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第41讲　化学反应速率和平衡图像
(说明:选择题每小题3分)
层次1基础性
1.对于反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0已达到平衡,如果其他条件不变时,分别改变下列条件,对化学反应速率和化学平衡产生影响,下列条件与图像不相符的是[O~t1:v(正)=v(逆);t1时改变条件,t2时重新建立平衡](　　)
2.在其他条件不变时,只改变某一条件,化学反应aA(g)+B(g)cC(g)的平衡的变化图像如下(图中p表示压强,T表示温度,n表示物质的量,α表示平衡转化率),据此分析下列说法正确的是 (　　)
A.在反应Ⅰ图像中,说明正反应为吸热反应
B.在反应Ⅰ图像中,若p1>p2,则此反应的ΔS>0
C.在反应Ⅱ图像中,说明该正反应为吸热反应
D.在反应Ⅲ图像中,若T1>T2,则该反应能自发进行
3.某化学研究小组的同学探究外界条件对化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)的反应速率和平衡的影响图像如图,下列判断正确的是(　　)
A.由图1可知,T1B.由图2可知,该反应m+n>p
C.图3中,表示反应速率v(正)>v(逆)的是点1
D.图4中,若m+n=p,则a曲线一定使用了催化剂
4.(2024·河南名校联盟联考)化学中常借助曲线图来表示某种变化过程,下列有关四个曲线图的说法不正确的是(　　)
A.对反应:aA(s)+2B(g)xC(g),根据图①可以求出x=2
B.升高温度,图④表示的反应中反应物的转化率增大
C.图③可表示压强对可逆反应2A(g)+2B(g)3C(g)+D(g)的影响,乙的压强大
D.图②可以表示对某化学平衡体系改变温度后反应速率随时间的变化
5.一定温度下,在刚性容器中加入等物质的量的H2(g)与NO(g)发生反应:2H2(g)+2NO(g)N2(g)+2H2O(g)　ΔH<0,测得H2(g)与H2O(g)的分压随时间变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.当气体密度不再变化时,反应达到平衡
B.体系中气体总物质的量:n(初始)∶n(平衡)=5∶4
C.升高温度,反应速率:v(正)减小,v(逆)增大
D.该反应的活化能:E(正)>E(逆)
6.利用CO2和H2合成乙烯:2CO2(g)+6H2(g)CH2CH2(g)+4H2O(g)　ΔH,在恒容密闭容器中,起始压强相同,反应温度、投料比[=x]对CO2平衡转化率的影响如图所示。
下列推断正确的是(　　)
A.a<3 B.ΔH>0
C.vM(正)>vN(逆) D.K(M)>K(N)
7.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=-820.6 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH2=+247.1 kJ·mol-1
反应Ⅲ:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)　ΔH3=+205.9 kJ·mol-1
反应Ⅳ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH4
不同温度下,向容积为V L的含少量O2的恒压容器按照n(CO2)∶n(CH4)=1∶1投料,实验测得不同压强下平衡时随温度的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.ΔH4=-41.2 kJ·mol-1
B.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>p3
D.压强为p2时,T>Tm后,升高温度对反应Ⅳ的促进作用更大
8.在一恒容的密闭容器中装有0.1 mol·L-1 CO2、0.1 mol·L-1 CH4,在一定条件下发生反应:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),测得CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如图,下列有关说法不正确的是(　　)
