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2024届高考化学一轮复习专题7第36讲化学反应速率与平衡的图像解答策略能力学案
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这是一份2024届高考化学一轮复习专题7第36讲化学反应速率与平衡的图像解答策略能力学案，共31页。
模型建构
图像试题的一般解题思路
(2021·广东选择性考试，T19节选)我国力争于2030年前做到碳达峰，2060年前实现碳中和。CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一。该重整反应体系主要涉及以下反应：
a)CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) ΔH1
b)CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2
c)CH4(g)C(s)＋2H2(g) ΔH3
d)2CO(g)CO2(g)＋C(s) ΔH4
e)CO(g)＋H2(g)H2O(g)＋C(s) ΔH5
设Keq \\al(r,p)为相对压力平衡常数，其表达式写法：在浓度平衡常数表达式中，用相对分压代替浓度。气体的相对分压等于其分压(单位为kPa)除以p0(p0＝100 kPa)。
反应a、c、e的ln Keq \\al(r,p)随eq \f(1,T)(温度的倒数)的变化如图所示。
(1)反应a、c、e中，属于吸热反应的有______(填字母)。
(2)反应c的相对压力平衡常数表达式为Keq \\al(r,p)＝________。
(3)在图中A点对应温度下、原料组成为n(CO2)∶n(CH4)＝1∶1、初始总压为100 kPa的恒容密闭容器中进行反应，体系达到平衡时H2的分压为40 kPa。计算CH4的平衡转化率，写出计算过程：
________________________________________________________________
_______________________________________________________________。
[思路分析] (1)eq \b\lc\ \rc\}(\a\vs4\al\c1(ln K\\al(r,p)越大，K\\al(r,p)越大,\f(1,T)越大，T越小))⇒随温度的升高Keq \\al(r,p)的变化趋势⇒a、c反应为吸热反应，e反应为放热反应。
(3)A点c反应的ln Keq \\al(r,p)＝0⇒Keq \\al(r,p)＝1＝eq \f(p2H2,pCH4·p0)⇒p(CH4)＝eq \f(p2H2,p0)＝eq \f(402,100) kPa＝16 kPa；又p初始(CH4)＝eq \f(1,1＋1)×100 kPa＝50 kPa⇒α(CH4)＝eq \f(50－16,50)×100%＝68%。
[答案] (1)ac (2)eq \f(p2H2,pCH4·p0) (3)A点对应温度下，c反应的ln Keq \\al(r,p)＝0，Keq \\al(r,p)＝1＝eq \f(p2H2,pCH4·p0)，故p(CH4)＝eq \f(p2H2,p0)＝eq \f(402,100) kPa＝16 kPa，又p初始(CH4)＝eq \f(1,1＋1)×100 kPa＝50 kPa，所以，α(CH4)＝eq \f(50－16kPa,50 kPa)×100%＝68%
分类突破
速率图像
1．瞬时速率图像
(1)浓度改变(无断点)
平衡正向移动 平衡逆向移动
(2)温度、压强改变(有断点)
eq \a\vs4\al(平衡向吸热,方向移动) eq \a\vs4\al(平衡向气体体积,减小方向移动)
(3)加催化剂或等体积反应的改变压强
2．全程速率—时间图(ΔH<0)
原因解释：AB段(v增大)，因为反应放热，随反应的进行，温度逐渐升高，反应速率逐渐增大；BC段(v减小)，因为随反应的进行，反应物浓度减小。
3．速率—温度或压强图像
曲线的意义是外界条件(如温度、压强等)对正、逆反应速率影响的变化趋势及变化幅度。图中交点是平衡状态，压强或温度增大，正反应速率增大得快，平衡正向移动。
1．(2022·常州检测)NO和O2混合后可发生反应：①2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)、②2NO2(g)N2O4(g)，反应体系中含氮物质的物质的量浓度c随着时间t的变化曲线如图所示。下列说法正确的是( )
A．c为c(NO2)随t的变化曲线
B．t1时，c(NO) ＋c(NO2)＋c(N2O4)＝c0
C．t2时刻，NO2的消耗速率大于生成速率
D．t3时，反应①和②均达到化学平衡状态
C [NO和O2混合后可发生反应：①2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)、②2NO2(g)N2O4(g)，反应过程中NO浓度一直减小，NO2浓度先增大后减小，N2O4浓度一直增大，a、b、c分别代表NO、NO2、N2O4的浓度随t的变化曲线，以此解答。A.根据题给反应，结合题图中各物质浓度变化情况可知，a、b、c分别代表NO、NO2、N2O4的浓度随t的变化曲线，A说法错误；B.根据物料守恒可知，任意时刻c(NO)＋c(NO2) ＋2c(N2O4)＝c0，B说法错误；C.由题图可知，t2时刻以后，NO2的浓度在减小，故此时NO2的消耗速率大于生成速率，C说法正确；D.t3时N2O4的浓度不变，NO的浓度变为0，说明反应②达到化学平衡状态，反应①不是可逆反应，没有平衡状态，故D错误。]
常规平衡图像
1．转化率(或百分含量)—时间—温度(或压强)图像
已知不同温度或压强下，反应物的转化率α(或百分含量)与时间的关系曲线，推断温度的高低及反应的热效应或压强的大小及气体物质间的化学计量数的关系。
[以mA(g)＋nB(g)pC(g)中反应物A的转化率αA为例说明]
(1)“先拐先平，数值大”原则
分析反应由开始(起始物质相同时)达到平衡所用时间的长短可推知反应条件的变化。
①若为温度变化引起，温度较高时，反应达平衡所需时间短。如图甲中T2>T1。
②若为压强变化引起，压强较大时，反应达平衡所需时间短。如图乙中p1>p2。
③若为使用催化剂引起，使用适宜催化剂时，反应达平衡所需时间短。如图丙中a使用催化剂。
(2)正确掌握图像中反应规律的判断方法
①图甲中，T2>T1，升高温度，αA降低，平衡逆向移动，正反应为放热反应。
②图乙中，p1>p2，增大压强，αA升高，平衡正向移动，则正反应为气体体积减小的反应。
③若纵坐标表示A的百分含量，则甲中正反应为吸热反应，乙中正反应为气体体积增大的反应。
2．恒温线或恒压线图像
[以反应mA(g)＋nB(g)pC(g)中反应物A的转化率αA为例说明]
(1)“定一议二”原则：可通过分析相同温度下不同压强时反应物A的转化率大小来判断平衡移动的方向，从而确定反应方程式中反应物与生成物气体物质间的化学计量数的大小关系。如乙中同一温度下任取两条压强曲线研究，压强增大，αA增大，平衡正向移动，正反应为气体体积减小的反应，甲中任取一曲线，也能得出结论。
(2)通过分析相同压强下不同温度时反应物A的转化率的大小来判断平衡移动的方向，从而确定反应的热效应。如利用上述分析方法，在甲中作垂直线，乙中任取一曲线，即能分析出正反应为放热反应。
(3)对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)，右图L线上所有的点都是平衡点。左上方(E点)，A%大于此压强或温度时平衡体系中的A%，E点必须向正反应方向移动才能达到平衡状态，所以，E点v正>v逆；则右下方(F点)v正2．(2022·扬州检测)T ℃时，A气体与B气体反应生成C气体。反应过程中A、B、C浓度变化如图(Ⅰ)所示，若保持其他条件不变，温度分别为T1和T2时，B的体积分数与时间的关系如图(Ⅱ)所示，则下列结论正确的是( )
(Ⅰ) (Ⅱ)
A．T1和T2温度下分别对应的平衡常数K1和K2的关系是K1>K2
B．(t1＋ 10)min时，保持容器总压强不变，通入稀有气体，平衡向正反应方向移动
C．T ℃时，在相同容器中，若由0.4 ml·L－1 A、0.4 ml·L－1 B和0.2 ml·L－1 C反应，达到平衡后，C的浓度仍为0.4 ml·L－1
D．其他条件不变，升高温度，正、逆反应速率均增大，A的转化率增大
C [由图(Ⅰ)可知，A和B的物质的量浓度减小，C的物质的量浓度增大，则A、B为反应物，C为生成物，由反应的浓度变化之比等于化学计量数之比可得：Δc(A)∶Δc(B)∶Δc(C)＝0.2 ml·L－1∶0.6 ml·L－1∶0.4 ml·L－1＝1∶3∶2，则反应的化学方程式为A＋3B2C。A.由图(Ⅱ)可知T1＞T2，升高温度，B的体积分数增大，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小，则K1ml·L－1，故C正确；D.由图(Ⅱ)可知T1＞T2，升高温度B的体积分数增大，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，则A的转化率减小，故D错误。]
3．纳米二氧化钛催化剂可用于工业上合成甲醇：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH＝a kJ·ml－1。
(1)按eq \f(nH2,nCO)＝2投料比将H2与CO充入V L恒容密闭容器中，在一定条件下发生反应，测定CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。则a________(填“>”或“<”)0；压强p1、p2、p3由小到大的关系是________。
(2)在温度为T1 ℃时，向某恒容密闭容器中充入H2和CO发生上述反应，起始时c(H2)＝c(CO)＝2.0 ml·L－1。达到平衡时，CO的转化率为图中的M点对应的转化率，则在该温度下，对应的N点的平衡常数为________(保留3位有效数字)。
(3)p3压强下，Q点对应的v正________v逆(填“>”“＝”或“<”)。
[解析] (2)
CO(g)＋ 2H2(g) CH3OH(g)
eq \a\vs4\al(c始/ml·L－1) 2.0 2.0 0
eq \a\vs4\al(Δc/ml·L－1) 2.0×40% 2×2.0×40% 2.0×40%
eq \a\vs4\al(c平/ml·L－1) 1.2 0.4 0.8
K＝eq \f(0.8,1.2×0.42)≈4.17，M、N的温度相同，故N的平衡常数为4.17。
[答案] (1)< p3
反应过程中组分含量或浓度与温度的关系图像
对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，在相同时间段内，M点前，表示化学反应从反应物开始，则v正>v逆，未达平衡；M点为刚达到的平衡点；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A%增大(C%减小)，平衡逆向移动，ΔH<0。
4．用(NH4)2CO3捕碳的反应：(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)________v正(d)(填“>”“＝”或“<”，下同)。
(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] (1)温度越高，反应速率越快，d点温度高，则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)Kc>Kd。
[答案] (1)< (2)Kb>Kc>Kd (3)T3～T4区间，化学反应已达到平衡，由于正反应是放热反应，温度升高平衡向逆反应方向移动，不利于CO2的捕获
生产、科技中的特定测定图像
生产、科技中的特定测定图像充分体现了化学知识的“学以致用”的社会责任的化学素养。是高考命题专家特别关注的命题点。图像涉及的信息非常的多。如温度、压强、转化率、百分含量、反应速率、产率、选择性、投料比、脱除率等。分析时要注意这些物理量的含义。
涉及投料比的条件选择图像分析
5．(2022·淮安一模)碘及其化合物有着多方面的用途，一碘甲烷(CH3I)热裂解可制取乙烯等低碳烯烃化工原料。CH3I热裂解时主要反应有：
反应Ⅰ：2CH3I(g)C2H4(g)＋2HI(g) ΔH1
反应Ⅱ：3C2H4(g)2C3H6(g) ΔH2
反应Ⅲ：2C2H4(g)C4H8(g) ΔH3(298 K)
