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第44讲　化学反应速率及化学平衡图像分析
1.进一步加深理解外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响规律。2.掌握化学反应速率、化学平衡图像的分析方法,能正确解答实际工业生产中有关图像的问题。
考点一　化学反应速率图像
1.正反应速率、逆反应速率-时间图像的突变、渐变分析
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 条件变化 平衡移动方向
v'正突然增大,v'逆逐渐增大,且v'正>v'逆 增大反应物浓度 正向 移动
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.全程速率-时间图像的趋势变化分析
例如,Zn与足量盐酸的反应,化学反应速率随时间的变化出现如图所示情况。
原因:AB段,反应放热,溶液温度逐渐升高,v增大;BC段,溶液中c(H+)逐渐减小,v减小。
1.如图表示反应2SO2(g)+O22SO3(g)　ΔH<0的正反应速率随时间的变化情况,试根据图中曲线判断,下列说法可能正确的是(　D　)
A.t1时只减小了压强
B.t1时只降低了温度
C.t1时增加了SO2和O2的浓度,平衡向正反应方向移动
D.t1时减小SO2浓度的同时,增加了SO3的浓度
解析:若t1时减小了压强,平衡向逆反应方向移动,重新平衡时的速率小于原平衡速率,故A错误;若t1时降低了温度,平衡向正反应移动,重新平衡时的速率小于原平衡速率,故B错误;若t1时增加了SO2和O2的浓度,正反应速率应大于原平衡速率,平衡向正反应方向移动,图像中t1时刻不符合,故C错误;若t1时减小了SO2的浓度,增加了SO3的浓度,平衡向逆反应移动,新平衡时反应物浓度可以比原来还大,重新平衡时正反应速率可以比原平衡速率大,故D可能正确。
2.(2025·湖南衡阳模拟)向绝热恒容密闭容器中通入SO2和NO2,一定条件下使反应SO2(g)+NO2(g) SO3(g)+NO(g)达到平衡,正反应速率随时间变化的示意图如图所示。下列说法正确的是(　D　)
A.反应在c点达到平衡状态
B.反应物浓度:a点小于b点
C.反应物的总能量低于生成物的总能量
D.Δt1=Δt2时,SO2的转化率:ab段小于bc段
解析:A项,达到化学平衡状态的标志是各物质的浓度不再改变,其实质是正反应速率等于逆反应速率,c点对应的正反应速率显然还在改变,未达到平衡,错误;B项,a→b正反应速率增大,反应物浓度逐渐减小,错误;C项,a→c正反应速率增大,之后正反应速率减小,在绝热容器中反应,说明反应刚开始时温度升高对正反应速率的影响大于浓度减小对正反应速率的影响,则该反应为放热反应,即反应物的总能量高于生成物的总能量,错误;D项,随着反应的进行,正反应速率越大,消耗的二氧化硫就越多,SO2的转化率就越大,正确。
考点二　化学平衡图像
1.物质的量(或浓度)-时间图像
例如,某温度时,在恒容(V L)容器中,X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。
(1)X、Y是反应物,Z是生成物,t3 s时反应达到平衡状态,X、Y未完全反应,该反应是可逆反应。
(2)O~t3 s:Δn(X)=-(n3-n1) mol,Δn(Y)=-(n3-n2) mol,Δn(Z)=n2 mol。X、Y、Z三种物质的化学计量数之比为(n1-n3)︰(n2-n3)︰n2。
(3)根据图像计算某物质的平均速率、转化率,如反应达到平衡时,v(X)=- mol·L-1·s-1;Y的转化率=×100%。
2.转化率(或百分含量)-时间图像
解题关键:“先拐先平数值大”。即先出现拐点的反应先达到平衡,先出现拐点的曲线表示的温度较高、压强较大或使用了催化剂。
图Ⅰ,T2>T1,温度升高,生成物C的百分含量减小,说明平衡逆向移动,正反应是放热反应。
图Ⅱ,p2>p1,压强增大,A(反应物)的转化率减小,说明正反应是气体总体积增大的反应。
图Ⅲ,生成物C的百分含量不变,说明平衡不发生移动,但反应速率a>b,故a可能是使用了催化剂;若该反应是反应前后气体总体积不变的可逆反应,a也可能是增大了压强(压缩容器容积)。
3.恒压(或恒温)线
(α表示反应物的平衡转化率,n表示反应物的平衡物质的量)
解题关键:采用“定一议二”的方法,即把自变量(温度、压强)之一设为定量,讨论另外两个变量的关系。
图①,若p1>p2>p3,则正反应为气体体积减小的反应,ΔH<0;
图②,若T1>T2,则ΔH<0,正反应为气体体积增大的反应。
4.几种特殊图像
(1)如下图,对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),M点前,表示化学反应从反应物开始,v正>v逆;M点为刚达到平衡的点;M点后为平衡受温度的影响情况,即升高温度,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。
(2)如下图,对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),L线上所有的点都是平衡点。L线的左上方(E点),A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量,所以E点满足v正>v逆;同理,L线的右下方(F点)满足v正1.(2025·贵州黔南模拟)T ℃时在2 L容积不变的密闭容器中发生反应:3A(g)+B(s) 3C(g)+D(g)。反应过程中A、C、D的物质的量浓度变化如图所示。则下列结论不正确的是(　B　)
A.曲线②代表物质C的变化
B.反应进行前2 min内,用B表示的反应速率v(B)=0.2 mol·L-1·min-1
C.a点:v正>v逆
D.反应过程中体系压强逐渐增大
解析:A是反应物、C和D是生成物,三条曲线中有两条浓度增大、一条浓度减小,所以①代表A的变化,浓度变化量之比等于化学计量数之比,曲线②代表物质C的变化,曲线③代表物质D的变化。曲线②代表物质C的变化,故A正确;B是固体,不能用B的浓度变化表示反应速率,故B错误;a点后,A的浓度继续减小,反应正向进行,v正>v逆,故C正确;正反应气体物质的量增多,容器容积不变、温度不变,所以反应过程中体系压强逐渐增大,故D正确。
2.(2025·辽宁铁岭一模)在某密闭容器中,可逆反应:A(g)+B(g) xC(g)符合图Ⅰ所示关系,φ(C)表示C气体在混合气体中的体积分数。由此判断,下列关于图Ⅱ的说法不正确的是(　C　)
A.p3>p4,y轴表示A的转化率
B.p3>p4,y轴表示B的转化率
C.p3>p4,y轴表示B的质量分数
D.p3>p4,y轴表示混合气体的平均摩尔质量
解析:由图Ⅰ可知,压强为p2时,温度为T1时先达到平衡状态,则温度:T1>T2;温度为T1时的φ(C)低于T2,说明升高温度,平衡逆向移动,该反应的ΔH<0;温度为T1,压强为p2时先达到平衡状态,则压强:p1p4,温度相同时,由p3→p4,减小压强,平衡逆向移动,A、B的转化率降低,压强相同时,升高温度,平衡逆向移动,A、B的转化率降低,与图像符合,A、B项正确;若p3>p4,相同温度时,由p3→p4,减小压强,平衡逆向移动,B的质量分数增大,与图像不符合,C项错误;若p3>p4,相同温度时,由p3→p4,减小压强,平衡逆向移动,气体的总质量不变,但其总物质的量增大,则混合气体的平均摩尔质量减小,压强不变时,升高温度,平衡逆向移动,气体总物质的量增大,则混合气体的平均摩尔质量减小,与图像符合,D项正确。
3.(2026·浙江部分学校选考)对于反应N2O4(g) 2NO2(g),在温度一定时,平衡体系中NO2的体积分数φ(NO2)随压强的变化情况如图所示。下列说法中正确的是(　D　)
A.A、D两点对应状态的正反应速率大小关系:v(A)>v(D)
B.A、B、C、D、E各点对应状态中,v(正)C.维持p1不变,E→A所需时间为t1,维持p2不变,D→C所需时间为t2,则t1=t2
D.欲使C状态沿平衡曲线到达A状态,从理论上,可由p2无限缓慢降压至p1达成
解析:增大压强,反应速率增大,D点压强大于A点压强,所以v(A)v(逆),D点NO2的体积分数大于平衡状态时的体积分数,反应向逆反应方向移动,此时v(正)p1,故t1>t2,C错误;p2无限缓慢降压至p1,压强减小,平衡向气体分子数增多的方向移动,故平衡正向移动,NO2的体积分数逐渐增加,D正确。
4.用(NH4)2CO3捕获CO2的反应为(NH4)2CO3(aq)+H2O(l)+CO2(g) 2NH4HCO3(aq)。为研究温度对(NH4)2CO3捕获CO2效率的影响,将一定量的(NH4)2CO3溶液置于密闭容器中,并充入一定量的CO2气体,保持其他初始实验条件不变,分别在不同温度下,经过相同时间测得CO2气体浓度,得到如图所示的趋势图。
(1)c点的逆反应速率和d点的正反应速率的大小关系为v逆(c)<(填“>”“=”或“<”)v正(d)。
(2)b、c、d三点的平衡常数Kb、Kc、Kd从大到小的顺序为Kb>Kc>Kd。
(3)T3~T4温度区间,容器内CO2气体浓度呈现增大的变化趋势,其原因是温度为T3时化学反应达到平衡,正反应是放热反应,T3~T4区间温度升高,平衡逆向移动。
解析:(1)温度越高,反应速率越大,d点温度高,故c点的逆反应速率小于d点的正反应速率。(2)根据题图可知,温度为T3时反应达到平衡,此后温度升高,c(CO2)增大,说明平衡逆向移动,正反应是放热反应,故Kb>Kc>Kd。
考点三　实际生产中的陌生图像
1.解答陌生图像题的思维步骤
(1)识别图像类型。即明确横坐标和纵坐标的含义,理清线和点(平台、折线、拐点等)的关系。
(2)把握反应特点。即分析可逆反应的化学方程式,观察物质的状态、气态物质分子数的变化(正反应是气体分子数增大的反应,还是气体分子数减小的反应)、反应热(正反应是放热反应,还是吸热反应)等。
(3)联想平衡原理。联想化学反应速率、化学平衡移动原理,特别是影响因素及使用前提条件等。
(4)数形结合解答。图表与原理结合,逐项分析图表,重点看图表是否符合可逆反应的特点、化学反应速率和化学平衡移动原理。
2.多平衡体系中平衡常数的计算
(1)连续反应
连续平衡是指两个可逆反应有着关联,第一个反应的某生成物,是第二个反应的反应物。解题时要注意如果该物质是第一个反应的生成物,第二个反应的反应物,则在第一个反应中,该物质的初始量为0,它的平衡量则为第二个反应中该物质的初始量。
(2)竞争反应(平行反应)
