碳催化加氫合成乙烯反應往往伴隨副反應，生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烴。一定溫度和壓強條件下，為了提高反應速率和乙烯選擇性，應當___________________。
【試題解析】根據質量守恆定律配平化學方程式，可以確定產物的物質的量之比。根據可逆反應的特點分析增大壓強對化學平衡的影響。根據物質的量之比等於化學計量數之比，從圖中找到關鍵數據確定代表各組分的曲線，並計算出平衡常數。根據催化劑對化反應速率的影響和對主反應的選擇性，工業上通常要選擇合適的催化劑以提高化學反應速率、減少副反應的發生。
【點睛】
本題確定圖中曲線所代表的化學物質是難點，其關鍵在於明確物質的量的分數之比等於各組分的物質的量之比，也等於化學計量數之比（在初始投料之比等於化學計量數之比的前提下，否則不成立）。
【命題意圖】本題主要考查了化學平衡狀態的建立及其途徑、影響化學化學平衡的因素、有關化學平衡的計算等等。考查學生對化學平衡轉化率相關原理的理解和掌握程度，也考查了學生對圖表信息的獲取、分析和加工能力。該題意在引導學生重視化學平衡等基本原理的理解和應用，關注信息獲取、加工和處理能力的提高。
【命題方向】化學反應速率與化學平衡是每年高考的必考內容。化學反應速率是化學平衡移動的基礎變量。化學反應速率的計算和外界條件對化學反應速率的影響，常結合化學平衡的應用進行綜合考查，有時在選擇題和填空題中單獨考查，應注意理論聯繫實際，靈活分析。高考對化學平衡狀態的考查，往往通過化學平衡的特徵及化學平衡常數的計算和理解進行。化學平衡常數是新出現的高考熱點，必須理解透徹。另外還要重點關注化學平衡的現象和實質。高考圍繞勒夏特列原理的理解，通過實驗、判斷、圖像、計算等形成對化學平衡移動進行綜合考查，是化學反應速率和化學(平衡)狀態的綜合應用體現，平時加強針對性強化訓練，注重規律和方法技能的總結，提高解題能力。
反應物平衡轉化率的變化判斷
判斷反應物轉化率的變化時，不要把平衡正向移動與反應物轉化率提高等同起來，要視具體情況而定。常見有以下幾種情形：
①下列說明反應已經達到平衡狀態的是____(填選項字母)。
a.容器內氣體密度保持不變
b.H2O的體積分數保持不變
c.該反應的平衡常數保持不變
d.混合氣體的平均相對分子質量不變
②下列措施既能提高H2的轉化率又能加快反應速率的是_____（填選項字母）。
a.升高溫度 b.使用高效催化劑 c.縮小容器體積 d.擴大容器體積
（3）實驗室在2L密閉容器中進行模擬上述合成CH2O的實驗。T1℃時，將體積比為1：4的CO2和H2混合氣體充入容器中，每隔一定時間測得容器內氣體壓強如表所示：
（2）判斷反應是否達到平衡的關鍵在於變量和不變量的判定，據此分析所給選項是否為變量即可選出答案；而既能提高H2的轉化率又能加快反應速率需綜合考慮化學反應速率的影響因素和平衡移動的影響因素；
（3）根據圖中數據，再結合三段式，便可求出速率和平衡常數；
d．擴大容器體積，濃度減小，反應速率降低，不滿足題意；故選c；
2．（福建省廈門市2020屆高三畢業班3月線上質量檢查）合成氨技術的創立開闢了人工固氮的重要途徑。回答下列問題：
（3）我國科學家結合實驗與計算機模擬結果，研究了在鐵摻雜W18049納米反應器催化劑表面上實現常溫低電位合成氨，獲得較高的氨產量和法拉第效率。反應歷程如圖所示，其中吸附在催化劑表面的物種用*標註。
（3）①在充有催化劑的恆壓密閉容器中進行反應，設起始充入的n（CO）：n（H2S）= m，m越大說明充入的CO越多，兩種反應物增加一種會提高另一種的轉化率，則m1＞m2，故答案為：＞；
②圖為相同時間內測得H2S轉化率與m和溫度（T）的關係，即若平衡逆向移動，或者反應速率變慢可能會使H2S轉化率減小，
A. 可逆反應處於動態平衡，反應並未停止，故A錯誤；
B. ΔH只與反應物和生成物的總量有關，所以ΔH不會變大，故B錯誤；
C.溫度升高反應達到平衡狀態，因為該反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，所以會使H2S轉化率減小，故C正確；
D.溫度升高可能會使催化劑的活性減弱，反應減慢，使H2S轉化率減小，故D正確；
綜上所述，答案為CD。