实验测得，反应Ⅰ、Ⅱ的ΔH随温度的变化如图1所示，在1 L密闭的容器中，起始投料1 ml CH3I(g)，反应温度对平衡时体系中乙烯、丙烯和丁烯物质的量分数的影响如图2所示。
图1
图2
下列说法正确的是( )
A．298 K时，反应3CH3I(g)C3H6(g)＋3HI(g) ΔH＝－66.3 kJ·ml－1
B．图中曲线X表示乙烯的物质的量分数随温度的变化
C．A、B是曲线Y上两点，曲线Y对应反应的平衡转化率：α(A)<α(B)
D．当平衡体系温度从600 K升高到800 K时，三条曲线对应的反应：X和Y正向移动，Z逆向移动
B [反应Ⅰ为吸热反应、反应Ⅱ、Ⅲ为放热反应，升高温度反应Ⅰ正向移动、反应Ⅱ、Ⅲ逆向移动，都导致乙烯的含量增加，故图中曲线X表示乙烯的物质的量分数随温度的变化。A.由图可知，反应Ⅰ：2CH3I(g)C2H4(g)＋2HI(g) ΔH1＝80.2 kJ·ml－1
反应Ⅱ：3C2H4(g)2C3H6(g) ΔH2＝－108 kJ·ml－1
由盖斯定律可知，eq \f(3,2)×Ⅰ＋eq \f(1,2)×Ⅱ得3CH3I(g)C3H6(g)＋3HI(g)，故其焓变ΔH＝66.3 kJ·ml－1，A错误；B.由题分析可知，曲线X表示乙烯的物质的量分数随温度的变化，B正确；C.由图2可知，A点对应物质的含量更多，则其对应的平衡转化率更高，故曲线Y对应反应的平衡转化率：α(A)>α(B)，C错误；D.反应Ⅰ为吸热反应、反应Ⅱ、Ⅲ为放热反应，升高温度只有反应Ⅰ正向移动，反应Ⅱ、Ⅲ均逆向移动，D错误。]
6．汽车尾气是雾霾形成的原因之一。研究氮氧化物的处理方法可有效减少雾霾的形成，可采用氧化还原法脱硝：
4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)eq \(,\s\up9(催化剂))4N2(g)＋6H2O(g) ΔH<0
根据图中所示判断提高脱硝效率的最佳条件是________________________
_______________________________________________________________；
氨氮比一定时，在400 ℃时，脱硝效率最大，其可能的原因是_________
______________________________________________________________。
[答案] 氨氮物质的量之比为1，温度为400 ℃ 在400 ℃时催化剂的活性最好，催化效率最高，同时400 ℃温度较高，反应速率快
涉及物质选择性的图像分析
7．以CO2为原料加氢合成二甲醚、甲醇有利于促进实现“碳中和”。在二氧化碳加氢制取二甲醚的合成塔中发生以下3个反应：
ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－49.01 kJ·ml－1
ⅱ.2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH＝－24.52 kJ·ml－1
ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH＝＋41.17 kJ·ml－1
(1)2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)的ΔH＝________kJ·ml－1。
(2)在压强为3.0 MPa、eq \f(nH2,nCO2)＝4条件下，CO2的平衡转化率和产物的选择性与温度的关系如图所示(选择性是指生成某物质消耗的CO2占CO2消耗总量的百分比)。
①当温度超过290 ℃，CO2的平衡转化率随温度升高而增大的原因是_____
________________________________________________________________。
除改变温度外，能提高二甲醚选择性的措施为________(写一种即可)。
②根据图中的数据，300 ℃时上述反应达到平衡，CH3OCH3的物质的量分数为________(保留三位有效数字)。
[解析] (1)目标反应由2×反应ⅰ＋反应ⅱ得到，由盖斯定律可知，ΔH＝2ΔH1＋ΔH2＝2×(－49.01 kJ·ml－1)＋(－24.52 kJ·ml－1)＝－122.54
kJ·ml－1。
(2)①由题给方程式可知，反应ⅰ、ⅱ都是放热反应，而反应ⅲ是吸热反应，当温度超过290 ℃时，反应ⅲ的平衡正向移动，被促进成为主要反应，二氧化碳的转化率增大；二氧化碳与氢气合成二甲醚的反应为气体分子数减小的反应，反应ⅲ为气体分子数不变的反应，增大压强，合成二甲醚的反应平衡向正反应方向移动，反应ⅲ平衡不移动，所以增大压强能提高二甲醚的选择性。②从图中可读出300 ℃时，CO2的平衡转化率为30%，CO的选择性为70%，二甲醚的选择性为20%，设CO2初始为10 ml，H2初始为40 ml，CO2转化了10 ml×30%＝3 ml，剩余7 ml。生成二甲醚0.5×3 ml×20%＝0.3 ml，生成CO 3 ml×70%＝2.1 ml，生成甲醇3 ml×(1－20%－70%)＝0.3 ml。0.3 ml二甲醚含H原子物质的量为0.3 ml×6＝1.8 ml,0.3 ml甲醇含H原子物质的量为0.3 ml×4＝1.2 ml，由H原子守恒可知，体系中H原子总量为40 ml×2＝80 ml，则H2O与H2加起来的物质的量为0.5×(80－1.8－1.2)ml＝38.5 ml。则体系中气体的总物质的量为(7＋0.3＋2.1＋0.3＋38.5)ml＝48.2 ml，则二甲醚的物质的量分数为eq \f(0.3 ml,48.2 ml)×100%≈0.622%。
[答案] (1)－122.54 (2)①反应ⅰ、ⅱ都是放热反应，而反应ⅲ是吸热反应，当温度超过290 ℃时，反应ⅲ的平衡正向移动，被促进成为主要反应，CO2转化率增大 增大压强(或使用合适的催化剂) ②0.622%
1．(2022·江苏选择性考试，T13)乙醇水催化重整可获得H2。其主要反应为C2H5OH(g)＋3H2O(g)===2CO2(g)＋6H2(g) ΔH＝173.3 kJ·ml－1，CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH＝41.2 kJ·ml－1，在1.0×105 Pa、n始eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(C2H5OH))∶n始eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(H2O))＝1∶3时，若仅考虑上述反应，平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。
CO的选择性＝eq \f(n生成CO,n生成CO2＋n生成CO)×100%，下列说法正确的是( )
A．图中曲线①表示平衡时H2产率随温度的变化
B．升高温度，平衡时CO的选择性增大
C．一定温度下，增大eq \f(n\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(C2H5OH)),n\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(H2O)))可提高乙醇平衡转化率
D．一定温度下，加入CaO(s)或选用高效催化剂，均能提高平衡时H2产率
B [根据已知反应①C2H5OH(g)＋3H2O(g)===2CO2(g)＋6H2(g) ΔH＝173.3 kJ·ml－1，反应②CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH＝41.2
kJ·ml－1，且反应①的热效应更大，温度升高的时候对反应①影响更大一些，根据选择性的含义，升温时CO选择性增大，同时CO2的选择性减小，所以图中③代表CO的选择性，①代表CO2的选择性，②代表H2的产率。由分析可知②代表H2的产率，故A错误；升高温度，平衡时CO的选择性增大，B正确；一定温度下，增大eq \f(nC2H5OH,nH2O)，可以认为开始时水蒸气物质的量不变，增大乙醇物质的量，乙醇的平衡转化率降低，C错误；加入CaO(s)或者选用高效催化剂，不会影响平衡时H2产率，D错误。]
2．(2021·江苏选择性考试，T14)NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应。工业尾气中的NH3可通过催化氧化为N2除去。将一定比例的NH3、O2和N2的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应管，NH3的转化率、生成N2的选择性[eq \f(2n生成N2,n总转化NH3)×100%]与温度的关系如图所示。
下列说法正确的是( )
A．其他条件不变，升高温度，NH3的平衡转化率增大
B．其他条件不变，在175～300 ℃范围，随温度的升高，出口处N2和氮氧化物的量均不断增大
C．催化氧化除去尾气中的NH3应选择反应温度高于250 ℃
D．高效除去尾气中的NH3，需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂
D [NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应，根据勒夏特列原理，升高温度，平衡向逆反应方向进行，氨气的平衡转化率降低，A错误；根据图像，在175～300 ℃范围，随温度的升高，N2的选择性降低，即产生氮气的量减少，B错误；根据图像，温度高于250℃ N2的选择性降低，且氨气的转化率变化并不大，浪费能源，根据图像，温度应略小于225℃，此时氨气的转化率、氮气的选择性较大，C错误；氮气对环境无污染，氮的氧化物污染环境，因此高效除去尾气中的NH3，需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂，D正确。]
3．(2020·江苏高考)反应SiCl4(g)＋2H2(g)eq \(=====,\s\up9(高温))Si(s)＋4HCl(g)可用于纯硅的制备。下列有关该反应的说法正确的是( )
A．该反应ΔH>0 、ΔS<0
B．该反应的平衡常数K＝eq \f(c4HCl,c\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(SiCl4))×c2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(H2)))
C．高温下反应每生成1 ml Si需消耗2×22.4 L H2
D．用E表示键能，该反应ΔH＝4E(Si—Cl)＋2E(H—H)－4E(H—Cl)
B [A.SiCl4、H2、HCl为气体，且反应前气体化学计量数之和小于反应后气体化学计量数之和，因此该反应为熵增反应，即ΔS>0，故A错误；B.根据化学平衡常数的定义，该反应的平衡常数K＝eq \f(c4HCl,cSiCl4·c2H2)，故B正确；C.题中说的是高温，不是标准状况下，因此不能直接用22.4 L·ml－1计算，故C错误；D.ΔH＝反应物键能总和－生成物键能总和，即ΔH＝4E(Si—Cl)＋2E(H—H)－4E(H—Cl) －2E(Si—Si)，故D错误。]
4．(2022·全国甲卷，T28节选)(1)在1.0×105Pa，将TiO2、C、Cl2以物质的量比1∶2.2∶2进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。
①反应C(s)＋CO2(g)===2CO(g)的平衡常数Kp(1 400 ℃)＝________Pa。
②图中显示，在200 ℃平衡时TiO2几乎完全转化为TiCl4，但实际生产中反应温度却远高于此温度，其原因是______________________________________。
(2)TiO2碳氯化是一个“气—固—固”反应，有利于TiO2－C“固—固”接触的措施是_________________________________________________________。
[解析] (1)①从图中可知，1 400 ℃，体系中气体平衡组成比例CO2是0.05，TiCl4是0.35，CO是0.6，反应C(s)＋CO2(g)===2CO(g)的平衡常数Kp(1 400 ℃)＝eq \f(0.6p总2,0.05p总)＝eq \f(0.6×1.0×1052,0.05×1.0×105)Pa＝7.2×105 Pa；②实际生产中需要综合考虑反应的速率、产率等，以达到最佳效益，实际反应温度远高于200 ℃，就是为了提高反应速率，在相同时间内得到更多的TiCl4产品。
[答案] (1)7.2×105 为了提高反应速率，在相同时间内得到更多的TiCl4产品，提高效益 (2)将两固体粉碎后混合，同时鼓入Cl2，使固体粉末“沸腾”
