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題型突破3　化學反應速率與化學平衡
1.(2024·安徽卷)室溫下,為探究納米鐵去除水樣中Se的影響因素,測得不同條件下Se濃度隨時間變化關系如圖。
實驗 序號 水樣體積 /mL 納米鐵質量 /mg 水樣初始 pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列說法正確的是(　　)
A.實驗①中,0~2小時內平均反應速率v(Se)=2.0 mol·L-1·h-1
B.實驗③中,反應的離子方程式為2Fe+Se+8H+===2Fe3++Se+4H2O
C.其他條件相同時,適當增加納米鐵質量可加快反應速率
D.其他條件相同時,水樣初始pH越小,Se的去除效果越好
2.(雙選)(2024·山東卷)逆水氣變換反應:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH>0。一定壓力下,按CO2、H2物質的量之比n(CO2)∶n(H2)=1∶1 投料,T1、T2溫度時反應物摩爾分數隨時間變化關系如圖所示。已知該反應的速率方程為v=kc0.5(H2)c(CO2),T1、T2溫度時反應速率常數k分別為k1、k2。下列說法錯誤的是(　　)
A.k1>k2
B.T1、T2溫度下達平衡時反應速率的比值:<
C.溫度不變,僅改變體系初始壓力,反應物摩爾分數隨時間的變化曲線不變
D.T2溫度下,改變初始投料比例,可使平衡時各組分摩爾分數與T1溫度時相同
3.(2024·江蘇卷)二氧化碳加氫制甲醇過程中的主要反應(忽略其他副反應)為:
①CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g)　ΔH1=41.2 kJ·mol-1
②CO(g)+2H2(g)===CH3OH(g)　ΔH2
225 ℃、8×106 Pa下,將一定比例CO2、H2混合氣勻速通過裝有催化劑的絕熱反應管。裝置及L1、L2、L3…位點處(相鄰位點距離相同)的氣體溫度、CO和CH3OH的體積分數如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.L4處與L5處反應①的平衡常數K相等
B.反應②的焓變ΔH2>0
C.L6處的H2O的體積分數大于L5處
D.混合氣從起始到通過L1處,CO的生成速率小于CH3OH的生成速率
4.(2024·湖南卷)恒壓下,向某密閉容器中充入一定量的CH3OH(g)和CO(g),發生如下反應:
主反應:CH3OH(g)+CO(g)===CH3COOH(g)　ΔH1
副反應:CH3OH(g)+CH3COOH(g)===CH3COOCH3(g)+H2O(g)　ΔH2
在不同溫度下,反應達到平衡時,測得兩種含碳產物的分布分數δ[δ(CH3COOH)=
]隨投料比x(物質的量之比)的變化關系如圖所示,下列說法正確的是(　　)
A.投料比x代表
B.曲線c代表乙酸的分布分數
C.ΔH1<0,ΔH2>0
D.L、M、N三點的平衡常數:K(L)=K(M)>K(N)
5.(2024·浙江6月選考)二氧化碳氧化乙烷制備乙烯,主要發生如下兩個反應:
Ⅰ.C2H6(g)+CO2(g)C2H4(g)+CO(g)+H2O(g)　ΔH1>0
Ⅱ.C2H6(g)+2CO2(g)4CO(g)+3H2(g)　ΔH2>0
向容積為10 L的密閉容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同溫度下,測得5 min時(反應均未平衡)的相關數據見下表,下列說法不正確的是(　　)
溫度(℃) 400 500 600
乙烷轉化率(%) 2.2 9.0 17.8
乙烯選擇性(%) 92.6 80.0 61.8
注:乙烯選擇性=×100%
A.反應活化能: Ⅰ < Ⅱ
B.500 ℃時,0~5 min反應 Ⅰ 的平均速率為:v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他條件不變,平衡后及時移除H2O(g),可提高乙烯的產率
D.其他條件不變,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷轉化率
1.化學平衡與平衡轉化率
(1)轉化率和平衡轉化率
轉化率有未達到平衡的轉化率和已達到平衡的平衡轉化率,在審題的時候一定要注意轉化率是否為平衡轉化率。
提醒:使用催化劑可以加快反應速率,提高未達平衡的可逆反應在單位時間內反應物的轉化率,但催化劑的使用不會引起平衡移動,故不能提高平衡轉化率。
(2)轉化率與溫度的關系
可逆反應的焓變ΔH 升高溫度
吸熱反應,ΔH>0 未達到平衡的轉化率增大
已達到平衡的平衡轉化率增大
放熱反應,ΔH<0 未達到平衡的轉化率增大
已達到平衡的平衡轉化率減小
(3)增大反應物的濃度與平衡轉化率的關系(其中A、B、C均為氣體)
可逆 反應 改變 條件 平衡移 動方向 反應物 轉化率 備注
A+BC 增大A 的濃度 正向 移動 α(A)減小 α(B)增大 -
AB+C 增大A 的濃度 正向 移動 α(A)減小 反應物轉化率實際是考慮壓強的影響
2AB+C 增大A 的濃度 正向 移動 α(A)不變
3AB+C 增大A 的濃度 正向 移動 α(A)增大
(4)如果兩氣體物質的投料比按照化學計量數投料,那么無論是否達到化學平衡,兩者的轉化率一直相等,且達平衡時,反應物的轉化率是該條件下的轉化率的最大值。
2.基礎圖像分析
(1)速率-時間圖像
反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
①t1時增大反應物的濃度,正反應速率瞬間增大,然后逐漸減小,而逆反應速率逐漸增大。
②t2時升高溫度,正反應速率和逆反應速率均瞬間增大,吸熱反應的反應速率增大得快。
