《高中化学》第38讲化学反应速率和平衡图像

PAGE第38讲化学反应速率和平衡图像层次1基础性1.(2023·广东茂名二模)一定温度下,向2L密闭容器中加入2molN2O5发生反应①2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g),②2NO2(g)N2O4(g),反应体系中N2O5、NO2、O2的物质的量随反应时间t的部分变化曲线如图所示,下列说法正确的是()A.曲线Ⅱ表示n(NO2)随t的变化B.0~2min内,2v(N2O5)=v(O2)=1mol·L-1·min-1C.3min后,充入NO2,容器内气体颜色先变深后变浅D.3min后,充入O2,容器内气体颜色变浅2.(2023·广东潮州二模)T1℃时,向1L密闭容器中充入10molH2和3molSO2发生反应:3H2(g)+SO2(g)H2S(g)+2H2O(g)ΔH<0。部分物质的物质的量n(X)随时间t变化如图实线所示。下列说法正确的是()A.该反应的平衡常数K=2B.t1min时,v正(SO2)<v逆(H2S)C.曲线a代表n(H2O)随时间变化的曲线D.若该反应在T2℃(T2<T1)时进行,则虚线b可表示n(SO2)的变化3.合成气是一种重要的化工原料气,主要组分为CO和H2。用甲烷、二氧化碳自热重整可制备合成气,反应原理如下:反应Ⅰ:CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)ΔH1=-820.6kJ·mol-1反应Ⅱ:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)ΔH2=+247.1kJ·mol-1反应Ⅲ:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)ΔH3=+205.9kJ·mol-1反应Ⅳ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH4不同温度下,向容积为VL的含少量O2的恒压容器按照n(CO2)∶n(CH4)=1投料,实验测得不同压强下平衡时n(H2A.ΔH4=-41.2kJ·mol-1B.某温度下,反应Ⅱ的平衡常数随压强增大而减小C.由图可知,p1>p2>p3D.压强为p2时,T>Tm后,升高温度对反应Ⅳ的促进作用更大4.(2023·广东江门部分名校仿真模拟)氢还原辉钼矿并用碳酸钠作固硫剂的原理为MoS2(s)+4H2(g)+2Na2CO3(s)Mo(s)+2CO(g)+4H2O(g)+2Na2S(s)ΔH。平衡时的有关变化曲线如图。下列说法正确的是()图1平衡时气体浓度与温度关系图2正逆反应的平衡常数(K)与温度(T)的关系A.该反应在低温下可以自发进行B.粉碎矿物和增大压强都有利于辉钼矿的还原C.图2中T1对应图1中的温度为1300℃D.若图1中A点对应温度下体系压强为10MPa,则H2O(g)的分压为5MPa5.向一容积不变的密闭容器中充入一定量A和B,发生如下反应:xA(g)+2B(s)yC(g)ΔH<0。在一定条件下,容器中A、C的物质的量浓度随时间变化的曲线如图所示。请回答下列问题:(1)用A的浓度变化表示该反应在0~10min内的平均反应速率v(A)=。(2)根据图示可确定x∶y=。(3)0~10min容器内压强(填“变大”“不变”或“变小”)。(4)推测第10min引起曲线变化的反应条件可能是(填编号,下同);第16min引起曲线变化的反应条件可能是。①减压②增大A的浓度③增大C的量④升温⑤降温⑥加催化剂(5)若平衡Ⅰ的平衡常数为K1,平衡Ⅱ的平衡常数为K2,则K1(填“>”“=”或“<”)K2。层次2综合性6.反应Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g)ΔH是工业上制备高纯硅的重要中间过程。一定压强下,起始投入原料n(HCl)n(Si)的值和温度与SiHClA.该反应为放热反应,ΔH<0B.M、N点SiHCl3的分压:M>NC.n(HCl)D.M、N点的逆反应速率:vM>vN7.一定条件下,6H2(g)+2CO2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g),CO2的平衡转化率随温度变化如图所示,对a、b、c三点对应情况的分析,合理的是()A.CO2物质的量分数:a>bB.C2H5OH体积分数:a<cC.平衡常数:Ka>Kc>KbD.