课时分层作业(三十六)
化学反应速率与平衡的图像解答策略
1．(2022·南京检测)在容积不变的容器中充入CO和NO发生如下反应：2CO(g)＋2NO(g)2CO2(g)＋N2(g)，其他条件不变时，分别探究温度和催化剂的比表面积对上述反应的影响。实验测得c(CO)与时间的关系如图所示。
已知：ⅰ.起始投料比n(CO)∶n(NO)均为2∶3；
ⅱ.比表面积：单位质量的物质具有的总面积。
下列说法不正确的是( )
A．Ⅰ、Ⅱ反应温度相同，催化剂的比表面积不同
B．Ⅱ中NO的平衡转化率为75%
C．在Ⅲ的条件下，该反应的平衡常数K＝62.5
D．0～t1 min，Ⅲ中平均反应速率veq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO))＝eq \f(2×10－3,t1) ml·L－1·min－1
B [A.Ⅰ、Ⅱ两个过程达到反应平衡时间不同，反应温度相同，催化剂的比表面积不同，催化剂比表面积越大，催化效率越高，A正确；B.Ⅱ中Δc(CO)＝4×
10－3 ml·L－1－1×10－3 ml·L－1＝3×10－3 ml·L－1，起始投料比n(CO)∶n(NO)均为2∶3，Δc(NO)＝6×10－3 ml·L－1－3×10－3 ml·L－1＝3×10－3 ml·L－1，NO的平衡转化率为3×10－3 ml·L－1÷6×10－3 ml·L－1
×100%＝50%，B错误；C.在Ⅲ的条件下，
2COeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))＋2NOeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))2CO2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))＋N2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))
eq \a\vs4\al(起始10－3, ml·L－1) 4 6 0 0
eq \a\vs4\al(转化10－3, ml·L－1) 2 2 2 1
eq \a\vs4\al(平衡10－3, ml·L－1) 2 4 2 1，
平衡常数K＝eq \f(c\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(N2))·c2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO2)),c2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NO))·c2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO)))＝62.5，C正确；D.0～t1 min，Ⅲ中平均反应速率veq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO))＝eq \f(4×10－3－2×10－3,t1) ml·L－1·min－1＝eq \f(2×10－3,t1) ml·L－1·min－1，D正确。]
2．减少碳排放、控制温室气体排放的增长已经成为可能。一种由二氧化碳和氢气合成乙醇的反应为2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)。选择合适的催化剂，相同时间内可以得出温度对合成乙醇的影响情况如图所示(乙醇选择性＝eq \f(CH3CH2OH产率,CO2转化率)×100%)。下列说法正确的是( )
A．该反应的ΔH>0
B．增大压强和升高温度都能提高CO2的平衡转化率
C．温度为T0时，乙醇的产率为57.4%
D．T0～T1温度下，随温度升高，乙醇的产率降低
C [A.根据图像，T1后随着温度的升高，乙醇的选择性和CO2转化率均减小，说明升高温度，反应平衡逆向移动，即正反应放热，所以该反应的ΔH<0，A错误；B.该反应为气体分子数减小的反应，增大压强，平衡正向移动，CO2的平衡转化率增大，该反应的ΔH<0，随着温度升高，平衡逆向移动，CO2的平衡转化率降低，B错误；C.由图像可知，温度为T0时，乙醇的产率＝乙醇选择性×CO2转化率×100%＝82%×70%×100%＝57.4%，C正确；D.T0～T1温度下，随温度升高，乙醇的选择性变大，二氧化碳的转化率基本不变，因此，升高温度，乙醇的产率增大，D错误。]
3．(2022·南京检测)工业上用C6H5Cl和H2S高温气相反应制备苯硫酚 (C6H5SH)，同时有副产物C6H6生成：
Ⅰ.C6H5Cl(g)＋H2S(g)C6H5SH(g)＋HCl(g) ΔH1
Ⅱ.C6H5Cl(g)＋H2S(g)C6H6(g)＋HCl(g)＋eq \f(1,8)S8(g) ΔH2＝－45.8 kJ/ml
使C6H5Cl和H2S按物质的量1∶1进入反应器，定时测定反应器尾端出来的混合气体中各产物的量，得到单程收率(eq \f(C6H5SH或C6H6的物质的量,起始C6H5Cl的物质的量))与温度的关系如图所示，下列说法不正确的是( )
A．ΔH1 < 0
B．其他条件不变，增加H2S的量能提高C6H5Cl的平衡转化率
C．645 ℃，延长反应时间，可以提高C6H6的单程收率
D．645 ℃时， 反应Ⅰ的化学平衡常数K＝eq \f(1,9)
D [A.C6H5SH的单程收率先随温度增加又随温度减少，可分析得温度较低时反应Ⅰ的速率较慢，反应未到达平衡，温度较高时反应到达平衡，升高温度C6H5SH的平衡转化率降低，则反应为放热反应，故ΔH1<0，A正确；B.其他条件不变，增加H2S的量，反应Ⅰ、Ⅱ均正向进行，H2S的平衡转化率降低，C6H5Cl平衡转化率上升，B正确；C.反应Ⅱ为放热反应，升温，C6H6的平衡产率应降低，结合图像可知645 ℃时该反应速率较慢，还未到达平衡，延长反应时间可以提高C6H6的单程收率，C正确；D.设起始投入的C6H5Cl和H2S的物质的量均为1 ml，则由图像可得645 ℃时，C6H6和C6H5SH的单程收率均为20%，说明反应体系内含有C6H5SH共0.2 ml、C6H5Cl共1 ml－0.2 ml－0.2 ml＝0.6 ml、HCl共0.2 ml＋0.2 ml＝0.4 ml和H2S共1 ml－0.2 ml－0.2 ml＝0.6 ml，则其化学平衡常数K＝eq \f(0.2 ml×0.4 ml,0.6 ml×0.6 ml)＝eq \f(2,9)，则D错误。]
4．(2022·南通一模)二氧化碳加氢制甲醇涉及的反应可表示为
反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－49 kJ·ml－1
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝41 kJ·ml－1
一体积固定的密闭容器中，在5 MPa下，按照n(CO2)∶n(H2)＝1∶3投料，平衡时，CO和CH3OH在含碳产物中物质的量百分数及CO2的转化率随温度的变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A．H2的平衡转化率始终高于CO2
B．270 ℃时反应Ⅱ的平衡常数为0.015
C．加入选择性高的催化剂，可提高CH3OH的平衡产率
D．150～250 ℃范围内，反应Ⅱ平衡常数增大的幅度大于反应Ⅰ平衡常数减小的幅度
B [反应Ⅰ为放热反应，温度越高，该反应的产物CH3OH的含量越低，故m曲线代表的是CH3OH的物质的量百分数，n曲线代表的是CO的物质的量百分数。A.起始n(CO2)∶n(H2)＝1∶3投料，只发生反应Ⅰ时，CO2、H2转化率相同，只发生反应Ⅱ时，H2的平衡转化率小于CO2的转化率，当Ⅰ、Ⅱ都发生时，则H2的平衡转化率小于CO2的转化率，A错误；B.270 ℃时，二氧化碳的转化率为24%，且甲醇和一氧化碳的百分数各为50%，设CO2初始为1 ml，CH3OH为3 ml，则有
CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)
eq \a\vs4\al(起始,ml) 1 3 0 0
eq \a\vs4\al(变化,ml) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(3×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%)
eq \a\vs4\al(平衡,ml) eq \a\vs4\al(1－1,×24%) eq \a\vs4\al(3－4×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(2×24%,×50%)
CO2(g) ＋ H2(g) CO(g)＋ H2O(g)
eq \a\vs4\al(起始,ml) 1 3 0 0
eq \a\vs4\al(变化,ml) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%)
eq \a\vs4\al(平衡,ml) eq \a\vs4\al(1－1×,24%) eq \a\vs4\al(3－4×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(2×24%,×50% )
K＝eq \f(cCO·cH2O,cCO2·cH2)＝eq \f(1×24%×50%×2×24%×50%,1－1×24%×3－4×24%×50%)＝0.015，B正确；C.加入选择性高的催化剂，可以加快二氧化碳和氢气生成甲醇的反应速率，但不能提高CH3OH的平衡产率，在一定条件下的多平衡体系中，反应的限度只由温度决定，C错误；D.150～250 ℃范围内，二氧化碳的转化率下降，说明该温度范围内以反应Ⅰ为主，反应Ⅱ平衡常数增大的幅度小于反应Ⅰ平衡常数减小的幅度，D错误。]
5．(2020·山东等级考，T18节选)以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：
Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－49.5 kJ·ml－1
Ⅱ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH2＝－90.4 kJ·ml－1
Ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH3＝＋40.9 kJ·ml－1
(1)不同压强下，按照n(CO2)∶n(H2)＝1∶3投料，实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如图所示。
图甲 图乙
已知：CO2的平衡转化率＝eq \f(nCO2初始－nCO2平衡,nCO2初始)×100%
CH3OH的平衡产率＝eq \f(nCH3OH平衡,nCO2初始)×100%
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图________(填“甲”或“乙”)；压强p1、p2、p3由大到小的顺序为____________________；图乙中T1温度时，三条曲线几乎交于一点的原因是____________________________________________。
(2)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率，应选择的反应条件为________(填标号)。
A．低温、高压 B．高温、低压
C．低温、低压 D．高温、高压
[解析] (1)反应Ⅰ为放热反应，故低温阶段，温度越高，CO2的平衡转化率越低，而反应Ⅲ为吸热反应，温度较高时，主要发生反应Ⅲ，则温度越高，CO2的平衡转化率越高，即图乙的纵坐标表示的是CO2的平衡转化率。反应Ⅰ、反应Ⅱ为气体分子数减少的反应，反应Ⅲ为气体分子数不变的反应，因此压强越大，CO2的平衡转化率越高，故压强由大到小的顺序是p1、p2、p3。反应Ⅲ为吸热反应，温度较高时，主要发生反应Ⅲ，且反应Ⅲ前后气体分子数相等，故CO2的平衡转化率几乎不再受压强影响。(2)由上述分析知，图甲、图乙的纵坐标分别表示CH3OH的平衡产率、CO2的平衡转化率，且p1>p2>p3，分析图像可知，应选择的反应条件为低温、高压，A项正确。
[答案] (1)乙 p1、p2、p3 T1时以反应Ⅲ为主，反应Ⅲ前后气体分子数相等，压强改变对平衡没有影响
(2)A
6．(2022·苏州检测)研究氮氧化物转化的机理对环境保护具有重要意义。请回答下列问题：