③t3時減小壓強,容器容積增大,濃度變小,正反應速率和逆反應速率均瞬間減小,且正反應的反應速率減小得多。
④t4時使用催化劑,正反應速率和逆反應速率均瞬間增大但仍相等。
(2)轉化率(或含量)—時間圖像
反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
①圖甲表示壓強對反應物轉化率的影響,對于氣體反應物化學計量數之和大于氣體生成物化學計量數之和的反應,壓強越大,反應物的轉化率越大。
②圖乙表示溫度對反應物轉化率的影響,對于吸熱反應,溫度越高,反應物的轉化率越大。
③圖丙表示催化劑對反應物轉化率的影響,催化劑只能改變化學反應速率,不能改變反應物的轉化率。
(3)恒壓(溫)線
反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
分析時可沿橫軸作一條平行于縱軸的虛線,即為等壓線或等溫線,然后分析另一條件變化對該反應的影響。
1.(2023·廣東梅州質檢)在恒容密閉容器中,分別在T1、T2溫度下(T1A.向密閉容器內充入He,平衡逆向移動
B.a曲線條件下,10~30 min內v(B)=0.05 mol·L-1·min-1
C.曲線b表示T2溫度下,反應過程中物質A的濃度變化
D.在工業實際生產中,溫度越低,越有利于提高生產效率
2.在盛有CuO/Cu2O載氧體的恒容密閉容器中充入空氣,發生反應:2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s)　ΔH。平衡時O2的體積分數φ(O2)隨反應溫度T變化的曲線如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.ΔH<0
B.該反應的平衡常數表達式為K=c-1(O2)
C.在1 030 ℃時加入催化劑,平衡時φ(O2)>21%
D.985 ℃達到平衡狀態后,充入純氧,再次達到平衡后,φ(O2)=10%
3.(2024·湖北黃岡模擬)利用CO2合成二甲醚的反應:2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH=-135.4 kJ·mol-1。將2.0 mol CO2和6.0 mol H2充入2 L密閉容器中,測得不同溫度和壓強下,二甲醚的平衡物質的量分數變化如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.由圖可知,溫度:T1>T2>T3>T4、壓強:p1B.溫度一定時,增大壓強,平衡常數Kp會減小
C.平衡時,T1、p1條件下的正反應速率小于T4、p4條件下的逆反應速率
D.T1、p1條件下,若n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OCH3)∶n(H2O)=2∶6∶3∶1,此時v正4.將一定量的NH4HS固體置于恒容密閉真空容器中(固體試樣的體積忽略不計),使其在50 ℃的恒溫條件下分解:NH4HS(s)NH3(g)+H2S(g)。實驗測得該體系的壓強如表所示。
時間/min 0 10 20 30 40 50 60 70
壓強/kPa 0 0.66 1.28 1.78 2.20 2.50 2.50 2.50
已知:Kp為用各氣體分壓表示的平衡常數,分壓=總壓×物質的量分數。
下列有關說法正確的是(　　)
A.當混合氣體的平均相對分子質量為25.5,且不再隨時間變化時,反應達到平衡
B.0~10 min,用H2S的壓強變化表示該反應的平均反應速率為0.066 kPa·min-1
C.50 ℃時,NH4HS(s)的分解反應的壓強平衡常數Kp=
D.50 ℃時,若在65 min時將容器的容積壓縮至原來的,再次達到平衡時,體系的壓強大于2.50 kPa
5.3個容積均為1 L的恒容密閉容器中均發生反應CO(g)+H2S(g)COS(g)+H2(g)　ΔH,實驗測得v正=k正·c(CO)·c(H2S);v逆=k逆·c(COS)·c(H2)。k正、k逆為速率常數,只受溫度的影響。相關數據如表所示。
容器 編號 溫度 /℃ 起始時物質的量/mol 平衡時物質 的量/mol
CO H2S COS H2 COS
① 500 1.0 1.0 0 0 0.6
② 600 0 0 1.0 1.0 0.5
③ 600 1.2 1.2 0.9 1.5 a
下列說法正確的是(　　)
A.ΔH>0
B.達到平衡時,容器②中COS的體積分數為50%
C.0.6>a>0.5
D.600 ℃時,k正=k逆
題型突破3　化學反應速率與化學平衡
1.(2024·安徽卷)室溫下,為探究納米鐵去除水樣中Se的影響因素,測得不同條件下Se濃度隨時間變化關系如圖。
實驗 序號 水樣體積 /mL 納米鐵質量 /mg 水樣初始 pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列說法正確的是(　　)
A.實驗①中,0~2小時內平均反應速率v(Se)=2.0 mol·L-1·h-1
B.實驗③中,反應的離子方程式為2Fe+Se+8H+===2Fe3++Se+4H2O
C.其他條件相同時,適當增加納米鐵質量可加快反應速率
D.其他條件相同時,水樣初始pH越小,Se的去除效果越好
答案　C
解析　實驗①中,0~2小時內平均反應速率v(Se)==2.0×10-5 mol·L-1·h-1,A項錯誤;實驗③中水樣初始pH=8,溶液呈弱堿性,結合氧化還原反應規律可得離子方程式為2Fe+Se+4H2O===2Fe(OH)3+Se+2OH-,B項錯誤;由實驗①、②可知,其他條件相同時,適當增加納米鐵質量,反應速率加快,C項正確;由實驗②、③可知,其他條件相同時,適當減小水樣初始pH,Se的去除效果更好,但若水樣初始pH太小,與H+反應的納米鐵的量增多,從而影響Se的去除效果,D項錯誤。
