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题型突破3　化学反应速率与化学平衡
1.(2024·安徽卷)室温下,为探究纳米铁去除水样中Se的影响因素,测得不同条件下Se浓度随时间变化关系如图。
实验 序号 水样体积 /mL 纳米铁质量 /mg 水样初始 pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列说法正确的是(　　)
A.实验①中,0~2小时内平均反应速率v(Se)=2.0 mol·L-1·h-1
B.实验③中,反应的离子方程式为2Fe+Se+8H+===2Fe3++Se+4H2O
C.其他条件相同时,适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D.其他条件相同时,水样初始pH越小,Se的去除效果越好
2.(双选)(2024·山东卷)逆水气变换反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH>0。一定压力下,按CO2、H2物质的量之比n(CO2)∶n(H2)=1∶1 投料,T1、T2温度时反应物摩尔分数随时间变化关系如图所示。已知该反应的速率方程为v=kc0.5(H2)c(CO2),T1、T2温度时反应速率常数k分别为k1、k2。下列说法错误的是(　　)
A.k1>k2
B.T1、T2温度下达平衡时反应速率的比值:<
C.温度不变,仅改变体系初始压力,反应物摩尔分数随时间的变化曲线不变
D.T2温度下,改变初始投料比例,可使平衡时各组分摩尔分数与T1温度时相同
3.(2024·江苏卷)二氧化碳加氢制甲醇过程中的主要反应(忽略其他副反应)为:
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,将一定比例CO2、H2混合气匀速通过装有催化剂的绝热反应管。装置及L1、L2、L3…位点处(相邻位点距离相同)的气体温度、CO和CH3OH的体积分数如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.L4处与L5处反应①的平衡常数K相等
B.反应②的焓变ΔH2>0
C.L6处的H2O的体积分数大于L5处
D.混合气从起始到通过L1处,CO的生成速率小于CH3OH的生成速率
4.(2024·湖南卷)恒压下,向某密闭容器中充入一定量的CH3OH(g)和CO(g),发生如下反应:
主反应:CH3OH(g)+CO(g)===CH3COOH(g)　ΔH1
副反应:CH3OH(g)+CH3COOH(g)===CH3COOCH3(g)+H2O(g)　ΔH2
在不同温度下,反应达到平衡时,测得两种含碳产物的分布分数δ[δ(CH3COOH)=
]随投料比x(物质的量之比)的变化关系如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.投料比x代表
B.曲线c代表乙酸的分布分数
C.ΔH1<0,ΔH2>0
D.L、M、N三点的平衡常数:K(L)=K(M)>K(N)
5.(2024·浙江6月选考)二氧化碳氧化乙烷制备乙烯,主要发生如下两个反应:
Ⅰ.C2H6(g)+CO2(g)C2H4(g)+CO(g)+H2O(g)　ΔH1>0
Ⅱ.C2H6(g)+2CO2(g)4CO(g)+3H2(g)　ΔH2>0
向容积为10 L的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同温度下,测得5 min时(反应均未平衡)的相关数据见下表,下列说法不正确的是(　　)
温度(℃) 400 500 600
乙烷转化率(%) 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性(%) 92.6 80.0 61.8
注:乙烯选择性=×100%
A.反应活化能: Ⅰ < Ⅱ
B.500 ℃时,0~5 min反应 Ⅰ 的平均速率为:v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),可提高乙烯的产率
D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷转化率
1.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。
提醒:使用催化剂可以加快反应速率,提高未达平衡的可逆反应在单位时间内反应物的转化率,但催化剂的使用不会引起平衡移动,故不能提高平衡转化率。
(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,且达平衡时,反应物的转化率是该条件下的转化率的最大值。
2.基础图像分析
(1)速率-时间图像
反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
①t1时增大反应物的浓度,正反应速率瞬间增大,然后逐渐减小,而逆反应速率逐渐增大。
②t2时升高温度,正反应速率和逆反应速率均瞬间增大,吸热反应的反应速率增大得快。
③t3时减小压强,容器容积增大,浓度变小,正反应速率和逆反应速率均瞬间减小,且正反应的反应速率减小得多。
④t4时使用催化剂,正反应速率和逆反应速率均瞬间增大但仍相等。
(2)转化率(或含量)—时间图像
反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
①图甲表示压强对反应物转化率的影响,对于气体反应物化学计量数之和大于气体生成物化学计量数之和的反应,压强越大,反应物的转化率越大。
