资源简介

　3.化学反应速率、化学平衡图像分析
化学平衡与平衡转化率
(1)转化率和平衡转化率
转化率有未达到平衡的转化率和已达到平衡的平衡转化率，在审题的时候一定要注意转化率是否为平衡转化率。
(2)转化率与温度的关系
可逆反应的焓变ΔH 升高温度
吸热反应，ΔH＞0 未达到平衡的转化率增大
已达到平衡的平衡转化率增大
放热反应，ΔH＜0 未达到平衡的转化率增大
已达到平衡的平衡转化率减小
(3)增大反应物的浓度与平衡转化率的关系(其中A、B、C均为气体)
可逆反应 改变条件 平衡移动方向 反应物转化率 备注
A＋BC 增大A的浓度 正向移动 α(A)减小α(B)增大 －
AB＋C 增大A的浓度 正向移动 α(A)减小 反应物转化率实际是考虑压强的影响
2AB＋C 增大A的浓度 正向移动 α(A)不变
3AB＋C 增大A的浓度 正向移动 α(A)增大
(4)如果两气体物质的投料比按照化学计量数投料，那么无论是否达到化学平衡，两者的转化率一直相等。
1．(2023·江苏，13)二氧化碳加氢制甲烷过程中的主要反应为
CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH＝－164.7 kJ·mol－1
CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝41.2 kJ·mol－1
在密闭容器中，1.01×105 Pa、n起始(CO2)∶n起始(H2)＝1∶4时，CO2平衡转化率、在催化剂作用下反应相同时间所测得的CO2实际转化率随温度的变化如图所示。CH4的选择性可表示为×100%。下列说法正确的是(　　)
A．反应2CO(g)＋2H2(g)===CO2(g)＋CH4(g)的焓变ΔH＝－205.9 kJ·mol－1
B．CH4的平衡选择性随着温度的升高而增加
C．用该催化剂催化二氧化碳反应的最佳温度范围约为480～530 ℃
D．450 ℃时，提高的值或增大压强，均能使CO2平衡转化率达到X点的值
2．(2022·江苏，13)乙醇-水催化重整可获得H2。其主要反应为C2H5OH(g)＋3H2O(g)===2CO2(g)＋6H2(g)　ΔH＝173.3 kJ·mol－1，CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝41.2 kJ·mol－1，在1.0×105 Pa、n始(C2H5OH)∶n始(H2O)＝1∶3时，若仅考虑上述反应，平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。
CO的选择性＝×100%，下列说法正确的是(　　)
A．图中曲线①表示平衡时H2产率随温度的变化
B．升高温度，平衡时CO的选择性增大
C．一定温度下，增大可提高乙醇平衡转化率
D．一定温度下，加入CaO(s)或选用高效催化剂，均能提高平衡时H2产率
3．(2021·江苏，14)NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应。工业尾气中的NH3可通过催化氧化为N2除去。将一定比例的NH3、O2和N2的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应管，NH3的转化率、生成N2的选择性[×100%]与温度的关系如图所示。
下列说法正确的是(　　)
A．其他条件不变，升高温度，NH3的平衡转化率增大
B．其他条件不变，在175～300 ℃范围，随温度的升高，出口处N2和氮氧化物的量均不断增大
C．催化氧化除去尾气中的NH3应选择反应温度高于250 ℃
D．高效除去尾气中的NH3，需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂
4．(2023·辽宁，12)一定条件下，酸性KMnO4溶液与H2C2O4发生反应，Mn(Ⅱ)起催化作用，过程中不同价态含Mn粒子的浓度随时间变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．Mn(Ⅲ)不能氧化H2C2O4