2.(雙選)(2024·山東卷)逆水氣變換反應:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH>0。一定壓力下,按CO2、H2物質的量之比n(CO2)∶n(H2)=1∶1 投料,T1、T2溫度時反應物摩爾分數隨時間變化關系如圖所示。已知該反應的速率方程為v=kc0.5(H2)c(CO2),T1、T2溫度時反應速率常數k分別為k1、k2。下列說法錯誤的是(　　)
A.k1>k2
B.T1、T2溫度下達平衡時反應速率的比值:<
C.溫度不變,僅改變體系初始壓力,反應物摩爾分數隨時間的變化曲線不變
D.T2溫度下,改變初始投料比例,可使平衡時各組分摩爾分數與T1溫度時相同
答案　CD
解析　由圖可知,T1比T2反應速率快,則T1>T2;T1溫度下達到平衡時反應物的摩爾分數低于T2溫度下平衡時;由于起始CO2與H2的物質的量之比為1∶1,則達到平衡時CO2和H2的摩爾分數相等。A.根據分析,T1比T2反應速率快,反應速率常數與溫度有關,結合反應速率方程知k1>k2,A項正確;B.反應的速率方程為v=kc0.5(H2)c(CO2),則=,T1溫度下達到平衡時反應物的摩爾分數低于T2溫度下平衡時的量,則<,B項正確;C.溫度不變,僅改變體系初始壓力,雖然平衡不移動,但反應物的濃度改變,反應速率改變,反應達到平衡的時間改變,反應物摩爾分數隨時間的變化曲線變化,C項錯誤;D.T2溫度下,改變初始投料比,相當于改變某一反應物的濃度,達到平衡時H2和CO2的摩爾分數不可能相等,故不能使平衡時各組分摩爾分數與T1溫度時相同,D項錯誤。
3.(2024·江蘇卷)二氧化碳加氫制甲醇過程中的主要反應(忽略其他副反應)為:
①CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g)　ΔH1=41.2 kJ·mol-1
②CO(g)+2H2(g)===CH3OH(g)　ΔH2
225 ℃、8×106 Pa下,將一定比例CO2、H2混合氣勻速通過裝有催化劑的絕熱反應管。裝置及L1、L2、L3…位點處(相鄰位點距離相同)的氣體溫度、CO和CH3OH的體積分數如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.L4處與L5處反應①的平衡常數K相等
B.反應②的焓變ΔH2>0
C.L6處的H2O的體積分數大于L5處
D.混合氣從起始到通過L1處,CO的生成速率小于CH3OH的生成速率
答案　C
解析　圖中白圈標記的曲線代表氣體溫度,L4處與L5處對應的溫度不同,平衡常數只與溫度有關,故L4處與L5處的平衡常數不同,A錯誤;由圖可知,隨著氣體在絕熱反應管中前進,氣體溫度不斷升高,說明有熱量放出,而反應①ΔH1>0,故反應②ΔH2<0,B錯誤;從L5到L6,甲醇的體積分數逐漸增加,說明反應②在向右進行,反應②消耗CO,而CO體積分數沒有明顯變化,說明反應①也在向右進行,反應①為氣體分子數不變的反應,其向右進行時,n(H2O)增大,反應②為氣體分子數減小的反應,且沒有H2O的消耗與生成,故n總減小而n(H2O)增加,即H2O的體積分數會增大,故L6處的H2O的體積分數大于L5處,C正確;L1處,CO的體積分數大于CH3OH,說明生成的CO的物質的量大于CH3OH,兩者反應時間相同,說明CO的生成速率大于CH3OH的生成速率,D錯誤。
4.(2024·湖南卷)恒壓下,向某密閉容器中充入一定量的CH3OH(g)和CO(g),發生如下反應:
主反應:CH3OH(g)+CO(g)===CH3COOH(g)　ΔH1
副反應:CH3OH(g)+CH3COOH(g)===CH3COOCH3(g)+H2O(g)　ΔH2
在不同溫度下,反應達到平衡時,測得兩種含碳產物的分布分數δ[δ(CH3COOH)=
]隨投料比x(物質的量之比)的變化關系如圖所示,下列說法正確的是(　　)
A.投料比x代表
B.曲線c代表乙酸的分布分數
C.ΔH1<0,ΔH2>0
D.L、M、N三點的平衡常數:K(L)=K(M)>K(N)
答案　D
解析　題干明確指出,圖中曲線表示的是測得兩種含碳產物的分布分數即分別為δ(CH3COOH)、δ(CH3COOCH3),若投料比x代表,x越大,可看作是CH3OH的量增多,則對于主、副反應可知生成的CH3COOCH3越多,CH3COOCH3分布分數越高,則曲線a或曲線b表示CH3COOCH3分布分數,曲線c或曲線d表示CH3COOH分布分數,據此分析可知AB均正確,可知如此假設錯誤,則可知投料比x代表,曲線a或曲線b表示δ(CH3COOH),曲線c或曲線d表示δ(CH3COOCH3),據此作答。A.根據分析可知,投料比x代表,故A錯誤;B.根據分析可知,曲線c表示CH3COOCH3分布分數,故B錯誤;C.根據分析可知,曲線a或曲線b表示δ(CH3COOH),當同一投料比時,觀察圖像可知T2時δ(CH3COOH)大于T1時δ(CH3COOH),而T2>T1可知,溫度越高則δ(CH3COOH)越大,說明溫度升高主反應的平衡正向移動,ΔH1>0;曲線c或曲線d表示δ(CH3COOCH3),當同一投料比時,觀察可知T1時δ(CH3COOCH3)大于T2時δ(CH3COOCH3),而T2>T1可知,溫度越高則δ(CH3COOCH3)越小,說明溫度升高副反應的平衡逆向移動,ΔH2<0,故C錯誤;D.L、M、N三點對應副反應ΔH2<0,且TN>TM=TL,升高溫度平衡逆向移動,K(L)=K(M)>K(N),故D正確。
5.(2024·浙江6月選考)二氧化碳氧化乙烷制備乙烯,主要發生如下兩個反應:
Ⅰ.C2H6(g)+CO2(g)C2H4(g)+CO(g)+H2O(g)　ΔH1>0
Ⅱ.C2H6(g)+2CO2(g)4CO(g)+3H2(g)　ΔH2>0