平行反应是指反应物能同时平行地进行两个或两个以上的不同反应,得出不同的产物。其中反应较快或产物在混合物中所占比率较高的称为主反应,其余称为副反应。解题时要注意如果一个物质是两个平行反应的反应物,则题目中所给初始量是该物质在这两个反应中的初始量之和。
(3)解题思路
解题关键是理清守恒关系:反应体系中,任何状态均遵循原子守恒,利用原子守恒和“三段式”理清起始量、转化量、平衡量之间的关系。解题基本思路如下:
1.(2025·福建龙岩一模)萨巴蒂尔装置可将CO2转化为H2O,再通过电解水装置回收氧元素,其系统原理如图:
萨巴蒂尔装置内发生的反应为
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41.1 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH2=-206 kJ·mol-1
(1)已知原料气中含有1 mol CO2及4 mol H2在萨巴蒂尔装置中发生反应,达平衡时,各组分物质的量分数随温度变化如图所示。
300 ℃达平衡时,总压为p,则反应Ⅱ的Kp=(列出计算式,Kp为以分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数);此时氧元素的回收率为。
(2)萨巴蒂尔系统中不能先进行低温反应,再进行高温反应的原因是若先进行低温反应,反应Ⅰ速率小且转化率低,生成CO和H2O少,导致反应Ⅱ正向进行程度小,氧元素回收率很低。
解析:(1)随温度升高,反应Ⅰ正向移动,反应Ⅱ逆向移动,所以CO的含量增多、甲烷的含量减少,则d表示CO、b表示CH4、a表示H2O,300 ℃达平衡时,总压为p,则反应Ⅱ的Kp=;含氧元素的物质有CO2、CO、H2O,CO2、CO、H2O的物质的量分数分别为y%、z%、w%,所以此时氧元素的回收率为×100%;含有氢元素的物质有H2、H2O、CH4,H2、H2O、CH4的物质的量分数分别为w%、w%、x%,H的总量为O的总量的4倍,所以此时氧元素的回收率为×100%;含有碳元素的物质有CO2、CO、CH4,CO2、CO、CH4的物质的量分数分别为y%、z%、x%,O的总量为C的总量的2倍,所以此时氧元素的回收率为×100%。(2)反应Ⅰ吸热,若先进行低温反应,反应Ⅰ速率小且转化率低,生成CO和H2O少,导致反应Ⅱ正向进行程度小,氧元素回收率很低,所以萨巴蒂尔系统中不能先进行低温反应,再进行高温反应。
2.(2025·河南名校学术联盟二模)Ⅰ.研发二氧化碳利用技术、降低空气中二氧化碳含量成为研究热点。CO2加氢转化为二甲醚(CH3OCH3)的反应过程如下:
反应a.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49.1 kJ·mol-1
反应b.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
反应c.2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH3=-23.4 kJ·mol-1
在恒温恒容密闭容器中充入3 mol H2和1 mol CO2发生上述反应a、b、c,初始压强为2 MPa。CO2的平衡转化率、二甲醚和CO生成物的选择性随温度变化如图所示。
已知:含碳生成物A的选择性=×100%。
(1)L2表示CO2平衡转化率的曲线,该曲线在260 ℃之后呈上升趋势的原因是260 ℃之后主要发生反应b,反应b吸热,升高温度,其平衡正向移动,CO2平衡转化率增大。
(2)260 ℃达到平衡状态时,H2的转化率α(H2)=38%,反应b用气体分压表示的平衡常数Kp=[如p分压(CO2)=p总×CO2的体积分数](以整数比表示即可)。
解析:(1)随着温度的升高,反应a和反应c平衡逆向移动、反应b平衡正向移动,温度的变化对反应a和反应b影响不同,由题意可知L2为CO2平衡转化率的曲线,则L1为CO选择性的曲线、L3为CH3OCH3选择性的曲线,260 ℃之前主要发生反应a,反应a放热,升高温度,其平衡逆向移动,CO2平衡转化率降低;260 ℃之后主要发生反应b,反应b吸热,升高温度,其平衡正向移动,CO2平衡转化率增大。(2)由图像可知,260 ℃时,CO2平衡转化率曲线和CH3OCH3选择性的曲线相交,CO2平衡转化率和CH3OCH3选择性均为50%,则CO2共转化了0.5 mol,CO的选择性为36%,则CO平衡时物质的量为1 mol×50%×36%=0.18 mol,二甲醚平衡时物质的量为1 mol×50%×50%×=0.125 mol,甲醇的选择性为1-36%-50%=14%,则甲醇平衡时物质的量为1 mol×50%×14%=0.07 mol,可列出三个反应的转化量情况:
a.　 　　 　 　CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)　 + 　H2O(g)
转化量/mol: 　 0.32　　0.96　　0.07+0.25=0.32　　　 0.32
b.　 　　 　 　CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)
转化量/mol: 　 0.18　 0.18　　　 0.18　　 0.18
c.　 　 　　　2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g)
转化量/mol: 　 0.25　　　　　 0.125　　　 0.125
则平衡时容器内n(H2)=(3-0.96-0.18) mol=1.86 mol、n(CO2)=0.5 mol、n(CH3OH)=0.07 mol、n(H2O)=(0.32+0.18+0.125)=0.625 mol、n(CO)=0.18 mol、n(CH3OCH3)=0.125 mol,260 ℃达到平衡状态时,α(H2)=×100%=38%,反应b用气体分压表示的平衡常数Kp==。
1.(2025·山东卷)在恒容密闭容器中,Na2SiF6(s)热解反应所得固相产物和气相产物均为含氟化合物。平衡体系中各组分物质的量随温度的变化关系(实线部分)如图所示。已知:T2温度时,Na2SiF6(s)完全分解;体系中气相产物在T1、T3温度时的分压分别为p1、p3。下列说法错误的是(　D　)
A.a线所示物种为固相产物
B.T1温度时,向容器中通入N2,气相产物分压仍为p1
C.p3小于T3温度时热解反应的平衡常数Kp
D.T1温度时,向容器中加入b线所示物种,重新达平衡时逆反应速率增大
解析:Na2SiF6(s)热解反应所得固相产物和气相产物均为含氟化合物,则其分解产物为NaF(s)和SiF4(g),其分解的化学方程式为Na2SiF6(s)2NaF(s)+SiF4(g),根据题图数据分析可知,a线代表NaF(s)物质的量随温度的变化关系,b线代表SiF4(g)物质的量随温度的变化关系,c线代表Na2SiF6(s)物质的量随温度的变化关系。由各线的走势可知,该反应为吸热反应,温度升高,化学平衡正向移动。a线所示物种为NaF(s),NaF(s)为固相产物,A正确;T1温度时,向容器中通入N2,恒容密闭容器的容积不变,各组分的浓度不变,化学平衡不发生移动,虽然总压变大,但是气相产物分压不变,仍为p1,B正确;该反应的平衡常数Kp=p(SiF4),由题图可知,温度越高,Na2SiF6分解程度越大,升温,Kp增大,已知T2温度时,Na2SiF6(s)完全分解,则升温至T3时,无法释放更多的SiF4,故p3小于T3温度时热解反应的平衡常数Kp,C正确;据分析可知,b线所示物种为SiF4(g),恒容密闭容器的平衡体系的气相产物只有SiF4(g),Kp=p(SiF4),温度不变Kp不变,T1温度时向容器中加入SiF4(g),重新达平衡时p(SiF4)不变,则逆反应速率不变,D错误。
2.(2025·江苏卷)甘油(C3H8O3)水蒸气重整获得H2过程中的主要反应:
反应Ⅰ　C3H8O3(g)===3CO(g)+4H2(g)　ΔH>0
反应Ⅱ　CO(g)+H2O(g)===CO2(g)+H2(g)　ΔH<0
反应Ⅲ　CO2(g)+4H2(g)===CH4(g)+2H2O(g)　ΔH<0
1.0×105 Pa条件下,1 mol C3H8O3和9 mol H2O发生上述反应达平衡状态时,体系中CO、H2、CO2和CH4的物质的量随温度变化的理论计算结果如图所示。下列说法正确的是(　A　)
A.550 ℃时,H2O的平衡转化率为20%
B.550 ℃反应达平衡状态时,n(CO2)︰n(CO)=11︰25
C.其他条件不变,在400~550 ℃范围,平衡时H2O的物质的量随温度升高而增大
D.其他条件不变,加压有利于增大平衡时H2的物质的量
解析:550 ℃时,曲线①所表示的物质的物质的量是5 mol,根据原子守恒,n(C)=3 mol,则曲线①不可能表示含碳粒子,故曲线①表示H2物质的量随温度变化的曲线;升高温度,反应Ⅰ平衡正向移动,反应Ⅱ平衡逆向移动,CO的物质的量增大,则曲线③代表CO物质的量随温度变化的曲线;温度升高,反应Ⅲ平衡逆向移动,CH4物质的量降低,则曲线②代表CH4物质的量随温度变化的曲线,据此解答。550 ℃时,n(H2)=5 mol,n(CO2)=2.2 mol,n(CH4)=n(CO)=0.4 mol,根据C原子守恒,可得n(C3H8O3)==0 mol,根据O原子守恒,可得n(H2O)==7.2 mol
(也可利用H原子守恒计算,结果相同),则α(H2O)=×100%=20%,A正确;550 ℃时,n(CO2)=2.2 mol,n(CO)=0.4 mol,则n(CO2)︰n(CO)=11︰2,B错误;其他条件不变,在400~550 ℃范围,随温度升高,反应Ⅱ、Ⅲ平衡均逆向移动,n(CO2)增大,说明反应Ⅲ逆向移动程度更大,则H2O的物质的量随温度升高而减小,C错误;增大压强,反应Ⅰ平衡逆向移动,反应Ⅱ平衡不移动,反应Ⅲ平衡正向移动,平衡时H2的物质的量减小,D错误。
3.(2025·安徽卷节选)甲烷和二氧化碳重整是制取合成气(CO和H2)的重要方法,主要反应有:
①CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)
②CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)
③CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)
恒温恒压密闭容器中,投入不同物质的量之比的CH4/CO2/Ar混合气,投料组成与CH4和CO2的平衡转化率之间的关系如图。
