2023届高三化学二轮总复习 化学反应速率和化学平衡课件

这是一份2023届高三化学二轮总复习 化学反应速率和化学平衡课件，共60页。PPT课件主要包含了专题体系构建，2外因，1-α，角度拓展，ABC，逆向移动，∶10，Kp1·Kp2，9pkPa，CH4等内容，欢迎下载使用。

化学反应速率和化学平衡
[专题体系构建]
[核心回顾]1.掌握化学反应速率的两种计算方法　注意单位的规范书写(1)依据定义式计算:依据“ ”计算时一定要注意容器的容积或溶液的体积,不能盲目地把Δn当作Δc代入公式进行计算。(2)根据比例关系计算:对于反应“mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)”,不同物质的化学反应速率与化学计量数的关系:v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)=m∶n∶p∶q。

2.熟悉影响化学反应速率的因素(1)内因——活化能在相同的条件下,不同化学反应的速率不同,主要是内因——活化能大小不同所致,活化能小的反应速率快,活化能大的反应速率慢。
(2)外因
微点拨:“惰性气体”(非反应气体)对化学反应速率的影响
3.掌握化学反应速率常数(k)及应用(1)速率常数(k)速率常数(k)是指在给定温度下,反应物浓度皆为1 mol·L-1时的反应速率。在相同的浓度条件下,可用速率常数大小来比较化学反应的反应速率。(2)速率方程基元反应的化学反应速率与反应物的浓度数值相应幂次的乘积成正比,其幂次即为各物质前面的化学计量数。对于基元反应:aA(g)+bB(g) gG(g)+hH(g),则v(正)=k(正)ca(A)·cb(B)[其中k(正)为正反应的速率常数],v(逆)=k(逆)cg(G)·ch(H)[其中k(逆)为逆反应的速率常数]。
(3)影响因素 浓度、压强不影响速率常数(k)速率常数是温度的函数。同一反应,温度不同,速率常数不同;温度相同,速率常数相同。(4)速率常数与化学平衡常数之间的关系一定温度下,可逆反应:aA(g)+bB(g) gG(g)+hH(g),v(正)=k(正)ca(A)·cb(B), v(逆)=k(逆)cg(G)·ch(H),达到平衡状态:v(正)=v(逆),则有k(正)ca(A)·cb(B)=k(逆)cg(G)·ch(H),从而可得化学平衡常数:
[命题角度]角度1化学反应速率及影响因素【典例】 (2020全国Ⅱ卷,28节选)高温下,甲烷生成乙烷的反应如下:2CH4 C2H6+H2。反应在初期阶段的速率方程为 ,其中k为反应速率常数。①设反应开始时的反应速率为r1,甲烷的转化率为α时的反应速率为r2,则r2=　 　r1。 ②对于处于初期阶段的该反应,下列说法正确的是　　　。 A.增加甲烷浓度,r增大B.增加H2浓度,r增大C.乙烷的生成速率逐渐增大D.降低反应温度,k减小
(1-α)
AD
即r2=(1-α)r1。②A对,由速率方程知,甲烷的浓度越大,反应越快;B错,H2的浓度大小不影响反应速率;C错,反应过程中 逐渐减小,故C2H6的生成速率逐渐减小;D对,降低反应温度,反应速率减小,故k减小。
角度拓展1.(2022河南平顶山质量检测)利用制备的甲醇可以催化制取丙烯,过程中发生如下反应: 3CH3OH(g) C3H6(g)+3H2O(g)。该反应的Arrhenius经验公式的实验数据如图中曲线a所示,已知Arrhenius经验公式为Rlnk=- +C(Ea为活化
能,假设受温度影响忽略不计,k为速率常数,R和C为常数)。则该反应的活化能Ea=　　 kJ·mol-1。当改变外界条件时,实验数据如图中的曲线b所示,则实验可能改变的外界条件是　　　 　　 　　　　;此经验公式说明对于某个基元反应,当升高相同温度时,其活化能越大,反应速率增大得就　　　　(填“越多”或“越少”)。 
31
使用了更高效的催化剂
越多