向容積為10 L的密閉容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同溫度下,測得5 min時(反應均未平衡)的相關數據見下表,下列說法不正確的是(　　)
溫度(℃) 400 500 600
乙烷轉化率(%) 2.2 9.0 17.8
乙烯選擇性(%) 92.6 80.0 61.8
注:乙烯選擇性=×100%
A.反應活化能: Ⅰ < Ⅱ
B.500 ℃時,0~5 min反應 Ⅰ 的平均速率為:v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他條件不變,平衡后及時移除H2O(g),可提高乙烯的產率
D.其他條件不變,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷轉化率
答案　D
解析　A.由表可知,相同溫度下,乙烷在發生轉化時,反應 Ⅰ 更易發生,則反應活化能:Ⅰ<Ⅱ,A正確;B.由表可知,500 ℃時,乙烷的轉化率為9.0%,可得轉化的乙烷的總物質的量為2 mol×9.0%=0.18 mol,而此溫度下乙烯的選擇性為80%,則轉化為乙烯的乙烷的物質的量為0.18 mol×80%=0.144 mol,根據方程式可得,生成乙烯的物質的量為0.144 mol,則0~5 min反應Ⅰ的平均速率為:v(C2H4)==2.88×10-3 mol·L-1·min-1,B正確;C.其他條件不變,平衡后及時移除H2O(g),反應 Ⅰ 正向進行,可提高乙烯的產率,C正確;D.其他條件不變,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后CO2轉化率提高,C2H6轉化率降低,D錯誤。
命題立意:試題以陌生的可逆反應為素材,考查化學反應速率、化學平衡的基礎知識,難度較大,主要涉及化學反應速率、速率常數的計算、外界條件對化學反應速率、化學平衡移動的影響等必備知識。此類試題常以圖像或表格的形式給出不同物質的濃度與時間、溫度與速率常數的關系,要求根據圖像、圖表進行分析判斷,主要考查學生信息獲取與加工、邏輯推理和論證的能力。
1.化學平衡與平衡轉化率
(1)轉化率和平衡轉化率
轉化率有未達到平衡的轉化率和已達到平衡的平衡轉化率,在審題的時候一定要注意轉化率是否為平衡轉化率。
提醒:使用催化劑可以加快反應速率,提高未達平衡的可逆反應在單位時間內反應物的轉化率,但催化劑的使用不會引起平衡移動,故不能提高平衡轉化率。
(2)轉化率與溫度的關系
可逆反應的焓變ΔH 升高溫度
吸熱反應,ΔH>0 未達到平衡的轉化率增大
已達到平衡的平衡轉化率增大
放熱反應,ΔH<0 未達到平衡的轉化率增大
已達到平衡的平衡轉化率減小
(3)增大反應物的濃度與平衡轉化率的關系(其中A、B、C均為氣體)
可逆 反應 改變 條件 平衡移 動方向 反應物 轉化率 備注
A+B C 增大A 的濃度 正向 移動 α(A)減小 α(B)增大 -
A B+C 增大A 的濃度 正向 移動 α(A)減小 反應物轉化率實際是考慮壓強的影響
2A B+C 增大A 的濃度 正向 移動 α(A)不變
3A B+C 增大A 的濃度 正向 移動 α(A)增大
(4)如果兩氣體物質的投料比按照化學計量數投料,那么無論是否達到化學平衡,兩者的轉化率一直相等,且達平衡時,反應物的轉化率是該條件下的轉化率的最大值。
2.基礎圖像分析
(1)速率-時間圖像
反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
①t1時增大反應物的濃度,正反應速率瞬間增大,然后逐漸減小,而逆反應速率逐漸增大。
②t2時升高溫度,正反應速率和逆反應速率均瞬間增大,吸熱反應的反應速率增大得快。
③t3時減小壓強,容器容積增大,濃度變小,正反應速率和逆反應速率均瞬間減小,且正反應的反應速率減小得多。
④t4時使用催化劑,正反應速率和逆反應速率均瞬間增大但仍相等。
(2)轉化率(或含量)—時間圖像
反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
①圖甲表示壓強對反應物轉化率的影響,對于氣體反應物化學計量數之和大于氣體生成物化學計量數之和的反應,壓強越大,反應物的轉化率越大。
②圖乙表示溫度對反應物轉化率的影響,對于吸熱反應,溫度越高,反應物的轉化率越大。
③圖丙表示催化劑對反應物轉化率的影響,催化劑只能改變化學反應速率,不能改變反應物的轉化率。
(3)恒壓(溫)線
反應mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
分析時可沿橫軸作一條平行于縱軸的虛線,即為等壓線或等溫線,然后分析另一條件變化對該反應的影響。
1.(2023·廣東梅州質檢)在恒容密閉容器中,分別在T1、T2溫度下(T1A.向密閉容器內充入He,平衡逆向移動
B.a曲線條件下,10~30 min內v(B)=0.05 mol·L-1·min-1
C.曲線b表示T2溫度下,反應過程中物質A的濃度變化
D.在工業實際生產中,溫度越低,越有利于提高生產效率
答案　C
解析　曲線a、b都在下降,說明a、b都是A物質的濃度變化情況,且b先達到平衡,反應速率更快,故b對應的溫度是T2,C正確;根據物質的量濃度的變化量,結合反應比例可知曲線c為T1溫度下的B的濃度隨時間的變化曲線。恒容條件下充入He,各物質的濃度沒有發生改變,平衡不移動,A錯誤;a曲線條件下,10~30 min內v(A)==0.05 mol·L-1·min-1,反應速率之比等于化學計量數之比,則v(B)=v(A)=×0.05 mol·L-1·min-1,B錯誤;降低溫度,平衡正向移動,反應物的轉化率提高,但溫度過低會導致反應速率過慢,不利于提高生產效率,D錯誤。