(1)N2O是硝酸生产中氨催化氧化的副产物，CO还原处理N2O的原理为CO(g)＋N2O(g) N2(g) ＋CO2(g)。
①写出硝酸生产中氨发生催化氧化的化学方程式：
______________________________________________________________。
②在Fe＋(s)作用下，反应CO(g)＋N2O(g)N2(g)＋CO2(g)的能量变化如图所示：
则CO(g)＋N2O(g)N2(g)＋ CO2(g)的ΔH ＝________kJ·ml－1。
(2)处理汽车尾气的原理为2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g) ΔH <0。将体积比为1∶1的NO和CO混合气体以相同流速通过两种不同的催化剂Ⅰ、Ⅱ，发生上述反应(不考虑其他反应)，相同时间内尾气脱氮率(即NO转化率)与温度的关系如图所示。
①M点脱氮率大于N点的原因可能是______________________________
______________________________________________________________。
②下列能说明该反应处于化学平衡状态的是______(填字母)。
A．CO2的质量分数保持不变
B．容器中CO与NO的百分含量之比保持不变
C．2v逆(NO)＝v正(N2)
D．容器中混合气体的平均相对分子质量保持不变
③若Q点反应已达平衡，体系总压强为17.5a kPa，则该温度下Kp＝________kPa－1(Kp为用分压代替浓度计算的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数，用含a的代数式表示)。
[解析] (1)①氨气催化氧化生成NO和H2O，其反应的化学方程式为4NH3＋5O2eq \(=======,\s\up9(催化剂),\s\d8(△))4NO＋6H2O。②根据图中数据得该反应为放热反应，其ΔH＝－(127＋235)kJ·ml－1＝－362 kJ·ml－1。
(2)①该反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，脱氮率减小，与曲线Ⅱ比较得N点不是平衡状态，不能用平衡移动原理解释，因此原因是N点温度高，导致催化剂Ⅰ活性减弱，反应速率变慢。②A.反应体系遵循质量守恒定律，体系总质量恒定，未平衡时，CO2质量随着反应进行而变化，其质量分数也在变化，保持不变时即达到平衡状态，A正确；B.CO与NO按体积1∶1混合反应，反应时体积消耗量也是1∶1，故任何时候容器中CO与NO的体积都保持1∶1，即百分含量之比始终保持1∶1，因此不能说明何时达到平衡状态，B错误；C.平衡时，NO与N2表示的速率关系为v逆(NO)＝2v正(N2)，C错误；D.反应体系全是气体，反应后气体物质的量减小，根据eq \x\t(M)＝eq \f(m总,n总)，未平衡时，eq \x\t(M)随反应而变化，eq \x\t(M)不变时即达到平衡状态，D正确。③Q点时脱氮率为50%，设CO与NO投料量均为n ml，列三段式得：
2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)
eq \a\vs4\al(起始量,/ml) n n 0 0
eq \a\vs4\al(变化量,/ml) 0.5n 0.5n 0.25n 0.5n
eq \a\vs4\al(平衡量,/ml) 0.5n 0.5n 0.25n 0.5n
平衡时混合气体总物质的量为1.75n ml，该温度下Kp＝eq \f(p\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(N2))×p2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO2)),p2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO))×p2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NO)))＝eq \f(\f(0.25n,1.75n)×17.5a kPa×\f(0.5n,1.75n)×17.5a kPa2,\f(0.5n,1.75n)×17.5a kPa2×\f(0.5n,1.75n)×17.5a kPa2)＝eq \f(1,10a) kPa－1。
[答案] (1)4NH3＋5O2eq \(======,\s\up9(催化剂),\s\d8(△))4NO＋6H2O －362
(2)N点温度高，导致催化剂Ⅰ活性减弱，反应速率变慢 AD eq \f(1,10a)
7．(2022·连云港检测)大连化学物理研究所开发的DMTO技术曾获得国家科学技术发明一等奖。该技术以煤为原料，经过煤→CO、H2→CH3OH→C2H4、C3H6等一系列变化可获得重要的化工产品乙烯和丙烯。回答下列问题：
(1)煤气化包含一系列化学反应，热化学方程式如下：
①C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g) ΔH1＝131 kJ·ml－1
②CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH2＝a kJ·ml－1
③C(s)＋CO2(g)===2CO(g) ΔH＝172 kJ·ml－1，
则a＝________。
(2)已知某密闭容器中存在可逆反应：2CH3OH(g)C2H4(g)＋2H2O(g) ΔH，测得其他条件相同时，CH3OH的平衡转化率随着温度(T)、压强(p)的变化如图1所示，平衡常数K与温度T关系如图2所示。
图1 图2
①该反应的ΔH________(填“＞”或“＜”，下同)0，N点v(CH3OH)正________M点v(CH3OH)逆。
②T1后升高温度，则B、C、D三点中能正确表示该反应的平衡常数K随着温度T改变而变化的点是________(填字母)。
(3)在一定温度和适当催化剂存在下，将1 ml CO、2 ml H2通入恒容密闭容器中，使其发生反应CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH＝－91 kJ·ml－1，测得开始时容器内总压为3×105 Pa，反应经2 min达到平衡且平衡时体系压强减小eq \f(1,3)，则该温度下的平衡常数Kp＝________Pa－2(Kp为分压表示的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数)。
[解析] (1)已知，反应①：C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g) ΔH1＝131 kJ·ml－1；反应③：C(s)＋CO2(g)===2CO(g) ΔH＝172 kJ·ml－1；根据盖斯定律可得，由①－③可得②，则CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH2＝131 kJ·ml－1－172 kJ·ml－1＝－41 kJ·ml－1，故a＝－41。(2)①根据图1可知，升温，甲醇的平衡转化率减小，即平衡逆向移动，故逆反应为吸热反应，正反应为放热反应，故该反应的ΔH＜0；该反应的正反应为气体物质的量增大的反应，减压平衡正向移动，甲醇的平衡转化率增大，故p1＜p2，M点相对于N点，相当于减压，正逆反应速率均减小，则N点v(CH3OH)正＞M点v(CH3OH)逆。②该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，则T1后升高温度，则B、C、D三点中能正确表示该反应的平衡常数K随着温度T改变而变化的点是C。(3)将1 ml CO、2 ml H2通入恒容密闭容器中，测得开始时容器内总压为3×105 Pa，则二者起始时分压分别为1×105 Pa、2×105 Pa，恒温恒容条件，压强比等于物质的量之比，可以用分压代替物质的量列出三段式，
COeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g)) ＋ 2H2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))CH3OHeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))
起始(Pa) 1×105 2×105 0
转化(Pa) x 2x x
平衡(Pa) 1×105－x 2×105－2x x，
平衡时的总压强为(1×105－x)＋(2×105－2x)＋x＝3×105－2x,2 min达到平衡且平衡时体系压强减小eq \f(1,3)，即平衡时的总压为2×105Pa，则3×105－2x＝2×105，解得x＝0.5×105 Pa，则该温度下的平衡常数Kp＝eq \f(0.5×105 Pa,1×105 Pa2×0.5×105 Pa)＝1×10－10 Pa－2。
[答案] (1)－41 (2)＜ ＞ C (3)1×10－10
8．Ⅰ.氢气是一种清洁能源，水煤气变换反应的制氢原理为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH1，回答下列问题。
(1)某研究所探究CuO/ZrO2的系列催化剂(包括C/Z120、C/Z250、C/Z350、C/Z450)在水煤气变换反应中的催化活性。常压下，原料气在不同温度下相同时间内CO的转化率如图甲：
甲
①工业生产中应选择的最佳反应条件为________。
②C/Z120曲线先上升后下降的原因：______________________________
_______________________________________________________________。
Ⅱ.长征运载火箭推进剂为(CH3)2N—NH2和N2O4。
(2)在t ℃、p MPa下，将N2(g)和物质的量分数为m%的N2O5(g)通入反应器：①2N2O5(g)===2N2O4(g)＋O2(g)，②N2O4(g)2NO2(g)，一段时间后N2O5完全反应，反应②达到平衡，N2O4与NO2的体积比为1∶2，则反应②的压强平衡常数Kp＝________。
(3)T ℃时，2NO2(g)N2O4(g)，该反应正、逆反应速率与浓度的关系为
v正＝k正c2(NO2)，v逆＝k逆c(N2O4)(k正、k逆是速率常数，v正、v逆的单位为
ml·L－1·min－1)。
乙
①图乙中表示lg v逆～lg c(N2O4)的线是________(填“m”或“n”)。
②T ℃时，向刚性容器中充入一定量NO2气体，平衡后测得c(N2O4)为1.0 ml·L－1，则平衡时，k逆＝________(用含a的表达式表示)。
③T ℃时，向2 L的容器中充入5 ml N2O4气体和1 ml NO2气体，此时
v正________v逆(填“>”“<”或“＝”)。
[解析] (1)①由图甲可知，工业生产中应选择的最佳反应条件是C/Z250作催化剂、反应温度为240 ℃；②低于270 ℃时，温度升高和催化剂活性增大都使速率加快，相同时间内，CO的转化率增大；高于270 ℃时，温度升高，催化剂活性降低，使反应速率减慢，相同时间内，CO的转化率降低。(2)设N2O5的物质的量为m ml，则N2的物质的量为(100－m)ml，N2O5完全反应，则生成的N2O4的物质的量为m ml，生成的O2的物质的量为eq \f(1,2)m ml。设转化为NO2的N2O4的物质的量为x ml，列出三段式：
N2O4(g)2NO2(g)
起始量/ml m 0
转化量/ml x 2x
平衡量/ml m－x 2x
达到平衡时，N2O4与NO2的体积比为1∶2，则有eq \f(m－x,2x)＝eq \f(1,2)，解得x＝eq \f(1,2)m，则达到平衡时，N2O4的物质的量为eq \f(1,2)m ml，NO2的物质的量为m ml，混合气体的总物质的量为(eq \f(1,2)m＋m＋100－m＋eq \f(1,2)m)ml＝(100＋m)ml，反应②的压强平衡常数Kp＝eq \f(\f(m,100＋m)×p2,\f(\f(1,2)m,100＋m)×p)＝eq \f(2mp,100＋m)。
(3)①v正＝k正c2(NO2)，则lg v正＝lg k正＋2lg c(NO2)，v逆＝k逆c(N2O4)，则lg v逆＝lg k逆＋lg c(N2O4)，lg v逆～lg c(N2O4)的线斜率较小，则图乙中表示lg
v逆～lg c(N2O4)的线是n；②由①可知，图中表示lg v逆～lg c(N2O4)的线是n，横坐标为0时，lg k逆＝lg v逆＝a，k逆＝10a，同理可知lg k正＝a＋2，k正＝10a＋2；③T ℃时，向2 L的容器中充入5 ml N2O4气体和1 ml NO2气体，c(N2O4)＝eq \f(5 ml,2 L)＝2.5 ml·L－1，c(NO2)＝eq \f(1 ml,2 L)＝0.5 ml·L－1，v正＝10a＋2×0.52