提示 根据图像并结合公式可得:9.2=-3.2Ea+C,3.0=-3.4Ea+C,联立方程,解得Ea=31。当改变外界条件时,实验数据如图中的曲线b所示,此时满足:9.2=-3.2Ea+C,1.0=-3.6Ea+C,联立方程,解得Ea=20.5,活化能减小,则实验可能改变的外界条件是更换了更高效的催化剂;此经验公式说明对于某个基元反应,当升高相同温度时,其活化能越大,反应速率增大得越多。
2.(2022江西南昌一模)工业用甲烷催化法制取乙烯:2CH4(g) ══ C2H4(g)+2H2(g) ΔH>0。T ℃时,向2 L的恒容反应器中充入2 mol CH4,仅发生上述反应,反应过程中CH4的物质的量随时间变化如图所示:
实验测得v(正)=k正c2(CH4),v(逆)=k逆c(C2H4)∙c2(H2),k正、k逆为速率常数,只与温度有关,T ℃时k正与k逆的比值为　　　(用含x的代数式表示);若将温度升高,速率常数增大的倍数:k正　　　(填“>”“=”或“<”)k逆。 
> 
角度2化学反应速率的计算【典例】 (2022陕西汉中第二次检测)现研究温度及分子筛膜(用分子筛膜代替容器器壁,该膜只允许水、甲醇等极性分子通过)对甲醇平衡产率的影响。将CO2和H2初始投料分别按1.0 mol·L-1和4.0 mol·L-1充入恒容容器中,发生反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g),温度及分子筛膜对甲醇平衡产率的影响如图所示。
(1)220 ℃时,经过2 min达到M点,则该条件下0~2 min内的平均反应速率v(H2)=　　　　　　　　　。 (2)其他条件不变,甲醇的平衡产率总是高于没有分子筛膜时的产率,其原因可能是
0.3 mol·L-1·min-1
分子筛膜可以将甲醇和水及时分离出来,从而降低产物浓度,促使平衡正移
   　。 
提示 (1)由图可知,M点甲醇的产率为20%,则2 min时甲醇的浓度为1.0 mol·L-1×20%=0.2 mol·L-1,该条件下0~2 min内氢气的平均速率为(2)其他条件不变时,分子筛膜可以将甲醇和水及时分离出来,生成物浓度减小,平衡向正反应方向移动,甲醇的平衡产率增大,所以与没有分子筛膜条件下发生的反应相比,甲醇的平衡产率总是高于没有分子筛膜时的产率。
角度拓展
15
3.96
[核心回顾]1.突破化学平衡状态的判断题体系条件是判断基础,反应特点是判断关键(1)分析体系条件。看清反应体系是恒温恒容、恒温恒压还是绝热容器。(2)分析反应特点。看清物质的状态、反应前后气体分子总数是否发生变化,确定反应过程中气体总物质的量、总压强是否变化,判断混合气体的平均摩尔质量或密度是否变化;看清反应的焓变,确定温度对平衡状态的影响。
(3)巧用“正逆相等,变量不变”作出合理判断。
2.判断化学平衡移动方向的“两个”依据(1)依据勒夏特列原理判断 前提条件是可逆反应达到化学平衡状态通过比较改变外界条件时,平衡破坏瞬间的正、逆反应速率的相对大小来判断平衡移动的方向。
(2)根据离子积(Q)与平衡常数(K)的大小判断平衡移动的方向
3.化工生产中反应条件的选择(1)从化学平衡移动分析,既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性,又要注意二者影响的矛盾性。(2)从原料的利用率分析,增加易得廉价原料,提高难得高价原料的利用率,从而降低生产成本。(3)从实际生产能力分析,如设备承受高温、高压的能力等,注意催化剂的活性对温度的限制。
(4)优化和选择化工生产的反应条件,如下表:
 [命题角度]角度1化学平衡状态的判断【典例】 (2022新疆昌吉二诊)在刚性容器中按投料比 =1发生反应: 2H2(g)+2NO(g) N2(g)+2H2O(g)　ΔH=-664.1 kJ·mol-1。下列能够说明该反应已达到化学平衡状态的是　　　。 A.2v逆(NO)=v正(N2)B.混合气体的密度不再变化C.容器内总压强不再变化D.混合气体的平均相对分子质量不再变化