②图乙表示温度对反应物转化率的影响,对于吸热反应,温度越高,反应物的转化率越大。
③图丙表示催化剂对反应物转化率的影响,催化剂只能改变化学反应速率,不能改变反应物的转化率。
(3)恒压(温)线
反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
分析时可沿横轴作一条平行于纵轴的虚线,即为等压线或等温线,然后分析另一条件变化对该反应的影响。
1.(2023·广东梅州质检)在恒容密闭容器中,分别在T1、T2温度下(T1A.向密闭容器内充入He,平衡逆向移动
B.a曲线条件下,10~30 min内v(B)=0.05 mol·L-1·min-1
C.曲线b表示T2温度下,反应过程中物质A的浓度变化
D.在工业实际生产中,温度越低,越有利于提高生产效率
2.在盛有CuO/Cu2O载氧体的恒容密闭容器中充入空气,发生反应:2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s)　ΔH。平衡时O2的体积分数φ(O2)随反应温度T变化的曲线如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.ΔH<0
B.该反应的平衡常数表达式为K=c-1(O2)
C.在1 030 ℃时加入催化剂,平衡时φ(O2)>21%
D.985 ℃达到平衡状态后,充入纯氧,再次达到平衡后,φ(O2)=10%
3.(2024·湖北黄冈模拟)利用CO2合成二甲醚的反应:2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH=-135.4 kJ·mol-1。将2.0 mol CO2和6.0 mol H2充入2 L密闭容器中,测得不同温度和压强下,二甲醚的平衡物质的量分数变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.由图可知,温度:T1>T2>T3>T4、压强:p1B.温度一定时,增大压强,平衡常数Kp会减小
C.平衡时,T1、p1条件下的正反应速率小于T4、p4条件下的逆反应速率
D.T1、p1条件下,若n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OCH3)∶n(H2O)=2∶6∶3∶1,此时v正4.将一定量的NH4HS固体置于恒容密闭真空容器中(固体试样的体积忽略不计),使其在50 ℃的恒温条件下分解:NH4HS(s)NH3(g)+H2S(g)。实验测得该体系的压强如表所示。
时间/min 0 10 20 30 40 50 60 70
压强/kPa 0 0.66 1.28 1.78 2.20 2.50 2.50 2.50
已知:Kp为用各气体分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数。
下列有关说法正确的是(　　)
A.当混合气体的平均相对分子质量为25.5,且不再随时间变化时,反应达到平衡
B.0~10 min,用H2S的压强变化表示该反应的平均反应速率为0.066 kPa·min-1
C.50 ℃时,NH4HS(s)的分解反应的压强平衡常数Kp=
D.50 ℃时,若在65 min时将容器的容积压缩至原来的,再次达到平衡时,体系的压强大于2.50 kPa
5.3个容积均为1 L的恒容密闭容器中均发生反应CO(g)+H2S(g)COS(g)+H2(g)　ΔH,实验测得v正=k正·c(CO)·c(H2S);v逆=k逆·c(COS)·c(H2)。k正、k逆为速率常数,只受温度的影响。相关数据如表所示。
容器 编号 温度 /℃ 起始时物质的量/mol 平衡时物质 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
下列说法正确的是(　　)
A.ΔH>0
B.达到平衡时,容器②中COS的体积分数为50%
C.0.6>a>0.5
D.600 ℃时,k正=k逆
题型突破3　化学反应速率与化学平衡
1.(2024·安徽卷)室温下,为探究纳米铁去除水样中Se的影响因素,测得不同条件下Se浓度随时间变化关系如图。
实验 序号 水样体积 /mL 纳米铁质量 /mg 水样初始 pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列说法正确的是(　　)
A.实验①中,0~2小时内平均反应速率v(Se)=2.0 mol·L-1·h-1
B.实验③中,反应的离子方程式为2Fe+Se+8H+===2Fe3++Se+4H2O
C.其他条件相同时,适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D.其他条件相同时,水样初始pH越小,Se的去除效果越好
答案　C
解析　实验①中,0~2小时内平均反应速率v(Se)==2.0×10-5 mol·L-1·h-1,A项错误;实验③中水样初始pH=8,溶液呈弱碱性,结合氧化还原反应规律可得离子方程式为2Fe+Se+4H2O===2Fe(OH)3+Se+2OH-,B项错误;由实验①、②可知,其他条件相同时,适当增加纳米铁质量,反应速率加快,C项正确;由实验②、③可知,其他条件相同时,适当减小水样初始pH,Se的去除效果更好,但若水样初始pH太小,与H+反应的纳米铁的量增多,从而影响Se的去除效果,D项错误。
2.(双选)(2024·山东卷)逆水气变换反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH>0。一定压力下,按CO2、H2物质的量之比n(CO2)∶n(H2)=1∶1 投料,T1、T2温度时反应物摩尔分数随时间变化关系如图所示。已知该反应的速率方程为v=kc0.5(H2)c(CO2),T1、T2温度时反应速率常数k分别为k1、k2。下列说法错误的是(　　)