反应速率:va(CO2)<vb(CO2)8.在恒容密闭容器中进行反应:2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g)ΔH。在某压强下起始时按不同氢碳比n(H2)n(COA.该反应的ΔH>0B.氢碳比:①<②<③C.其他条件不变的情况下,增大容器的容积可提高CO2的转化率D.若起始CO2的浓度为2mol·L-1、H2为4mol·L-1,在图中曲线③氢碳比条件下进行,则400K时该反应的平衡常数数值约为1.79.甲醛在木材加工、医药等方面有重要用途。甲醇利用脱氢法可制备甲醛,主要反应为CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g)ΔH=+85.2kJ·mol-1。Na2CO3是甲醇脱氢制甲醛的催化剂,有研究指出,催化反应的部分机理如下:历程ⅰ:CH3OH·H+·CH2OH历程ⅱ:·CH2OH·H+HCHO历程ⅲ:·CH2OH3·H+CO历程ⅳ:·H+·HH2如图所示为在容积为2L的恒容容器中,投入1molCH3OH,在碳酸钠催化剂作用下,经过5min反应,测得甲醇的转化率与甲醛的选择性与温度的关系(甲醛的选择性:转化的CH3OH中生成HCHO的百分比),下列有关说法正确的是()A.600℃时,前5min内生成甲醛的平均速率v(HCHO)=0.055mol·L-1·min-1B.700℃时,反应历程ⅱ的速率大于反应历程ⅲ的速率C.脱氢法制甲醛中,在高温高压条件下更有利于提高平衡产率D.反应历程ⅰ的活化能小于CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g)的活化能10.(2023·广东广州二模)CH4和CO2重整制取合成气CO和H2,在减少温室气体排放的同时,可充分利用碳资源。该重整工艺主要涉及以下反应:反应a:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)ΔH1>0反应b:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH2>0反应c:CH4(g)C(s)+2H2(g)ΔH3>0反应d:2CO(g)C(s)+CO2(g)ΔH4<0(1)重整时往反应体系中通入一定量的水蒸气,可在消除积碳的同时生成水煤气,反应为C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),该反应的ΔH=(写出一个代数式)。(2)关于CH4和CO2重整,下列说法正确的是(填字母)。A.CH4的物质的量保持不变时,反应体系达到平衡状态B.恒容时通入N2增大压强,CO2的平衡转化率减小C.加入反应c的催化剂,该反应的平衡常数K增大D.达到平衡后,降低反应温度,反应d的v(正)>v(逆)(3)一定压强下,按照n(CH4)∶n(CO2)=2∶1投料,CH4和CO2重整反应达到平衡时各组分的物质的量分数随温度的变化如图所示。①图中曲线m、n分别表示物质、(填“H2”“CO”或“CO2”)的变化。②700℃后,C(s)的物质的量分数随温度升高而增大的原因是。③某温度下体系中不存在积碳,CH4和H2O的物质的量分数分别是0.50、0.04,该温度下甲烷的平衡转化率为,反应b的平衡常数K=(列出计算式)。11.(2024·四川雅安模拟)甲醇是一种重要的化工原料,又是一种可再生能源,具有广阔的开发利用前景。工业上通过CO2制甲醇的主要反应如下:ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=-49.4kJ·mol-1ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41.2kJ·mol-1(1)研究发现,在单原子Cu/ZrO2催化时,反应ⅰ的历程如下:第一步CO2+H2HCOO*+H*(慢)第二步HCOO*+2H2CH3O*+H2O(快)第三步CH3O*+H*CH3OH(快)下列说法正确的是(填字母,下同)。A.任何温度下,反应ⅰ均可自发进行B.升高温度时,三步反应速率均加快C.用不同催化剂催化反应可以改变反应历程,提高平衡转化率D.反应历程中,第一步反应的活化能最高,是反应的决速步(2)绝热条件下,将H2、CO2以体积比2∶1充入恒容密闭容器中,若只发生反应ⅱ,下列不可以作为反应ⅱ达到平衡的判据是。A.c(CO2)与c(CO)比值不变B.