CD
提示 反应达到平衡状态时,不同物质的正、逆反应速率比等于计量数之比,2v逆(NO)=v正(N2)不能说明反应达到平衡,A错误;反应前后气体总质量不变、容器容积不变,密度是恒量,混合气体的密度不再变化,反应不一定达到平衡状态,B错误;反应前后气体物质的量不同,压强是变量,容器内总压强不再变化,反应一定达到平衡状态,C正确;反应前后气体总质量不变,气体物质的量改变,混合气体的平均相对分子质量是变量,混合气体的平均相对分子质量不再变化,反应一定达到平衡状态,D正确。
角度拓展1.(2022安徽“江南十校”模拟)一定温度下,向填充有催化剂的恒容密闭容器中充入等物质的量的CO2和H2,同时发生反应Ⅰ和反应Ⅱ:
下列事实能说明容器内反应均达到平衡状态的是　 　　(填字母)。 A.氢氢键不再断裂 B.CO2与H2的个数之比不再改变C.容器内气体的压强不再改变 D.容器内气体的密度不再改变
ABC
提示 反应体系中各物质均为气体,混合气体总质量不变,恒容时气体的密度始终不变,故D项不能判断是否达到平衡状态。
2.(2022河北邯郸模拟)一定温度下,在刚性密闭容器中充入一定量CO2和H2,发生反应:2CO2(g)+5H2(g) CH3CHO(g)+3H2O(g)。下列情况表明该反应达到平衡状态的是　　　　(填字母)。 A.混合气体的密度保持不变B.CO2(g)的消耗速率和H2O(g)的生成速率之比为2∶3C.CH3CHO(g)、H2O(g)的浓度之比保持不变D.混合气体平均摩尔质量保持不变
D
提示 刚性容器为恒容,气体总体积不变,组分都是气体,气体总质量保持不变,根据密度的定义,混合气体的密度始终保持不变,即混合气体的密度不变,不能说明反应达到平衡,A错误;消耗CO2(g)、生成H2O(g),反应都是向正反应方向进行,CO2(g)的消耗速率和H2O(g)的生成速率之比为2∶3,不能说明反应达到平衡,B错误;CH3CHO(g)、H2O(g)都是生成物,CH3CHO(g)、H2O(g)的物质的量之比始终是1∶3,不能说明反应达到平衡,C错误。
角度2化学平衡的移动及分析【典例】 (2021山东卷,20节选)2-甲氧基-2-甲基丁烷(TAME)常用作汽油原添加剂。在催化剂作用下,可通过甲醇与烯烃的液相反应制得,体系中同时存在如图反应:
回答下列问题:(1)为研究上述反应体系的平衡关系,向某反应容器中加入1.0 mol TAME,控制温度为353 K,测得TAME的平衡转化率为α。已知反应Ⅲ的平衡常数Kx3=9.0(Kx表示以物质的量分数表示的平衡常数),则平衡体系中B的物质的量为　　　　 mol,反应Ⅰ的平衡常数Kx1=　　　　　　　　。同温同压下,再向该容器中注入惰性溶剂四氢呋喃稀释,反应Ⅰ的化学平衡将　　　　　　(填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”)。平衡时,A与CH3OH物质的量浓度之比c(A)∶c(CH3OH)=　　　　　。 
0.9α
逆向移动
1∶10
(2)为研究反应体系的动力学行为,向盛有四氢呋喃的另一容器中加入一定量A、B和CH3OH。控制温度为353 K,A、B物质的量浓度c随反应时间t的变化如图所示。代表B的变化曲线为　　　　(填“X”或“Y”);t=100 s时,反应Ⅲ的正反应速率v(正)　　　　　(填“>”“<”或“=”)逆反应速率v(逆)。 
X
< 
角度拓展1.(2022贵州毕节诊断性考试,节选)恒温恒容下,关于反应C3H8(g)+CO2(g) C3H6(g)+H2O(g)+CO(g)　ΔH=+47 kJ·mol-1。下列说法正确的是　　　　。 A.该反应的ΔH不再变化,说明反应达到平衡状态B.混合气体的平均相对分子质量保持不变,说明达到平衡状态C.达平衡后,向体系中再通入CO2气体,C3H8的转化率增大D.达平衡后,降低温度,逆反应的速率先减小后增大
BC