A.k1>k2
B.T1、T2温度下达平衡时反应速率的比值:<
C.温度不变,仅改变体系初始压力,反应物摩尔分数随时间的变化曲线不变
D.T2温度下,改变初始投料比例,可使平衡时各组分摩尔分数与T1温度时相同
答案　CD
解析　由图可知,T1比T2反应速率快,则T1>T2;T1温度下达到平衡时反应物的摩尔分数低于T2温度下平衡时;由于起始CO2与H2的物质的量之比为1∶1,则达到平衡时CO2和H2的摩尔分数相等。A.根据分析,T1比T2反应速率快,反应速率常数与温度有关,结合反应速率方程知k1>k2,A项正确;B.反应的速率方程为v=kc0.5(H2)c(CO2),则=,T1温度下达到平衡时反应物的摩尔分数低于T2温度下平衡时的量,则<,B项正确;C.温度不变,仅改变体系初始压力,虽然平衡不移动,但反应物的浓度改变,反应速率改变,反应达到平衡的时间改变,反应物摩尔分数随时间的变化曲线变化,C项错误;D.T2温度下,改变初始投料比,相当于改变某一反应物的浓度,达到平衡时H2和CO2的摩尔分数不可能相等,故不能使平衡时各组分摩尔分数与T1温度时相同,D项错误。
3.(2024·江苏卷)二氧化碳加氢制甲醇过程中的主要反应(忽略其他副反应)为:
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,将一定比例CO2、H2混合气匀速通过装有催化剂的绝热反应管。装置及L1、L2、L3…位点处(相邻位点距离相同)的气体温度、CO和CH3OH的体积分数如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.L4处与L5处反应①的平衡常数K相等
B.反应②的焓变ΔH2>0
C.L6处的H2O的体积分数大于L5处
D.混合气从起始到通过L1处,CO的生成速率小于CH3OH的生成速率
答案　C
解析　图中白圈标记的曲线代表气体温度,L4处与L5处对应的温度不同,平衡常数只与温度有关,故L4处与L5处的平衡常数不同,A错误;由图可知,随着气体在绝热反应管中前进,气体温度不断升高,说明有热量放出,而反应①ΔH1>0,故反应②ΔH2<0,B错误;从L5到L6,甲醇的体积分数逐渐增加,说明反应②在向右进行,反应②消耗CO,而CO体积分数没有明显变化,说明反应①也在向右进行,反应①为气体分子数不变的反应,其向右进行时,n(H2O)增大,反应②为气体分子数减小的反应,且没有H2O的消耗与生成,故n总减小而n(H2O)增加,即H2O的体积分数会增大,故L6处的H2O的体积分数大于L5处,C正确;L1处,CO的体积分数大于CH3OH,说明生成的CO的物质的量大于CH3OH,两者反应时间相同,说明CO的生成速率大于CH3OH的生成速率,D错误。
4.(2024·湖南卷)恒压下,向某密闭容器中充入一定量的CH3OH(g)和CO(g),发生如下反应:
主反应:CH3OH(g)+CO(g)===CH3COOH(g)　ΔH1
副反应:CH3OH(g)+CH3COOH(g)===CH3COOCH3(g)+H2O(g)　ΔH2
在不同温度下,反应达到平衡时,测得两种含碳产物的分布分数δ[δ(CH3COOH)=
]随投料比x(物质的量之比)的变化关系如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.投料比x代表
B.曲线c代表乙酸的分布分数
C.ΔH1<0,ΔH2>0
D.L、M、N三点的平衡常数:K(L)=K(M)>K(N)
答案　D
解析　题干明确指出,图中曲线表示的是测得两种含碳产物的分布分数即分别为δ(CH3COOH)、δ(CH3COOCH3),若投料比x代表,x越大,可看作是CH3OH的量增多,则对于主、副反应可知生成的CH3COOCH3越多,CH3COOCH3分布分数越高,则曲线a或曲线b表示CH3COOCH3分布分数,曲线c或曲线d表示CH3COOH分布分数,据此分析可知AB均正确,可知如此假设错误,则可知投料比x代表,曲线a或曲线b表示δ(CH3COOH),曲线c或曲线d表示δ(CH3COOCH3),据此作答。A.根据分析可知,投料比x代表,故A错误;B.根据分析可知,曲线c表示CH3COOCH3分布分数,故B错误;C.根据分析可知,曲线a或曲线b表示δ(CH3COOH),当同一投料比时,观察图像可知T2时δ(CH3COOH)大于T1时δ(CH3COOH),而T2>T1可知,温度越高则δ(CH3COOH)越大,说明温度升高主反应的平衡正向移动,ΔH1>0;曲线c或曲线d表示δ(CH3COOCH3),当同一投料比时,观察可知T1时δ(CH3COOCH3)大于T2时δ(CH3COOCH3),而T2>T1可知,温度越高则δ(CH3COOCH3)越小,说明温度升高副反应的平衡逆向移动,ΔH2<0,故C错误;D.L、M、N三点对应副反应ΔH2<0,且TN>TM=TL,升高温度平衡逆向移动,K(L)=K(M)>K(N),故D正确。
5.(2024·浙江6月选考)二氧化碳氧化乙烷制备乙烯,主要发生如下两个反应:
Ⅰ.C2H6(g)+CO2(g)C2H4(g)+CO(g)+H2O(g)　ΔH1>0
Ⅱ.C2H6(g)+2CO2(g)4CO(g)+3H2(g)　ΔH2>0
向容积为10 L的密闭容器中投入2 mol C2H6和3 mol CO2,不同温度下,测得5 min时(反应均未平衡)的相关数据见下表,下列说法不正确的是(　　)
温度(℃) 400 500 600