2.在盛有CuO/Cu2O載氧體的恒容密閉容器中充入空氣,發生反應:2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s)　ΔH。平衡時O2的體積分數φ(O2)隨反應溫度T變化的曲線如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.ΔH<0
B.該反應的平衡常數表達式為K=c-1(O2)
C.在1 030 ℃時加入催化劑,平衡時φ(O2)>21%
D.985 ℃達到平衡狀態后,充入純氧,再次達到平衡后,φ(O2)=10%
答案　C
解析　平衡時O2的體積分數φ(O2)隨溫度升高而增大,則升溫平衡左移,ΔH<0,A正確;該反應方程式為2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s),則按定義,其平衡常數表達式為K=c-1(O2),B正確;由圖知,在1 030 ℃平衡時φ(O2)=21%,催化劑通常能加快反應速率但不影響平衡移動,則加入催化劑平衡時φ(O2)=21%,C不正確;K=c-1(O2),985 ℃達到平衡狀態后,充入純氧不影響平衡常數,則再次達到平衡后,φ(O2)=10%,D正確。
3.(2024·湖北黃岡模擬)利用CO2合成二甲醚的反應:2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH=-135.4 kJ·mol-1。將2.0 mol CO2和6.0 mol H2充入2 L密閉容器中,測得不同溫度和壓強下,二甲醚的平衡物質的量分數變化如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.由圖可知,溫度:T1>T2>T3>T4、壓強:p1B.溫度一定時,增大壓強,平衡常數Kp會減小
C.平衡時,T1、p1條件下的正反應速率小于T4、p4條件下的逆反應速率
D.T1、p1條件下,若n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OCH3)∶n(H2O)=2∶6∶3∶1,此時v正答案　D
解析　A.該反應為氣體分子數減少的放熱反應,降低溫度或增大壓強,平衡正向移動,二甲醚的平衡物質的量分數增大,故溫度:T1>T2>T3>T4,壓強:p1>p2>p3>p4,錯誤;B.溫度一定時,Kc不變,根據pV=nRT,可知p=cRT,R均為常數,T為定值,所以Kp也不變,錯誤;C.平衡時,v正=v逆,因為T1>T4,p1>p4,所以平衡時,T1、p1條件下的正反應速率大于T4、p4條件下的逆反應速率,錯誤;D.T1、p1條件下,若n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OCH3)∶n(H2O)=2∶6∶3∶1,二甲醚的物質的量分數為0.25>0.10,則平衡逆向移動,所以v正4.將一定量的NH4HS固體置于恒容密閉真空容器中(固體試樣的體積忽略不計),使其在50 ℃的恒溫條件下分解:NH4HS(s)NH3(g)+H2S(g)。實驗測得該體系的壓強如表所示。
時間/min 0 10 20 30 40 50 60 70
壓強/kPa 0 0.66 1.28 1.78 2.20 2.50 2.50 2.50
已知:Kp為用各氣體分壓表示的平衡常數,分壓=總壓×物質的量分數。
下列有關說法正確的是(　　)
A.當混合氣體的平均相對分子質量為25.5,且不再隨時間變化時,反應達到平衡
B.0~10 min,用H2S的壓強變化表示該反應的平均反應速率為0.066 kPa·min-1
C.50 ℃時,NH4HS(s)的分解反應的壓強平衡常數Kp=
D.50 ℃時,若在65 min時將容器的容積壓縮至原來的,再次達到平衡時,體系的壓強大于2.50 kPa
答案　C
解析　由NH4HS(s)的分解反應NH4HS(s)NH3(g)+H2S(g)知,反應過程中得到等物質的量的H2S(g)與NH3(g),故混合氣體的平均相對分子質量恒為=25.5,與是否達到平衡狀態無關,A項錯誤。恒溫恒容時,氣體的壓強與其物質的量成正比,即反應過程中,H2S(g)與NH3(g)的分壓始終相等,10 min時,p(H2S)=p(NH3)=0.66 kPa×=0.33 kPa,故在0~10 min內,用H2S的壓強變化表示該反應的平均反應速率為=0.033 kPa·min-1,B項錯誤。50 ℃時,當體系的壓強不再隨時間變化時,反應達到平衡,p(H2S)=p(NH3)== kPa,Kp=p(H2S)·p(NH3)=()2=,C項正確。50 ℃時,若在65 min時將容器的容積壓縮至原來的,瞬間體系壓強變為原來的2倍,平衡逆向移動,溫度不變,Kp不變,Kp=p(H2S)·p(NH3)=p2(H2S)=p2(NH3)=,故再次達到平衡時,p(H2S)=p(NH3)= kPa,體系的壓強仍為2.50 kPa,D項錯誤。
5.3個容積均為1 L的恒容密閉容器中均發生反應CO(g)+H2S(g)COS(g)+H2(g)　ΔH,實驗測得v正=k正·c(CO)·c(H2S);v逆=k逆·c(COS)·c(H2)。k正、k逆為速率常數,只受溫度的影響。相關數據如表所示。
容器 編號 溫度 /℃ 起始時物質的量/mol 平衡時物質 的量/mol
CO H2S COS H2 COS
① 500 1.0 1.0 0 0 0.6
② 600 0 0 1.0 1.0 0.5
③ 600 1.2 1.2 0.9 1.5 a
下列說法正確的是(　　)
A.ΔH>0
B.達到平衡時,容器②中COS的體積分數為50%
C.0.6>a>0.5
D.600 ℃時,k正=k逆
答案　D