提示 该反应的ΔH为定值,不能说明反应达到平衡状态,A错误;反应C3H8(g)+CO2(g) C3H6(g)+H2O(g)+CO(g)是气体体积变化的反应,而气体总质量不变,则混合气体的平均相对分子质量保持不变,说明达到平衡状态,B正确;达平衡后,向体系中再通入CO2气体,平衡正向移动,C3H8的转化率增大,C正确;达平衡后,降低温度,平衡向左移动,逆反应的速率不会增大,D错误。
2.(2022广东揭阳模拟)向绝热恒容密闭容器中通入气体A和B,一定条件下: A(g)+B(g) C(g)+D(g)　 ΔH=Q kJ·mol-1。达到平衡,其正反应速率随时间变化如图所示。判断下列说法是否正确。
(1)反应物的浓度:a点小于b点。(　　)(2)达到平衡后,升高温度,A的转化率将减小。(　　)(3)反应体系中加入催化剂,反应速率增大,ΔH也增大。(　　)
×
√
×
提示 (1)由题图可知,a→c点过程中v(正)逐渐增大,说明反应放出热量,且温度对正反应速率的影响大于浓度对正反应速率的影响,a点反应物浓度大于b点。(3)反应体系中加入催化剂,反应速率增大,但ΔH的值不变。
角度3化工生产条件的选择及分析【典例】 (2022湖南衡阳模拟)(1)工业合成氨的反应为N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。已知在298 K时,ΔH=-92.2 kJ·mol-1,ΔS=-198.2 J·K-1·mol-1。(1)根据反应的焓变和熵变,分析在298 K时合成氨反应　　　　　　　(填“能”“不能”或“无法判断”)正向自发进行。 (2)有利于化学平衡向生成氨的方向移动的是　　　　　(填字母)。 A.升高温度,增大压强B.升高温度,减小压强C.降低温度,减小压强D.降低温度,增大压强
能
D
(3)下图为合成氨生产设备流程示意图,下列说法错误的是　　　(填字母)。
A.为防止原料气中混有的杂质使催化剂“中毒”而丧失催化活性,原料气必须经过净化B.压缩机加压过程,既要考虑平衡移动的问题,又要考虑设备材料的强度和设备制造要求的问题C.合成氨反应的温度控制在500 ℃左右,此温度下反应物的平衡转化率最大D.冷却过程,及时将NH3从平衡混合物中分离出去,促使合成氨反应向生成氨气的方向移动
C
角度拓展(2022河南六市第一次联合调研)2021年9月24日,我国科学家在《Science》上发表论文《无细胞化学酶法从二氧化碳合成淀粉》,代表着人类人工合成淀粉领域的重大颠覆性和原创性突破。该实验方法首先将CO2催化还原为CH3OH。探究CH3OH合成反应的化学平衡影响因素,有利于提高CH3OH的产率。CO2和H2在某种催化剂作用下可同时发生以下两个反应:Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-48.5 kJ·mol-1Ⅱ.2CO2(g)+5H2(g) C2H2(g)+4H2O(g)　ΔH=+37.1 kJ·mol-1在压强为p,CO2、H2的起始投料比为1∶3的条件下,发生反应Ⅰ、Ⅱ。 实验测得CO2的平衡转化率和平衡时CH3OH的选择性随温度的变化如图所示。
(1)有利于提高CH3OH的选择性的措施有　　　(填字母)。 A.适当降温 B.适当升温C.选择合适的催化剂(2)温度高于350 ℃时,体系中发生的反应以　　　(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)为主,并说明理由　  　。 (3)其中表示平衡时CH3OH的选择性的曲线是　 　　(填“a”或“b”)。 (4)400 ℃时,在该压强及投料比的条件下,利用图示所给数据计算H2的转化率为　　　　　　　(保留三位有效数字)。 
AC
Ⅱ
反应Ⅱ为吸热反应,温度较高,有利于吸热反应进行　
b
22.5%