(1)投料组成中Ar含量下降,平衡体系中n(CO)︰n(H2)的值将增大(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)若平衡时Ar的分压为p kPa,根据a、b两点计算反应③的平衡常数Kp=0.675p2(kPa)2(用含p的代数式表示,Kp是用分压代替浓度计算的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
解析:(1)由题图知,随着投料组成中Ar含量下降,CO2的平衡转化率大于CH4的平衡转化率,说明反应②的正向进行程度大于反应③的正向进行程度,则n(CO)︰n(H2)的值将增大。(2)设初始投料:n(CH4)=4 mol、n(CO2)=4 mol、n(Ar)=2 mol,平衡时,甲烷转化率为20%,二氧化碳的转化率为30%,则平衡时:n(CH4)=4 mol-4 mol×20%=3.2 mol;n(CO2)=4 mol-4 mol×30%=2.8 mol;根据碳原子守恒:n(CO)=8 mol-n(CH4)-n(CO2)=8 mol-3.2 mol-2.8 mol=2 mol;根据氧原子守恒:n(H2O)=8 mol-n(CO)-2n(CO2)=8 mol-2 mol-2×2.8 mol=0.4 mol;根据氢原子守恒:n(H2)=8 mol-2n(CH4)-n(H2O)=8 mol-2×3.2 mol-0.4 mol=1.2 mol;平衡时,气体总物质的量为3.2 mol+2.8 mol+2 mol+0.4 mol+1.2 mol+2 mol=11.6 mol,Ar的分压为p kPa,则总压为5.8p kPa,p(H2)=×5.8p kPa=0.6p kPa、p(CO)=×5.8p kPa=p kPa、p(CH4)=×5.8p kPa=1.6p kPa、p(H2O)=×5.8p kPa=0.2p kPa,反应③的平衡常数Kp=(kPa)2=0.675p2(kPa)2。
4.(2025·黑吉辽蒙卷节选)乙二醇是一种重要化工原料,以合成气(CO、H2)为原料合成乙二醇具有重要意义。间接合成法:用合成气和O2制备的DMO合成乙二醇,发生如下3个均放热的连续反应,其中MG生成乙二醇的反应为可逆反应。
在2 MPa、Cu/SiO2催化、固定流速条件下,发生上述反应,初始氢酯比=52.4,出口处检测到DMO的实际转化率及MG、乙二醇、乙醇的选择性随温度的变化曲线如图所示[某物质的选择性=×100%]。
(1)已知曲线Ⅱ表示乙二醇的选择性,则曲线Ⅰ(填图中标号,下同)表示DMO的转化率,曲线Ⅳ表示MG的选择性。
(2)483 K时,出口处的值为1.98(精确至0.01)。
(3)A点反应MG(g)+2H2(g) HOCH2CH2OH(g)+CH3OH(g)的浓度商Qx=0.025(用物质的量分数代替浓度计算,精确至0.001)。
解析:(1)根据间接合成法的3个连续反应可知,消耗的DMO的物质的量等于MG、乙二醇、乙醇的物质的量之和。根据物质选择性的定义,三种产物在任一温度下的选择性之和为100%,故曲线Ⅰ为DMO的实际转化率曲线;又已知曲线Ⅱ为乙二醇的选择性曲线,观察曲线Ⅱ和曲线Ⅳ可知,随着反应的进行MG逐渐转化为乙二醇,故曲线Ⅳ为MG的选择性曲线,因此曲线Ⅲ为乙醇的选择性曲线。(2)483 K时,DMO的实际转化率为99%,设起始投入反应的DMO为100 mol,则出口处流出的乙醇的物质的量为100 mol×99%×2%=1.98 mol,此时还有1 mol DMO未反应,因此出口处=1.98。(3)设初始时H2与DMO的投料分别为52.4 mol和1 mol,A点时DMO的实际转化率为80%,MG和乙二醇的选择性均为50%,A点没有生成乙醇,只涉及前两个反应,反应分步进行,第一步发生DMO转化为MG,可写出如下关系:
　 　　　　　　　　　DMO(g)+2H2(g)===MG(g)+CH3OH(g)
起始物质的量/mol　　　1　　　52.4　　　　0　　　　 0
反应物质的量/mol　　　0.8　　1.6　　　　0.8　　　　0.8
终了物质的量/mol　　　0.2　　50.8　 　　0.8　　　　0.8
第二步反应,MG转化为乙二醇,可写出如下关系:
　　 　　　　　　　MG(g)+2H2(g) HOCH2CH2OH(g)+CH3OH(g)
起始物质的量/mol　　0.8　　50.8　　　　　　0　　　　　0.8
反应物质的量/mol　　0.4　　0.8　　　　　　0.4　　　　　0.4
终了物质的量/mol　　0.4　　50.0　　 　 　　0.4　　　　　1.2
这时,体系中DMO的物质的量为0.2 mol、MG的物质的量为0.4 mol、H2的物质的量为50.0 mol、CH3OH的物质的量为1.2 mol、乙二醇的物质的量为0.4 mol,体系中气体总物质的量为0.2 mol+0.4 mol+50.0 mol+1.2 mol+0.4 mol=52.2 mol。用物质的量分数代替浓度计算反应的浓度商Qx=≈0.025。
课时作业44(总分:55分)
1.(4分)(2025·广东广州模拟)一定条件下,NH3在恒容密闭容器中发生分解反应:2NH3(g) N2(g)+3H2(g)　ΔH>0,v(NH3)随时间的变化如图所示。已知t1时反应达到平衡,t2时改变某单一条件(浓度、温度或催化剂等),下列说法不正确的是(　D　)
A.由0~t1 min,H2的浓度不断增大
B.由t1~t2 min,2v正(H2)=3v逆(NH3)
C.t2 min时,可能向容器中通入了N2
D.平衡常数KⅠ可能小于KⅡ
解析:由图可知,0~t1 min的过程为氨气分解建立平衡的过程,反应中氢气的浓度不断增大,故A正确;由图可知,t1 min时反应达到平衡,正、逆反应速率相等,则t1~t2 min的过程中,2v正(H2)=3v逆(NH3),故B正确;由图可知,t2 min时条件改变的瞬间,逆反应速率增大,可能是通入氮气,增大了生成物的浓度,故C正确;由图可知,t2 min时条件改变的瞬间,逆反应速率增大,随后减小,说明平衡向逆反应方向移动,该反应的正反应是吸热反应,若改变条件为升高温度,平衡正向移动,与图示不符合,所以改变条件不可能是升高温度,则反应的平衡常数KⅠ不可能小于KⅡ,故D错误。
2.(4分)(2025·辽宁沈阳模拟)用O3氧化烟气中的SO2时,发生反应:SO2(g)+O3(g) SO3(g)+O2(g)　ΔH1=-241.6 kJ·mol-1。现向2 L密闭容器中通入2 mol SO2和2 mol O3发生上述反应,SO3的浓度随时间(t)的变化如图所示。下列说法正确的是(　C　)
A.当混合气体的平均摩尔质量不变时,反应达到平衡状态
B.t1 min时,可能向容器中充入了一定量的SO3
C.t1 min后,SO2的平衡转化率为75%
D.正反应速率:a>b>c
解析:该反应中气体的总质量和总物质的量均不变,故混合气体的平均摩尔质量始终不变,当混合气体的平均摩尔质量不变时,不能说明反应达到平衡状态,A错误;t1 min时,若向容器中充入一定量的SO3,会使平衡逆向移动,SO3的浓度在1.50 mol/L的基础上会逐渐减小,与图像不符,B错误;t1 min时,SO2的平衡转化率为×100%=75%,t1 min时改变条件后SO3的浓度增大但之后不发生变化,说明平衡并没有发生移动,因此t1 min后,SO2的平衡转化率依然为75%,C正确;c点SO3的浓度最大,且为平衡状态,因此正反应速率:c>b,D错误。
3.(4分)(2025·福建莆田模拟)已知A(g)+B(g) 2C(g),反应过程中C的百分含量与温度关系如图所示,下列说法正确的是(　C　)
A.正反应速率:v(c)>v(d)>v(b)
B.化学平衡常数:K(d)>K(c)
C.c点向d点变化时,v正D.d点状态加入合适的催化剂可使C的百分含量增大
解析:温度越高,反应速率越大,则正反应速率:v(d)>v(c)>v(b),A错误;分析题图可知,正反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,K减小,则化学平衡常数:K(d)4.(4分)(2025·安徽合肥三模)向起始温度为T ℃、容积为10 L的两个相同的密闭容器中,均充入1 mol N2O和4 mol CO的混合气,保持其中一个容器恒温,另一个绝热,发生反应N2O(g)+CO(g) N2(g)+CO2(g)　ΔH。两容器中N2O的转化率随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　C　)
A.ΔH>0
B.曲线M表示恒温容器
C.Q点的正反应速率大于P点的正反应速率
D.0~100 s内,曲线N表示的容器内v(CO)=4×10-4 mol·L-1·s-1
解析:曲线M表示的容器先平衡,说明温度高,但是N2O的平衡转化率比N低,说明升高温度,平衡逆向移动,则反应为放热反应,ΔH<0,故A错误;由A项可知,反应为放热反应,绝热容器温度会升高,M表示绝热容器,故B错误;Q点和P点均没有平衡,N2O的转化率相同,M是绝热容器,则Q点温度高于P,故Q点的正反应速率大于P点的正反应速率,故C正确;0~100 s内,曲线N表示的容器N2O的转化率为10%,反应的N2O为0.1 mol,结合方程式可知,反应掉的CO为0.1 mol,v(CO)==1×10-4 mol·L-1·s-1,故D错误。
5.(4分)(2025·四川绵阳模拟)某恒容密闭容器中充入一定量SO2和O2进行反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0,图甲表示反应速率(v)与温度(T)的关系、图乙表示T1时,平衡体系中SO2的体积分数与压强(p)的关系。下列说法正确的是(　C　)
A.图甲中,曲线1表示正反应速率与温度的关系
B.图乙中,a、b两点的反应速率:va>vb
C.图甲中,d点时,混合气体的平均摩尔质量不再改变
D.图乙中,c点的正、逆反应速率:v逆解析:反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0,正反应放热,升高温度,平衡逆向移动,逆反应速率大于正反应速率,则曲线1表示逆反应速率与温度的关系,故A错误;温度恒定时,a、b两点对应的压强是b的大,压强越大,反应速率越快,a、b两点对应的反应速率:vav正,故D错误。
6.(4分)甲烷还原二氧化碳是实现“双碳”目标的有效途径之一,常压、催化剂作用下,按照CO2和CH4的物质的量之比3︰1投料。有关反应如下:
反应Ⅰ:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41 kJ·mol-1