容器内气体密度不变C.容器内气体压强不变D.c((3)将H2、CO2以体积比3∶1充入恒容密闭容器中,在催化剂存在下发生反应ⅰ和反应ⅱ。CO2的平衡转化率及CH3OH的选择性(生成目标产物所消耗的反应物的物质的量与参与反应的反应物的物质的量之比)随温度变化曲线如图所示:CO2加氢制甲醇,(填“高”或“低”,下同)温有利于提高反应速率,温压有利于提高平衡时CH3OH的产率。结合上图阐述实际选用约312℃作为反应温度的原因:。(4)温度为T℃时,在一个刚性容器中模拟工业上合成CH3OH,往容器中通入1molCO2、3molH2进行反应ⅰ和反应ⅱ,反应过程中容器内的压强随着时间变化如下表所示。时间/min01020304050压强/MPa12010595908888计算反应开始至40min时,CH3OH的平均反应速率是MPa·min-1,平衡时n(CH3OH)是n(CO)的4倍,则H2的平衡分压是MPa(分压=总压×气体物质的量分数);CO2的平衡转化率是(最后结果保留两位小数)。层次3创新性12.环戊烯()常用于有机合成及树脂交联等。在催化剂作用下,可通过环戊二烯()选择性氧化制得,体系中同时存在如下反应:反应Ⅰ:(g)+H2(g)(g)ΔH1=-100.3kJ·mol-1反应Ⅱ:(g)+H2(g)(g)ΔH2=-109.4kJ·mol-1反应Ⅲ:(g)+(g)2(g)ΔH3已知:选择性指生成目标产物所消耗的原料量在全部所消耗原料量中所占的比例。回答下列问题:(1)反应Ⅲ的ΔH3=kJ·mol-1。(2)为研究上述反应的平衡关系,在T℃下,向某密闭容器中加入amol的环戊二烯和4molH2,测得平衡时,容器中环戊二烯和环戊烷()的物质的量相等,环戊烯的选择性为80%,此时H2的转化率为%,反应Ⅲ以物质的量分数表示的平衡常数K3=。(3)为研究不同温度下催化剂的反应活性,保持其他条件不变,测得在相同时间内,上述反应的转化率和选择性与温度的关系如图所示。该氢化体系制环戊烯的最佳温度为;30℃以上时,环戊烯的选择性降低的可能原因是(填字母)。A.催化剂活性降低B.平衡常数变大C.反应活化能减小(4)实际生产中采用双环戊二烯()解聚成环戊二烯:(g)2(g)ΔH>0。若将3mol双环戊二烯通入恒容密闭容器中,分别在T1和T2温度下进行反应。曲线A表示T2温度下n(双环戊二烯)的变化,曲线B表示T1温度下n(环戊二烯)的变化,T2温度下反应到a点恰好达到平衡。①曲线B在T1温度下恰好达到平衡时的点的坐标为(m,n),则m(填“>”“<”或“=”)2,由图像计算n的取值范围是。②T2温度下,若某时刻,容器内气体的压强为起始时的1.5倍,则此时v(正)(填“>”“<”或“=”)v(逆)。第38讲化学反应速率和平衡图像1.C解析向2L密闭容器中加入2molN2O5发生反应①2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g),②2NO2(g)N2O4(g),反应体系中N2O5、NO2、O2的物质的量随反应时间t的部分变化曲线如题图所示,反应过程中N2O5的物质的量减小,则曲线Ⅲ表示n(N2O5)随t的变化,NO2和O2的物质的量增大,且生成NO2的物质的量更多,则曲线Ⅰ表示n(NO2)随t的变化,曲线Ⅱ表示n(O2)随t的变化,A错误;曲线Ⅲ表示n(N2O5)随t的变化,结合方程式2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)可知,0~2min内,v(N2O5)2=2mol2L×2min2=v(O2)=0.25mol·L-1·min-1,B错误;3min后,充入NO2,NO2的浓度增大,容器内气体颜色变深,然后平衡2NO2(g)N2O4(g)正向移动,容器内气体颜色变浅,C正确;反应①2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)不是可逆反应,3min后,2.A解析根据图中信息得到平衡时c(SO2)=0.3mol·L-1,c(H2)=(10-2.7×3)mol·L-1=1.9mol·L-1,c(H2S)=2.7mol·L-1,c(H2O)=5.4mol·L-1,则该反应的平衡常数K=2.7×5.421.93×0.3,A正确;t1min时还未达到平衡,正在建立平衡的阶段,因此v正(SO2)>v逆(H2S),B错误;根据曲线a与SO2曲线变化相反,则说明a代表n(H2S)随时间变化的曲线,C错误;该反应