解析　結合該反應的熱化學方程式可知,容器②可看作起始時投入1.0 mol CO和1.0 mol H2S,則與容器①相比,溫度升高,平衡時COS的物質的量減小,即平衡逆向移動,則該反應的正反應為放熱反應,ΔH<0,A項錯誤。該反應為反應前后氣體分子數不變的反應,達到平衡時,容器②中氣體的總物質的量為2 mol,COS的體積分數即物質的量分數為×100%=25%,B項錯誤。由題表中相關數據可知,600 ℃時,容器②中達到平衡時,4種物質的物質的量均為0.5 mol,則600 ℃時,反應的平衡常數K===1,容器③中起始時,Q===<1,反應正向進行,故平衡時a>0.9,C項錯誤。當v正=v逆時,反應達到平衡狀態,則k正·c(CO)·c(H2S)=k逆·c(COS)·c(H2),600 ℃時,==K=1,即k正=k逆,D項正確。(共36張PPT)
第一篇　新高考題型突破
題型突破選擇題　題型突破3　化學反應速率與化學平衡
真題導航
核心整合
模擬預測
板塊Ⅳ　化學反應的熱效應、速率與平衡
1.(2024·安徽卷)室溫下,為探究納米鐵去除水樣中Se的影響因素,測得不同條件下Se濃度隨時間變化關系如圖。
實驗序號 水樣體積/mL 納米鐵質量/mg 水樣初始pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列說法正確的是(　　)
A.實驗①中,0~2小時內平均反應速率v(Se)=2.0 mol·L-1·h-1
B.實驗③中,反應的離子方程式為2Fe+Se+8H+===2Fe3++Se+4H2O
C.其他條件相同時,適當增加納米鐵質量可加快反應速率
D.其他條件相同時,水樣初始pH越小,Se的去除效果越好
C
解析　實驗①中,0~2小時內平均反應速率v(Se)==2.0×10-5 mol·L-1·h-1,A項錯誤;實驗③中水樣初始pH=8,溶液呈弱堿性,結合氧化還原反應規律可得離子方程式為2Fe+Se+4H2O===2Fe(OH)3+Se+2OH-,B項錯誤;由實驗①、②可知,其他條件相同時,適當增加納米鐵質量,反應速率加快,C項正確;由實驗②、③可知,其他條件相同時,適當減小水樣初始pH,Se的去除效果更好,但若水樣初始pH太小,與H+反應的納米鐵的量增多,從而影響Se的去除效果,D項錯誤。
CD
A.k1>k2
B.T1、T2溫度下達平衡時反應速率的比值:<
C.溫度不變,僅改變體系初始壓力,反應物摩爾分數隨時間的變化曲線不變
D.T2溫度下,改變初始投料比例,可使平衡時各組分摩爾分數與T1溫度時相同
解析　由圖可知,T1比T2反應速率快,則T1>T2;T1溫度下達到平衡時反應物的摩爾分數低于T2溫度下平衡時;由于起始CO2與H2的物質的量之比為1∶1,則達到平衡時CO2和H2的摩爾分數相等。A.根據分析,T1比T2反應速率快,反應速率常數與溫度有關,結合反應速率方程知k1>k2,A項正確;B.反應的速率方程為v=kc0.5(H2)c(CO2),則=,T1溫度下達到平衡時反應物的摩爾分數低于T2溫度下平衡時的量,則<,B項正確;C.溫度不變,僅改變體系初始壓力,雖然平衡不移動,但反應物的濃度改變,反應速率改變,反應達到平衡的時間改變,反應物摩爾分數隨時間的變化曲線變化,C項錯誤;D.T2溫度下,改變初始投料比,相當于改變某一反應物的濃度,達到平衡時H2和CO2的摩爾分數不可能相等,故不能使平衡時各組分摩爾分數與T1溫度時相同,D項錯誤。
3.(2024·江蘇卷)二氧化碳加氫制甲醇過程中的主要反應(忽略其他副反應)為:
①CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g)　ΔH1=41.2 kJ·mol-1
②CO(g)+2H2(g)===CH3OH(g)　ΔH2
225 ℃、8×106 Pa下,將一定比例CO2、H2混合氣勻速通過裝有催化劑的絕熱反應管。裝置及L1、L2、L3…位點處(相鄰位點距離相同)的氣體溫度、CO和CH3OH的體積分數如圖所示。下列說法正確的是(　　)
C
A.L4處與L5處反應①的平衡常數K相等
B.反應②的焓變ΔH2>0
C.L6處的H2O的體積分數大于L5處
D.混合氣從起始到通過L1處,CO的生成速率小于CH3OH的生成速率
解析　圖中白圈標記的曲線代表氣體溫度,L4處與L5處對應的溫度不同,平衡常數只與溫度有關,故L4處與L5處的平衡常數不同,A錯誤;由圖可知,隨著氣體在絕熱反應管中前進,氣體溫度不斷升高,說明有熱量放出,而反應①ΔH1>0,故反應②ΔH2<0,B錯誤;從L5到L6,甲醇的體積分數逐漸增加,說明反應②在向右進行,反應②消耗CO,而CO體積分數沒有明顯變化,說明反應①也在向右進行,反應①為氣體分子數不變的反應,其向右進行時,n(H2O)增大,反應②為氣體分子數減小的反應,且沒有H2O的消耗與生成,故n總減小而n(H2O)增加,即H2O的體積分數會增大,故L6處的H2O的體積分數大于L5處,C正確;L1處,CO的體積分數大于CH3OH,說明生成的CO的物質的量大于CH3OH,兩者反應時間相同,說明CO的生成速率大于CH3OH的生成速率,D錯誤。
4.(2024·湖南卷)恒壓下,向某密閉容器中充入一定量的CH3OH(g)和CO(g),發生如下反應:
主反應:CH3OH(g)+CO(g)===CH3COOH(g)　ΔH1
副反應:CH3OH(g)+CH3COOH(g)===CH3COOCH3(g)+H2O(g)　ΔH2
在不同溫度下,反應達到平衡時,測得兩種含碳產物的分布分數δ[δ(CH3COOH)=
]隨投料比x(物質的量之比)的變化關系如圖所示,下列說法正確的是(　　)
D
A.投料比x代表 B.曲線c代表乙酸的分布分數
C.ΔH1<0,ΔH2>0 D.L、M、N三點的平衡常數:K(L)=K(M)>K(N)