某一时段内,CH4和CO2的转化率随温度变化如图所示。
已知:CO2的转化效率R=。
下列分析不正确的是(　C　)
A.根据反应Ⅰ、Ⅱ,低压高温有利于提高CO2的平衡转化率
B.500 ℃时,CO2转化的R值为1.5
C.由400 ℃升高到600 ℃,含氢产物中水的占比增大
D.由700 ℃升高到1 000 ℃,CO2的转化效率逐渐增大
解析:反应Ⅰ是气体分子数增大的吸热反应,反应Ⅱ是气体分子数不变的吸热反应,升高温度均有利于反应Ⅰ、Ⅱ的平衡正向移动,提高CO2的平衡转化率,且降低压强有利于反应Ⅰ的平衡正向移动,c(H2)增大可促进反应Ⅱ的平衡正向移动,也可提高CO2的平衡转化率,所以低压高温有利于提高CO2的平衡转化率,故A正确;由图可知,500 ℃时CO2的转化率为20%,CH4的转化率为40%,CO2的转化效率为=1.5,故B正确;由图可知,温度由400 ℃升高到600 ℃时,CH4转化率的增大幅度远大于CO2,则此时主要发生反应Ⅰ,且只有反应Ⅱ生成水,所以含氢产物中水的占比减小,故C错误;由图可知,由700 ℃升高到1 000 ℃时Δn(CO2)变化幅度较大,Δn(CH4)变化幅度较小,则CO2的转化效率逐渐增大,故D正确。
7.(4分)(2025·江西赣州模拟)甲烷水蒸气重整制合成气[CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)　ΔH]是利用甲烷资源的途径之一,其他条件相同时,在不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下,反应相同时间后,CH4的转化率随反应温度的变化如图所示。下列说法错误的是(　C　)
A.该反应ΔH>0
B.平衡常数:Ka=KbC.催化剂催化效率:Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ
D.增大压强,v正增大倍数小于v逆增大倍数
解析:随着温度升高,甲烷的转化率也在增大,说明平衡正向移动,温度升高反应向吸热方向移动,因此该反应ΔH>0,故A正确;平衡常数只受温度影响,温度相同,同一反应的平衡常数也相同,该反应的正反应方向为吸热反应,升高温度K增大,Ka=KbⅡ>Ⅲ,故C错误;增大压强,平衡向气体体积减小的方向移动,即反应逆向移动,说明v正增大倍数小于v逆增大倍数,故D正确。
8.(4分)(2025·湖南岳阳模拟)在一定的温度和压强下,将按一定比例混合的CO2和H2通过装有催化剂的反应器可得到甲烷。
已知:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-165 kJ·mol-1
CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41 kJ·mol-1
催化剂的选择是CO2甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂作用下反应相同时间,测得CO2转化率和生成CH4选择性随温度变化的影响如图所示。
CH4选择性=×100%
下列有关说法错误的是(　C　)
A.CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g)　ΔH=-206 kJ·mol-1
B.延长W点的反应时间,能提高CO2的转化率
C.在260~320 ℃,以Ni-CeO2为催化剂,升高温度CH4的产率不变
D.选择合适的催化剂、合适的温度有利于提高CH4的选择性
解析:利用盖斯定律,将第一个反应减去第二个反应可得CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g)　ΔH=-165 kJ·mol-1-(+41 kJ·mol-1)=-206 kJ·mol-1,A正确;W点反应温度约为280 ℃,CH4的选择性在95%以上,则生成CH4的反应为主反应,由题图可知,在一定范围内升高温度,CO2的转化率增大,则表明反应未达平衡,所以延长W点的反应时间,能提高CO2的转化率,B正确;在260~320 ℃,以Ni-CeO2为催化剂,升高温度CH4的选择性基本不变,但CO2的转化率增大,则CH4的产率增大,C错误;比较Ni和Ni-CeO2两种催化剂的催化效果,在260~320 ℃、使用Ni-CeO2时,CH4的选择性高,则选择合适的催化剂、合适的温度有利于提高CH4的选择性,D正确。
9.(4分)(2026·江苏丹阳高级中学期中)基于单簇催化剂(SCC)的NO还原反应(NORR)的主要反应如下:
(Ⅰ)2NO(g)+2H2(g) N2(g)+2H2O(g) ΔH1
(Ⅱ)2NO(g)+5H2(g) 2NH3(g)+2H2O(g) ΔH2
(Ⅲ)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH3
在T ℃、100 kPa反应条件下,向密闭容器中充入2 mol NO和6 mol H2,发生上述反应,测得含氮元素占比[如N2的含氮元素占比=×100%]与时间的关系如图所示。
已知:反应Ⅱ为快速平衡,可认为不受慢反应Ⅰ、Ⅲ的影响;K为用物质的量分数表示的平衡常数。下列有关说法正确的是(　D　)
A.反应Ⅱ的ΔH2>0
B.曲线c表示的是氨气的含氮元素占比
C.若选择对反应Ⅱ催化效果更好的催化剂,则F点将平移至E点
D.若95 min时达到平衡,则反应Ⅲ的平衡常数K的计算式为
解析:反应Ⅱ是气体量减少的反应,ΔS<0,反应快速自发进行,ΔG=ΔH2-TΔS<0,故该反应的ΔH2<0,A错误;起始的含氮物质只有一氧化氮,反应Ⅱ为快反应,曲线a表示的物质快速减少,故曲线a表示NO,NH3快速增加,故曲线b表示氨气,曲线表示c氮气,B错误;若选择对反应Ⅱ催化效果更好的催化剂,反应Ⅱ会更快,生成NH3达到最高点所用时间短,NH3的占比更大,因此F点可能移向E点上方的某个点,C错误;起始时充入2 mol NO、6 mol H2,若95 min时达到平衡,则由图知,NO的含氮元素占比为6%,n(NO)=2 mol×6%=0.12 mol,N2的含氮元素占比为86%,n(N2)==0.86 mol,NH3的含氮元素占比为100%-6%-86%=8%,n(NH3)=2 mol×8%=0.16 mol,由氧原子守恒得,n(H2O)=2 mol-0.12 mol=1.88 mol,由氢原子守恒得,n(H2)==3.88 mol,此时气体总物质的量为(0.12+0.86+0.16+1.88+3.88) mol=6.9 mol,N2的物质的量分数为,H2的物质的量分数为,NH3的物质的量分数为,则反应Ⅲ的平衡常数K=,D正确。
10.(19分)(2024·安徽卷节选)乙烯是一种用途广泛的有机化工原料。由乙烷制乙烯的研究备受关注。回答下列问题:
【乙烷制乙烯】
(1)C2H6直接脱氢反应为C2H6(g)===C2H4(g)+H2(g)　ΔH4,C2H6的平衡转化率与温度和压强的关系如图所示,则ΔH4>(填“>”“<”或“=”)0。结合下图,下列条件中,达到平衡时转化率最接近40%的是b(填字母)。
a.600 ℃,0.6 MPa
b.700 ℃,0.7 MPa
c.800 ℃,0.8 MPa
(2)一定温度和压强下
反应ⅰ　C2H6(g) C2H4(g)+H2(g)　Kx1
反应ⅱ　C2H6(g)+H2(g) 2CH4(g)　Kx2(Kx2远大于Kx1)(Kx是以平衡物质的量分数代替平衡浓度计算的平衡常数)
①仅发生反应ⅰ时,C2H6的平衡转化率为25.0%,计算Kx1=。
②同时发生反应ⅰ和ⅱ时,与仅发生反应ⅰ相比,C2H4的平衡产率增大(填“增大”“减小”或“不变”)。
【乙烷和乙烯混合气的分离】
(3)常温常压下,将C2H4和C2H6等体积混合,以一定流速通过某吸附剂。测得两种气体出口浓度(c)与进口浓度(c0)之比随时间变化关系如图所示。下列推断合理的是BC(填字母)。
A.前30 min,两种气体均未被吸附
B.p点对应的时刻,出口气体的主要成分是C2H6
C.a~b对应的时间段内,吸附的C2H6逐渐被C2H4替代
解析:(1)从图中可知,压强相同的情况下,随着温度升高,C2H6的平衡转化率增大,因此该反应为吸热反应,ΔH4>0。600 ℃,0.6 MPa时,C2H6的平衡转化率约为20%,700 ℃,0.7 MPa时,C2H6的平衡转化率约为50%,800 ℃,0.8 MPa时,C2H6的平衡转化率接近80%,b符合题意。(2)①仅发生反应ⅰ,设初始时C2H6物质的量为1 mol,平衡时C2H6转化率为25%,则消耗C2H6 0.25 mol,生成C2H4 0.25 mol,生成H2 0.25 mol,平衡时n(C2H6)=(1-0.25) mol=0.75 mol,则n(总)=0.75 mol+0.25 mol+0.25 mol=1.25 mol,Kx1=。②只发生反应ⅰ时,随着反应进行,气体总物质的量增大,压强增大促使化学平衡逆向移动,同时发生反应ⅰ和反应ⅱ,且从题干可知Kx2远大于Kx1,反应ⅱ为等体积反应,因为反应ⅱ的发生相当于在单独发生反应ⅰ的基础上减小了压强,则反应ⅰ化学平衡正向移动,C2H4平衡产率增大。(3)前30 min,等于0,出口浓度(c)为0,说明两种气体均被吸附,A错误;p点时,C2H6对应的约为1.75,出口处C2H6浓度较大,而C2H4对应的较小,出口处C2H4浓度较小,说明此时出口处气体的主要成分为C2H6,B正确;a点处C2H6的=1,说明此时吸附剂对C2H6饱和,而a点后C2H6的>1,说明原来吸附在吸附剂上的C2H6也开始脱落,同时从图中可知,a点后一段时间,C2H4的仍为0,说明是吸附的C2H6逐渐被C2H4替代,p点到b点之间,吸附的C2H6仍在被C2H4替代,但是速率相对之前有所减小,C正确。(共89张PPT)
第八章　化学反应速率
与化学平衡
第44讲　化学反应速率及化学平衡图像分析
目
录
考点二　化学平衡图像
考点三　实际生产中的陌生图像
课时作业
考点一　化学反应速率图像
真题演练 感悟高考
复习目标
1.进一步加深理解外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响规律。2.掌握化学反应速率、化学平衡图像的分析方法,能正确解答实际工业生产中有关图像的问题。
一
考点一 化学反应速率图像
1.正反应速率、逆反应速率-时间图像的突变、渐变分析
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 条件变化 平衡移动方向
v'正突然增大,v'逆逐渐增大,且v'正>v'逆 增大反应物浓度 正向移动
