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专题十五　化学反应速率、化学平衡及其应用
[考试要点]　1.理解化学反应速率、化学平衡的含义。　2.掌握速率、平衡图像的分析方法。3．掌握实际工业生产中的陌生图像的分析方法。
考点一
化学反应速率、化学平衡
1．影响化学反应速率的外界因素
2．判断化学平衡状态的思维建模——“逆向相等，变量不变”
3．化学平衡移动方向的判断方法
(1)依据勒夏特列原理判断
①若外界条件改变，引起v正＞v逆，则化学平衡向正反应方向(或向右)移动；
②若外界条件改变，引起v正＜v逆，则化学平衡向逆反应方向(或向左)移动；
③若外界条件改变，虽能引起v正和v逆变化，但变化后新的v正′和v逆′仍保持相等，则化学平衡没有发生移动。
(2)依据浓度商(Q)规则判断
通过比较浓度商(Q)与平衡常数(K)的大小来判断平衡移动的方向。
①若Q＞K，平衡逆向移动；
②若Q＝K，平衡不移动；
③若QC
2．(2022·浙江6月选考，20)恒温恒容的密闭容器中，在某催化剂表面上发生氨的分解反应：2NH3(g) N2(g)＋3H2(g)，测得不同起始浓度和催化剂表面积下氨浓度随时间的变化，如下表所示，下列说法不正确的是(　　)
编号 时间/ min 0 20 40 60 80
表面积/cm2 c ( NH3 )/(10-3 mol ·L -1)
① a 2.40 2.00 1.60 1.20 0.80
② a 1.20 0.80 0.40 x
③ 2a 2.40 1.60 0.80 0.40 0.40
A.实验①，0～20 min，v(N2)＝1.00×10-5 mol·L-1·min-1
B．实验②，60 min时处于平衡状态，x≠0.40
C．相同条件下，增加氨气的浓度，反应速率增大
D．相同条件下，增加催化剂的表面积，反应速率增大
3．[2022·湖南卷，16(1)]2021年我国制氢量位居世界第一，煤的气化是一种重要的制氢途径。回答下列问题：
在一定温度下，向体积固定的密闭容器中加入足量的C(s)和1 mol H2O(g)，起始压强为0.2 MPa时，发生下列反应生成水煤气：
Ⅰ.C(s)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g)
ΔH1＝＋131.4 kJ·mol-1
Ⅱ.CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)
ΔH2＝－41.1 kJ·mol-1
BD
1．某温度下，在1 L恒容密闭容器中2.0 mol X发生反应2X(s) Y(g)＋2Z(g)，有关数据如下：
时间段/min 产物Z的平均生成速率/(mol·L-1·min-1)
0～2 0.20
0～4 0.15
0～6 0.10
下列说法错误的是(　　)
A．1 min时，Z的浓度大于0.20 mol·L-1
B．2 min时，加入0.20 mol Z，此时v正(Z)＜v逆(Z)
C．3 min时，Y的体积分数约为33.3%
D．5 min时，X的物质的量为1.4 mol
B
解析：B　A．反应开始后，随着时间的延长，反应物浓度逐渐减小，产物Z的平均生成速率逐渐减小，则0～1 min内Z的平均生成速率大于0～2 min内Z的平均生成速率，故1 min时，Z的浓度大于0.20 mol·L-1，A正确；B.4 min时生成Z的物质的量为0.15 mol·L-1·min-1×4 min×1 L＝0.6 mol，6 min时生成Z的物质的量为0.10 mol·L-1·min-1×6 min×1 L＝0.6 mol，故反应在4 min时已达到平衡，设达到平衡时生成了a mol Y，列“三段式”：
　 　 2X(s)　 　Y(g)　＋　2Z(g)
初始/mol　　2.0　　　　　0　　　　　0
转化/mol　　2a　 　　　　a　　　　　2a
平衡/mol　 2.0－2a　　　 a　　 　 　0.6
2．我国科学家修饰催化剂使其高效地将CO2和H2转化为CH4，反应原理：CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g)。在恒容密闭容器中充入CO2和H2发生上述反应。下列说法错误的是(　　)
A．达到平衡后，再充入少量H2，CO2的平衡转化率增大
B．其他条件不变，加入催化剂，能同时增大正、逆反应速率
C．其他条件不变，充入氩气，能使平衡向正反应方向移动
D．其他条件不变，降低温度，能降低正、逆反应速率
C
解析：C　达到平衡后，再充入少量氢气，平衡向正反应方向移动，二氧化碳的平衡转化率增大，故A正确；其他条件不变，加入催化剂，能降低反应的活化能，正、逆反应速率均增大，故B正确；其他条件不变，在恒容密闭容器中充入氩气，反应体系中各物质浓度均没有变化，化学反应速率不变，平衡不移动，故C错误；其他条件不变，降低温度，活化分子的数目和百分数均减小，有效碰撞次数减小，正、逆反应速率均降低，故D正确。
考点二
化学反应速率、化学平衡图像
1．利用图像“断点”判断影响反应速率的外界条件
可逆反应达到平衡后，若某一时刻改变外界条件，速率—时间图像的曲线可能会出现“渐变”或“突变”。根据“断点”前后速率的大小变化，即可对外界条件的变化情况作出判断。
图像 速率变化分析 条件变化判断 平衡移动方向判断