A.正反应的ΔH<0
B.压强:p4>p3>p2>p1
C.1 100 ℃时该反应的平衡常数约为1.64
D.压强为p4时,在y点:v(正)>v(逆)
9.(12分)(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=-49.4 kJ·mol-1
ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41.2 kJ·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.不变
(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。结合上图说明实际选用约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1 mol CO2、3 mol H2进行反应ⅰ和反应ⅱ,反应过程中容器内的压强随着时间的变化如下表所示。
时间/min 0 10 20 30 40 50
压强/MPa 120 105 95 90 88 88
计算反应开始至40 min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2综合性
10.(2024·河北卷)在水溶液中,CN-可与多种金属离子形成配离子。X、Y、Z三种金属离子分别与CN-形成配离子达平衡时,lg与-lgc(CN-)的关系如图。
下列说法正确的是(　　)
A.99%的X、Y转化为配离子时,两溶液中CN-的平衡浓度:X>Y
B.向Q点X、Z的混合液中加少量可溶性Y盐,达平衡时
C.由Y和Z分别制备等物质的量的配离子时,消耗CN-的物质的量:YD.若相关离子的浓度关系如P点所示,Y配离子的解离速率小于生成速率
11.(2023·重庆卷)逆水煤气变换体系中存在以下两个反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
反应Ⅱ:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)
在恒容条件下,按V(CO2)∶V(H2)=1∶1投料比进行反应,平衡时含碳物质体积分数随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.反应Ⅰ的ΔH<0,反应Ⅱ的ΔH>0
B.M点反应Ⅰ的平衡常数K<1
C.N点H2O的压强是CH4的3倍
D.若按V(CO2)∶V(H2)=1∶2投料,则曲线之间交点位置不变
层次3创新性
12.(6分)(2024·新课标卷节选)Ni(CO)4(四羰合镍,沸点43 ℃)可用于制备高纯镍,也是有机化合物羰基化反应的催化剂。回答下列问题:
(1)在总压分别为0.10、0.50、1.0、2.0 MPa下,Ni(s)和CO(g)反应达平衡时,Ni(CO)4的体积分数x与温度的关系如图所示。反应Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)4(g)的ΔH　　　　(填“大于”或“小于”)0。从热力学角度考虑,　　　　　　　　　　　　有利于Ni(CO)4的生成(写出两点)。p3、100 ℃时CO的平衡转化率α=　　　,该温度下平衡常数Kp=　　　　 (MPa)-3。
(2)对于同位素交换反应Ni(C16O)4+C18ONi(C16O)3C18O+C16O,20 ℃时反应物浓度随时间的变化关系为ct[Ni(C16O)4]=(k为反应速率常数),则Ni(C16O)4反应一半所需时间=　　　　(用k表示)。
13.(10分)(2025·八省联考内蒙古卷)在传统克劳斯工艺制备S2的基础上,科研工作者提出分解H2S制备S2同时获取H2的新方法,反应如下:
反应1:2H2S(g)+O2(g)2H2O(g)+S2(g)　ΔH1
反应2:2H2S(g)2H2(g)+S2(g)　ΔH2
(1)传统克劳斯工艺反应如下,则ΔH1=　　　　　　。
2H2S(g)+3O2(g)2SO2(g)+2H2O(g)　ΔH3=-1 036 kJ·mol-1
4H2S(g)+2SO2(g)3S2(g)+4H2O(g)　ΔH4=+94 kJ·mol-1