B．随着反应物浓度的减小，反应速率逐渐减小
C．该条件下，Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅶ)不能大量共存
D．总反应为：2MnO＋5C2O＋16H＋===2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O
5．(2023·山东，14改编)一定条件下，化合物E和TFAA合成H的反应路径如下：
已知反应初始E的浓度为0.10 mol·L－1，TFAA的浓度为0.08 mol·L－1，部分物种的浓度随时间的变化关系如图所示，忽略反应过程中的体积变化。下列说法正确的是(　　)
A．t1时刻，体系中有E存在
B．t2时刻，体系中无F存在
C．E和TFAA反应生成F的活化能很大
D．反应达平衡后，TFAA的浓度为0.08 mol·L－1
1．(2022·江苏苏北、苏中七市三模)优化焦炭水蒸气重整工艺可制得CO含量较低的氢燃料。0.1 MPa 下，＝4，向容器中加入一定量的焦炭和水蒸气。体系中发生如下反应：
反应Ⅰ.C(s)＋H2O(g)===CO(g)＋H2(g)　ΔH＝＋131.3 kJ·mol－1
反应Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)
ΔH＝－41.2 kJ·mol－1
反应Ⅲ.2CO(g)＋2H2(g)===CH4(g)＋CO2(g)　ΔH＝－205.8 kJ·mol－1
达到平衡时，H2的产率和CO、CO2、CH4干态体积分数()随温度变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．曲线B表示CO2干态体积分数随温度变化
B．制备CO含量低的氢燃料应选择200～600 ℃
C．800～1 400 ℃，随温度升高H2的产率降低，是因为反应Ⅲ正向进行程度增大
D．1 200 ℃，向平衡体系中通入水蒸气，再次达到平衡时，c(CO)·c(H2)的值比原平衡的大
2．(2023·海安高级中学高三下学期月考)CO2催化加氢合成甲醇是重要的碳捕获利用与封存技术。CO2催化加氢主要反应有：
反应Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－49.4 kJ·mol－1
反应Ⅱ.CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋41.2 kJ·mol－1
压强分别为p1、p2时，将＝1∶3的混合气体置于密闭容器中反应，不同温度下体系中CO2的平衡转化率和CH3OH、CO的选择性如图所示。
CH3OH的选择性＝×100%
下列说法正确的是(　　)
A．反应CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g)为吸热反应
B．曲线③④表示CO的选择性，且p1＞p2
C．相同温度下，反应Ⅰ、Ⅱ的平衡常数：K(Ⅰ)＞K(Ⅱ)
D．一定温度下，调整＝1∶2，可提高CO2的平衡转化率
3．在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下，催化反应2NO(g)＋O2(g)??2NO2(g)在相同时间内测得不同温度下NO转化率如图中实线所示(虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。下列说法正确的是(　　)
A．平衡常数：KMB．M点条件下，反应恰好达到平衡
C．N点条件下，增加O2浓度能提高NO转化率
D．若P点条件下，O2起始浓度为a mol·L－1，则其平衡常数K＝
4．(2023·海安高级中学高三下学期模拟)飞机在平流层飞行时，尾气中的NO会破坏臭氧层。如何有效消除NO成为环保领域的重要课题。某研究小组用新型催化剂对CO、NO催化转化进行研究，测得一段时间内NO的转化率、CO剩余的百分率随温度变化情况如图所示。已知NO可发生下列反应：
反应Ⅰ：2CO(g)＋2NO(g)2CO2(g)＋N2(g)　ΔH1
反应Ⅱ：2NO(g)N2(g)＋O2(g)　ΔH2