乙烷转化率(%) 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性(%) 92.6 80.0 61.8
注:乙烯选择性=×100%
A.反应活化能: Ⅰ < Ⅱ
B.500 ℃时,0~5 min反应 Ⅰ 的平均速率为:v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),可提高乙烯的产率
D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷转化率
答案　D
解析　A.由表可知,相同温度下,乙烷在发生转化时,反应 Ⅰ 更易发生,则反应活化能:Ⅰ<Ⅱ,A正确;B.由表可知,500 ℃时,乙烷的转化率为9.0%,可得转化的乙烷的总物质的量为2 mol×9.0%=0.18 mol,而此温度下乙烯的选择性为80%,则转化为乙烯的乙烷的物质的量为0.18 mol×80%=0.144 mol,根据方程式可得,生成乙烯的物质的量为0.144 mol,则0~5 min反应Ⅰ的平均速率为:v(C2H4)==2.88×10-3 mol·L-1·min-1,B正确;C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),反应 Ⅰ 正向进行,可提高乙烯的产率,C正确;D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后CO2转化率提高,C2H6转化率降低,D错误。
命题立意:试题以陌生的可逆反应为素材,考查化学反应速率、化学平衡的基础知识,难度较大,主要涉及化学反应速率、速率常数的计算、外界条件对化学反应速率、化学平衡移动的影响等必备知识。此类试题常以图像或表格的形式给出不同物质的浓度与时间、温度与速率常数的关系,要求根据图像、图表进行分析判断,主要考查学生信息获取与加工、逻辑推理和论证的能力。
1.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。
提醒:使用催化剂可以加快反应速率,提高未达平衡的可逆反应在单位时间内反应物的转化率,但催化剂的使用不会引起平衡移动,故不能提高平衡转化率。
(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+B C 增大A 的浓度 正向 移动 α(A)减小 α(B)增大 -
A B+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
2A B+C 增大A 的浓度 正向 移动 α(A)不变
3A B+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,且达平衡时,反应物的转化率是该条件下的转化率的最大值。
2.基础图像分析
(1)速率-时间图像
反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
①t1时增大反应物的浓度,正反应速率瞬间增大,然后逐渐减小,而逆反应速率逐渐增大。
②t2时升高温度,正反应速率和逆反应速率均瞬间增大,吸热反应的反应速率增大得快。
③t3时减小压强,容器容积增大,浓度变小,正反应速率和逆反应速率均瞬间减小,且正反应的反应速率减小得多。
④t4时使用催化剂,正反应速率和逆反应速率均瞬间增大但仍相等。
(2)转化率(或含量)—时间图像
反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
①图甲表示压强对反应物转化率的影响,对于气体反应物化学计量数之和大于气体生成物化学计量数之和的反应,压强越大,反应物的转化率越大。
②图乙表示温度对反应物转化率的影响,对于吸热反应,温度越高,反应物的转化率越大。
③图丙表示催化剂对反应物转化率的影响,催化剂只能改变化学反应速率,不能改变反应物的转化率。
(3)恒压(温)线
反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
分析时可沿横轴作一条平行于纵轴的虚线,即为等压线或等温线,然后分析另一条件变化对该反应的影响。
1.(2023·广东梅州质检)在恒容密闭容器中,分别在T1、T2温度下(T1A.向密闭容器内充入He,平衡逆向移动
B.a曲线条件下,10~30 min内v(B)=0.05 mol·L-1·min-1
C.曲线b表示T2温度下,反应过程中物质A的浓度变化
D.在工业实际生产中,温度越低,越有利于提高生产效率
答案　C
解析　曲线a、b都在下降,说明a、b都是A物质的浓度变化情况,且b先达到平衡,反应速率更快,故b对应的温度是T2,C正确;根据物质的量浓度的变化量,结合反应比例可知曲线c为T1温度下的B的浓度随时间的变化曲线。恒容条件下充入He,各物质的浓度没有发生改变,平衡不移动,A错误;a曲线条件下,10~30 min内v(A)==0.05 mol·L-1·min-1,反应速率之比等于化学计量数之比,则v(B)=v(A)=×0.05 mol·L-1·min-1,B错误;降低温度,平衡正向移动,反应物的转化率提高,但温度过低会导致反应速率过慢,不利于提高生产效率,D错误。
2.在盛有CuO/Cu2O载氧体的恒容密闭容器中充入空气,发生反应:2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s)　ΔH。平衡时O2的体积分数φ(O2)随反应温度T变化的曲线如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.ΔH<0
B.该反应的平衡常数表达式为K=c-1(O2)
C.在1 030 ℃时加入催化剂,平衡时φ(O2)>21%
