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3.化学反应速率与化学平衡及其图像分析
外界条件对化学平衡的影响
知｜识｜强｜化
1.几种特殊的图像分析
（1）如图
（2）对于反应A（g）＋2B（g）C（g）
（3）如图，对于化学反应：mA（g）＋nB（g）pC（g）＋qD（g），M点以前，温度低，反应慢，未达到平衡状态，为平衡建立过程，v正＞v逆；M点为恰好达到平衡点；M点以后为平衡移动过程，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡左移，故正反应ΔH＜0。
同类的模型有
2.化学平衡移动分析
（1）过程分析
（2）三点提示
①若外界条件改变后，无论平衡正向移动或逆向移动都无法减弱外界条件的变化，则平衡不移动。
②催化剂能同等程度地改变正、逆反应速率，但不会影响化学平衡。
③当外界条件的改变对平衡移动的影响与生产要求不一致时，不能用勒夏特列原理解释。
真｜题｜研｜析
1.（2024·甘肃高考4题）下列措施能降低化学反应速率的是（　　）
A.催化氧化氨制备硝酸时加入铂 B.中和滴定时，边滴边摇锥形瓶
C.锌粉和盐酸反应时加水稀释 D.石墨合成金刚石时增大压强
解析：C　催化氧化氨制备硝酸时，加入的铂能加快NH3转化为NO的反应速率，A项不符合题意；滴定时摇晃锥形瓶，可加快化学反应速率，B项不符合题意；锌粉和盐酸反应时，加水稀释会降低盐酸的浓度，从而降低化学反应速率，C项符合题意；石墨合成金刚石的反应中没有气体参与，故增大压强不会改变化学反应速率，D项不符合题意。
2.（2024·江苏高考5题）催化剂能改变化学反应速率而不改变反应的焓变，常见催化剂有金属及其氧化物、酸和碱等。催化反应广泛存在，如豆科植物固氮、石墨制金刚石、CO2和H2制CH3OCH3（二甲醚）、V2O5催化氧化SO2等。催化剂有选择性，如C2H4与O2反应用Ag催化生成（环氧乙烷）、用CuCl2/PbCl2催化生成CH3CHO。催化作用能消除污染和影响环境，如汽车尾气处理、废水中N电催化生成N2、氯自由基催化O3分解形成臭氧空洞。我国在石油催化领域领先世界，高效、经济、绿色是未来催化剂研究的发展方向。下列说法正确的是（　　）
A.豆科植物固氮过程中，固氮酶能提高该反应的活化能
B.C2H4与O2反应中，Ag催化能提高生成CH3CHO的选择性
C.H2O2制O2反应中，MnO2能加快化学反应速率
D.SO2与O2反应中，V2O5能减小该反应的焓变
解析：C　固氮酶属于催化剂，其作用是降低反应的活化能，A错误；由题干信息知，C2H4与O2在Ag作催化剂的条件下主要生成环氧乙烷，B错误；H2O2分解生成O2和H2O，MnO2是该反应的催化剂，可以加快化学反应速率，C正确；V2O5是SO2与O2反应生成SO3的催化剂，催化剂不改变反应的焓变，D错误。
3.（2024·浙江6月选考11题）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
解析：D　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；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，根据化学方程式可得，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；其他条件不变，平衡后及时移除H2O（g），反应Ⅰ的平衡正向移动，可提高乙烯的产率，C正确；其他条件不变，增大投料比[n（C2H6）/n（CO2）]投料，平衡后CO2的转化率提高，C2H6的转化率降低，D错误。
能｜力｜进｜阶
1.（2024·东北三省四市联考）N2O在金表面分解的实验数据如表。已知反应物消耗一半所需的时间称为半衰期。下列说法错误的是（　　）
t/min 0 20 40 60 80
c（N2O）/（mol·L－1） 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020
A.N2O消耗一半时的反应速率为0.001 0 mol·L－1·min－1
B.100 min时N2O消耗完全