提示 (1)由反应Ⅰ可知生成CH3OH的反应为放热反应,根据勒夏特列原理,温度降低,有利于平衡正向移动,因此降温可以提高选择性;选择有利于反应Ⅰ进行的催化剂,可以让反应更大程度地只进行反应Ⅰ,有利于提高甲醇的选择性。(2)温度高于350 ℃时,由于体系温度较高,根据勒夏特列原理,有利于吸热反应的进行,因此以反应Ⅱ为主。(3)反应Ⅰ是生成CH3OH的反应,该反应是放热反应,温度越高,平衡逆向移动,CH3OH的选择性越低,因此b为平衡时CH3OH的选择性曲线,a为CO2的平衡转化率曲线。
(4)设投入的CO2和H2的物质的量分别为a mol、3a mol,设反应Ⅰ转化的CO2的物质的量为x mol,反应Ⅱ转化的CO2的物质的量为y mol,根据题意可得: CO2 + 3H2 CH3OH + H2O转化/mol x 3x x x 2CO2 + 5H2 C2H2 + 4H2O转化/mol 2y 5y y 4y
[核心回顾]书写平衡常数表达式,要注意物质的状态1.高考常考的三种化学平衡常数[以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例]
2.结合化学方程式计算平衡常数(1)同一可逆反应中,K(正)·K(逆)=1,其中K(正)表示正反应平衡常数,K(逆)表示逆反应平衡常数。(2)若两个可逆反应的方程式相加,得到总反应方程式,如反应①+反应②=反应③,则总反应的平衡常数等于各分步反应的平衡常数之积,则有K3=K1·K2。(3)若两个可逆反应的方程式相减,得到总反应方程式,如反应①-反应②=反应③,则总反应的平衡常数等于各分步反应的平衡常数之商,则有
3.掌握四种常考的计算关系变化量可以是物质的量或物质的量浓度
计算理论产量时,要注意过量计算
[命题角度]角度1化学平衡常数的计算【典例】 (2021全国乙卷,28节选)一氯化碘(ICl)是一种卤素互化物,具有强氧化性,可与金属直接反应,也可用作有机合成中的碘化剂。回答下列问题:(1)氯铂酸钡(BaPtCl6)固体加热时部分分解为BaCl2、Pt和Cl2,376.8 ℃时平衡常数Kp=1.0×104 Pa2,在一硬质玻璃烧瓶中加入过量BaPtCl6,抽真空后,通过一支管通入碘蒸气(然后将支管封闭)。在376.8 ℃,碘蒸气初始压强为20.0 kPa;376.8 ℃平衡时,测得烧瓶中压强为32.5 kPa,则pICl=　　　 kPa,反应2ICl(g) ══ Cl2(g)+I2(g)的平衡常数K=　　 　　　　　　(列出计算式即可)。 
24.8　
(2)McMorris测定和计算了在136~180 ℃范围内下列反应的平衡常数Kp。2NO(g)+2ICl(g) 2NOCl(g)+I2(g)　Kp12NOCl(g) 2NO(g)+Cl2(g)　Kp2
①由图可知,NOCl分解为NO和Cl2,反应的ΔH　　　　　　(填“大于”或“小于”)0。 ②反应2ICl(g) Cl2(g)+I2(g)的K=　　　　　(用Kp1、Kp2表示)。 
大于
Kp1·Kp2
提示 (1)由题意可知,376.8 ℃时玻璃烧瓶中发生两个反应: BaPtCl6(s) BaCl2(s)+Pt(s)+2Cl2(g)、Cl2(g)+I2(g) 2ICl(g)。BaPtCl6(s) BaCl2(s)+Pt(s)+2Cl2(g)的平衡常数Kp=1.0×104 Pa2,则平衡时p2(Cl2)=1.0×104 Pa2, p(Cl2)=100 Pa。设到达平衡时I2(g)的分压减小p kPa,则 Cl2(g)+ I2(g) 2ICl(g)开始/kPa 20.0 0变化/kPa p 2p平衡/kPa 0.1 20.0-p 2p376.8 ℃平衡时,测得烧瓶中压强为32.5 kPa,则0.1+20.0+p=32.5,解得p=12.4,则平衡时pICl=2p kPa=2×12.4 kPa=24.8 kPa;则平衡时,I2(g)的分压为(20.0-p)kPa =(20.0×103-12.4×103)Pa,pICl=24.8 kPa=24.8×103 Pa,p(Cl2)=0.1 kPa=100 Pa,因此反应2ICl(g)Cl2(g)+I2(g)的平衡常数