（4）甲醇的濃度與反應時間的關係曲線可知，tP時的 v逆小於tQ 時的 v逆，tP時的甲醇濃度小於tQ時濃度，反應速率更慢；由圖平衡時c(CH3OH)=1.15mol·L－1，由方程式CO+2H2=CH3OH得氫氣的濃度變化量為2.3mol·L－1，起始時加入的氫氣的濃度為（2.3+1）mol·L－1=3.3mol·L－1，則起始時加入的氫氣的物質的量為3.3mol；故答案為：小於：tP時的甲醇濃度小於tQ時濃度，反應速率更慢；3.3。
①923K時CO2的平衡轉化率大於CH4的原因是________________________
②計算923K時反應II的化學平衡常數K=______（計算結果保留小數點後兩位）。
③1200K以上CO2和CH4的平衡轉化率趨於相等的原因可能是____。
(3)工業上CH4和CO2反應時通常會摻入O2發生反應III:CH4+2O2＝CO2+2H2O，摻入O2可消除反應產生的積碳和減小反應器的熱負荷（單位時間內維持反應發生所需供給的熱量），O2的進氣量與反應的熱負荷的關係如圖所示。
①隨著O2進入量的增加，熱負荷下降的原因是 ____。
②摻入O2可使CH4的平衡轉化率____（填「增大」、「減小」或「不變」。下同），CO2的平衡轉化率________。
【答案】(1)+234 △S>0 B
(2)①CH4和CO2按1:1投料發生反應I時轉化率相等，CO2還發生反應II，所以平衡轉化率大於CH4 ②0.39 ③1200K以上時以反應I為主，二者轉化率趨於相等（或1200K以上時反應I的正向進行程度遠大於反應II）（或1200K以上時反應I的平衡常數遠大於反應II）
(3)①反應III放熱，給反應體系提供能量，使熱負荷降低 ②增大 減小
【解析】(1)已知部分化學鍵的鍵能，通過反應物的總鍵能減去生成物的總鍵能可以計算
△Hl，從焓變和熵變綜合判斷反應Ⅰ自發反應的原因，從平衡移動角度來判斷反應條件；
(2)工業上將CH4與CO2按物質的量1:1投料,發生反應Ⅰ、II，則
①923K時CO2的平衡轉化率大於CH4的原因從二者實際參加的反應來討論；
②從圖、及題幹中提供的數據結合反應Ⅰ、II，用三段式按定義計算923K時反應II的化學平衡常數K；
③1200K以上CO2和CH4的平衡轉化率趨於相等的原因還是從實際參加的反應來討論；
(3)工業上CH4和CO2反應時通常會摻入O2，則發生反應 III:CH4+2O2＝CO2+2H2O；
①按熱負荷的定義——單位時間內維持反應發生所需供給的熱量以及O2的進氣量與反應III放出的熱量關係，據此解題；
②發生反應 III:CH4+2O2＝CO2+2H2O，分析甲烷、二氧化碳的物質的量及消耗量，分析CH4的平衡轉化率和CO2的平衡轉化率受到的影響；
【詳解】(1)已知部分化學鍵的鍵能，焓變等於反應物的總鍵能減去生成物的總鍵能，則△Hl=；
答案為：+234；
反應I：CH4(g)+CO2(g)＝2CO(g)+2H2(g)△H1，△S>0，因此△S>0是反應Ⅰ自發反應的原因，該反應是吸熱、氣體分子總數增大的反應，因此，選擇高溫低壓的條件；
答案為：△S>0；B；
(2)①923K時反應Ⅰ中CH4和CO2的平衡轉化率是一樣的，但是，二氧化碳還參加反應II，因此其平衡轉化率大於CH4；
答案為：CH4和CO2按1:1投料發生反應I時轉化率相等，CO2還發生反應II，所以平衡轉化率大於CH4；
②CH4和CO2按1:1投料，設投料時的物質的量濃度為1mol/L，由圖知CH4和CO2的轉化率為60%、70%，
答案為：0.39；
③反應I中CO2和CH4的平衡轉化率相等，1200K以上CO2和CH4的平衡轉化率趨於相等則意味著該條件對反應I更有利，以反應I為主；
答案為：1200K以上時以反應I為主，二者轉化率趨於相等（或1200K以上時反應I的正向進行程度遠大於反應II）（或1200K以上時反應I的平衡常數遠大於反應II）；
(3)工業上CH4和CO2反應時通常會摻入O2，則發生反應 III:CH4+2O2＝CO2+2H2O，
①反應III是放熱反應，給反應體系提供能量，通入氧氣越多反應中放出的熱量越多，則熱負荷值越小；
答案為：反應III放熱，給反應體系提供能量，使熱負荷降低；
②發生反應 III:CH4+2O2＝CO2+2H2O，促進甲烷消耗，則CH4的平衡轉化率增大；
答案為：增大；
發生反應 III:CH4+2O2＝CO2+2H2O不利於反應I，減少了二氧化碳的消耗量，又使二氧化碳濃度增大，因此二氧化碳的平衡轉化率下降；
答案為：減小。