C.该反应的速率与N2O的浓度有关
D.该反应的半衰期 min与起始浓度c0 mol·L－1的关系满足＝500c0
解析：C　由表格数据可知，相同时间内N2O的浓度变化相同，该反应为匀速反应，则N2O消耗一半时的反应速率等于该反应的平均速率，即＝0.001 0 mol·L－1·min－1，A项正确；由表中数据知，每20 min N2O浓度变化为0.020 mol·L－1，则100 min时N2O将消耗完全，B项正确；由于该反应为匀速反应，则该反应的速率与N2O的浓度无关，C项错误；由于反应速率与N2O浓度无关，说明N2O的半衰期与起始浓度成正比，则当N2O起始浓度为c0 mol·L－1时，半衰期为＝500c0 min，D项正确。
2.（2024·赤峰学院附中段考）化工原料异丁烯（C4H8）可由异丁烷（C4H10）直接催化脱氢制得，反应方程式为C4H10（异丁烷，g）C4H8（异丁烯，g）＋H2（g）　ΔH＞0。一定条件下，温度、压强对异丁烷平衡转化率的影响如图所示（假设起始时异丁烯的物质的量为x mol且x＞0），下列说法正确的是（　　）
A.压强：p1＞p2
B.反应速率：v（c）＞v（b）＞v（a）
C.平衡常数：Kc＞Kb
D.异丁烯（C4H8）的质量分数：a＞b＞c
解析：A　C4H10（异丁烷，g）C4H8（异丁烯，g）＋H2（g）是气体体积增加的反应，在同一温度下，增大压强，平衡逆向移动，异丁烷转化率减小，因此压强p1＞p2，A正确；由于p1＞p2，反应速率：v（b）＞v（c），b点对应的温度比a点高，反应速率：v（b）＞v（a），B错误；b、c温度相同，K值相同，Kc＝Kb，C错误；异丁烷转化率越大，异丁烯质量分数越大，异丁烯质量分数：a＜b＜c，D错误。
陌生速率与平衡图像题突破
真｜题｜研｜析
1.（2024·安徽高考12题）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
解析：C　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＋4H2O2Fe（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.（2024·吉林高考10题）异山梨醇是一种由生物质制备的高附加值化学品，150 ℃时其制备过程及相关物质浓度随时间变化如图所示，15 h后异山梨醇浓度不再变化。下列说法错误的是（　　）
A.3 h时，反应②正、逆反应速率相等
B.该温度下的平衡常数：①＞②
C.0～3 h平均速率v（异山梨醇）＝0.014 mol·kg－1·h－1
D.反应②加入催化剂不改变其平衡转化率
解析：A　3 h时异山梨醇的浓度仍在增大，1，4-失水山梨醇的浓度仍在减小，说明此刻反应②未达到平衡状态，即正、逆反应速率不相等，A错误；由题图可知，3 h时山梨醇的浓度已为0，副产物的浓度不变，说明反应①、③均是不可逆反应，15 h后异山梨醇的浓度不再变化，1，4-失水山梨醇的浓度大于0，说明反应②是可逆反应，则该温度下的平衡常数：①＞②，B正确；0～3 h内平均速率v（异山梨醇）＝＝0.014 mol·kg－1·h－1，C正确；反应②使用催化剂能加快反应速率，缩短达到化学平衡状态的时间，但是催化剂对化学平衡移动无影响，故加入催化剂不改变其平衡转化率，D正确。
3.（2024·湖南高考14题）恒压下，向某密闭容器中充入一定量的CH3OH和CO，发生如下反应：
主反应：CH3OH＋COCH3COOH　ΔH1
副反应：CH3OH＋CH3COOHCH3COOCH3＋H2O　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＝］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＝K＞K