D.985 ℃达到平衡状态后,充入纯氧,再次达到平衡后,φ(O2)=10%
答案　C
解析　平衡时O2的体积分数φ(O2)随温度升高而增大,则升温平衡左移,ΔH<0,A正确;该反应方程式为2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(s),则按定义,其平衡常数表达式为K=c-1(O2),B正确;由图知,在1 030 ℃平衡时φ(O2)=21%,催化剂通常能加快反应速率但不影响平衡移动,则加入催化剂平衡时φ(O2)=21%,C不正确;K=c-1(O2),985 ℃达到平衡状态后,充入纯氧不影响平衡常数,则再次达到平衡后,φ(O2)=10%,D正确。
3.(2024·湖北黄冈模拟)利用CO2合成二甲醚的反应:2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH=-135.4 kJ·mol-1。将2.0 mol CO2和6.0 mol H2充入2 L密闭容器中,测得不同温度和压强下,二甲醚的平衡物质的量分数变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.由图可知,温度:T1>T2>T3>T4、压强:p1B.温度一定时,增大压强,平衡常数Kp会减小
C.平衡时,T1、p1条件下的正反应速率小于T4、p4条件下的逆反应速率
D.T1、p1条件下,若n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OCH3)∶n(H2O)=2∶6∶3∶1,此时v正答案　D
解析　A.该反应为气体分子数减少的放热反应,降低温度或增大压强,平衡正向移动,二甲醚的平衡物质的量分数增大,故温度:T1>T2>T3>T4,压强:p1>p2>p3>p4,错误;B.温度一定时,Kc不变,根据pV=nRT,可知p=cRT,R均为常数,T为定值,所以Kp也不变,错误;C.平衡时,v正=v逆,因为T1>T4,p1>p4,所以平衡时,T1、p1条件下的正反应速率大于T4、p4条件下的逆反应速率,错误;D.T1、p1条件下,若n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OCH3)∶n(H2O)=2∶6∶3∶1,二甲醚的物质的量分数为0.25>0.10,则平衡逆向移动,所以v正4.将一定量的NH4HS固体置于恒容密闭真空容器中(固体试样的体积忽略不计),使其在50 ℃的恒温条件下分解:NH4HS(s)NH3(g)+H2S(g)。实验测得该体系的压强如表所示。
时间/min 0 10 20 30 40 50 60 70
压强/kPa 0 0.66 1.28 1.78 2.20 2.50 2.50 2.50
已知:Kp为用各气体分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数。
下列有关说法正确的是(　　)
A.当混合气体的平均相对分子质量为25.5,且不再随时间变化时,反应达到平衡
B.0~10 min,用H2S的压强变化表示该反应的平均反应速率为0.066 kPa·min-1
C.50 ℃时,NH4HS(s)的分解反应的压强平衡常数Kp=
D.50 ℃时,若在65 min时将容器的容积压缩至原来的,再次达到平衡时,体系的压强大于2.50 kPa
答案　C
解析　由NH4HS(s)的分解反应NH4HS(s)NH3(g)+H2S(g)知,反应过程中得到等物质的量的H2S(g)与NH3(g),故混合气体的平均相对分子质量恒为=25.5,与是否达到平衡状态无关,A项错误。恒温恒容时,气体的压强与其物质的量成正比,即反应过程中,H2S(g)与NH3(g)的分压始终相等,10 min时,p(H2S)=p(NH3)=0.66 kPa×=0.33 kPa,故在0~10 min内,用H2S的压强变化表示该反应的平均反应速率为=0.033 kPa·min-1,B项错误。50 ℃时,当体系的压强不再随时间变化时,反应达到平衡,p(H2S)=p(NH3)== kPa,Kp=p(H2S)·p(NH3)=()2=,C项正确。50 ℃时,若在65 min时将容器的容积压缩至原来的,瞬间体系压强变为原来的2倍,平衡逆向移动,温度不变,Kp不变,Kp=p(H2S)·p(NH3)=p2(H2S)=p2(NH3)=,故再次达到平衡时,p(H2S)=p(NH3)= kPa,体系的压强仍为2.50 kPa,D项错误。
5.3个容积均为1 L的恒容密闭容器中均发生反应CO(g)+H2S(g)COS(g)+H2(g)　ΔH,实验测得v正=k正·c(CO)·c(H2S);v逆=k逆·c(COS)·c(H2)。k正、k逆为速率常数,只受温度的影响。相关数据如表所示。
容器 编号 温度 /℃ 起始时物质的量/mol 平衡时物质 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
下列说法正确的是(　　)
A.ΔH>0
B.达到平衡时,容器②中COS的体积分数为50%
C.0.6>a>0.5
D.600 ℃时,k正=k逆
答案　D
解析　结合该反应的热化学方程式可知,容器②可看作起始时投入1.0 mol CO和1.0 mol H2S,则与容器①相比,温度升高,平衡时COS的物质的量减小,即平衡逆向移动,则该反应的正反应为放热反应,ΔH<0,A项错误。该反应为反应前后气体分子数不变的反应,达到平衡时,容器②中气体的总物质的量为2 mol,COS的体积分数即物质的量分数为×100%=25%,B项错误。由题表中相关数据可知,600 ℃时,容器②中达到平衡时,4种物质的物质的量均为0.5 mol,则600 ℃时,反应的平衡常数K===1,容器③中起始时,Q===<1,反应正向进行,故平衡时a>0.9,C项错误。当v正=v逆时,反应达到平衡状态,则k正·c(CO)·c(H2S)=k逆·c(COS)·c(H2),600 ℃时,==K=1,即k正=k逆,D项正确。(共36张PPT)