下列叙述不正确的是(　　)
A．ΔH1＜0，ΔH2＜0 B．温度大于775 K时，催化剂活性降低
C.＝1时，控制温度875 K已可较好的去除NO
D．775 K，＝1时，不考虑其他反应，该时刻n(CO2)∶n(N2)≈3∶2
5．(2023·海安高级中学高三下学期阶段考试)CO2热还原制CH4和CO。在常压、Ru/TiO2催化下，CO2和H2混合气体(体积比1∶4)进行反应，测得CO2转化率、CH4和CO的选择性随温度变化如图所示。
反应Ⅰ：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH1
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH2
下列说法正确的是(　　)
A．温度为320 ℃至370 ℃，CH4的产率降低
B．一定温度下，加入CaO(s)能提高CO的平衡产率
C．其他条件不变，升高温度，CH4的平衡产率增大
D．改变压强，对CO产率没有影响
选择题专攻3　化学反应速率、化学平衡图像分析
真题演练
1．D　[由盖斯定律可知反应2CO(g)＋2H2(g)===CO2(g)＋CH4(g)的焓变ΔH＝－2×41.2 kJ·mol－1－164.7 kJ·mol－1＝－247.1 kJ·mol－1，A错误；CO2(g)＋4H2(g)===CH4(g)＋2H2O(g)为放热反应，升高温度平衡逆向移动，CH4的含量降低，故CH4的平衡选择性随着温度的升高而降低，B错误；450 ℃时，提高的值可提高二氧化碳的平衡转化率，增大压强第一个反应平衡正向移动，可提高二氧化碳的平衡转化率，均能使CO2平衡转化率达到X点的值，D正确。 ]
2．D　[根据已知反应①C2H5OH(g)＋3H2O(g)===2CO2(g)＋6H2(g)　ΔH＝173.3 kJ·mol－1，反应②CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝41.2 kJ·mol－1，且反应①的热效应更大，故温度升高对反应①影响更大一些，即CO2选择性增大，同时CO的选择性减小，根据CO的选择性的定义可知③代表CO2的选择性，①代表CO的选择性，②代表H2的产率，A、B错误；两种物质参加反应增大一种物质的浓度，会降低该物质的平衡转化率，C错误；加入CaO(s)与水反应放热，对反应①影响较大，可以增大H2产率，或者选用对反应①影响较大的高效催化剂，也可以增大H2产率，D正确。]
3．D　[NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应，根据勒夏特列原理，升高温度，平衡向逆反应方向移动，氨气的平衡转化率降低，故A错误；根据图像，在175～300 ℃范围，随温度的升高，N2的选择性降低，即产生氮气的量减少，故B错误；根据图像，温度高于250 ℃ N2的选择性降低，且氨气的转化率变化并不大，浪费能源，故温度应略小于225 ℃，此时氨气的转化率、氮气的选择性较大，故C错误；氮气对环境无污染，氮的氧化物污染环境，因此高效除去尾气中的NH3，需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂，故D正确。]
4．C　[由图像可知，随着时间的推移Mn(Ⅲ)的浓度先增大后减小，说明开始反应生成Mn(Ⅲ)，后Mn(Ⅲ)被消耗生成Mn(Ⅱ)，Mn(Ⅲ)能氧化H2C2O4，A项错误；随着反应物浓度的减小，到大约13 min时开始生成Mn(Ⅱ)，Mn(Ⅱ)对反应起催化作用，13 min后反应速率会增大，B项错误；Mn(Ⅶ)的浓度为0后才开始生成Mn(Ⅱ)，该条件下Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅶ)不能大量共存，C项正确；H2C2O4为弱酸，在离子方程式中不拆成离子，总反应为2MnO＋5H2C2O4＋6H＋===2Mn2＋＋10CO2↑＋8H2O，D项错误。]
5．A　[t1时刻TFAA浓度为0，则TFAA完全反应，消耗的E为0.08 mol·L－1，E剩余0.02 mol·