(2)①结合图像可知,温度越高, 越小,lg Kp2越大,即Kp2越大,说明升高温度平衡2NOCl(g)2NO(g)+Cl2(g)正向移动,则NOCl分解为NO和Cl2反应的ΔH大于0。②Ⅰ.2NO(g)+2ICl(g) 2NOCl(g)+I2(g)　Kp1Ⅱ.2NOCl(g) 2NO(g)+Cl2(g)　Kp2Ⅰ+Ⅱ得2ICl(g) Cl2(g)+I2(g),则2ICl(g)Cl2(g)+I2(g)的K=Kp1·Kp2。
角度拓展1.(2022广西柳州模拟)T ℃,以CO2和NH3为原料可合成化肥尿素:2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(s)+H2O(l);在2 L的密闭容器中,通入1.2 mol NH3和0.6 mol CO2,2 min时反应刚好达到平衡,此时c(NH3)=0.2 mol·L-1, c(CO2)=0.1 mol·L-1。(1)该反应的平衡常数为　　　　　　　。 (2)若2 min时保持T ℃和平衡时容器的压强不变,再向容积可变的容器中充入0.6 mol NH3,则此时平衡　　　　　　　(填“正向移动”“逆向移动”或“不移动”)。 
250
逆向移动
2.(2022四川遂宁三诊)丙烷脱氢制丙烯反应C3H8(g) C3H6(g)+H2(g)　ΔH=+123 kJ·mol-1。一定温度下,向恒容密闭容器中充入1 mol C3H8,开始压强为p kPa,C3H8的气体体积分数与反应时间的关系如图所示:
(1)此温度下该反应的平衡常数Kp=　　　　　　　(用含字母p的代数式表示,Kp是用反应体系中气体物质的分压表示的平衡常数,平衡分压=总压×体积分数)。 (2)已知该反应过程中,v(正)=k正p(C3H8),v(逆)=k逆p(C3H6)·p(H2),其中k正、k逆为速率常数,只与温度有关,则图中m点处 =　　　　　　　。 
0.9p kPa　
5.4
角度2平衡转化率和平衡浓度的计算【典例】 (2021天津卷,16节选)CS2是一种重要的化工原料。工业上可以利用硫(S8)与CH4为原料制备CS2,S8受热分解成气态S2,发生反应2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)。某温度下,若S8完全分解成气态S2。在恒温密闭容器中,S2与CH4物质的量比为2∶1时开始反应。当CS2的体积分数为10%时,CH4的转化率为　　 　　。 
30%
提示 在恒温密闭容器中,设起始时加入的S2与CH4的物质的量分别为2a mol、a mol,列出三段式:　　　　 2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)起始/mol 2a a 0 0转变/mol 2x x x 2x某时刻/mol 2a-2x a-x x 2x
角度拓展1.(2022河北名校联盟联考)450 ℃时,在2 L恒容密闭容器中充入1 mol NO、1 mol NO2和2 mol NH3,起始时体系压强为p MPa,发生反应:NO(g)+NO2(g)+2NH3(g) 2N2(g)+3H2O(g),5 min时反应达到平衡。此时测得N2的物质的量分数为 。0~5 min内,v(NH3)=　　　　　　 mol·L-1·min-1,NO的平衡转化率=　　　%。 
0.16
80
2.(2022湖南怀化模拟)利用逆水煤气变换(RWGS)将CO2加氢还原为合成气,反应体系主要发生以下反应:Ⅰ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH1=+41.2 kJ·mol-1Ⅱ.CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH2=-165 kJ·mol-1Ⅲ.CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g)　ΔH3在恒定压强为100 kPa的条件下,将n(CO2)∶n(H2)=1∶3的混合气体投入装有镍催化剂的反应器中,图1为各组分平衡时物质的量分数(不包括H2O)与温度的关系,图2为在不同温度下反应相同的时间CO2的转化率、CO及CH4的产率与温度的关系。已知:CO的产率