图像 速率变化 条件变化 平衡移动方向
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.全程速率-时间图像的趋势变化分析
例如,Zn与足量盐酸的反应,化学反应速率随时间的变化出现如图所示情况。
原因:AB段,反应放热,溶液温度逐渐升高,v增大;BC段,溶液中c(H+)逐渐减小,v减小。
1.如图表示反应2SO2(g)+O2 　　　 2SO3(g)　ΔH<0的正反应速率随时间的变化情况,试根据图中曲线判断,下列说法可能正确的是(　　)
A.t1时只减小了压强
B.t1时只降低了温度
C.t1时增加了SO2和O2的浓度,平衡向正反应方向移动
D.t1时减小SO2浓度的同时,增加了SO3的浓度
D
解析:若t1时减小了压强,平衡向逆反应方向移动,重新平衡时的速率小于原平衡速率,故A错误;若t1时降低了温度,平衡向正反应移动,重新平衡时的速率小于原平衡速率,故B错误;若t1时增加了SO2和O2的浓度,正反应速率应大于原平衡速率,平衡向正反应方向移动,图像中t1时刻不符合,故C错误;若t1时减小了SO2的浓度,增加了SO3的浓度,平衡向逆反应移动,新平衡时反应物浓度可以比原来还大,重新平衡时正反应速率可以比原平衡速率大,故D可能正确。
2.(2025·湖南衡阳模拟)向绝热恒容密闭容器中通入SO2和NO2,一定条件下使反应SO2(g)+NO2(g) SO3(g)+NO(g)达到平衡,正反应速率随时间变化的示意图如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.反应在c点达到平衡状态
B.反应物浓度:a点小于b点
C.反应物的总能量低于生成物的总能量
D.Δt1=Δt2时,SO2的转化率:ab段小于bc段
D
解析:A项,达到化学平衡状态的标志是各物质的浓度不再改变,其实质是正反应速率等于逆反应速率,c点对应的正反应速率显然还在改变,未达到平衡,错误;B项,a→b正反应速率增大,反应物浓度逐渐减小,错误;C项,a→c正反应速率增大,之后正反应速率减小,在绝热容器中反应,说明反应刚开始时温度升高对正反应速率的影响大于浓度减小对正反应速率的影响,则该反应为放热反应,即反应物的总能量高于生成物的总能量,错误;D项,随着反应的进行,正反应速率越大,消耗的二氧化硫就越多,SO2的转化率就越大,正确。
二
考点二 化学平衡图像
1.物质的量(或浓度)-时间图像
例如,某温度时,在恒容(V L)容器中,X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。
(1)X、Y是反应物,Z是生成物,t3 s时反应达到平衡状态,X、Y未完全反应,该反应是可逆反应。
(2)O~t3 s:Δn(X)=-(n3-n1) mol,Δn(Y)=-(n3-n2)mol,Δn(Z)=n2 mol。X、Y、Z三种物质的化学计量数之比为(n1-n3)︰(n2-n3)︰n2。
(3)根据图像计算某物质的平均速率、转化率,如反应达到平衡时,v(X)=- mol·L-1·s-1;Y的转化率=×100%。
2.转化率(或百分含量)-时间图像
解题关键:“先拐先平数值大”。即先出现拐点的反应先达到平衡,先出现拐点的曲线表示的温度较高、压强较大或使用了催化剂。
图Ⅰ,T2>T1,温度升高,生成物C的百分含量减小,说明平衡逆向移动,正反应是放热反应。
图Ⅱ,p2>p1,压强增大,A(反应物)的转化率减小,说明正反应是气体总体积增大的反应。
图Ⅲ,生成物C的百分含量不变,说明平衡不发生移动,但反应速率a>b,故a可能是使用了催化剂;若该反应是反应前后气体总体积不变的可逆反应,a也可能是增大了压强(压缩容器容积)。
3.恒压(或恒温)线
(α表示反应物的平衡转化率,n表示反应物的平衡物质的量)
解题关键:采用“定一议二”的方法,即把自变量(温度、压强)之一设为定量,讨论另外两个变量的关系。
图①,若p1>p2>p3,则正反应为气体体积减小的反应,ΔH<0;
图②,若T1>T2,则ΔH<0,正反应为气体体积增大的反应。
4.几种特殊图像
(1)如下图,对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),M点前,表示化学反应从反应物开始,v正>v逆;M点为刚达到平衡的点;M点后为平衡受温度的影响情况,即升高温度,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。
(2)如下图,对于化学反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g),L线上所有的点都是平衡点。L线的左上方(E点),A的百分含量大于此压强时平衡体系的A的百分含量,所以E点满足v正>v逆;同理,L线的右下方(F点)满足v正1.(2025·贵州黔南模拟)T ℃时在2 L容积不变的密闭容器中发生反应:3A(g)
+B(s) 3C(g)+D(g)。反应过程中A、C、D的物质的量浓度变化如图所示。则下列结论不正确的是(　　)
A.曲线②代表物质C的变化
B.反应进行前2 min内,用B表示的反应速率
v(B)=0.2 mol·L-1·min-1
C.a点:v正>v逆
D.反应过程中体系压强逐渐增大
B
解析:A是反应物、C和D是生成物,三条曲线中有两条浓度增大、一条浓度减小,所以①代表A的变化,浓度变化量之比等于化学计量数之比,曲线②代表物质C的变化,曲线③代表物质D的变化。曲线②代表物质C的变化,故A正确;B是固体,不能用B的浓度变化表示反应速率,故B错误;a点后,A的浓度继续减小,反应正向进行,v正>v逆,故C正确;正反应气体物质的量增多,容器容积不变、温度不变,所以反应过程中体系压强逐渐增大,故D正确。
2.(2025·辽宁铁岭一模)在某密闭容器中,可逆反应:A(g)+B(g) xC(g)符合图Ⅰ所示关系,φ(C)表示C气体在混合气体中的体积分数。由此判断,下列关于图Ⅱ的说法不正确的是(　　)
A.p3>p4,y轴表示A的转化率
B.p3>p4,y轴表示B的转化率
C.p3>p4,y轴表示B的质量分数
D.p3>p4,y轴表示混合气体的平均摩尔质量
C
解析:由图Ⅰ可知,压强为p2时,温度为T1时先达到平衡状态,则温度:T1>T2;温度为T1时的φ(C)低于T2,说明升高温度,平衡逆向移动,该反应的ΔH<0;温度为T1,压强为p2时先达到平衡状态,则压强:p1p4,温度相同时,由p3→p4,减小压强,平衡逆向移动,A、B的转化率降低,压强相同时,升高温度,平衡逆向移动,A、B的转化率降低,与图像符合,A、B项正确;若p3>p4,相同温度时,由p3→p4,减小压强,平衡逆向移动,B的质量分数增大,与图像不符合,C项错误;若p3>p4,相同温度时,由p3→p4,减小压强,平衡逆向移动,气体的总质量不变,但其总物质的量增大,则混合气体的平均摩尔质量减小,压强不变时,升高温度,平衡逆向移动,气体总物质的量增大,则混合气体的平均摩尔质量减小,与图像符合,D项正确。
3.(2026·浙江部分学校选考)对于反应N2O4(g) 2NO2(g),在温度一定时,平衡体系中NO2的体积分数φ(NO2)随压强的变化情况如图所示。下列说法中正确的是(　　)
A.A、D两点对应状态的正反应速率大小关系:
v(A)>v(D)
B.A、B、C、D、E各点对应状态中,v(正)的是E
C.维持p1不变,E→A所需时间为t1,维持p2不变,D→C所需时间为t2,则t1=t2
D.欲使C状态沿平衡曲线到达A状态,从理论上,可由p2无限缓慢降压至p1达成
D
解析:增大压强,反应速率增大,D点压强大于A点压强,所以v(A)v(逆),D点NO2的体积分数大于平衡状态时的体积分数,反应向逆反应方向移动,此时v(正)p1,故t1>t2,C错误;p2无限缓慢降压至p1,压强减小,平衡向气体分子数增多的方向移动,故平衡正向移动,NO2的体积分数逐渐增加,D正确。
4.用(NH4)2CO3捕获CO2的反应为(NH4)2CO3(aq)+H2O(l)+CO2(g)
2NH4HCO3(aq)。为研究温度对(NH4)2CO3捕获CO2效率的影响,将一定量的(NH4)2CO3溶液置于密闭容器中,并充入一定量的CO2气体,保持其他初始实验条件不变,分别在不同温度下,经过相同时间测得CO2气体浓度,得到如图所示的趋势图。
(1)c点的逆反应速率和d点的正反应速率的大小关系为v逆(c)____(填“>”“=”或“<”)v正(d)。
解析:温度越高,反应速率越大,d点温度高,故c点的逆反应速率小于d点的正反应速率。
(2)b、c、d三点的平衡常数Kb、Kc、Kd从大到小的顺序为__________。
(3)T3~T4温度区间,容器内CO2气体浓度呈现增大的变化趋势,其原因是______________________________________________________________________________。
解析:根据题图可知,温度为T3时反应达到平衡,此后温度升高,c(CO2)增大,说明平衡逆向移动,正反应是放热反应,故Kb>Kc>Kd。
<
Kb>Kc>Kd
温度为T3时化学反应达到平衡,正反应是放热反应,T3~T4区间温度升高,平
衡逆向移动
三
考点三 实际生产中的陌生图像
1.解答陌生图像题的思维步骤
(1)识别图像类型。即明确横坐标和纵坐标的含义,理清线和点(平台、折线、拐点等)的关系。
(2)把握反应特点。即分析可逆反应的化学方程式,观察物质的状态、气态物质分子数的变化(正反应是气体分子数增大的反应,还是气体分子数减小的反应)、反应热(正反应是放热反应,还是吸热反应)等。
(3)联想平衡原理。联想化学反应速率、化学平衡移动原理,特别是影响因素及使用前提条件等。
(4)数形结合解答。图表与原理结合,逐项分析图表,重点看图表是否符合可逆反应的特点、化学反应速率和化学平衡移动原理。
2.多平衡体系中平衡常数的计算
(1)连续反应
连续平衡是指两个可逆反应有着关联,第一个反应的某生成物,是第二个反应的反应物。解题时要注意如果该物质是第一个反应的生成物,第二个反应的反应物,则在第一个反应中,该物质的初始量为0,它的平衡量则为第二个反应中该物质的初始量。
(2)竞争反应(平行反应)
平行反应是指反应物能同时平行地进行两个或两个以上的不同反应,得出不同的产物。其中反应较快或产物在混合物中所占比率较高的称为主反应,其余称为副反应。解题时要注意如果一个物质是两个平行反应的反应物,则题目中所给初始量是该物质在这两个反应中的初始量之和。
(3)解题思路
解题关键是理清守恒关系:反应体系中,任何状态均遵循原子守恒,利用原子守恒和“三段式”理清起始量、转化量、平衡量之间的关系。解题基本思路如下:
1.(2025·福建龙岩一模)萨巴蒂尔装置可将CO2转化为H2O,再通过电解水装置回收氧元素,其系统原理如图:
萨巴蒂尔装置内发生的反应为
反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41.1 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g) ΔH2=-206 kJ·mol-1
(1)已知原料气中含有1 mol CO2及4 mol H2在萨巴蒂尔装置中发生反应,达平衡时,各组分物质的量分数随温度变化如图所示。
300 ℃达平衡时,总压为p,则反应Ⅱ的Kp=______
(列出计算式,Kp为以分压表示的平衡常数,分压=
总压×物质的量分数);此时氧元素的回收率为
__________________________________________
。
解析:随温度升高,反应Ⅰ正向移动,反应Ⅱ逆向移动,所以CO的含量增多、甲烷的含量减少,则d表示CO、b表示CH4、a表示H2O,300 ℃达平衡时,总压为p,则反应Ⅱ的Kp=;含氧元素的物质有CO2、CO、H2O,CO2、CO、H2O的物质的量分数分别为y%、z%、w%,所以此时氧元素的回收率为×100%;含有氢元素的物质有H2、H2O、CH4,H2、H2O、CH4的物质的量分数分别为w%、w%、x%,H的总量为O的总量的4倍,所以此时氧元素的回收率为×100%;含有碳元素的物质有CO2、CO、CH4,CO2、CO、CH4的物质的量分数分别为y%、z%、x%,O的总量为C的总量的2倍,所以此时氧元素的回收率为×100%。
(2)萨巴蒂尔系统中不能先进行低温反应,再进行高温反应的原因是______________________________________________________________________________________________________。
解析:反应Ⅰ吸热,若先进行低温反应,反应Ⅰ速率小且转化率低,生成CO和H2O少,导致反应Ⅱ正向进行程度小,氧元素回收率很低,所以萨巴蒂尔系统中不能先进行低温反应,再进行高温反应。
若先进行低温反应,反应Ⅰ速率小且转化率低,生成CO和H2O少,导致反应Ⅱ正向进行程度小,氧元素回收率很低
2.(2025·河南名校学术联盟二模)Ⅰ.研发二氧化碳利用技术、降低空气中二氧化碳含量成为研究热点。CO2加氢转化为二甲醚(CH3OCH3)的反应过程如下:
反应a.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49.1 kJ·mol-1
反应b.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
反应c.2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH3=-23.4 kJ·mol-1
在恒温恒容密闭容器中充入3 mol H2和1 mol CO2发生上述反应a、b、c,初始压强为2 MPa。CO2的平衡转化率、二甲醚和CO生成物的选择性随温度变化如图所示。
已知:含碳生成物A的选择性=×100%。
(1)L2表示CO2平衡转化率的曲线,该曲线在260 ℃之后呈上升趋势的原因是______________________________________________________________
________________________。
解析:随着温度的升高,反应a和反应c平衡逆向移动、反应b平衡正向移动,温度的变化对反应a和反应b影响不同,由题意可知L2为CO2平衡转化率的曲线,则L1为CO选择性的曲线、L3为CH3OCH3选择性的曲线,260 ℃之前主要发生反应a,反应a放热,升高温度,其平衡逆向移动,CO2平衡转化率降低;260 ℃之后主要发生反应b,反应b吸热,升高温度,其平衡正向移动,CO2平衡转化率增大。
260 ℃之后主要发生反应b,反应b吸热,升高温度,其平衡正向移动,CO2平衡转化率增大
(2)260 ℃达到平衡状态时,H2的转化率α(H2)=____%,反应b用气体分压表示的平衡常数Kp=______[如p分压(CO2)=p总×CO2的体积分数](以整数比表示即可)。
38
解析:由图像可知,260 ℃时,CO2平衡转化率曲线和CH3OCH3选择性的曲线相交,CO2平衡转化率和CH3OCH3选择性均为50%,则CO2共转化了0.5 mol,CO的选择性为36%,则CO平衡时物质的量为1 mol×50%×36%=
0.18 mol,二甲醚平衡时物质的量为1 mol×50%×50%×=0.125 mol,甲醇的选择性为1-36%-50%=14%,则甲醇平衡时物质的量为1 mol×50%×
14%=0.07 mol,可列出三个反应的转化量情况:
a.　 　　 　 　CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)　 + 　H2O(g)
转化量/mol: 　 0.32　　0.96　　0.07+0.25=0.32　　0.32
b.　 　　 　 　CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)
转化量/mol: 　 0.18　 0.18　　　0.18　0.18
c.　 　 　　　2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g)
转化量/mol: 　 0.25　　　　　0.125　　　0.125
则平衡时容器内n(H2)=(3-0.96-0.18) mol=1.86 mol、n(CO2)=0.5 mol、n(CH3OH)=0.07 mol、n(H2O)=(0.32+0.18+0.125)=0.625 mol、n(CO)=0.18 mol、n(CH3OCH3)=0.125 mol,260 ℃达到平衡状态时,α(H2)=
×100%=38%,反应b用气体分压表示的平衡常数Kp=
。
四
真题演练 感悟高考
1.(2025·山东卷)在恒容密闭容器中,Na2SiF6(s)热解反应所得固相产物和气相产物均为含氟化合物。平衡体系中各组分物质的量随温度的变化关系(实线部分)如图所示。已知:T2温度时,Na2SiF6(s)完全分解;体系中气相产物在T1、T3温度时的分压分别为p1、p3。下列说法错误的是(　　)
A.a线所示物种为固相产物
B.T1温度时,向容器中通入N2,气相产物分压
仍为p1
C.p3小于T3温度时热解反应的平衡常数Kp
D.T1温度时,向容器中加入b线所示物种,
重新达平衡时逆反应速率增大
D
解析:Na2SiF6(s)热解反应所得固相产物和气相产物均为含氟化合物,则其分解产物为NaF(s)和SiF4(g),其分解的化学方程式为Na2SiF6(s)
2NaF(s)+SiF4(g),根据题图数据分析可知,a线代表NaF(s)物质的量随温度的变化关系,b线代表SiF4(g)物质的量随温度的变化关系,c线代表Na2SiF6(s)物质的量随温度的变化关系。由各线的走势可知,该反应为吸热反应,温度升高,化学平衡正向移动。a线所示物种为NaF(s),NaF(s)为固相产物,A正确;
T1温度时,向容器中通入N2,恒容密闭容器的容积不变,各组分的浓度不变,化学平衡不发生移动,虽然总压变大,但是气相产物分压不变,仍为p1,B正确;该反应的平衡常数Kp=p(SiF4),由题图可知,温度越高,Na2SiF6分解程度越大,升温,Kp增大,已知T2温度时,Na2SiF6(s)完全分解,则升温至T3时,无法释放更多的SiF4,故p3小于T3温度时热解反应的平衡常数Kp,C正确;据分析可知,b线所示物种为SiF4(g),恒容密闭容器的平衡体系的气相产物只有SiF4(g),Kp=p(SiF4),温度不变Kp不变,T1温度时向容器中加入SiF4(g),重新达平衡时p(SiF4)不变,则逆反应速率不变,D错误。
2.(2025·江苏卷)甘油(C3H8O3)水蒸气重整获得H2过程中的主要反应:
反应Ⅰ　C3H8O3(g)===3CO(g)+4H2(g)　ΔH>0
反应Ⅱ　CO(g)+H2O(g)===CO2(g)+H2(g)　ΔH<0
反应Ⅲ　CO2(g)+4H2(g)===CH4(g)+2H2O(g)　ΔH<0
1.0×105 Pa条件下,1 mol C3H8O3和9 mol H2O发生上述反应达平衡状态时,体系中CO、H2、CO2和CH4的物质的量随温度变化的理论计算结果如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.550 ℃时,H2O的平衡转化率为20%
B.550 ℃反应达平衡状态时,n(CO2)︰n(CO)=11︰25
C.其他条件不变,在400~550 ℃范围,平衡时H2O的物
质的量随温度升高而增大
D.其他条件不变,加压有利于增大平衡时H2的物质
的量
A
解析:550 ℃时,曲线①所表示的物质的物质的量是5 mol,根据原子守恒,n(C)=3 mol,则曲线①不可能表示含碳粒子,故曲线①表示H2物质的量随温度变化的曲线;升高温度,反应Ⅰ平衡正向移动,反应Ⅱ平衡逆向移动,CO的物质的量增大,则曲线③代表CO物质的量随温度变化的曲线;温度升高,反应Ⅲ平衡逆向移动,CH4物质的量降低,则曲线②代表CH4物质的量随温度变化的曲线,据此解答。550 ℃时,n(H2)=5 mol,n(CO2)=2.2 mol,n(CH4)=n(CO)=0.4 mol,根据C原子守恒,可得n(C3H8O3)=
=0 mol,根据O原子守恒,可得n(H2O)=
=7.2 mol
(也可利用H原子守恒计算,结果相同),则α(H2O)=×100%=
20%,A正确;550 ℃时,n(CO2)=2.2 mol,n(CO)=0.4 mol,则n(CO2)︰n(CO)=11︰2,B错误;其他条件不变,在400~550 ℃范围,随温度升高,反应Ⅱ、Ⅲ平衡均逆向移动,n(CO2)增大,说明反应Ⅲ逆向移动程度更大,则H2O的物质的量随温度升高而减小,C错误;增大压强,反应Ⅰ平衡逆向移动,反应Ⅱ平衡不移动,反应Ⅲ平衡正向移动,平衡时H2的物质的量减小,D错误。
3.(2025·安徽卷节选)甲烷和二氧化碳重整是制取合成气(CO和H2)的重要方法,主要反应有:
①CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)
②CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)
③CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)
恒温恒压密闭容器中,投入不同物质的量之
比的CH4/CO2/Ar混合气,投料组成与CH4和
CO2的平衡转化率之间的关系如图。
(1)投料组成中Ar含量下降,平衡体系中n(CO)︰n(H2)的值将_____(填“增大”“减小”或“不变”)。
解析:由题图知,随着投料组成中Ar含量下降,CO2的平衡转化率大于CH4的平衡转化率,说明反应②的正向进行程度大于反应③的正向进行程度,则n(CO)︰n(H2)的值将增大。
增大
(2)若平衡时Ar的分压为p kPa,根据a、b两点计算反应③的平衡常数Kp=__________(kPa)2(用含p的代数式表示,Kp是用分压代替浓度计算的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
0.675p2
解析:设初始投料:n(CH4)=4 mol、n(CO2)=4 mol、n(Ar)=2 mol,平衡时,甲烷转化率为20%,二氧化碳的转化率为30%,则平衡时:n(CH4)=4 mol-4 mol×20%=3.2 mol;n(CO2)=4 mol-4 mol×30%=2.8 mol;根据碳原子守恒:n(CO)=8 mol-n(CH4)-n(CO2)=8 mol-3.2 mol-2.8 mol=2 mol;根据氧原子守恒:n(H2O)=8 mol-n(CO)-2n(CO2)=8 mol-2 mol-2×2.8 mol=0.4 mol;根据氢原子守恒:n(H2)=8 mol-2n(CH4)-n(H2O)=8 mol-2×3.2 mol-0.4 mol=1.2 mol;平衡时,气体总物质的量为3.2 mol+2.8 mol+2 mol+0.4 mol+1.2 mol+2 mol=11.6 mol,Ar的分压为p kPa,则总压为5.8p kPa,p(H2)=×5.8p kPa=0.6p kPa、p(CO)=×5.8p kPa=p kPa、p(CH4)=×5.8p kPa=1.6p kPa、p(H2O)=
×5.8p kPa=0.2p kPa,反应③的平衡常数Kp=(kPa)2=0.675p2(kPa)2。
4.(2025·黑吉辽蒙卷节选)乙二醇是一种重要化工原料,以合成气(CO、H2)为原料合成乙二醇具有重要意义。间接合成法:用合成气和O2制备的DMO合成乙二醇,发生如下3个均放热的连续反应,其中MG生成乙二醇的反应为可逆反应。
在2 MPa、Cu/SiO2催化、固定流速条件下,发生上述反应,初始氢酯比=52.4,出口处检测到DMO的实际转化率及MG、乙二醇、乙醇的选择性随温度的变化曲线如图所示[某物质的选择性=×100%]。
(1)已知曲线Ⅱ表示乙二醇的选择性,则曲线____(填图中标号,下同)表示DMO的转化率,曲线____表示MG的选择性。
解析:根据间接合成法的3个连续反应可知,消耗的DMO的物质的量等于MG、乙二醇、乙醇的物质的量之和。根据物质选择性的定义,三种产物在任一温度下的选择性之和为100%,故曲线Ⅰ为DMO的实际转化率曲线;又已知曲线Ⅱ为乙二醇的选择性曲线,观察曲线Ⅱ和曲线Ⅳ可知,随着反应的进行MG逐渐转化为乙二醇,故曲线Ⅳ为MG的选择性曲线,因此曲线Ⅲ为乙醇的选择性曲线。
Ⅰ
Ⅳ
(2)483 K时,出口处的值为______(精确至0.01)。
解析:483 K时,DMO的实际转化率为99%,设起始投入反应的DMO为100 mol,则出口处流出的乙醇的物质的量为100 mol×99%×2%=1.98 mol,此时还有1 mol DMO未反应,因此出口处=1.98。
1.98
(3)A点反应MG(g)+2H2(g) HOCH2CH2OH(g)+CH3OH(g)的浓度商Qx=
_________(用物质的量分数代替浓度计算,精确至0.001)。
0.025
解析:设初始时H2与DMO的投料分别为52.4 mol和1 mol,A点时DMO的实际转化率为80%,MG和乙二醇的选择性均为50%,A点没有生成乙醇,只涉及前两个反应,反应分步进行,第一步发生DMO转化为MG,可写出如下关系:
　 　　　　　　　　　DMO(g)+2H2(g)===MG(g)+CH3OH(g)
起始物质的量/mol　　　1　　　 52.4　　　 0　　　 0
反应物质的量/mol　　　0.8　　 1.6　　　　0.8　　　0.8
终了物质的量/mol　　　0.2　　 50.8　 　　0.8　　　0.8
第二步反应,MG转化为乙二醇,可写出如下关系:
　　 　　　　　　　MG(g)+2H2(g) HOCH2CH2OH(g)+CH3OH(g)
起始物质的量/mol　　0.8　　50.8　　　　　 0　　　　　 0.8
反应物质的量/mol　　0.4　　0.8　　　　　　0.4　　　　　 0.4
终了物质的量/mol　　0.4　　50.0　　 　 　 0.4　　　　　 1.2
这时,体系中DMO的物质的量为0.2 mol、MG的物质的量为0.4 mol、H2的物质的量为50.0 mol、CH3OH的物质的量为1.2 mol、乙二醇的物质的量为0.4 mol,体系中气体总物质的量为0.2 mol+0.4 mol+50.0 mol+1.2 mol+0.4 mol=52.2 mol。用物质的量分数代替浓度计算反应的浓度商
Qx=≈0.025。
五
课时作业44
1.(4分)(2025·广东广州模拟)一定条件下,NH3在恒容密闭容器中发生分解反应:2NH3(g) N2(g)+3H2(g)　ΔH>0,v(NH3)随时间的变化如图所示。已知t1时反应达到平衡,t2时改变某单一条件(浓度、温度或催化剂等),下列说法不正确的是(　　)
A.由0~t1 min,H2的浓度不断增大
B.由t1~t2 min,2v正(H2)=3v逆(NH3)
C.t2 min时,可能向容器中通入了N2
D.平衡常数KⅠ可能小于KⅡ
D
解析:由图可知,0~t1 min的过程为氨气分解建立平衡的过程,反应中氢气的浓度不断增大,故A正确;由图可知,t1 min时反应达到平衡,正、逆反应速率相等,则t1~t2 min的过程中,2v正(H2)=3v逆(NH3),故B正确;由图可知,t2 min时条件改变的瞬间,逆反应速率增大,可能是通入氮气,增大了生成物的浓度,故C正确;由图可知,t2 min时条件改变的瞬间,逆反应速率增大,随后减小,说明平衡向逆反应方向移动,该反应的正反应是吸热反应,若改变条件为升高温度,平衡正向移动,与图示不符合,所以改变条件不可能是升高温度,则反应的平衡常数KⅠ不可能小于KⅡ,故D错误。
2.(4分)(2025·辽宁沈阳模拟)用O3氧化烟气中的SO2时,发生反应:SO2(g)+
O3(g) SO3(g)+O2(g)　ΔH1=-241.6 kJ·mol-1。现向2 L密闭容器中通入2 mol SO2和2 mol O3发生上述反应,SO3的浓度随时间(t)的变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.当混合气体的平均摩尔质量不变时,反应达到
平衡状态
B.t1 min时,可能向容器中充入了一定量的SO3
C.t1 min后,SO2的平衡转化率为75%
D.正反应速率:a>b>c
C
解析:该反应中气体的总质量和总物质的量均不变,故混合气体的平均摩尔质量始终不变,当混合气体的平均摩尔质量不变时,不能说明反应达到平衡状态,A错误;t1 min时,若向容器中充入一定量的SO3,会使平衡逆向移动,SO3的浓度在1.50 mol/L的基础上会逐渐减小,与图像不符,B错误;t1 min时,SO2的平衡转化率为×100%=75%,t1 min时改变条件后SO3的浓度增大但之后不发生变化,说明平衡并没有发生移动,因此t1 min后,SO2的平衡转化率依然为75%,C正确;c点SO3的浓度最大,且为平衡状态,因此正反应速率:c>b,D错误。
3.(4分)(2025·福建莆田模拟)已知A(g)+B(g) 2C(g),反应过程中C的百分含量与温度关系如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.正反应速率:v(c)>v(d)>v(b)
B.化学平衡常数:K(d)>K(c)
C.c点向d点变化时,v正D.d点状态加入合适的催化剂可使C的百分含量增大
解析:温度越高,反应速率越大,则正反应速率:v(d)>v(c)>v(b),A错误;分析题图可知,正反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,K减小,则化学平衡常数:K(d)C
4.(4分)(2025·安徽合肥三模)向起始温度为T ℃、容积为10 L的两个相同的密闭容器中,均充入1 mol N2O和4 mol CO的混合气,保持其中一个容器恒温,另一个绝热,发生反应N2O(g)+CO(g) N2(g)+CO2(g)　ΔH。两容器中N2O的转化率随时间的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.ΔH>0
B.曲线M表示恒温容器
C.Q点的正反应速率大于P点的正反应速率
D.0~100 s内,曲线N表示的容器内v(CO)=
4×10-4 mol·L-1·s-1
C
解析:曲线M表示的容器先平衡,说明温度高,但是N2O的平衡转化率比N低,说明升高温度,平衡逆向移动,则反应为放热反应,ΔH<0,故A错误;由A项可知,反应为放热反应,绝热容器温度会升高,M表示绝热容器,故B错误;Q点和P点均没有平衡,N2O的转化率相同,M是绝热容器,则Q点温度高于P,故Q点的正反应速率大于P点的正反应速率,故C正确;0~100 s内,曲线N表示的容器N2O的转化率为10%,反应的N2O为0.1 mol,结合方程式可知,反应掉的CO为0.1 mol,v(CO)==1×10-4 mol·L-1·s-1,故D错误。
5.(4分)(2025·四川绵阳模拟)某恒容密闭容器中充入一定量SO2和O2进行反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0,图甲表示反应速率(v)与温度(T)的关系、图乙表示T1时,平衡体系中SO2的体积分数与压强(p)的关系。下列说法正确的是(　　)
A.图甲中,曲线1表示正反应速率与温度
的关系
B.图乙中,a、b两点的反应速率:va>vb
C.图甲中,d点时,混合气体的平均摩尔质
量不再改变
D.图乙中,c点的正、逆反应速率:v逆C
解析:反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH<0,正反应放热,升高温度,平衡逆向移动,逆反应速率大于正反应速率,则曲线1表示逆反应速率与温度的关系,故A错误;温度恒定时,a、b两点对应的压强是b的大,压强越大,反应速率越快,a、b两点对应的反应速率:vav正,故D错误。