ml·L－1·min－1＝2.5×10a＋1 ml·L－1·min－1，v逆＝2.5×10a ml·L－1·
min－1，则v正>v逆。
[答案] (1)①使用催化剂C/Z250且在240 ℃左右反应 ②低于270 ℃，温度升高和催化剂活性增大都使速率加快；高于270 ℃，催化剂活性降低，速率减慢 (2)eq \f(2mp,100＋m) (3)①n ②10a ③>
模型建构
图像试题的一般解题思路
(2021·广东选择性考试，T19节选)我国力争于2030年前做到碳达峰，2060年前实现碳中和。CH4与CO2重整是CO2利用的研究热点之一。该重整反应体系主要涉及以下反应：
a)CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g) ΔH1
b)CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2
c)CH4(g)C(s)＋2H2(g) ΔH3
d)2CO(g)CO2(g)＋C(s) ΔH4
e)CO(g)＋H2(g)H2O(g)＋C(s) ΔH5
设Keq \\al(r,p)为相对压力平衡常数，其表达式写法：在浓度平衡常数表达式中，用相对分压代替浓度。气体的相对分压等于其分压(单位为kPa)除以p0(p0＝100 kPa)。
反应a、c、e的ln Keq \\al(r,p)随eq \f(1,T)(温度的倒数)的变化如图所示。
(1)反应a、c、e中，属于吸热反应的有______(填字母)。
(2)反应c的相对压力平衡常数表达式为Keq \\al(r,p)＝________。
(3)在图中A点对应温度下、原料组成为n(CO2)∶n(CH4)＝1∶1、初始总压为100 kPa的恒容密闭容器中进行反应，体系达到平衡时H2的分压为40 kPa。计算CH4的平衡转化率，写出计算过程：
________________________________________________________________
_______________________________________________________________。
[思路分析] (1)eq \b\lc\ \rc\}(\a\vs4\al\c1(ln K\\al(r,p)越大，K\\al(r,p)越大,\f(1,T)越大，T越小))⇒随温度的升高Keq \\al(r,p)的变化趋势⇒a、c反应为吸热反应，e反应为放热反应。
(3)A点c反应的ln Keq \\al(r,p)＝0⇒Keq \\al(r,p)＝1＝eq \f(p2H2,pCH4·p0)⇒p(CH4)＝eq \f(p2H2,p0)＝eq \f(402,100) kPa＝16 kPa；又p初始(CH4)＝eq \f(1,1＋1)×100 kPa＝50 kPa⇒α(CH4)＝eq \f(50－16,50)×100%＝68%。
[答案] (1)ac (2)eq \f(p2H2,pCH4·p0) (3)A点对应温度下，c反应的ln Keq \\al(r,p)＝0，Keq \\al(r,p)＝1＝eq \f(p2H2,pCH4·p0)，故p(CH4)＝eq \f(p2H2,p0)＝eq \f(402,100) kPa＝16 kPa，又p初始(CH4)＝eq \f(1,1＋1)×100 kPa＝50 kPa，所以，α(CH4)＝eq \f(50－16kPa,50 kPa)×100%＝68%
分类突破
速率图像
1．瞬时速率图像
(1)浓度改变(无断点)
平衡正向移动 平衡逆向移动
(2)温度、压强改变(有断点)
eq \a\vs4\al(平衡向吸热,方向移动) eq \a\vs4\al(平衡向气体体积,减小方向移动)
(3)加催化剂或等体积反应的改变压强
2．全程速率—时间图(ΔH<0)
原因解释：AB段(v增大)，因为反应放热，随反应的进行，温度逐渐升高，反应速率逐渐增大；BC段(v减小)，因为随反应的进行，反应物浓度减小。
3．速率—温度或压强图像
曲线的意义是外界条件(如温度、压强等)对正、逆反应速率影响的变化趋势及变化幅度。图中交点是平衡状态，压强或温度增大，正反应速率增大得快，平衡正向移动。
1．(2022·常州检测)NO和O2混合后可发生反应：①2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)、②2NO2(g)N2O4(g)，反应体系中含氮物质的物质的量浓度c随着时间t的变化曲线如图所示。下列说法正确的是( )
A．c为c(NO2)随t的变化曲线
B．t1时，c(NO) ＋c(NO2)＋c(N2O4)＝c0
C．t2时刻，NO2的消耗速率大于生成速率
D．t3时，反应①和②均达到化学平衡状态
C [NO和O2混合后可发生反应：①2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)、②2NO2(g)N2O4(g)，反应过程中NO浓度一直减小，NO2浓度先增大后减小，N2O4浓度一直增大，a、b、c分别代表NO、NO2、N2O4的浓度随t的变化曲线，以此解答。A.根据题给反应，结合题图中各物质浓度变化情况可知，a、b、c分别代表NO、NO2、N2O4的浓度随t的变化曲线，A说法错误；B.根据物料守恒可知，任意时刻c(NO)＋c(NO2) ＋2c(N2O4)＝c0，B说法错误；C.由题图可知，t2时刻以后，NO2的浓度在减小，故此时NO2的消耗速率大于生成速率，C说法正确；D.t3时N2O4的浓度不变，NO的浓度变为0，说明反应②达到化学平衡状态，反应①不是可逆反应，没有平衡状态，故D错误。]
常规平衡图像
1．转化率(或百分含量)—时间—温度(或压强)图像
已知不同温度或压强下，反应物的转化率α(或百分含量)与时间的关系曲线，推断温度的高低及反应的热效应或压强的大小及气体物质间的化学计量数的关系。
[以mA(g)＋nB(g)pC(g)中反应物A的转化率αA为例说明]
(1)“先拐先平，数值大”原则
分析反应由开始(起始物质相同时)达到平衡所用时间的长短可推知反应条件的变化。
①若为温度变化引起，温度较高时，反应达平衡所需时间短。如图甲中T2>T1。
②若为压强变化引起，压强较大时，反应达平衡所需时间短。如图乙中p1>p2。
③若为使用催化剂引起，使用适宜催化剂时，反应达平衡所需时间短。如图丙中a使用催化剂。
(2)正确掌握图像中反应规律的判断方法
①图甲中，T2>T1，升高温度，αA降低，平衡逆向移动，正反应为放热反应。
②图乙中，p1>p2，增大压强，αA升高，平衡正向移动，则正反应为气体体积减小的反应。
③若纵坐标表示A的百分含量，则甲中正反应为吸热反应，乙中正反应为气体体积增大的反应。
2．恒温线或恒压线图像
[以反应mA(g)＋nB(g)pC(g)中反应物A的转化率αA为例说明]
(1)“定一议二”原则：可通过分析相同温度下不同压强时反应物A的转化率大小来判断平衡移动的方向，从而确定反应方程式中反应物与生成物气体物质间的化学计量数的大小关系。如乙中同一温度下任取两条压强曲线研究，压强增大，αA增大，平衡正向移动，正反应为气体体积减小的反应，甲中任取一曲线，也能得出结论。
(2)通过分析相同压强下不同温度时反应物A的转化率的大小来判断平衡移动的方向，从而确定反应的热效应。如利用上述分析方法，在甲中作垂直线，乙中任取一曲线，即能分析出正反应为放热反应。
(3)对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)，右图L线上所有的点都是平衡点。左上方(E点)，A%大于此压强或温度时平衡体系中的A%，E点必须向正反应方向移动才能达到平衡状态，所以，E点v正>v逆；则右下方(F点)v正
(Ⅰ) (Ⅱ)
A．T1和T2温度下分别对应的平衡常数K1和K2的关系是K1>K2
B．(t1＋ 10)min时，保持容器总压强不变，通入稀有气体，平衡向正反应方向移动
C．T ℃时，在相同容器中，若由0.4 ml·L－1 A、0.4 ml·L－1 B和0.2 ml·L－1 C反应，达到平衡后，C的浓度仍为0.4 ml·L－1
D．其他条件不变，升高温度，正、逆反应速率均增大，A的转化率增大
C [由图(Ⅰ)可知，A和B的物质的量浓度减小，C的物质的量浓度增大，则A、B为反应物，C为生成物，由反应的浓度变化之比等于化学计量数之比可得：Δc(A)∶Δc(B)∶Δc(C)＝0.2 ml·L－1∶0.6 ml·L－1∶0.4 ml·L－1＝1∶3∶2，则反应的化学方程式为A＋3B2C。A.由图(Ⅱ)可知T1＞T2，升高温度，B的体积分数增大，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小，则K1
3．纳米二氧化钛催化剂可用于工业上合成甲醇：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH＝a kJ·ml－1。
(1)按eq \f(nH2,nCO)＝2投料比将H2与CO充入V L恒容密闭容器中，在一定条件下发生反应，测定CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。则a________(填“>”或“<”)0；压强p1、p2、p3由小到大的关系是________。
(2)在温度为T1 ℃时，向某恒容密闭容器中充入H2和CO发生上述反应，起始时c(H2)＝c(CO)＝2.0 ml·L－1。达到平衡时，CO的转化率为图中的M点对应的转化率，则在该温度下，对应的N点的平衡常数为________(保留3位有效数字)。
(3)p3压强下，Q点对应的v正________v逆(填“>”“＝”或“<”)。
[解析] (2)
CO(g)＋ 2H2(g) CH3OH(g)
eq \a\vs4\al(c始/ml·L－1) 2.0 2.0 0
eq \a\vs4\al(Δc/ml·L－1) 2.0×40% 2×2.0×40% 2.0×40%
eq \a\vs4\al(c平/ml·L－1) 1.2 0.4 0.8
K＝eq \f(0.8,1.2×0.42)≈4.17，M、N的温度相同，故N的平衡常数为4.17。
[答案] (1)< p3
反应过程中组分含量或浓度与温度的关系图像
对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，在相同时间段内，M点前，表示化学反应从反应物开始，则v正>v逆，未达平衡；M点为刚达到的平衡点；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A%增大(C%减小)，平衡逆向移动，ΔH<0。
4．用(NH4)2CO3捕碳的反应：(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)________v正(d)(填“>”“＝”或“<”，下同)。
(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] (1)温度越高，反应速率越快，d点温度高，则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)
[答案] (1)< (2)Kb>Kc>Kd (3)T3～T4区间，化学反应已达到平衡，由于正反应是放热反应，温度升高平衡向逆反应方向移动，不利于CO2的捕获
生产、科技中的特定测定图像
生产、科技中的特定测定图像充分体现了化学知识的“学以致用”的社会责任的化学素养。是高考命题专家特别关注的命题点。图像涉及的信息非常的多。如温度、压强、转化率、百分含量、反应速率、产率、选择性、投料比、脱除率等。分析时要注意这些物理量的含义。
涉及投料比的条件选择图像分析
5．(2022·淮安一模)碘及其化合物有着多方面的用途，一碘甲烷(CH3I)热裂解可制取乙烯等低碳烯烃化工原料。CH3I热裂解时主要反应有：
反应Ⅰ：2CH3I(g)C2H4(g)＋2HI(g) ΔH1
反应Ⅱ：3C2H4(g)2C3H6(g) ΔH2
反应Ⅲ：2C2H4(g)C4H8(g) ΔH3(298 K)
实验测得，反应Ⅰ、Ⅱ的ΔH随温度的变化如图1所示，在1 L密闭的容器中，起始投料1 ml CH3I(g)，反应温度对平衡时体系中乙烯、丙烯和丁烯物质的量分数的影响如图2所示。
图1
图2
下列说法正确的是( )
A．298 K时，反应3CH3I(g)C3H6(g)＋3HI(g) ΔH＝－66.3 kJ·ml－1
B．图中曲线X表示乙烯的物质的量分数随温度的变化
C．A、B是曲线Y上两点，曲线Y对应反应的平衡转化率：α(A)<α(B)