是放热反应,若该反应在T2℃(T2<T1)时进行,则平衡向放热反应方向即正向移动,则n3.D解析反应Ⅳ可由反应Ⅱ-反应Ⅲ得到,则ΔH4=ΔH2-ΔH3=+41.2kJ·mol-1,A错误;温度一定的情况下,化学平衡常数保持不变,B错误;反应Ⅱ、Ⅲ为气体体积增大的反应,减小压强平衡正向移动,n(H2)增加的程度大于n(CO),则压强越小,n(H2)n(CO)越大,故p1<p2<p3,C错误;根据分析可知,压强为p2时,T>Tm后,升高温度4.C解析由方程式聚集状态知ΔS>0,由图1可知正反应是吸热反应,ΔH>0,则根据ΔG=ΔH-TΔS<0知,该反应为高温下的自发反应,A错误;该反应是气体分子数增大的反应,增大压强平衡向逆反应方向进行,不利于反应向右进行,B错误;根据图1,1300℃时该反应的平衡常数K=c2(CO)c4(H2O)c4(H2)=1.02×2.042.04=1,根据图2可知,T1℃时正逆反应化学平衡常数相等,即此时平衡常数为1,C正确;A5.答案(1)0.02mol·L-1·min-1(2)1∶2(3)变大(4)④⑥④(5)>解析(1)0~10min内v(A)=(0.45-0.25)mol·L-110min=0.02mol·L-1·min-1。(2)根据图像可知,0~10min内A的物质的量浓度减少量为0.2mol·L-1,C的物质的量浓度增加量为0.4mol·L-1,x、y之比等于A、C的浓度的变化量之比,故x∶y=0.2mol·L-1∶0.4mol·L-1=1∶2。(3)该反应是气体分子数增大的反应,而容器容积不变,因此0~10min容器内压强变大。(4)根据图像可知,10min时改变条件后,A、C的浓度瞬时不变且随后反应速率加快,故改变的条件可能是升温或加入催化剂;12~16min,反应处于平衡状态;16min时改变条件后,A、C的浓度瞬时不变,且随后A的浓度逐渐增大,C的浓度逐渐减小,说明平衡逆向移动,故改变的条件可能是升温。(5)升高温度,平衡逆向移动6.C解析温度升高,SiHCl3的平衡产率减小,ΔH<0,A项正确;对应气体压强之比等于物质的量之比,由题图可知,M、N点SiHCl3的平衡产率M>N,所以M、N点SiHCl3的分压:M>N,B项正确;由题图可知,n(HCl)n(Si)的值增大至7时,SiHCl3的平衡产率降低至接近于0,C项错误;M点温度较高,SiHCl3浓度较大,逆反应速率7.D解析a、b点均在曲线Ⅰ上,由题图可知升高温度CO2平衡转化率减小,可知升高温度平衡逆向移动,则CO2物质的量分数:a<b,故A错误;a、c点温度相同,增大氢气的量平衡正向移动,则C2H5OH物质的量分数:a>c,故B错误;K与温度有关,且正反应为放热反应,温度越高K越小,则平衡常数:Ka=Kc>Kb,故C错误;a、b点只有温度不同,温度越高、反应速率越快,则反应速率:va(CO2)<vb(CO2),故D正确。8.D解析根据图像可知,在氢碳比相等的条件下,随着温度的升高,CO2的转化率降低,说明升高温度,平衡向逆反应方向移动,因此正反应是放热反应,ΔH<0,A错误;氢碳比越大,CO2的转化率越高,根据图像可知,在温度相等的条件下,CO2的转化率:①>②>③,则氢碳比:①>②>③,B错误;正反应是气体体积减小的反应,因此其他条件不变的情况下,缩小容器的容积,压强增大,平衡向正反应方向移动,可提高CO2的转化率,C错误;根据图像可知,400K时曲线③中CO2的转化率是50%,这说明消耗CO21mol·L-1,则消耗氢气3mol·L-1,生成乙醇和水蒸气分别是0.5mol·L-1、1.5mol·L-1,剩余CO2和氢气分别是1mol·L-1、1mol·L-1,该温度下平衡常数K=0.5×1.9.D解析由图可知,600℃时甲醇的转化率为55%、甲醛的选择性为60%,则前5min内生成甲醛的平均速率v(HCHO)=1mol×55%×60%2L5min=0.033mol·L-1·min-1,故A错误;由图可知,600℃后,甲醇的转化率增大、甲醛的选择性降低,说明700℃时历程ⅲ的反应程度大,相同时间内反应历程ⅱ的速率小于反应历程ⅲ的速率,故B错误;该反应为气体体积增大的吸热反应,增大压强,平衡向逆反应方向移动,甲醛的产率降低,故C错误;使用催化剂,降低反应的活化能,则使用碳酸钠做反应催化剂的反应历程ⅰ的活化能小于CH310.答案(1)ΔH1-ΔH2-ΔH3(2)AD(3)①CO2H2②反应c为吸热反应,反应d为放热反应。