6.(4分)甲烷还原二氧化碳是实现“双碳”目标的有效途径之一,常压、催化剂作用下,按照CO2和CH4的物质的量之比3︰1投料。有关反应如下:
反应Ⅰ:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH1=+247 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41 kJ·mol-1
某一时段内,CH4和CO2的转化率随温度变化如图所示。
已知:CO2的转化效率R=。
下列分析不正确的是(　　)
A.根据反应Ⅰ、Ⅱ,低压高温有利于提高CO2的平衡转化率
B.500 ℃时,CO2转化的R值为1.5
C.由400 ℃升高到600 ℃,含氢产物中水的占比增大
D.由700 ℃升高到1 000 ℃,CO2的转化效率逐渐增大
C
解析:反应Ⅰ是气体分子数增大的吸热反应,反应Ⅱ是气体分子数不变的吸热反应,升高温度均有利于反应Ⅰ、Ⅱ的平衡正向移动,提高CO2的平衡转化率,且降低压强有利于反应Ⅰ的平衡正向移动,c(H2)增大可促进反应Ⅱ的平衡正向移动,也可提高CO2的平衡转化率,所以低压高温有利于提高CO2的平衡转化率,故A正确;由图可知,500 ℃时CO2的转化率为20%,CH4的转化率为40%,CO2的转化效率为=1.5,故B正确;由图可知,温度由400 ℃升高到600 ℃时,CH4转化率的增大幅度远大于CO2,则此时主要发生反应Ⅰ,且只有反应Ⅱ生成水,所以含氢产物中水的占比减小,故C错误;由图可知,由700 ℃升高到1 000 ℃时Δn(CO2)变化幅度较大,Δn(CH4)变化幅度较小,则CO2的转化效率逐渐增大,故D正确。
7.(4分)(2025·江西赣州模拟)甲烷水蒸气重整制合成气[CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)　ΔH]是利用甲烷资源的途径之一,其他条件相同时,在不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下,反应相同时间后,CH4的转化率随反应温度的变化如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.该反应ΔH>0
B.平衡常数:Ka=KbC.催化剂催化效率:Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ
D.增大压强,v正增大倍数小于v逆增大倍数
C
解析:随着温度升高,甲烷的转化率也在增大,说明平衡正向移动,温度升高反应向吸热方向移动,因此该反应ΔH>0,故A正确;平衡常数只受温度影响,温度相同,同一反应的平衡常数也相同,该反应的正反应方向为吸热反应,升高温度K增大,Ka=KbⅡ>Ⅲ,故C错误;增大压强,平衡向气体体积减小的方向移动,即反应逆向移动,说明v正增大倍数小于v逆增大倍数,故D正确。
8.(4分)(2025·湖南岳阳模拟)在一定的温度和压强下,将按一定比例混合的CO2和H2通过装有催化剂的反应器可得到甲烷。
已知:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-165 kJ·mol-1
CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH=+41 kJ·mol-1
催化剂的选择是CO2甲烷化技术的核心。在两种不同催化剂作用下反应相同时间,测得CO2转化率和生成CH4选择性随温度变化的影响如图所示。
CH4选择性=×100%
下列有关说法错误的是(　　)
A.CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g)　ΔH=-206 kJ·mol-1
B.延长W点的反应时间,能提高CO2的转化率
C.在260~320 ℃,以Ni-CeO2为催化剂,升高温度CH4的产率不变
D.选择合适的催化剂、合适的温度有利于提高CH4的选择性
C
解析:利用盖斯定律,将第一个反应减去第二个反应可得CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g)　ΔH=-165 kJ·mol-1-(+41 kJ·mol-1)=-206 kJ·mol-1,A正确;W点反应温度约为280 ℃,CH4的选择性在95%以上,则生成CH4的反应为主反应,由题图可知,在一定范围内升高温度,CO2的转化率增大,则表明反应未达平衡,所以延长W点的反应时间,能提高CO2的转化率,B正确;在260~320 ℃,以Ni-CeO2为催化剂,升高温度CH4的选择性基本不变,但CO2的转化率增大,则CH4的产率增大,C错误;比较Ni和Ni-CeO2两种催化剂的催化效果,在260~320 ℃、使用Ni-CeO2时,CH4的选择性高,则选择合适的催化剂、合适的温度有利于提高CH4的选择性,D正确。
9.(4分)(2026·江苏丹阳高级中学期中)基于单簇催化剂(SCC)的NO还原反应(NORR)的主要反应如下:
(Ⅰ)2NO(g)+2H2(g) N2(g)+2H2O(g) ΔH1
(Ⅱ)2NO(g)+5H2(g) 2NH3(g)+2H2O(g) ΔH2
(Ⅲ)N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)　ΔH3
在T ℃、100 kPa反应条件下,向密闭容器中充入
2 mol NO和6 mol H2,发生上述反应,测得含氮元素占比[如N2的含氮元素占比=×100%]与时间的关系如图所示。
已知:反应Ⅱ为快速平衡,可认为不受慢反应Ⅰ、Ⅲ的影响;K为用物质的量分数表示的平衡常数。下列有关说法正确的是(　　)
A.反应Ⅱ的ΔH2>0
B.曲线c表示的是氨气的含氮元素占比
C.若选择对反应Ⅱ催化效果更好的催化剂,则F点将平移至E点
D.若95 min时达到平衡,则反应Ⅲ的平衡常数K的计算式为
D
解析:反应Ⅱ是气体量减少的反应,ΔS<0,反应快速自发进行,ΔG=ΔH2-TΔS<0,故该反应的ΔH2<0,A错误;起始的含氮物质只有一氧化氮,反应Ⅱ为快反应,曲线a表示的物质快速减少,故曲线a表示NO,NH3快速增加,故曲线b表示氨气,曲线表示c氮气,B错误;若选择对反应Ⅱ催化效果更好的催化剂,反应Ⅱ会更快,生成NH3达到最高点所用时间短,NH3的占比更大,因此F点可能移向E点上方的某个点,C错误;起始时充入2 mol NO、6 mol H2,若95 min时达到平衡,则由图知,NO的含氮元素占比为6%,n(NO)=2 mol×6%=0.12 mol,N2的含氮元素占比为86%,
n(N2)==0.86 mol,NH3的含氮元素占比为100%-6%-86%=8%,n(NH3)=2 mol×8%=0.16 mol,由氧原子守恒得,n(H2O)=2 mol-0.12 mol=1.88 mol,由氢原子守恒得,n(H2)==3.88 mol,此时气体总物质的量为(0.12+0.86+0.16+1.88+3.88) mol=6.9 mol,N2的物质的量分数为,H2的物质的量分数为,NH3的物质的量分数为,则反应Ⅲ的平衡常数K=,D正确。
10.(19分)(2024·安徽卷节选)乙烯是一种用途广泛的有机化工原料。由乙烷制乙烯的研究备受关注。回答下列问题:
【乙烷制乙烯】
(1)C2H6直接脱氢反应为C2H6(g)===C2H4(g)+H2(g)　ΔH4,C2H6的平衡转化率与温度和压强的关系如图所示,则ΔH4____
(填“>”“<”或“=”)0。结合下图,下列条件
中,达到平衡时转化率最接近40%的是____
(填字母)。
a.600 ℃,0.6 MPa
b.700 ℃,0.7 MPa
c.800 ℃,0.8 MPa
>
b
解析:从图中可知,压强相同的情况下,随着温度升高,C2H6的平衡转化率增大,因此该反应为吸热反应,ΔH4>0。600 ℃,0.6 MPa时,C2H6的平衡转化率约为20%,700 ℃,0.7 MPa时,C2H6的平衡转化率约为50%,800 ℃,0.8 MPa时,C2H6的平衡转化率接近80%,b符合题意。
(2)一定温度和压强下
反应ⅰ　C2H6(g) C2H4(g)+H2(g)　Kx1
反应ⅱ　C2H6(g)+H2(g) 2CH4(g)　Kx2(Kx2远大于Kx1)(Kx是以平衡物质的量分数代替平衡浓度计算的平衡常数)
①仅发生反应ⅰ时,C2H6的平衡转化率为25.0%,计算Kx1=。
②同时发生反应ⅰ和ⅱ时,与仅发生反应ⅰ相比,C2H4的平衡产率____(填“增大”“减小”或“不变”)。
增大
解析:①仅发生反应ⅰ,设初始时C2H6物质的量为1 mol,平衡时C2H6转化率为25%,则消耗C2H6 0.25 mol,生成C2H4 0.25 mol,生成H2 0.25 mol,平衡时n(C2H6)=(1-0.25) mol=0.75 mol,则n(总)=0.75 mol+0.25 mol+0.25 mol=1.25 mol,Kx1=。②只发生反应ⅰ时,随着反应进行,气体总物质的量增大,压强增大促使化学平衡逆向移动,同时发生反应ⅰ和反应ⅱ,且从题干可知Kx2远大于Kx1,反应ⅱ为等体积反应,因为反应ⅱ的发生相当于在单独发生反应ⅰ的基础上减小了压强,则反应ⅰ化学平衡正向移动,C2H4平衡产率增大。
【乙烷和乙烯混合气的分离】
(3)常温常压下,将C2H4和C2H6等体积混合,以一定流速通过某吸附剂。测得两种气体出口浓度(c)与进口浓度(c0)之比随时间变化关系如图所示。下列推断合理的是____(填字母)。
A.前30 min,两种气体均未被吸附
B.p点对应的时刻,出口气体的主要成分是C2H6
C.a~b对应的时间段内,吸附的C2H6逐渐被C2H4
替代
BC
解析:前30 min,等于0,出口浓度(c)为0,说明两种气体均被吸附,A错误;p点时,C2H6对应的约为1.75,出口处C2H6浓度较大,而C2H4对应的较小,出口处C2H4浓度较小,说明此时出口处气体的主要成分为C2H6,B正确;a点处C2H6的=1,说明此时吸附剂对C2H6饱和,而a点后C2H6的>1,说明原来吸附在吸附剂上的C2H6也开始脱落,同时从图中可知,a点后一段时间,C2H4的仍为0,说明是吸附的C2H6逐渐被C2H4替代,p点到b点之间,吸附的C2H6仍在被C2H4替代,但是速率相对之前有所减小,C正确。
Thank you
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