v′正突变，v′逆渐变，且v′正＞v′逆 增大反应物浓度 正向
移动
图像 速率变化分析 条件变化判断 平衡移动方向判断
v′正、v′逆都突然减小，且v′正＞v′逆 ①降低温度(正反应放热)；②减小压强(正反应气体体积增大) 正向
移动
v′正、v′逆都突然增大，且增大程度相同 ①使用催化剂；②增大压强(反应前后气体体积不变) 不移动
2.两种典型的图像
(1)转化率(或百分含量)-温度图像
表示两个外界条件同时变化时，反应物A的转化率变化情况，分析这类图像一般采用“定一议二”的方法，即把自变量(温度、压强)之一设为恒量，讨论另外两个变量的关系。例如：图1中，当压强相等(任意一条等压线)时，升高温度，A的转化率增大，说明升高温度平衡正向移动，即正反应为吸热反应；当温度相等时，在图1中作垂线，与三条等压线交于三点，这三点自下而上压强增大，且A的转化率增大，说明增大压强平衡正向移动，即正反应为气体体积减小的反应。
(2)转化率(或百分含量)-压强图像
图3中，当温度相等(任意一条等温线)时，增大压强，A的转化率增大，说明增大压强平衡正向移动，即正反应是气体体积减小的反应；当压强相等时，在图3中作垂线，与两条等温线交于两点，这两点自下而上温度降低，且A的转化率增大，说明降低温度平衡正向移动，即正反应为放热反应。
3．几种特殊的图像
(1)
(2)
(3)对于A(g)＋2B(g) C(g)
(4)对于化学反应：mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，M点以前表示从反应物开始反应，v正>v逆；M点为刚达到平衡点；M点以后为平衡受温度的影响情况，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡逆向移动，故正反应的ΔH<0。
同类的模型如下：
1．(2024·黑、吉、辽卷，10)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
B
解析：B　
图像分析
结合图像分析可知，A项正确，B项错误；该反应为吸热反应，温度升高，平衡常数增大，结合图像可知平衡常数KaA
解析：A　由图甲中的信息可知，浓度随时间变化逐渐减小的代表的是X，浓度随时间变化逐渐增大的代表的是Z，浓度随时间变化先增大后减小的代表的是Y；由图乙中的信息可知，反应①的速率常数随温度升高增大的幅度小于反应②的。由图甲中的信息可知，随c(X)的减小，c(Y)先增大后减小，c(Z)增大，因此，反应①的速率随c(X)的减小而减小，而反应②的速率先增大后减小，A错误；根据体系中发生的反应可知，在Y的浓度达到最大值之前，单位时间内X的减少量等于Y和Z的增加量，因此，v(X)＝v(Y)＋v(Z)，但是，在Y的浓度达到最大值之后，单位时间内Z的增加量等于Y和X的减少量，故v(X)＋v(Y)＝v(Z)，B正确；升高温度可以加快反应①的速率，但是反应①的速率常数随温度升高增大的幅度小于反应②的，且反应②的速率随着Y的浓度的增大而增大，因此，欲提高Y的产率，需提高反应温度且控制反应时间，C正确；由图乙信息可知，温度低于T1时，k1>k2，反应②为慢反应，因此，总反应速率由反应②决定，D正确。
1．恒容密闭容器中，BaSO4(s)＋4H2(g) BaS(s)＋4H2O(g)在不同温度下达平衡时，各组分的物质的量(n)如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．该反应的ΔH<0
B．a为n(H2O)随温度的变化曲线
C．向平衡体系中充入惰性气体，平衡不
移动
D．向平衡体系中加入BaSO4，H2的平衡
转化率增大
C
解析：C　温度越高，达到平衡时，H2的物质的量越少，说明升高温度，平衡正向移动，则该反应的ΔH>0，A项错误；结合热化学方程式中各物质的状态，由图像曲线变化趋势可知a上面的曲线为n(H2O)随温度的变化曲线，B项错误；化学方程式中反应前后气体分子数相等，故向平衡体系中充入惰性气体，平衡不移动，C项正确；BaSO4为固态，向平衡体系中加入BaSO4，H2的平衡转化率不变，D项错误。
2．工业合成氨的原料气来源于化石燃料，如采用甲烷与二氧化碳反应：CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)　ΔH＝a kJ·mol-1。在某容器中，充入等物质的量的CH4和CO2，下列说法正确的是(　　)
A．该原料气的制备反应为放热
反应，a<0
B．压强关系：p1>p2>p3>p4
C．恒温、恒压条件下，充入He，
平衡向逆反应方向移动
D．1000 ℃时的平衡常数Kp＝4 MPa2
D
解析：D　A．由题图可知，压强相等时，温度越高，CH4的平衡转化率越高，故正反应为吸热反应，则a>0，A错误；B.由化学方程式可知，该反应为气体分子数增大的反应，其他条件不变，增大压强，平衡向逆反应方向移动，即压强越高，CH4的平衡转化率越低，则p1考点三
工业生产中陌生图像
“四步法”突破化学平衡图像及分析类题
1．(2023·山东卷，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。下列说法不正确的是(　　)
A．t1时刻，体系中有E存在
B．t2时刻，体系中一定存在F