(2)按照新方法,向1 L恒容容器中通入0.01 mol混合气体[n(Ar)∶n(H2S)∶n(O2)=88∶10∶2]。H2S的转化率(α)与温度关系曲线如图1所示,三条曲线分别代表平衡转化率及相同反应时间内有、无催化剂的转化率。
图1
①代表平衡转化率的曲线是　　　(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)。
②ΔH2　　　(填“<”“=”或“>”)0;新方法加入部分O2,而未采用H2S直接分解法的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
③P点n(H2)=1×10-4 mol,此时n(S2)=　　　 mol,反应2的平衡常数K=　　　。
(3)1 000 ℃时,恒容容器中发生反应2,H2S和H2的体积分数(φ)随时间变化曲线如图2所示。下列说法正确的是　　　　　　　。
图2
A.反应2在M点达到化学平衡状态
B.40 ms时,通入Ar,α(H2S)不变
C.H2S的反应速率:v(M)>v(N)
D.50 ms时,降低温度,H2的产率增加
(4)NiO可催化分解H2S。形成立方NiO时,Ni2+的3d轨道分裂为两组。请参照基态原子核外电子排布规律将Ni2+的价电子填充至图3中,完成轨道表示式。
图3
第41讲　化学反应速率和平衡图像
1.C　解析:分析时要注意改变条件瞬间v(正)、v(逆)的变化。增大O2的浓度,v(正)瞬间增大,v(逆)瞬间不变,A不符合题意;增大压强,v(正)、v(逆)都瞬间增大,v(正)增大的倍数大于v(逆),B不符合题意;升高温度,v(正)、v(逆)都瞬间增大,速率曲线是不连续的,C符合题意;加入催化剂,v(正)、v(逆)同时同倍数增大,D不符合题意。
2.D　解析:A项,在反应Ⅰ图像中任取一曲线,图中随着温度的升高反应物的平衡转化率减小,升高温度平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应,错误;B项,在反应Ⅰ图像的横坐标上任取一点,作横坐标的垂直线与两曲线相交,若p1>p2,增大压强反应物的平衡转化率增大,增大压强平衡向正反应方向移动,则a+1>c,ΔS<0,错误;C项,反应Ⅱ图像中T1先出现拐点,T1反应速率快,T1>T2,T1平衡时n(C)小于T2平衡时n(C),升高温度平衡向逆反应方向移动,正反应为放热反应,错误;D项,反应Ⅲ图像中增大压强平衡不移动,则a+1=c,若T1>T2,升高温度A的转化率减小,升高温度平衡向逆反应方向移动,则ΔH<0,该反应能自发进行,正确。
3.B　解析:在图3的曲线上,当温度一定时,B的转化率也一定,曲线上任意一点都表示达到平衡状态,则2、4处于平衡状态,v(正)=v(逆),点1在曲线上方,未达到平衡状态,要想达到同温度下的平衡状态,B的转化率要减小,平衡逆向移动,故v(正)v(逆)的是点3,C错误。
4.D　解析:由图①可知,2 min内消耗0.2 mol B的同时生成0.2 mol C,两者反应速率相等,则有x=2,A正确;升高温度,正反应速率大于逆反应速率,则平衡向正反应方向移动,反应物的转化率增大,B正确;C项中反应是反应前后气体体积不变的反应,压强对该反应的平衡状态没影响,增大压强,平衡不移动,反应速率增大,达到平衡需要的时间缩短,C正确;升高温度,正、逆反应速率都增大,降低温度,正、逆反应速率均减小,不会出现图示的结果,D错误。
5.B　解析:反应过程中气体总质量不变,容器容积不变,则气体的密度保持不变,不能判断反应是否达到平衡,A错误;根据图像列出“三段式”:
　　　 2H2(g) + 2NO(g) N2(g) + 2H2O(g)　总压强
起始/Pa 2.5 p0 2.5 p0 0 0 5 p0
变化/Pa 2 p0 2 p0 p0 2 p0
平衡/Pa 0.5 p0 0.5 p0 p0 2 p0 4 p0
则体系中气体总物质的量:n(初始)∶n(平衡)=p(初始)∶p(平衡)=5p0∶4p0=5∶4,B正确;升高温度,正、逆反应速率都增大,C错误;正反应为放热反应,则正反应活化能小于逆反应活化能,D错误。
6.D　解析:投料比越大时,CO2的平衡转化率越大,故a>3,A错误;由图示可知,投料比相同时,升高温度,CO2的平衡转化率降低,平衡逆向移动,故正反应为放热反应,ΔH<0,B错误;温度升高,化学反应速率加快,因T(M)K(N),D正确。