第一篇　新高考题型突破
题型突破选择题　题型突破3　化学反应速率与化学平衡
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板块Ⅳ　化学反应的热效应、速率与平衡
1.(2024·安徽卷)室温下,为探究纳米铁去除水样中Se的影响因素,测得不同条件下Se浓度随时间变化关系如图。
实验序号 水样体积/mL 纳米铁质量/mg 水样初始pH
① 50 8 6
② 50 2 6
③ 50 2 8
下列说法正确的是(　　)
A.实验①中,0~2小时内平均反应速率v(Se)=2.0 mol·L-1·h-1
B.实验③中,反应的离子方程式为2Fe+Se+8H+===2Fe3++Se+4H2O
C.其他条件相同时,适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D.其他条件相同时,水样初始pH越小,Se的去除效果越好
C
解析　实验①中,0~2小时内平均反应速率v(Se)==2.0×10-5 mol·L-1·h-1,A项错误;实验③中水样初始pH=8,溶液呈弱碱性,结合氧化还原反应规律可得离子方程式为2Fe+Se+4H2O===2Fe(OH)3+Se+2OH-,B项错误;由实验①、②可知,其他条件相同时,适当增加纳米铁质量,反应速率加快,C项正确;由实验②、③可知,其他条件相同时,适当减小水样初始pH,Se的去除效果更好,但若水样初始pH太小,与H+反应的纳米铁的量增多,从而影响Se的去除效果,D项错误。
CD
A.k1>k2
B.T1、T2温度下达平衡时反应速率的比值:<
C.温度不变,仅改变体系初始压力,反应物摩尔分数随时间的变化曲线不变
D.T2温度下,改变初始投料比例,可使平衡时各组分摩尔分数与T1温度时相同
解析　由图可知,T1比T2反应速率快,则T1>T2;T1温度下达到平衡时反应物的摩尔分数低于T2温度下平衡时;由于起始CO2与H2的物质的量之比为1∶1,则达到平衡时CO2和H2的摩尔分数相等。A.根据分析,T1比T2反应速率快,反应速率常数与温度有关,结合反应速率方程知k1>k2,A项正确;B.反应的速率方程为v=kc0.5(H2)c(CO2),则=,T1温度下达到平衡时反应物的摩尔分数低于T2温度下平衡时的量,则<,B项正确;C.温度不变,仅改变体系初始压力,虽然平衡不移动,但反应物的浓度改变,反应速率改变,反应达到平衡的时间改变,反应物摩尔分数随时间的变化曲线变化,C项错误;D.T2温度下,改变初始投料比,相当于改变某一反应物的浓度,达到平衡时H2和CO2的摩尔分数不可能相等,故不能使平衡时各组分摩尔分数与T1温度时相同,D项错误。
3.(2024·江苏卷)二氧化碳加氢制甲醇过程中的主要反应(忽略其他副反应)为:
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,将一定比例CO2、H2混合气匀速通过装有催化剂的绝热反应管。装置及L1、L2、L3…位点处(相邻位点距离相同)的气体温度、CO和CH3OH的体积分数如图所示。下列说法正确的是(　　)
C
A.L4处与L5处反应①的平衡常数K相等
B.反应②的焓变ΔH2>0
C.L6处的H2O的体积分数大于L5处
D.混合气从起始到通过L1处,CO的生成速率小于CH3OH的生成速率
解析　图中白圈标记的曲线代表气体温度,L4处与L5处对应的温度不同,平衡常数只与温度有关,故L4处与L5处的平衡常数不同,A错误;由图可知,随着气体在绝热反应管中前进,气体温度不断升高,说明有热量放出,而反应①ΔH1>0,故反应②ΔH2<0,B错误;从L5到L6,甲醇的体积分数逐渐增加,说明反应②在向右进行,反应②消耗CO,而CO体积分数没有明显变化,说明反应①也在向右进行,反应①为气体分子数不变的反应,其向右进行时,n(H2O)增大,反应②为气体分子数减小的反应,且没有H2O的消耗与生成,故n总减小而n(H2O)增加,即H2O的体积分数会增大,故L6处的H2O的体积分数大于L5处,C正确;L1处,CO的体积分数大于CH3OH,说明生成的CO的物质的量大于CH3OH,两者反应时间相同,说明CO的生成速率大于CH3OH的生成速率,D错误。
4.(2024·湖南卷)恒压下,向某密闭容器中充入一定量的CH3OH(g)和CO(g),发生如下反应:
主反应:CH3OH(g)+CO(g)===CH3COOH(g)　ΔH1
副反应:CH3OH(g)+CH3COOH(g)===CH3COOCH3(g)+H2O(g)　ΔH2
在不同温度下,反应达到平衡时,测得两种含碳产物的分布分数δ[δ(CH3COOH)=
]随投料比x(物质的量之比)的变化关系如图所示,下列说法正确的是(　　)
D
A.投料比x代表 B.曲线c代表乙酸的分布分数
C.ΔH1<0,ΔH2>0 D.L、M、N三点的平衡常数:K(L)=K(M)>K(N)
解析　题干明确指出,图中曲线表示的是测得两种含碳产物的分布分数即分别为δ(CH3COOH)、δ(CH3COOCH3),若投料比x代表,x越大,可看作是CH3OH的量增多,则对于主、副反应可知生成的CH3COOCH3越多,CH3COOCH3分布分数越高,则曲线a或曲线b表示CH3COOCH3分布分数,曲线c或曲线d表示CH3COOH分布分数,据此分析可知AB均正确,可知如此假设错误,则可知投料比x代表,曲线a或曲线b表示δ(CH3COOH),曲线c或曲线d表示δ(CH3COOCH3),据此作答。A.根据分析可知,投料比x代表,故A错误;B.根据分析可知,曲