L－1，故体系中有E存在，A正确；由题给反应路径和元素质量守恒知，体系中TFAA、G、F的总浓度应为0.08 mol·L－1，由题图知，t2时刻TFAA和G的浓度之和小于0.08 mol·L－1，则体系中一定存在F，B错误；由图可知，反应刚开始TFAA的浓度迅速减小为0，则E和TFAA的反应速率非常快，该反应的活化能很小，C错误；只有F、G全部转化为H和TFAA时，TFAA的浓度才能为0.08 mol·L－1，而GH＋TFAA为可逆反应，所以反应达平衡后，TFAA的浓度一定小于0.08 mol·L－1，D错误。]
考向预测
1．D
2．B　[CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g)可由反应Ⅰ－反应Ⅱ得到，ΔH＝－49.4 kJ·mol－1－41.2 kJ·mol－1<0，故该反应为放热反应，A错误；随着温度的升高，反应Ⅰ平衡逆向移动，反应Ⅱ平衡正向移动，则CH3OH的选择性随温度的升高而减小，CO的选择性随温度的升高而增大，故曲线③④表示CO的选择性，压强增大，反应Ⅰ平衡正向移动，反应物浓度减小，促使反应Ⅱ化学平衡逆向移动，使CO选择性减小，故p1>p2，B正确；未给定具体温度，无法比较反应Ⅰ、Ⅱ的化学平衡常数大小，C错误；调整＝1∶2，CO2的起始浓度增大，则CO2的平衡转化率减小，D错误。]
3．C　[由图可知，在相同时间内，随着温度的升高，NO的转化率先升高后降低，说明温度较低时反应未达到平衡，温度较高时反应速率加快，再升高温度时，NO转化率反而降低，平衡逆向移动，所以该反应为放热反应，即ΔH<0，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，则平衡常数：KM>KN>KP，故A错误；由图可知，M点NO的转化率低于相同温度下的平衡转化率，所以M点不是平衡点，故B错误；P点条件下，NO的转化率为50%，O2起始浓度为a mol·L－1，设NO的浓度为x mol·L－1，列三段式如下：
　　　　　　　2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)
起始/(mol·L－1)　　 x　 　a　 　　0
转化/(mol·L－1)　　0.5x 　0.25x　　 0.5x
平衡/(mol·L－1)　　0.5x 　a－0.25x　0.5x
则其平衡常数K＝＝ ，解得K>，故D错误。]
4．B　[根据反应Ⅱ的图像可以看出在775 K时达到平衡状态，后随温度的升高NO的转化率下降，因此ΔH2＜0，而反应Ⅰ曲线走势来看应该是先升高后降低，因此ΔH1＜0，A正确；＝1的条件下，在温度大于775 K时，NO转化为N2的转化率仍增大，说明催化剂活性没有降低，B错误；根据图像可以看出＝1时，温度875 K时NO的转化率已经很高，已经能够较好的去除NO，C正确；根据表中数据775 K时，CO转化率为30%，＝1，设起始加入NO和CO各1 mol，利用三段式处理数据如下：
　　　　　2CO　＋　2NO　　2CO2　＋N2
转化/mol 　0.3 　　0.3 　　　　 0.3 　0.15
又NO的转化率为40%，说明共消耗0.4 mol NO，则有0.1 mol NO参与反应Ⅱ：
2NO N2　　＋ O2
转化/mol 0.1 　　0.05 　　0.05
n(CO2)＝0.3 mol，n(N2)＝(0.15＋0.05) mol＝0.2 mol，因此n(CO2)∶n(N2)≈3∶2，D正确。]
5．A　[从图中可以看出，升高温度，反应Ⅰ中CH4的选择性降低，则平衡逆向移动，ΔH1＜0；升高温度，反应Ⅱ中CO的选择性增大，则平衡正向移动，ΔH2＞0。由图可知，温度升高，甲烷的选择性降低，则温度为320 ℃至370 ℃，反应Ⅰ平衡逆向移动，CH4的产率降低，A正确；一定温度下，加入CaO(s)，与CO2反应生成CaCO3，使反应Ⅱ的平衡逆向移动，从而降低CO的平衡产率，B不正确；ΔH1＜0，则其他条件不变，升高温度，反应Ⅰ平衡逆向移动，CH4的平衡产率减小，C不正确。]

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