C．E和TFAA反应生成F的活化能
很小
D．反应达平衡后，TFAA的浓度
为0.08 mol·L-1
D
解析：D　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；由题给反应路径和物料守恒知，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正确；由图可知，反应刚开始TFAA的浓度就迅速减小为0，则E和TFAA的反应速率非常快，该反应的活化能很小，C正确；由题意可知，最后一步为可逆反应，G不能完全转化，则达平衡后TFAA的浓度小于0.08 mol·L-1，D错误。
2．[2023·湖北卷，19(5)]
解析：图中两条线几乎平行，说明两条线的斜率近似相等，即两反应的ΔH基本相等，原因是两反应均断开1个碳氢键、形成1个碳碳键。
答案：两反应均断开一个碳氢键、形成一个碳碳键
3．[2021·全国甲卷，28(2)]二氧化碳和氢制甲醇总反应：CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH<0
合成总反应在起始物n(H2)/n(CO2)＝3时，在不同条件下达到平衡，设体系中甲醇的物质的量分数为x(CH3OH)，在t＝250 ℃下的x(CH3OH)～p、在p＝5×105 Pa下的x(CH3OH)～t如图所示。
①用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数，表达式Kp＝________________；
②图中对应等压过程的曲线是________，判断的理由是___________；
③当x(CH3OH)＝0.10时，CO2的平衡转化率α＝____________，反应条件可能为____________或____________。
选择反应最佳条件
1．甲烷还原可消除NO污染。将NO、O2、CH4混合物按一定体积比通入恒容容器中，发生如下主要反应：
①CH4(g)＋2NO(g)＋O2(g)===N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH1<0
②CH4(g)＋4NO(g)===2N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH2<0
③CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH3<0
在催化剂A和B的分别作用下，NO的还原率和CH4的转化率分别和温度的关系如图所示。
由图可知，消除NO的最佳条件是______和催化剂________。
答案：500 ℃　A
使用活性炭催化剂，且其他条件相同时，随着进料比的增大，甲烷的转化率逐渐增大的原因是_____。
答案：气体流量相同，V(CH4)越少，甲烷与催化剂接触的概率越大则反应越充分，转化率越大
(1)图1中，温度高于290 ℃，CO2平衡总转化率随温度升高而上升的原因可能是_______________________________。
(2)图2中，在240～300 ℃范围内，相同温度下，二甲醚的实际选择性高于其平衡值，从化学反应速率的角度解释原因：____________。
答案：(1)温度高于290 ℃，随着温度升高，CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)平衡向右移动的程度大于2CO2(g)＋6H2(g) CH3OCH3(g)＋3H2O(g)平衡向左移动的程度，使CO2的平衡总转化率上升　(2)CO2催化加氢直接合成二甲醚的反应活化能较低，而合成二甲醚时的副反应CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)活化能较高，所以二甲醚的实际选择性高于其平衡值
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1．二氧化碳催化加氢制甲醇的反应为3H2(g)＋CO2(g) H2O(g)＋CH3OH(g)　ΔH<0。下列说法正确的是(　　)
A．增大压强，平衡正向移动，该反应的平衡常数K增大
B．升高温度可使该反应的正反应速率增大，逆反应速率减小
C．温度越低越有利于该反应的进行，从而提高甲醇的生产效率
D．使用高效催化剂，可降低反应的活化能，增大活化分子百分数
课时作业
训练(十五)　化学反应速率、化学平衡及其应用
D
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解析：D　该反应的正反应是气体分子数减小的反应，因此增大压强，平衡向正向移动，但平衡常数K不变，平衡常数K只与温度有关，A项错误；升高温度可使该反应的正、逆反应速率均增大，B项错误；该反应的正反应是放热反应，在一定范围内，降低温度有利于平衡向正向移动，能提高甲醇的产率，但温度过低反应速率慢，不利于提高生产效率，C项错误；使用高效催化剂，可降低反应的活化能，增大活化分子百分数，增加反应速率，D项正确。
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2．科学家研究出一种新的催化剂能有效处理汽车尾气，其反应的热化学方程式为2NO(g)＋2CO(g) N2(g)＋2CO2(g)　ΔH<0，若反应在恒容密闭容器中进行，由该反应相关图像作出的判断正确的是(　　)