7.D　解析:反应Ⅳ可由反应Ⅱ-反应Ⅲ得到,则ΔH4=ΔH2-ΔH3=+41.2 kJ·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的正反应均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,越大,故p1Tm后,升高温度减小,说明升高温度对反应Ⅳ的促进作用更大,D正确。
8.A　解析:p1、p2、p3、p4是四条等压线,由图像可知,压强一定时,温度越高,CH4的平衡转化率越高,故正反应为吸热反应,ΔH>0,A项错误;正反应为气体分子数增加的反应,压强越大,甲烷的平衡转化率越小,故压强p4>p3>p2>p1,B项正确;压强为p4、温度为1 100 ℃时,甲烷的平衡转化率为80.00%,故平衡时各物质的浓度分别为c(CH4)=0.02 mol·L-1,c(CO2)=0.02 mol·L-1,c(CO)=0.16 mol·L-1,c(H2)=0.16 mol·L-1,则平衡常数K=≈1.64,C项正确;压强为p4时,y点未达到平衡,此时v(正)>v(逆),D项正确。
9.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)0.4　38　66.67%
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;催化剂能加快反应速率,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,平衡逆向移动,平衡常数减小,故不变,能判断反应达到平衡状态;故选B。
(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的转化率低,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40 min时,减小的压强120 MPa-88 MPa=32 MPa为反应ⅰ进行导致;根据方程式:
　　　　　 CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g)　 变化
物质的量/mol 1 3 1 1　 1+3-1-1=2
压强 16 MPa 　32 MPa
则CH3OH的平均反应速率是=0.4 MPa·min-1。
向容器中通入1 mol CO2、3 mol H2进行反应ⅰ和反应ⅱ,初始压强为120 MPa,则初始CO2、H2的分压分别为30 MPa、90 MPa;由题意可知,反应开始至40 min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 x
　　　　 CO2(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、x MPa、(x+y) MPa、y MPa,平衡时总压强为88 MPa,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=4,x=16;故H2的平衡分压是90 MPa-3×16 MPa-4 MPa=38 MPa;CO2的平衡转化率=×100%≈66.7%。
10.B　解析:99%的X、Y转化为配离子时,溶液中,则lg=lg≈-2,根据图像可知,纵坐标约为-2时,溶液中-lgcX(CN-)>-lgcY(CN-),则溶液中CN-的平衡浓度:Xlg,则,B正确;设金属离子形成配离子的离子方程式为:金属离子+mCN-配离子,则平衡常数K=,lgK=lg-mlgc(CN-)=-lg-mlgc(CN-),即lg=-mlgc(CN-)-lgK,故X、Y、Z三种金属离子形成配离子时结合的CN-越多,对应lg~-lgc(CN-)曲线斜率越大,由题图知,曲线斜率:Y>Z,则由Y、Z制备等物质的量的配离子时,消耗CN-的物质的量:Z生成速率,D错误。
11.C　解析:随着温度升高,平衡时甲烷含量减小、一氧化碳含量增大,则说明随着温度升高,反应Ⅱ平衡逆向移动、反应Ⅰ平衡正向移动,则反应Ⅱ的ΔH<0,反应Ⅰ的ΔH>0,A错误;M点平衡体系中没有甲烷产物,且二氧化碳、一氧化碳体积分数相等,投料V(CO2)∶V(H2)=1∶1,则此时反应Ⅰ平衡时二氧化碳、氢气、一氧化碳、水的物质的量相等,反应Ⅰ的平衡常数K==1,B错误;N点一氧化碳、甲烷的物质的量相等,结合反应的化学方程式可知,生成H2O的总的物质的量为甲烷的3倍,结合阿伏加德罗定律可知,H2O的压强是CH4的3倍,C正确;反应Ⅰ正向为气体分子数不变的反应、反应Ⅱ正向为气体分子数减小的反应,若按V(CO2)∶V(H2)=1∶2投料,相当于增加氢气的投料,会使得甲烷含量增大,导致甲烷、一氧化碳曲线之间交点位置发生改变,D错误。