线c表示CH3COOCH3分布分数,故B错误;C.根据分析可知,曲线a或曲线b表示δ(CH3COOH),当同一投料比时,观察图像可知T2时δ(CH3COOH)大于T1时δ(CH3COOH),而T2>T1可知,温度越高则δ(CH3COOH)越大,说明温度升高主反应的平衡正向移动,ΔH1>0;曲线c或曲线d表示δ(CH3COOCH3),当同一投料比时,观察可知T1时δ(CH3COOCH3)大于T2时δ(CH3COOCH3),而T2>T1可知,温度越高则δ(CH3COOCH3)越小,说明温度升高副反应的平衡逆向移动,ΔH2<0,故C错误;D.L、M、N三点对应副反应ΔH2<0,且TN>TM=TL,升高温度平衡逆向移动,K(L)=K(M)>K(N),故D正确。
5.(2024·浙江6月选考)二氧化碳氧化乙烷制备乙烯,主要发生如下两个反应:
温度(℃) 400 500 600
乙烷转化率(%) 2.2 9.0 17.8
乙烯选择性(%) 92.6 80.0 61.8
注:乙烯选择性=×100%
A.反应活化能: Ⅰ < Ⅱ
B.500 ℃时,0~5 min反应 Ⅰ 的平均速率为:v(C2H4)=2.88×10-3 mol·L-1·min-1
C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),可提高乙烯的产率
D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后可提高乙烷转化率
答案　D
解析　A.由表可知,相同温度下,乙烷在发生转化时,反应 Ⅰ 更易发生,则反应活化能:Ⅰ<Ⅱ,A正确;B.由表可知,500 ℃时,乙烷的转化率为9.0%,可得转化的乙烷的总物质的量为2 mol×9.0%=0.18 mol,而此温度下乙烯的选择性为80%,则转化为乙烯的乙烷的物质的量为0.18 mol×80%=0.144 mol,根据方程式可得,生成乙烯的物质的量为0.144 mol,则0~5 min反应Ⅰ的平均速率为:v(C2H4)==2.88×10-3 mol·L-1·min-1,B正确;C.其他条件不变,平衡后及时移除H2O(g),反应 Ⅰ 正向进行,可提高乙烯的产率,C正确;D.其他条件不变,增大投料比[n(C2H6)/n(CO2)]投料,平衡后CO2转化率提高,C2H6转化率降低,D错误。
命题立意:试题以陌生的可逆反应为素材,考查化学反应速率、化学平衡的基础知识,难度较大,主要涉及化学反应速率、速率常数的计算、外界条件对化学反应速率、化学平衡移动的影响等必备知识。此类试题常以图像或表格的形式给出不同物质的浓度与时间、温度与速率常数的关系,要求根据图像、图表进行分析判断,主要考查学生信息获取与加工、逻辑推理和论证的能力。
1.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。
提醒:使用催化剂可以加快反应速率,提高未达平衡的可逆反应在单位时间内反应物的转化率,但催化剂的使用不会引起平衡移动,故不能提高平衡转化率。
(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______
已达到平衡的平衡转化率______
放热反应,ΔH<0 未达到平衡的转化率______
已达到平衡的平衡转化率______
增大
增大
增大
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+B C 增大A的浓度 ______移动 α(A)________ α(B)______ -
A B+C 增大A的浓度 ______移动 α(A)______ 反应物转化率实际是考虑______的影响
2A B+C 增大A的浓度 ______移动 α(A)______
3A B+C 增大A的浓度 ______移动 α(A)______
正向
减小
增大
正向
减小
正向
不变
正向
增大
压强
(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,且达平衡时,反应物的转化率是该条件下的转化率的最____值。
大
2.基础图像分析
(1)速率-时间图像
反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),m+n>p+q,且ΔH>0
①t1时增大反应物的浓度,正反应速率瞬间增大,然后逐渐减小,而逆反应速率逐渐增大。
②t2时升高温度,正反应速率和逆反应速率均瞬间增大,吸热反应的反应速率增大得快。
③t3时减小压强,容器容积增大,浓度变小,正反应速率和逆反应速率均瞬间减小,且正反应的反应速率减小得多。
④t4时使用催化剂,正反应速率和逆反应速率均瞬间增大但仍相等。
(2)转化率(或含量)—时间图像
反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),
m+n>p+q,且ΔH>0
①图甲表示压强对反应物转化率的影响,对于气体反应物化学计量数之和大于气体生成物化学计量数之和的反应,压强越大,反应物的转化率越大。
②图乙表示温度对反应物转化率的影响,对于吸热反应,温度越高,反应物的转化率越大。
③图丙表示催化剂对反应物转化率的影响,催化剂只能改变化学反应速率,不能改变反应物的转化率。
分析时可沿横轴作一条平行于纵轴的虚线,即为等压线或等温线,然后分析另一条件变化对该反应的影响。
1.(2023·广东梅州质检)在恒容密闭容器中,分别在T1、T2温度下(T1A.向密闭容器内充入He,平衡逆向移动