D．当平衡体系温度从600 K升高到800 K时，三条曲线对应的反应：X和Y正向移动，Z逆向移动
B [反应Ⅰ为吸热反应、反应Ⅱ、Ⅲ为放热反应，升高温度反应Ⅰ正向移动、反应Ⅱ、Ⅲ逆向移动，都导致乙烯的含量增加，故图中曲线X表示乙烯的物质的量分数随温度的变化。A.由图可知，反应Ⅰ：2CH3I(g)C2H4(g)＋2HI(g) ΔH1＝80.2 kJ·ml－1
反应Ⅱ：3C2H4(g)2C3H6(g) ΔH2＝－108 kJ·ml－1
由盖斯定律可知，eq \f(3,2)×Ⅰ＋eq \f(1,2)×Ⅱ得3CH3I(g)C3H6(g)＋3HI(g)，故其焓变ΔH＝66.3 kJ·ml－1，A错误；B.由题分析可知，曲线X表示乙烯的物质的量分数随温度的变化，B正确；C.由图2可知，A点对应物质的含量更多，则其对应的平衡转化率更高，故曲线Y对应反应的平衡转化率：α(A)>α(B)，C错误；D.反应Ⅰ为吸热反应、反应Ⅱ、Ⅲ为放热反应，升高温度只有反应Ⅰ正向移动，反应Ⅱ、Ⅲ均逆向移动，D错误。]
6．汽车尾气是雾霾形成的原因之一。研究氮氧化物的处理方法可有效减少雾霾的形成，可采用氧化还原法脱硝：
4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)eq \(,\s\up9(催化剂))4N2(g)＋6H2O(g) ΔH<0
根据图中所示判断提高脱硝效率的最佳条件是________________________
_______________________________________________________________；
氨氮比一定时，在400 ℃时，脱硝效率最大，其可能的原因是_________
______________________________________________________________。
[答案] 氨氮物质的量之比为1，温度为400 ℃ 在400 ℃时催化剂的活性最好，催化效率最高，同时400 ℃温度较高，反应速率快
涉及物质选择性的图像分析
7．以CO2为原料加氢合成二甲醚、甲醇有利于促进实现“碳中和”。在二氧化碳加氢制取二甲醚的合成塔中发生以下3个反应：
ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－49.01 kJ·ml－1
ⅱ.2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH＝－24.52 kJ·ml－1
ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH＝＋41.17 kJ·ml－1
(1)2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)的ΔH＝________kJ·ml－1。
(2)在压强为3.0 MPa、eq \f(nH2,nCO2)＝4条件下，CO2的平衡转化率和产物的选择性与温度的关系如图所示(选择性是指生成某物质消耗的CO2占CO2消耗总量的百分比)。
①当温度超过290 ℃，CO2的平衡转化率随温度升高而增大的原因是_____
________________________________________________________________。
除改变温度外，能提高二甲醚选择性的措施为________(写一种即可)。
②根据图中的数据，300 ℃时上述反应达到平衡，CH3OCH3的物质的量分数为________(保留三位有效数字)。
[解析] (1)目标反应由2×反应ⅰ＋反应ⅱ得到，由盖斯定律可知，ΔH＝2ΔH1＋ΔH2＝2×(－49.01 kJ·ml－1)＋(－24.52 kJ·ml－1)＝－122.54
kJ·ml－1。
(2)①由题给方程式可知，反应ⅰ、ⅱ都是放热反应，而反应ⅲ是吸热反应，当温度超过290 ℃时，反应ⅲ的平衡正向移动，被促进成为主要反应，二氧化碳的转化率增大；二氧化碳与氢气合成二甲醚的反应为气体分子数减小的反应，反应ⅲ为气体分子数不变的反应，增大压强，合成二甲醚的反应平衡向正反应方向移动，反应ⅲ平衡不移动，所以增大压强能提高二甲醚的选择性。②从图中可读出300 ℃时，CO2的平衡转化率为30%，CO的选择性为70%，二甲醚的选择性为20%，设CO2初始为10 ml，H2初始为40 ml，CO2转化了10 ml×30%＝3 ml，剩余7 ml。生成二甲醚0.5×3 ml×20%＝0.3 ml，生成CO 3 ml×70%＝2.1 ml，生成甲醇3 ml×(1－20%－70%)＝0.3 ml。0.3 ml二甲醚含H原子物质的量为0.3 ml×6＝1.8 ml,0.3 ml甲醇含H原子物质的量为0.3 ml×4＝1.2 ml，由H原子守恒可知，体系中H原子总量为40 ml×2＝80 ml，则H2O与H2加起来的物质的量为0.5×(80－1.8－1.2)ml＝38.5 ml。则体系中气体的总物质的量为(7＋0.3＋2.1＋0.3＋38.5)ml＝48.2 ml，则二甲醚的物质的量分数为eq \f(0.3 ml,48.2 ml)×100%≈0.622%。
[答案] (1)－122.54 (2)①反应ⅰ、ⅱ都是放热反应，而反应ⅲ是吸热反应，当温度超过290 ℃时，反应ⅲ的平衡正向移动，被促进成为主要反应，CO2转化率增大 增大压强(或使用合适的催化剂) ②0.622%
1．(2022·江苏选择性考试，T13)乙醇水催化重整可获得H2。其主要反应为C2H5OH(g)＋3H2O(g)===2CO2(g)＋6H2(g) ΔH＝173.3 kJ·ml－1，CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH＝41.2 kJ·ml－1，在1.0×105 Pa、n始eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(C2H5OH))∶n始eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(H2O))＝1∶3时，若仅考虑上述反应，平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。
CO的选择性＝eq \f(n生成CO,n生成CO2＋n生成CO)×100%，下列说法正确的是( )
A．图中曲线①表示平衡时H2产率随温度的变化
B．升高温度，平衡时CO的选择性增大
C．一定温度下，增大eq \f(n\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(C2H5OH)),n\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(H2O)))可提高乙醇平衡转化率
D．一定温度下，加入CaO(s)或选用高效催化剂，均能提高平衡时H2产率
B [根据已知反应①C2H5OH(g)＋3H2O(g)===2CO2(g)＋6H2(g) ΔH＝173.3 kJ·ml－1，反应②CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH＝41.2
kJ·ml－1，且反应①的热效应更大，温度升高的时候对反应①影响更大一些，根据选择性的含义，升温时CO选择性增大，同时CO2的选择性减小，所以图中③代表CO的选择性，①代表CO2的选择性，②代表H2的产率。由分析可知②代表H2的产率，故A错误；升高温度，平衡时CO的选择性增大，B正确；一定温度下，增大eq \f(nC2H5OH,nH2O)，可以认为开始时水蒸气物质的量不变，增大乙醇物质的量，乙醇的平衡转化率降低，C错误；加入CaO(s)或者选用高效催化剂，不会影响平衡时H2产率，D错误。]
2．(2021·江苏选择性考试，T14)NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应。工业尾气中的NH3可通过催化氧化为N2除去。将一定比例的NH3、O2和N2的混合气体以一定流速通过装有催化剂的反应管，NH3的转化率、生成N2的选择性[eq \f(2n生成N2,n总转化NH3)×100%]与温度的关系如图所示。
下列说法正确的是( )
A．其他条件不变，升高温度，NH3的平衡转化率增大
B．其他条件不变，在175～300 ℃范围，随温度的升高，出口处N2和氮氧化物的量均不断增大
C．催化氧化除去尾气中的NH3应选择反应温度高于250 ℃
D．高效除去尾气中的NH3，需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂
D [NH3与O2作用分别生成N2、NO、N2O的反应均为放热反应，根据勒夏特列原理，升高温度，平衡向逆反应方向进行，氨气的平衡转化率降低，A错误；根据图像，在175～300 ℃范围，随温度的升高，N2的选择性降低，即产生氮气的量减少，B错误；根据图像，温度高于250℃ N2的选择性降低，且氨气的转化率变化并不大，浪费能源，根据图像，温度应略小于225℃，此时氨气的转化率、氮气的选择性较大，C错误；氮气对环境无污染，氮的氧化物污染环境，因此高效除去尾气中的NH3，需研发低温下NH3转化率高和N2选择性高的催化剂，D正确。]
3．(2020·江苏高考)反应SiCl4(g)＋2H2(g)eq \(=====,\s\up9(高温))Si(s)＋4HCl(g)可用于纯硅的制备。下列有关该反应的说法正确的是( )
A．该反应ΔH>0 、ΔS<0
B．该反应的平衡常数K＝eq \f(c4HCl,c\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(SiCl4))×c2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(H2)))
C．高温下反应每生成1 ml Si需消耗2×22.4 L H2
D．用E表示键能，该反应ΔH＝4E(Si—Cl)＋2E(H—H)－4E(H—Cl)
B [A.SiCl4、H2、HCl为气体，且反应前气体化学计量数之和小于反应后气体化学计量数之和，因此该反应为熵增反应，即ΔS>0，故A错误；B.根据化学平衡常数的定义，该反应的平衡常数K＝eq \f(c4HCl,cSiCl4·c2H2)，故B正确；C.题中说的是高温，不是标准状况下，因此不能直接用22.4 L·ml－1计算，故C错误；D.ΔH＝反应物键能总和－生成物键能总和，即ΔH＝4E(Si—Cl)＋2E(H—H)－4E(H—Cl) －2E(Si—Si)，故D错误。]
4．(2022·全国甲卷，T28节选)(1)在1.0×105Pa，将TiO2、C、Cl2以物质的量比1∶2.2∶2进行反应。体系中气体平衡组成比例(物质的量分数)随温度变化的理论计算结果如图所示。
①反应C(s)＋CO2(g)===2CO(g)的平衡常数Kp(1 400 ℃)＝________Pa。
②图中显示，在200 ℃平衡时TiO2几乎完全转化为TiCl4，但实际生产中反应温度却远高于此温度，其原因是______________________________________。
(2)TiO2碳氯化是一个“气—固—固”反应，有利于TiO2－C“固—固”接触的措施是_________________________________________________________。
[解析] (1)①从图中可知，1 400 ℃，体系中气体平衡组成比例CO2是0.05，TiCl4是0.35，CO是0.6，反应C(s)＋CO2(g)===2CO(g)的平衡常数Kp(1 400 ℃)＝eq \f(0.6p总2,0.05p总)＝eq \f(0.6×1.0×1052,0.05×1.0×105)Pa＝7.2×105 Pa；②实际生产中需要综合考虑反应的速率、产率等，以达到最佳效益，实际反应温度远高于200 ℃，就是为了提高反应速率，在相同时间内得到更多的TiCl4产品。
[答案] (1)7.2×105 为了提高反应速率，在相同时间内得到更多的TiCl4产品，提高效益 (2)将两固体粉碎后混合，同时鼓入Cl2，使固体粉末“沸腾”
课时分层作业(三十六)
化学反应速率与平衡的图像解答策略
1．(2022·南京检测)在容积不变的容器中充入CO和NO发生如下反应：2CO(g)＋2NO(g)2CO2(g)＋N2(g)，其他条件不变时，分别探究温度和催化剂的比表面积对上述反应的影响。实验测得c(CO)与时间的关系如图所示。
已知：ⅰ.起始投料比n(CO)∶n(NO)均为2∶3；
ⅱ.比表面积：单位质量的物质具有的总面积。
下列说法不正确的是( )
A．Ⅰ、Ⅱ反应温度相同，催化剂的比表面积不同
B．Ⅱ中NO的平衡转化率为75%
C．在Ⅲ的条件下，该反应的平衡常数K＝62.5