12.答案 (1)小于　降低温度、增大压强　97.3%　9 000
(2)
解析:(1)随着温度升高,平衡时Ni(CO)4的体积分数减小,说明温度升高平衡逆向移动,因此正反应的ΔH小于0;该反应的正反应是气体总分子数减小的放热反应,因此降低温度和增大压强均有利于Ni(CO)4的生成;由上述分析知,温度相同时,增大压强平衡正向移动,对应的平衡体系中Ni(CO)4的体积分数增大,则压强:p4>p3>p2>p1,即p3对应的压强是1.0 MPa。由题图可知,p3、100 ℃条件下达到平衡时,CO和Ni(CO)4的物质的量分数分别为0.1、0.9,设初始投入的CO为4 mol,反应生成的Ni(CO)4为x mol,可得“三段式”:
　　　 Ni(s)+4CO(g)Ni(CO)4(g)
起始/mol 4 0
转化/mol 4x x
平衡/mol 4-4x x
反应后气体总物质的量为(4-3x) mol,根据阿伏加德罗定律,其他条件相同时,气体的体积分数即为其物质的量分数,因此有=0.9,解得x=,因此达到平衡时CO转化的物质的量为4× mol,CO的平衡转化率为×100%≈97.3%;气体的分压=总压强×该气体的物质的量分数,则该温度下的压强平衡常数Kp==9 000(MPa)-3。
(2)由题给关系式可得e-kt=,当Ni(C16O)4反应一半时,即,-k=ln,k=ln2,则。
13.答案 (1)-314 kJ·mol-1
(2)①Ⅰ　②>　使H2与O2反应生成水,减小H2的浓度,使反应2平衡正向移动　③2.5×10-4　1×10-5
(3)BC
(4)
解析:(1)将传统克劳斯工艺反应中的两个反应依次编号为③、④,根据盖斯定律,由(④+③)得2H2S(g)+O2(g)2H2O(g)+S2(g),ΔH1=(ΔH3+ΔH4)=(-1 036 kJ·mol-1+94 kJ·mol-1)=-314 kJ·mol-1。
(2)①催化剂不影响转化率,只影响速率,因此平衡转化率是该条件下的最大转化率,有无催化剂都不会超过最大转化率,故平衡转化率曲线是Ⅰ。②由图示可知,温度升高时,H2S的转化率升高,而反应1正反应为放热反应,温度升高转化率会降低,故反应2正反应为吸热反应,即ΔH2>0。新方法加入部分O2,而未采用H2S直接分解法的原因是使H2与O2反应生成水,减小H2的浓度,使反应2平衡正向移动。③向1 L恒容容器中通入0.01 mol混合气体[n(Ar)∶n(H2S)∶n(O2)=88∶10∶2],则n(H2S)=1×10-3 mol,n(O2)=2×10-4 mol,设达到平衡时生成了2x mol H2O和2y mol H2,
2H2S(g)　　+　O2(g)　 　2H2O(g) + S2(g)　
起始/mol 1×10-3 2×10-4 0 0
转化/mol 2x x 2x x
平衡/mol 1×10-3-2x-2y 2×10-4-x 2x x+y
　　 　2H2S(g)2H2(g) + S2(g)
起始/mol 1×10-3 0 0
转化/mol 2y 2y y
平衡/mol 1×10-3-2x-2y 2y y+x
P点H2S的转化率为50%,5×10-4=2x+2y,2y=1×10-4,解得y=0.5×10-4,x=2×10-4,n(S2)=2.5×10-4 mol,则K==1×10-5。
(3)由图示可知,M点后各物质体积分数依然在改变,反应2在M点未达到平衡,A错误;恒容容器中,40 ms时已达到平衡,通入Ar,不影响平衡移动,故α(H2S)不变,B正确;M点的H2S的浓度高于N点,故反应速率:v(M)>v(N),C正确;50 ms时反应处于平衡状态,反应2正反应为吸热反应,降低温度平衡逆向移动,H2的产率减小,D错误;故选BC。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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