解析：D　依题意，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、δ，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A、B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，曲线c或曲线d表示δ。投料比x代表，A错误；曲线c表示CH3COOCH3分布分数，B错误；CH3OH与CO的反应为熵减反应，若反应为吸热，则任何条件下都不能自发，所以CH3OH和CO的反应为放热反应，则ΔH1＜0；当同一投料比时，观察可知T1时δ大于T2时δ，由T2＞T1可知，温度越高δ越小，说明温度升高副反应的平衡逆向移动，ΔH2＜0，C错误；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＝K＞K，D正确。
能｜力｜进｜阶
1.（2024·黔西南州一模）控制起始时＝4，p＝1 atm，恒容条件下，若只发生反应
ⅰ.CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g）　ΔH1＝＋41 kJ·mol－1
ⅱ.CO（g）＋3H2（g）CH4（g）＋H2O（g）　ΔH2＝－246 kJ·mol－1，平衡时各物质的量分数随温度的变化如图所示，下列说法正确的是（　　）
A.图中代表H2O的曲线是c，代表CH4的曲线是b
B.温度低于500 ℃时，CO的物质的量分数约为0，说明此条件下，反应ⅰ的化学平衡常数大，反应完全
C.反应CO2（g）＋4H2（g）CH4（g）＋2H2O（g）　ΔH＝＋205 kJ·mol－1
D.M点（T＜500 ℃）时，反应CO2（g）＋4H2（g）CH4（g）＋2H2O（g）的平衡常数Kp＝625 atm－2
解析：D　生成CH4的反应是放热反应，升高温度，CH4减少，H2增多，H2O减少，且根据方程式，H2O的量多于CH4，故a为H2O，b为CH4，c为H2，A错误；温度低于500 ℃时，CO的物质的量分数约为0，说明CO几乎完全反应，反应越完全，化学平衡常数越大，则此条件下，反应ⅱ化学平衡常数大，反应完全，B错误；反应CO2（g）＋4H2（g）CH4（g）＋2H2O（g）　ΔH＝－205 kJ·mol－1，C错误；起始时，＝4，设CO2的加入量为1 mol，H2的加入量为4 mol，CO2的反应量为x mol，平衡时H2的物质的量为（4－4x）mol，CH4的物质的量为x mol，M点时CH4和H2的物质的量相等，故4－4x＝x，解得x＝0.8，则平衡时CO2、H2、CH4、H2O的物质的量分别为0.2 mol、0.8 mol、0.8 mol、1.6 mol，混合气体的总物质的量为0.2 mol＋0.8 mol＋0.8 mol＋1.6 mol＝3.4 mol，起始时p＝1 atm，则有＝，解得平衡时压强p平＝ atm，平衡分压p（CO2）＝× atm＝0.04 atm，p（H2）＝× atm＝0.16 atm，p（CH4）＝× atm＝0.16 atm，p（H2O）＝× atm＝0.32 atm，反应CO2（g）＋4H2（g）CH4（g）＋2H2O（g）的平衡常数Kp＝＝＝625 atm－2，D正确。
2.（2024·潍坊二模）利用环戊二烯（）加氢制备环戊烯（），按＝1加入恒容密闭容器中，仅发生如下反应：
①　ΔH1＜0
②2　ΔH2＜0
测得在相同时间内，环戊二烯转化率和环戊烯选择性随温度变化曲线如图（已知：选择性＝转化为目标产物的反应物在总转化量中的占比）。下列说法错误的是（　　）
A.60 ℃时，H2的转化率为72％
B.由图可知，反应决速步的活化能：①＞②
C.相同条件下，若增大，选择性提高
D.60 ℃后，环戊烯选择性降低的原因可能是催化剂活性减弱
解析：B　由图可知，60 ℃时，环戊二烯的转化率为90％，环戊烯的选择性为80％，则H2的转化量n（H2）＝n（环戊烯）＝1 mol×90％×80％＝0.72 mol，转化率为72％，A正确；由图可知，环戊烯选择性较高，相同时间内，反应①的速率较快，活化能较低，说明反应的活化能：①＜②，B错误；相同条件下，若增大，相当于增大H2的物质的量，反应①中环戊二烯转化率增大，环戊烯选择性增大，C正确；两个反应均为放热反应，升高温度， 平衡逆向移动转化率有所下降，但是选择性大幅度下降可能是催化剂活性减弱，D正确。
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