D．0～t1 min，Ⅲ中平均反应速率veq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO))＝eq \f(2×10－3,t1) ml·L－1·min－1
B [A.Ⅰ、Ⅱ两个过程达到反应平衡时间不同，反应温度相同，催化剂的比表面积不同，催化剂比表面积越大，催化效率越高，A正确；B.Ⅱ中Δc(CO)＝4×
10－3 ml·L－1－1×10－3 ml·L－1＝3×10－3 ml·L－1，起始投料比n(CO)∶n(NO)均为2∶3，Δc(NO)＝6×10－3 ml·L－1－3×10－3 ml·L－1＝3×10－3 ml·L－1，NO的平衡转化率为3×10－3 ml·L－1÷6×10－3 ml·L－1
×100%＝50%，B错误；C.在Ⅲ的条件下，
2COeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))＋2NOeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))2CO2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))＋N2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))
eq \a\vs4\al(起始10－3, ml·L－1) 4 6 0 0
eq \a\vs4\al(转化10－3, ml·L－1) 2 2 2 1
eq \a\vs4\al(平衡10－3, ml·L－1) 2 4 2 1，
平衡常数K＝eq \f(c\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(N2))·c2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO2)),c2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NO))·c2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO)))＝62.5，C正确；D.0～t1 min，Ⅲ中平均反应速率veq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO))＝eq \f(4×10－3－2×10－3,t1) ml·L－1·min－1＝eq \f(2×10－3,t1) ml·L－1·min－1，D正确。]
2．减少碳排放、控制温室气体排放的增长已经成为可能。一种由二氧化碳和氢气合成乙醇的反应为2CO2(g)＋6H2(g)CH3CH2OH(g)＋3H2O(g)。选择合适的催化剂，相同时间内可以得出温度对合成乙醇的影响情况如图所示(乙醇选择性＝eq \f(CH3CH2OH产率,CO2转化率)×100%)。下列说法正确的是( )
A．该反应的ΔH>0
B．增大压强和升高温度都能提高CO2的平衡转化率
C．温度为T0时，乙醇的产率为57.4%
D．T0～T1温度下，随温度升高，乙醇的产率降低
C [A.根据图像，T1后随着温度的升高，乙醇的选择性和CO2转化率均减小，说明升高温度，反应平衡逆向移动，即正反应放热，所以该反应的ΔH<0，A错误；B.该反应为气体分子数减小的反应，增大压强，平衡正向移动，CO2的平衡转化率增大，该反应的ΔH<0，随着温度升高，平衡逆向移动，CO2的平衡转化率降低，B错误；C.由图像可知，温度为T0时，乙醇的产率＝乙醇选择性×CO2转化率×100%＝82%×70%×100%＝57.4%，C正确；D.T0～T1温度下，随温度升高，乙醇的选择性变大，二氧化碳的转化率基本不变，因此，升高温度，乙醇的产率增大，D错误。]
3．(2022·南京检测)工业上用C6H5Cl和H2S高温气相反应制备苯硫酚 (C6H5SH)，同时有副产物C6H6生成：
Ⅰ.C6H5Cl(g)＋H2S(g)C6H5SH(g)＋HCl(g) ΔH1
Ⅱ.C6H5Cl(g)＋H2S(g)C6H6(g)＋HCl(g)＋eq \f(1,8)S8(g) ΔH2＝－45.8 kJ/ml
使C6H5Cl和H2S按物质的量1∶1进入反应器，定时测定反应器尾端出来的混合气体中各产物的量，得到单程收率(eq \f(C6H5SH或C6H6的物质的量,起始C6H5Cl的物质的量))与温度的关系如图所示，下列说法不正确的是( )
A．ΔH1 < 0
B．其他条件不变，增加H2S的量能提高C6H5Cl的平衡转化率
C．645 ℃，延长反应时间，可以提高C6H6的单程收率
D．645 ℃时， 反应Ⅰ的化学平衡常数K＝eq \f(1,9)
D [A.C6H5SH的单程收率先随温度增加又随温度减少，可分析得温度较低时反应Ⅰ的速率较慢，反应未到达平衡，温度较高时反应到达平衡，升高温度C6H5SH的平衡转化率降低，则反应为放热反应，故ΔH1<0，A正确；B.其他条件不变，增加H2S的量，反应Ⅰ、Ⅱ均正向进行，H2S的平衡转化率降低，C6H5Cl平衡转化率上升，B正确；C.反应Ⅱ为放热反应，升温，C6H6的平衡产率应降低，结合图像可知645 ℃时该反应速率较慢，还未到达平衡，延长反应时间可以提高C6H6的单程收率，C正确；D.设起始投入的C6H5Cl和H2S的物质的量均为1 ml，则由图像可得645 ℃时，C6H6和C6H5SH的单程收率均为20%，说明反应体系内含有C6H5SH共0.2 ml、C6H5Cl共1 ml－0.2 ml－0.2 ml＝0.6 ml、HCl共0.2 ml＋0.2 ml＝0.4 ml和H2S共1 ml－0.2 ml－0.2 ml＝0.6 ml，则其化学平衡常数K＝eq \f(0.2 ml×0.4 ml,0.6 ml×0.6 ml)＝eq \f(2,9)，则D错误。]
4．(2022·南通一模)二氧化碳加氢制甲醇涉及的反应可表示为
反应Ⅰ：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－49 kJ·ml－1
反应Ⅱ：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝41 kJ·ml－1
一体积固定的密闭容器中，在5 MPa下，按照n(CO2)∶n(H2)＝1∶3投料，平衡时，CO和CH3OH在含碳产物中物质的量百分数及CO2的转化率随温度的变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A．H2的平衡转化率始终高于CO2
B．270 ℃时反应Ⅱ的平衡常数为0.015
C．加入选择性高的催化剂，可提高CH3OH的平衡产率
D．150～250 ℃范围内，反应Ⅱ平衡常数增大的幅度大于反应Ⅰ平衡常数减小的幅度
B [反应Ⅰ为放热反应，温度越高，该反应的产物CH3OH的含量越低，故m曲线代表的是CH3OH的物质的量百分数，n曲线代表的是CO的物质的量百分数。A.起始n(CO2)∶n(H2)＝1∶3投料，只发生反应Ⅰ时，CO2、H2转化率相同，只发生反应Ⅱ时，H2的平衡转化率小于CO2的转化率，当Ⅰ、Ⅱ都发生时，则H2的平衡转化率小于CO2的转化率，A错误；B.270 ℃时，二氧化碳的转化率为24%，且甲醇和一氧化碳的百分数各为50%，设CO2初始为1 ml，CH3OH为3 ml，则有
CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)
eq \a\vs4\al(起始,ml) 1 3 0 0
eq \a\vs4\al(变化,ml) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(3×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%)
eq \a\vs4\al(平衡,ml) eq \a\vs4\al(1－1,×24%) eq \a\vs4\al(3－4×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(2×24%,×50%)
CO2(g) ＋ H2(g) CO(g)＋ H2O(g)
eq \a\vs4\al(起始,ml) 1 3 0 0
eq \a\vs4\al(变化,ml) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%)
eq \a\vs4\al(平衡,ml) eq \a\vs4\al(1－1×,24%) eq \a\vs4\al(3－4×24%,×50%) eq \a\vs4\al(1×24%,×50%) eq \a\vs4\al(2×24%,×50% )
K＝eq \f(cCO·cH2O,cCO2·cH2)＝eq \f(1×24%×50%×2×24%×50%,1－1×24%×3－4×24%×50%)＝0.015，B正确；C.加入选择性高的催化剂，可以加快二氧化碳和氢气生成甲醇的反应速率，但不能提高CH3OH的平衡产率，在一定条件下的多平衡体系中，反应的限度只由温度决定，C错误；D.150～250 ℃范围内，二氧化碳的转化率下降，说明该温度范围内以反应Ⅰ为主，反应Ⅱ平衡常数增大的幅度小于反应Ⅰ平衡常数减小的幅度，D错误。]
5．(2020·山东等级考，T18节选)以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：
Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1＝－49.5 kJ·ml－1
Ⅱ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH2＝－90.4 kJ·ml－1
Ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH3＝＋40.9 kJ·ml－1
(1)不同压强下，按照n(CO2)∶n(H2)＝1∶3投料，实验测定CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如图所示。
图甲 图乙
已知：CO2的平衡转化率＝eq \f(nCO2初始－nCO2平衡,nCO2初始)×100%
CH3OH的平衡产率＝eq \f(nCH3OH平衡,nCO2初始)×100%
其中纵坐标表示CO2平衡转化率的是图________(填“甲”或“乙”)；压强p1、p2、p3由大到小的顺序为____________________；图乙中T1温度时，三条曲线几乎交于一点的原因是____________________________________________。
(2)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率，应选择的反应条件为________(填标号)。
A．低温、高压 B．高温、低压
C．低温、低压 D．高温、高压
[解析] (1)反应Ⅰ为放热反应，故低温阶段，温度越高，CO2的平衡转化率越低，而反应Ⅲ为吸热反应，温度较高时，主要发生反应Ⅲ，则温度越高，CO2的平衡转化率越高，即图乙的纵坐标表示的是CO2的平衡转化率。反应Ⅰ、反应Ⅱ为气体分子数减少的反应，反应Ⅲ为气体分子数不变的反应，因此压强越大，CO2的平衡转化率越高，故压强由大到小的顺序是p1、p2、p3。反应Ⅲ为吸热反应，温度较高时，主要发生反应Ⅲ，且反应Ⅲ前后气体分子数相等，故CO2的平衡转化率几乎不再受压强影响。(2)由上述分析知，图甲、图乙的纵坐标分别表示CH3OH的平衡产率、CO2的平衡转化率，且p1>p2>p3，分析图像可知，应选择的反应条件为低温、高压，A项正确。
[答案] (1)乙 p1、p2、p3 T1时以反应Ⅲ为主，反应Ⅲ前后气体分子数相等，压强改变对平衡没有影响
(2)A
6．(2022·苏州检测)研究氮氧化物转化的机理对环境保护具有重要意义。请回答下列问题：
(1)N2O是硝酸生产中氨催化氧化的副产物，CO还原处理N2O的原理为CO(g)＋N2O(g) N2(g) ＋CO2(g)。
①写出硝酸生产中氨发生催化氧化的化学方程式：
______________________________________________________________。
②在Fe＋(s)作用下，反应CO(g)＋N2O(g)N2(g)＋CO2(g)的能量变化如图所示：
则CO(g)＋N2O(g)N2(g)＋ CO2(g)的ΔH ＝________kJ·ml－1。
(2)处理汽车尾气的原理为2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g) ΔH <0。将体积比为1∶1的NO和CO混合气体以相同流速通过两种不同的催化剂Ⅰ、Ⅱ，发生上述反应(不考虑其他反应)，相同时间内尾气脱氮率(即NO转化率)与温度的关系如图所示。