解析　題干明確指出,圖中曲線表示的是測得兩種含碳產物的分布分數即分別為δ(CH3COOH)、δ(CH3COOCH3),若投料比x代表,x越大,可看作是CH3OH的量增多,則對于主、副反應可知生成的CH3COOCH3越多,CH3COOCH3分布分數越高,則曲線a或曲線b表示CH3COOCH3分布分數,曲線c或曲線d表示CH3COOH分布分數,據此分析可知AB均正確,可知如此假設錯誤,則可知投料比x代表,曲線a或曲線b表示δ(CH3COOH),曲線c或曲線d表示δ(CH3COOCH3),據此作答。A.根據分析可知,投料比x代表,故A錯誤;B.根據分析可知,曲
線c表示CH3COOCH3分布分數,故B錯誤;C.根據分析可知,曲線a或曲線b表示δ(CH3COOH),當同一投料比時,觀察圖像可知T2時δ(CH3COOH)大于T1時δ(CH3COOH),而T2>T1可知,溫度越高則δ(CH3COOH)越大,說明溫度升高主反應的平衡正向移動,ΔH1>0;曲線c或曲線d表示δ(CH3COOCH3),當同一投料比時,觀察可知T1時δ(CH3COOCH3)大于T2時δ(CH3COOCH3),而T2>T1可知,溫度越高則δ(CH3COOCH3)越小,說明溫度升高副反應的平衡逆向移動,ΔH2<0,故C錯誤;D.L、M、N三點對應副反應ΔH2<0,且TN>TM=TL,升高溫度平衡逆向移動,K(L)=K(M)>K(N),故D正確。
5.(2024·浙江6月選考)二氧化碳氧化乙烷制備乙烯,主要發生如下兩個反應:
溫度(℃) 400 500 600
乙烷轉化率(%) 2.2 9.0 17.8
乙烯選擇性(%) 92.6 80.0 61.8
注:乙烯選擇性=×100%
A.反應活化能: Ⅰ < Ⅱ
B.500 ℃時,0~5 min反應 Ⅰ 的平均速率為:v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他條件不變,平衡后及時移除H2O(g),可提高乙烯的產率
D.其他條件不變,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷轉化率
答案　D
解析　A.由表可知,相同溫度下,乙烷在發生轉化時,反應 Ⅰ 更易發生,則反應活化能:Ⅰ<Ⅱ,A正確;B.由表可知,500 ℃時,乙烷的轉化率為9.0%,可得轉化的乙烷的總物質的量為2 mol×9.0%=0.18 mol,而此溫度下乙烯的選擇性為80%,則轉化為乙烯的乙烷的物質的量為0.18 mol×80%=0.144 mol,根據方程式可得,生成乙烯的物質的量為0.144 mol,則0~5 min反應Ⅰ的平均速率為:v(C2H4)==2.88×10-3 mol·L-1·min-1,B正確;C.其他條件不變,平衡后及時移除H2O(g),反應 Ⅰ 正向進行,可提高乙烯的產率,C正確;D.其他條件不變,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后CO2轉化率提高,C2H6轉化率降低,D錯誤。
命題立意:試題以陌生的可逆反應為素材,考查化學反應速率、化學平衡的基礎知識,難度較大,主要涉及化學反應速率、速率常數的計算、外界條件對化學反應速率、化學平衡移動的影響等必備知識。此類試題常以圖像或表格的形式給出不同物質的濃度與時間、溫度與速率常數的關系,要求根據圖像、圖表進行分析判斷,主要考查學生信息獲取與加工、邏輯推理和論證的能力。
1.化學平衡與平衡轉化率
(1)轉化率和平衡轉化率
轉化率有未達到平衡的轉化率和已達到平衡的平衡轉化率,在審題的時候一定要注意轉化率是否為平衡轉化率。
提醒:使用催化劑可以加快反應速率,提高未達平衡的可逆反應在單位時間內反應物的轉化率,但催化劑的使用不會引起平衡移動,故不能提高平衡轉化率。
(2)轉化率與溫度的關系
可逆反應的焓變ΔH 升高溫度
吸熱反應,ΔH>0 未達到平衡的轉化率______
已達到平衡的平衡轉化率______
放熱反應,ΔH<0 未達到平衡的轉化率______
已達到平衡的平衡轉化率______
增大
增大
增大
減小
(3)增大反應物的濃度與平衡轉化率的關系(其中A、B、C均為氣體)
可逆反應 改變條件 平衡移動方向 反應物轉化率 備注
A+B C 增大A的濃度 ______移動 α(A)________ α(B)______ -
A B+C 增大A的濃度 ______移動 α(A)______ 反應物轉化率實際是考慮______的影響
2A B+C 增大A的濃度 ______移動 α(A)______
3A B+C 增大A的濃度 ______移動 α(A)______
正向
減小
增大
正向
減小
正向
不變
正向
增大
壓強
(4)如果兩氣體物質的投料比按照化學計量數投料,那么無論是否達到化學平衡,兩者的轉化率一直相等,且達平衡時,反應物的轉化率是該條件下的轉化率的最____值。
大
2.基礎圖像分析
(1)速率-時間圖像
反應mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
①t1時增大反應物的濃度,正反應速率瞬間增大,然后逐漸減小,而逆反應速率逐漸增大。
②t2時升高溫度,正反應速率和逆反應速率均瞬間增大,吸熱反應的反應速率增大得快。
③t3時減小壓強,容器容積增大,濃度變小,正反應速率和逆反應速率均瞬間減小,且正反應的反應速率減小得多。
④t4時使用催化劑,正反應速率和逆反應速率均瞬間增大但仍相等。
(2)轉化率(或含量)—時間圖像
反應mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),
m+n>p+q,且ΔH>0
①圖甲表示壓強對反應物轉化率的影響,對于氣體反應物化學計量數之和大于氣體生成物化學計量數之和的反應,壓強越大,反應物的轉化率越大。
②圖乙表示溫度對反應物轉化率的影響,對于吸熱反應,溫度越高,反應物的轉化率越大。
③圖丙表示催化劑對反應物轉化率的影響,催化劑只能改變化學反應速率,不能改變反應物的轉化率。