B.a曲线条件下,10~30 min内v(B)=0.05 mol·L-1·min-1
C.曲线b表示T2温度下,反应过程中物质A的浓度变化
D.在工业实际生产中,温度越低,越有利于提高生产效率
C
解析　曲线a、b都在下降,说明a、b都是A物质的浓度变化情况,且b先达到平衡,反应速率更快,故b对应的温度是T2,C正确;根据物质的量浓度的变化量,结合反应比例可知曲线c为T1温度下的B的浓度随时间的变化曲线。恒容条件下充入He,各物质的浓度没有发生改变,平衡不移动,A错误;a曲线条件下,10~30 min内v(A)==0.05 mol·L-1·min-1,反应速率之比等于化学计量数之比,则v(B)=v(A)=×0.05 mol·L-1·min-1,B错误;降低温度,平衡正向移动,反应物的转化率提高,但温度过低会导致反应速率过慢,不利于提高生产效率,D错误。
2.在盛有CuO/Cu2O载氧体的恒容密闭容器中充入空气,发生反应:2Cu2O(s)+O2(g)
4CuO(s)　ΔH。平衡时O2的体积分数φ(O2)随反应温度T变化的曲线如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.ΔH<0
B.该反应的平衡常数表达式为K=c-1(O2)
C.在1 030 ℃时加入催化剂,平衡时φ(O2)>21%
D.985 ℃达到平衡状态后,充入纯氧,再次达到平衡后,
φ(O2)=10%
C
3.(2024·湖北黄冈模拟)利用CO2合成二甲醚的反应:2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)
+3H2O(g)　ΔH=-135.4 kJ·mol-1。将2.0 mol CO2和6.0 mol H2充入2 L密闭容器中,测得不同温度和压强下,二甲醚的平衡物质的量分数变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.由图可知,温度:T1>T2>T3>T4、压强:p1B.温度一定时,增大压强,平衡常数Kp会减小
C.平衡时,T1、p1条件下的正反应速率小于T4、p4条
件下的逆反应速率
D.T1、p1条件下,若n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OCH3)∶n(H2O)=2∶6∶3∶1,此时v正D
解析　A.该反应为气体分子数减少的放热反应,降低温度或增大压强,平衡正向移动,二甲醚的平衡物质的量分数增大,故温度:T1>T2>T3>T4,压强:p1>p2>p3>p4,错误;B.温度一定时,Kc不变,根据pV=nRT,可知p=cRT,R均为常数,T为定值,所以Kp也不变,错误;C.平衡时,v正=v逆,因为T1>T4,p1>p4,所以平衡时,T1、p1条件下的正反应速率大于T4、p4条件下的逆反应速率,错误;D.T1、p1条件下,若n(CO2)∶n(H2)∶n(CH3OCH3)∶n(H2O)=2∶6∶3∶1,二甲醚的物质的量分数为0.25>0.10,则平衡逆向移动,所以v正4.将一定量的NH4HS固体置于恒容密闭真空容器中(固体试样的体积忽略不计),使其在50 ℃的恒温条件下分解:NH4HS(s) NH3(g)+H2S(g)。实验测得该体系的压强如表所示。
已知:Kp为用各气体分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数。
时间/min 0 10 20 30 40 50 60 70
压强/kPa 0 0.66 1.28 1.78 2.20 2.50 2.50 2.50
下列有关说法正确的是(　　)
A.当混合气体的平均相对分子质量为25.5,且不再随时间变化时,反应达到平衡
B.0~10 min,用H2S的压强变化表示该反应的平均反应速率为0.066 kPa·min-1
C.50 ℃时,NH4HS(s)的分解反应的压强平衡常数Kp=
D.50 ℃时,若在65 min时将容器的容积压缩至原来的,再次达到平衡时,体系的压强大于2.50 kPa
C
5.3个容积均为1 L的恒容密闭容器中均发生反应CO(g)+H2S(g) COS(g)+H2(g)　ΔH,实验测得v正=k正·c(CO)·c(H2S);v逆=k逆·c(COS)·c(H2)。k正、k逆为速率常数,只受温度的影响。相关数据如表所示。
容器 编号 温度 /℃ 起始时物质的量/mol 平衡时物质的量/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
下列说法正确的是(　　)
A.ΔH>0
B.达到平衡时,容器②中COS的体积分数为50%
C.0.6>a>0.5
D.600 ℃时,k正=k逆
D
解析　结合该反应的热化学方程式可知,容器②可看作起始时投入1.0 mol CO和1.0 mol H2S,则与容器①相比,温度升高,平衡时COS的物质的量减小,即平衡逆向移动,则该反应的正反应为放热反应,ΔH<0,A项错误。该反应为反应前后气体分子数不变的反应,达到平衡时,容器②中气体的总物质的量为2 mol,COS的体积分数即物质的量分数为×100%=25%,B项错误。由题表中相关数据可知,600 ℃时,容器②中达到平衡时,4种物质的物质的量均为0.5 mol,则600 ℃时,反应的平衡常数K===1,容器③中起始时,Q==
=<1,反应正向进行,故平衡时a>0.9,C项错误。当v正=v逆时,反应达到平衡状态,则k正·c(CO)·c(H2S)=k逆·c(COS)·c(H2),600 ℃时,= = K=1,即k正=k逆,D项正确。

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