①M点脱氮率大于N点的原因可能是______________________________
______________________________________________________________。
②下列能说明该反应处于化学平衡状态的是______(填字母)。
A．CO2的质量分数保持不变
B．容器中CO与NO的百分含量之比保持不变
C．2v逆(NO)＝v正(N2)
D．容器中混合气体的平均相对分子质量保持不变
③若Q点反应已达平衡，体系总压强为17.5a kPa，则该温度下Kp＝________kPa－1(Kp为用分压代替浓度计算的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数，用含a的代数式表示)。
[解析] (1)①氨气催化氧化生成NO和H2O，其反应的化学方程式为4NH3＋5O2eq \(=======,\s\up9(催化剂),\s\d8(△))4NO＋6H2O。②根据图中数据得该反应为放热反应，其ΔH＝－(127＋235)kJ·ml－1＝－362 kJ·ml－1。
(2)①该反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，脱氮率减小，与曲线Ⅱ比较得N点不是平衡状态，不能用平衡移动原理解释，因此原因是N点温度高，导致催化剂Ⅰ活性减弱，反应速率变慢。②A.反应体系遵循质量守恒定律，体系总质量恒定，未平衡时，CO2质量随着反应进行而变化，其质量分数也在变化，保持不变时即达到平衡状态，A正确；B.CO与NO按体积1∶1混合反应，反应时体积消耗量也是1∶1，故任何时候容器中CO与NO的体积都保持1∶1，即百分含量之比始终保持1∶1，因此不能说明何时达到平衡状态，B错误；C.平衡时，NO与N2表示的速率关系为v逆(NO)＝2v正(N2)，C错误；D.反应体系全是气体，反应后气体物质的量减小，根据eq \x\t(M)＝eq \f(m总,n总)，未平衡时，eq \x\t(M)随反应而变化，eq \x\t(M)不变时即达到平衡状态，D正确。③Q点时脱氮率为50%，设CO与NO投料量均为n ml，列三段式得：
2CO(g)＋2NO(g)N2(g)＋2CO2(g)
eq \a\vs4\al(起始量,/ml) n n 0 0
eq \a\vs4\al(变化量,/ml) 0.5n 0.5n 0.25n 0.5n
eq \a\vs4\al(平衡量,/ml) 0.5n 0.5n 0.25n 0.5n
平衡时混合气体总物质的量为1.75n ml，该温度下Kp＝eq \f(p\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(N2))×p2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO2)),p2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(CO))×p2\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(NO)))＝eq \f(\f(0.25n,1.75n)×17.5a kPa×\f(0.5n,1.75n)×17.5a kPa2,\f(0.5n,1.75n)×17.5a kPa2×\f(0.5n,1.75n)×17.5a kPa2)＝eq \f(1,10a) kPa－1。
[答案] (1)4NH3＋5O2eq \(======,\s\up9(催化剂),\s\d8(△))4NO＋6H2O －362
(2)N点温度高，导致催化剂Ⅰ活性减弱，反应速率变慢 AD eq \f(1,10a)
7．(2022·连云港检测)大连化学物理研究所开发的DMTO技术曾获得国家科学技术发明一等奖。该技术以煤为原料，经过煤→CO、H2→CH3OH→C2H4、C3H6等一系列变化可获得重要的化工产品乙烯和丙烯。回答下列问题：
(1)煤气化包含一系列化学反应，热化学方程式如下：
①C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g) ΔH1＝131 kJ·ml－1
②CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH2＝a kJ·ml－1
③C(s)＋CO2(g)===2CO(g) ΔH＝172 kJ·ml－1，
则a＝________。
(2)已知某密闭容器中存在可逆反应：2CH3OH(g)C2H4(g)＋2H2O(g) ΔH，测得其他条件相同时，CH3OH的平衡转化率随着温度(T)、压强(p)的变化如图1所示，平衡常数K与温度T关系如图2所示。
图1 图2
①该反应的ΔH________(填“＞”或“＜”，下同)0，N点v(CH3OH)正________M点v(CH3OH)逆。
②T1后升高温度，则B、C、D三点中能正确表示该反应的平衡常数K随着温度T改变而变化的点是________(填字母)。
(3)在一定温度和适当催化剂存在下，将1 ml CO、2 ml H2通入恒容密闭容器中，使其发生反应CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH＝－91 kJ·ml－1，测得开始时容器内总压为3×105 Pa，反应经2 min达到平衡且平衡时体系压强减小eq \f(1,3)，则该温度下的平衡常数Kp＝________Pa－2(Kp为分压表示的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数)。
[解析] (1)已知，反应①：C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g) ΔH1＝131 kJ·ml－1；反应③：C(s)＋CO2(g)===2CO(g) ΔH＝172 kJ·ml－1；根据盖斯定律可得，由①－③可得②，则CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH2＝131 kJ·ml－1－172 kJ·ml－1＝－41 kJ·ml－1，故a＝－41。(2)①根据图1可知，升温，甲醇的平衡转化率减小，即平衡逆向移动，故逆反应为吸热反应，正反应为放热反应，故该反应的ΔH＜0；该反应的正反应为气体物质的量增大的反应，减压平衡正向移动，甲醇的平衡转化率增大，故p1＜p2，M点相对于N点，相当于减压，正逆反应速率均减小，则N点v(CH3OH)正＞M点v(CH3OH)逆。②该反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，则T1后升高温度，则B、C、D三点中能正确表示该反应的平衡常数K随着温度T改变而变化的点是C。(3)将1 ml CO、2 ml H2通入恒容密闭容器中，测得开始时容器内总压为3×105 Pa，则二者起始时分压分别为1×105 Pa、2×105 Pa，恒温恒容条件，压强比等于物质的量之比，可以用分压代替物质的量列出三段式，
COeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g)) ＋ 2H2eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))CH3OHeq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(g))
起始(Pa) 1×105 2×105 0
转化(Pa) x 2x x
平衡(Pa) 1×105－x 2×105－2x x，
平衡时的总压强为(1×105－x)＋(2×105－2x)＋x＝3×105－2x,2 min达到平衡且平衡时体系压强减小eq \f(1,3)，即平衡时的总压为2×105Pa，则3×105－2x＝2×105，解得x＝0.5×105 Pa，则该温度下的平衡常数Kp＝eq \f(0.5×105 Pa,1×105 Pa2×0.5×105 Pa)＝1×10－10 Pa－2。
[答案] (1)－41 (2)＜ ＞ C (3)1×10－10
8．Ⅰ.氢气是一种清洁能源，水煤气变换反应的制氢原理为CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH1，回答下列问题。
(1)某研究所探究CuO/ZrO2的系列催化剂(包括C/Z120、C/Z250、C/Z350、C/Z450)在水煤气变换反应中的催化活性。常压下，原料气在不同温度下相同时间内CO的转化率如图甲：
甲
①工业生产中应选择的最佳反应条件为________。
②C/Z120曲线先上升后下降的原因：______________________________
_______________________________________________________________。
Ⅱ.长征运载火箭推进剂为(CH3)2N—NH2和N2O4。
(2)在t ℃、p MPa下，将N2(g)和物质的量分数为m%的N2O5(g)通入反应器：①2N2O5(g)===2N2O4(g)＋O2(g)，②N2O4(g)2NO2(g)，一段时间后N2O5完全反应，反应②达到平衡，N2O4与NO2的体积比为1∶2，则反应②的压强平衡常数Kp＝________。
(3)T ℃时，2NO2(g)N2O4(g)，该反应正、逆反应速率与浓度的关系为
v正＝k正c2(NO2)，v逆＝k逆c(N2O4)(k正、k逆是速率常数，v正、v逆的单位为
ml·L－1·min－1)。
乙
①图乙中表示lg v逆～lg c(N2O4)的线是________(填“m”或“n”)。
②T ℃时，向刚性容器中充入一定量NO2气体，平衡后测得c(N2O4)为1.0 ml·L－1，则平衡时，k逆＝________(用含a的表达式表示)。
③T ℃时，向2 L的容器中充入5 ml N2O4气体和1 ml NO2气体，此时
v正________v逆(填“>”“<”或“＝”)。
[解析] (1)①由图甲可知，工业生产中应选择的最佳反应条件是C/Z250作催化剂、反应温度为240 ℃；②低于270 ℃时，温度升高和催化剂活性增大都使速率加快，相同时间内，CO的转化率增大；高于270 ℃时，温度升高，催化剂活性降低，使反应速率减慢，相同时间内，CO的转化率降低。(2)设N2O5的物质的量为m ml，则N2的物质的量为(100－m)ml，N2O5完全反应，则生成的N2O4的物质的量为m ml，生成的O2的物质的量为eq \f(1,2)m ml。设转化为NO2的N2O4的物质的量为x ml，列出三段式：
N2O4(g)2NO2(g)
起始量/ml m 0
转化量/ml x 2x
平衡量/ml m－x 2x
达到平衡时，N2O4与NO2的体积比为1∶2，则有eq \f(m－x,2x)＝eq \f(1,2)，解得x＝eq \f(1,2)m，则达到平衡时，N2O4的物质的量为eq \f(1,2)m ml，NO2的物质的量为m ml，混合气体的总物质的量为(eq \f(1,2)m＋m＋100－m＋eq \f(1,2)m)ml＝(100＋m)ml，反应②的压强平衡常数Kp＝eq \f(\f(m,100＋m)×p2,\f(\f(1,2)m,100＋m)×p)＝eq \f(2mp,100＋m)。
(3)①v正＝k正c2(NO2)，则lg v正＝lg k正＋2lg c(NO2)，v逆＝k逆c(N2O4)，则lg v逆＝lg k逆＋lg c(N2O4)，lg v逆～lg c(N2O4)的线斜率较小，则图乙中表示lg
v逆～lg c(N2O4)的线是n；②由①可知，图中表示lg v逆～lg c(N2O4)的线是n，横坐标为0时，lg k逆＝lg v逆＝a，k逆＝10a，同理可知lg k正＝a＋2，k正＝10a＋2；③T ℃时，向2 L的容器中充入5 ml N2O4气体和1 ml NO2气体，c(N2O4)＝eq \f(5 ml,2 L)＝2.5 ml·L－1，c(NO2)＝eq \f(1 ml,2 L)＝0.5 ml·L－1，v正＝10a＋2×0.52
ml·L－1·min－1＝2.5×10a＋1 ml·L－1·min－1，v逆＝2.5×10a ml·L－1·
min－1，则v正>v逆。
[答案] (1)①使用催化剂C/Z250且在240 ℃左右反应 ②低于270 ℃，温度升高和催化剂活性增大都使速率加快；高于270 ℃，催化剂活性降低，速率减慢 (2)eq \f(2mp,100＋m) (3)①n ②10a ③>
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