A．甲图中改变的反应条件为升温
B．乙图中温度T2>T1，纵坐标可代表NO的百分含量
C．丙图中压强p1D．丁图中a、b、c三点只有b点已经达到平衡状态
A
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解析：A　升高温度，正、逆反应速率都加快，化学平衡逆向移动，即逆反应速率增大的幅度大于正反应，故甲图中改变的反应条件为升温，A正确；由乙图所示信息可知，T2时反应速率更快，故温度T2>T1，温度升高，平衡逆向移动，而T2纵坐标所示的数值小，则纵坐标不可能代表NO的百分含量，B错误；由丙图信息可知，p2时的反应速率更大，故压强p12
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3．已知反应A(g)＋B(g) C(g)＋D(g)的平衡常数K与温度的关系如表所示。830 ℃时，向一个2 L的密闭容器中充入0.20 mol A和0.20 mol B，10 s末达到平衡。下列说法不正确的是(　　)
温度/℃ 700 830 1200
K 1.7 1.0 0.4
A．达到平衡后，B的转化率为50%
B．该反应为吸热反应，升高温度，平衡正向移动
C．反应初始至平衡，A的平均反应速率v(A)＝0.005 mol·L-1·s-1
D．容器体积减小为原来的一半，平衡不移动，正、逆反应速率均增大
B
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解析：B　设平衡时参加反应的B的物质的量为x mol，列三段式：
　　 　 A(g)　＋B(g) C(g)＋D(g)
起始/mol　 0.20　 　 0.20　　 0　　0
变化/mol　 x　　　 x　 　 x　　x
平衡/mol　 0.20－x 0.20－x x　 x
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4．CO2捕获和转化可减少CO2排放并实现资源利用，原理如图1所示。反应①完成之后，以N2为载气，以恒定组成的N2、CH4混合气，以恒定流速通入反应器，单位时间流出气体各组分的物质的量随反应时间变化如图2所示。反应过程中始终未检测到CO2，在催化剂上有积碳。
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C
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5．在160 ℃、200 ℃条件下，分别向两个容积为2 L的刚性容器中充入2 mol CO和2 mol N2O，发生反应：CO(g)＋N2O(g) CO2(g)＋N2(g)　ΔH<0。实验测得两容器中CO或N2的物质的量随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．当容器中混合气体的密度不随时间变化时，该反应达到平衡状态
B．ac段N2的平均反应速率为0.10 mol·L-1·min-1
C．逆反应速率：c>b>d
D．160 ℃时，该反应的平衡常数Kp＝9
D
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6．利用CO和H2在催化剂的作用下合成甲醇，发生如下反应：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)。在容积一定的密闭容器中按物质的量之比1∶2充入CO和H2，测得平衡混合物中CH3OH的体积分数在不同压强下随温度的变化情况如图1所示。现有两个容积相同的恒容密闭容器甲和乙，向甲中加入1 mol CO和2 mol H2，向乙中加入2 mol CO和4 mol H2，测得不同温度下CO的平衡转化率如图2所示。下列说法不正确的是(　　)
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A．该反应的ΔH＜0；p1>p2>p3
B．反应速率B点大于D点
C．A、B、D三点的平衡常数关系为：KA>KB＝KD
D．由图综合判断：M、L两点中，CH3OH的体积分数相同，且压强关系为p(M)＝2p(L)
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7．汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，某研究小组在实验室以耐高温试剂Ag-ZSW-5催化，测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如图所示。
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答案：(1)870 K(860～880 K范围内都可以)　(2)该反应放热，升高温度，反应向逆反应方向进行　(3)加入的CO会与NO的分解产物O2发生反应，促进NO分解平衡向生成N2的方向移动，导致NO转化率升高

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