分析時可沿橫軸作一條平行于縱軸的虛線,即為等壓線或等溫線,然后分析另一條件變化對該反應的影響。
1.(2023·廣東梅州質檢)在恒容密閉容器中,分別在T1、T2溫度下(T1A.向密閉容器內充入He,平衡逆向移動
B.a曲線條件下,10~30 min內v(B)=0.05 mol·L-1·min-1
C.曲線b表示T2溫度下,反應過程中物質A的濃度變化
D.在工業實際生產中,溫度越低,越有利于提高生產效率
C
解析　曲線a、b都在下降,說明a、b都是A物質的濃度變化情況,且b先達到平衡,反應速率更快,故b對應的溫度是T2,C正確;根據物質的量濃度的變化量,結合反應比例可知曲線c為T1溫度下的B的濃度隨時間的變化曲線。恒容條件下充入He,各物質的濃度沒有發生改變,平衡不移動,A錯誤;a曲線條件下,10~30 min內v(A)==0.05 mol·L-1·min-1,反應速率之比等于化學計量數之比,則v(B)=v(A)=×0.05 mol·L-1·min-1,B錯誤;降低溫度,平衡正向移動,反應物的轉化率提高,但溫度過低會導致反應速率過慢,不利于提高生產效率,D錯誤。
2.在盛有CuO/Cu2O載氧體的恒容密閉容器中充入空氣,發生反應:2Cu2O(s)+O2(g)
4CuO(s)　ΔH。平衡時O2的體積分數φ(O2)隨反應溫度T變化的曲線如圖所示。下列說法錯誤的是(　　)
A.ΔH<0
B.該反應的平衡常數表達式為K=c-1(O2)
C.在1 030 ℃時加入催化劑,平衡時φ(O2)>21%
D.985 ℃達到平衡狀態后,充入純氧,再次達到平衡后,
φ(O2)=10%
C
3.(2024·湖北黃岡模擬)利用CO2合成二甲醚的反應:2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)
+3H2O(g)　ΔH=-135.4 kJ·mol-1。將2.0 mol CO2和6.0 mol H2充入2 L密閉容器中,測得不同溫度和壓強下,二甲醚的平衡物質的量分數變化如圖所示。下列說法正確的是(　　)
A.由圖可知,溫度:T1>T2>T3>T4、壓強:p1B.溫度一定時,增大壓強,平衡常數Kp會減小
C.平衡時,T1、p1條件下的正反應速率小于T4、p4條
件下的逆反應速率
D.T1、p1條件下,若n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OCH3)∶n(H2O)=2∶6∶3∶1,此時v正D
解析　A.該反應為氣體分子數減少的放熱反應,降低溫度或增大壓強,平衡正向移動,二甲醚的平衡物質的量分數增大,故溫度:T1>T2>T3>T4,壓強:p1>p2>p3>p4,錯誤;B.溫度一定時,Kc不變,根據pV=nRT,可知p=cRT,R均為常數,T為定值,所以Kp也不變,錯誤;C.平衡時,v正=v逆,因為T1>T4,p1>p4,所以平衡時,T1、p1條件下的正反應速率大于T4、p4條件下的逆反應速率,錯誤;D.T1、p1條件下,若n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OCH3)∶n(H2O)=2∶6∶3∶1,二甲醚的物質的量分數為0.25>0.10,則平衡逆向移動,所以v正4.將一定量的NH4HS固體置于恒容密閉真空容器中(固體試樣的體積忽略不計),使其在50 ℃的恒溫條件下分解:NH4HS(s) NH3(g)+H2S(g)。實驗測得該體系的壓強如表所示。
已知:Kp為用各氣體分壓表示的平衡常數,分壓=總壓×物質的量分數。
時間/min 0 10 20 30 40 50 60 70
壓強/kPa 0 0.66 1.28 1.78 2.20 2.50 2.50 2.50
下列有關說法正確的是(　　)
A.當混合氣體的平均相對分子質量為25.5,且不再隨時間變化時,反應達到平衡
B.0~10 min,用H2S的壓強變化表示該反應的平均反應速率為0.066 kPa·min-1
C.50 ℃時,NH4HS(s)的分解反應的壓強平衡常數Kp=
D.50 ℃時,若在65 min時將容器的容積壓縮至原來的,再次達到平衡時,體系的壓強大于2.50 kPa
C
5.3個容積均為1 L的恒容密閉容器中均發生反應CO(g)+H2S(g) COS(g)+H2(g)　ΔH,實驗測得v正=k正·c(CO)·c(H2S);v逆=k逆·c(COS)·c(H2)。k正、k逆為速率常數,只受溫度的影響。相關數據如表所示。
容器 編號 溫度 /℃ 起始時物質的量/mol 平衡時物質的量/mol
CO H2S COS H2 COS
① 500 1.0 1.0 0 0 0.6
② 600 0 0 1.0 1.0 0.5
③ 600 1.2 1.2 0.9 1.5 a
下列說法正確的是(　　)
A.ΔH>0
B.達到平衡時,容器②中COS的體積分數為50%
C.0.6>a>0.5
D.600 ℃時,k正=k逆
D
解析　結合該反應的熱化學方程式可知,容器②可看作起始時投入1.0 mol CO和1.0 mol H2S,則與容器①相比,溫度升高,平衡時COS的物質的量減小,即平衡逆向移動,則該反應的正反應為放熱反應,ΔH<0,A項錯誤。該反應為反應前后氣體分子數不變的反應,達到平衡時,容器②中氣體的總物質的量為2 mol,COS的體積分數即物質的量分數為×100%=25%,B項錯誤。由題表中相關數據可知,600 ℃時,容器②中達到平衡時,4種物質的物質的量均為0.5 mol,則600 ℃時,反應的平衡常數K===1,容器③中起始時,Q==
=<1,反應正向進行,故平衡時a>0.9,C項錯誤。當v正=v逆時,反應達到平衡狀態,則k正·c(CO)·c(H2S)=k逆·c(COS)·c(H2),600 ℃時,= = K=1,即k正=k逆,D項正確。

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