700℃后,随着温度升高,反应c右移对C(s)的物质的量分数的影响比反应d左移的大③12.5%0解析(1)该反应由反应a-反应b-反应c得到,即ΔH=ΔH1-ΔH2-ΔH3。(2)随着反应进行CH4不断减少,平衡时保持不变,A项正确;恒容时,平衡体系中各物质的浓度不发生改变,平衡不移动,CO2转化率不变,B项错误;加入催化剂只改变反应历程不改变平衡常数,C项错误;达到平衡后,降低温度反应d正向移动,v(正)>v(逆),D项正确。(3)反应起始投入n(CH4)和n(CO2)为2∶1,所以m为CO2。700℃之后C固体增加,即700℃以上的高温有利于反应c正向进行,反应c正向进行H2物质的量分数增加,则n为H2,p为CO。设反应投入CH4和CO2物质的量分别为2mol、1mol。根据反应列出以下三段式:CO2+H2CO+H2O起始/mol 1 0 0变化/mol n n n n平衡/mol nCH4+CO22CO+2H2起始/mol 2变化/mol m m 2m 2m平衡/mol 2-m则平衡时CO2物质的量为(1-n-m)mol,CO的物质的量为(n+2m)mol,H2O物质的量为nmol,H2为(2m-n)mol,CH4为(2-m)mol,则平衡体系中气体总物质的量为(3+2m)mol。已知CH4和H2O的物质的量分数分别是0.50、0.04,则建立等式为2-m3+2m=0.50、n3+2m=0.04得m=0.25、n=0.14。则CH4的转化率为变化起始×100%=0.2511.答案(1)BD(2)B(3)高低高温度低,反应速率太慢,且CO2转化率低;温度太高,甲醇的选择性低(4)0.43866.67%解析(1)反应ⅰ,ΔS<0,ΔH<0,低温条件下可自发进行,A错误;升高温度时,所有反应的反应速率均加快,B正确;催化剂不改变反应历程,加快反应速率,但不影响平衡移动,不能提高平衡转化率,C错误;第一步反应为慢反应,而活化能越高,反应速率越慢,则第一步反应的活化能最高,慢反应为总反应的决速步,D正确。(2)A项,反应过程中c(CO2)减小,c(CO)浓度增大,则c(CO2)与c(CO)比值减小,故比值不变,能判断反应达到平衡状态;B项,容器容积不变,混合气体的总质量不变,则气体的密度始终不变,故容器内气体密度不变,不能判断反应达到平衡状态;C项,反应前后气体物质的量不变,但是容器绝热,温度降低,压强减小,故容器内气体压强不变,能判断反应达到平衡状态;D项,容器绝热,温度降低,降温平衡逆向移动,平衡常数减小,故K=c(CO)·c(H(3)CO2加氢制甲醇,升温反应速率加快,故高温有利于提高反应速率,反应ⅰ为放热反应,降温平衡正向移动,故低温有利于提高平衡时CH3OH的产率。实际选用300~320℃反应温度的原因:温度低,反应速率太慢,且CO2转化率低,温度高,甲醇选择性低。(4)反应ⅰ为气体分子数减小的反应,导致总压强减小;反应ⅱ为气体分子数不变的反应,不会导致压强的变化;故反应开始到40min时,减小的压强120MPa-88MPa=32MPa为反应ⅰ进行导致;由三段式可知:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)物质的量 13 111+3-1-1=2 16MPa 32MPa则CH3OH的平均反应速率是16MPa40min=0.4MPa·容器中通入1molCO2、3molH2进行反应ⅰ和反应ⅱ,初始压强为120MPa,则初始CO2、H2的分压分别为30MPa、90MPa;由题意可知,反应开始至40min时,反应达到平衡,由三段式可知:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)开始/MPa 30 90 0 0变化/MPa x 3x x xCO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)开始/MPa 0 0变化/MPa y y y y平衡时CO2、H2、CH3OH、H2O、CO的分压分别为(30-x-y)MPa、(90-3x-y)MPa、xMPa、(x+y)MPa、yMPa,总压强为88MPa,则(30-x-y)+(90-3x-y)+x+(x+y)+y=88,得120-2x=88;平衡时n(CH3OH)是n(CO)的4倍,根据气体压强之比等于物质的量之比,则x=4y,联立解得:y=4MPa,x=16MPa;故H2的平衡分压是90MPa-3×16MPa-4MPa=38MPa;CO2的平衡转化率=(16+4)MPa30MPa×12