图1
图2
(1)图1曲线a对应的物质是　　　　　(填化学式)。温度高于550 ℃时,从化学平衡的角度解释图1中曲线b随温度变化的原因 　  　 。 
CH4
曲线b对应物质是CO,升高温度,反应Ⅰ正向移动,反应Ⅲ逆向移动,均有利于提高CO平衡时的物质的量分数,且高温时,反应Ⅰ占优势
(2)根据图2计算,518 ℃时H2的转化率α(H2)=　　　　　　　(计算结果精确到0.1%),900 ℃时反应Ⅰ的平衡常数Kp=　　　　　　　(保留2位小数,以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。 
33.3%　
2.04
提示 (1)反应Ⅲ=反应Ⅱ-反应Ⅰ,则ΔH3=ΔH2-ΔH1=-165 kJ·mol-1-41.2 kJ·mol-1=-206.2 kJ·mol-1,反应Ⅱ和反应Ⅲ都是放热反应,升高温度,反应Ⅱ和反应Ⅲ都逆向移动,CH4的物质的量分数降低,故曲线a对应的物质是CH4。曲线b对应的物质是CO,温度高于550 ℃时,反应Ⅰ正向移动,反应Ⅲ逆向移动,均有利于提高CO平衡时的物质的量分数,且高温时,反应Ⅰ占优势。(2)图2在518 ℃时,CO2的转化率为40%,CO和CH4的产率均为20%。设起始时CO2的物质的量为1 mol,则H2的物质的量为3 mol,转化的CO2的物质的量为0.4 mol,生成的CO和CH4均为0.2 mol。设反应Ⅰ转化的CO2的物质的量为x mol,则消耗的H2的物质的量为x mol,生成的CO的物质的量为x mol,
反应Ⅱ转化的CO2的物质的量为(0.4-x) mol,则消耗的H2的物质的量为(1.6-4x) mol,生成的CH4的物质的量为(0.4-x) mol,在反应Ⅲ中,起始的CO的物质的量为x mol,平衡时CO的物质的量为0.2 mol,转化的CO的物质的量为(x-0.2) mol,则同时转化的H2的物质的量为(3x-0.6) mol,三个反应总共转化的H2的物质的量为(x+1.6-4x+3x-0.6) mol=1 mol,故H2的转化率α(H2)= ×100%≈33.3%。从图2可以看出,当温度为900 ℃时,CH4的产率为0,则只发生反应Ⅰ,900 ℃时CO2的平衡转化率为84%,可列三段式:
　　　　CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)起始/mol 1 3 0 0变化/mol 0.84 0.84 0.84 0.84平衡/mol 0.16 2.16 0.84 0.84平衡时CO2的物质的量分数为0.04,H2的物质的量分数为0.54,CO和H2O的物质的量分数均为0.21,所以各物质的分压为CO2为0.04×100 kPa=4 kPa,H2为54 kPa,CO和H2O均为21 kPa,则900 ℃时反应Ⅰ的平衡常数
[核心回顾]1.化学反应速率图像及分析分析化学反应速率图像的基本依据是“控制变量法”(1)当可逆反应达到一种平衡后,若某一时刻外界条件发生改变,都可能使速率—时间图像的曲线出现不连续的情况,根据出现“断点”前后的速率大小,即可对外界条件的变化情况作出判断,如图所示:
t1时刻改变的条件可能是使用了催化剂或增大压强(仅适用于反应前后气体物质的量不变的反应)。
(2)常见含“断点”的速率变化图像分析改变某一条件,速率图像出现“断点”,可能是改变温度或压强;若曲线连续,则改变浓度
2.两类化学平衡图像及分析(1)转化率(或百分含量)与温度变化图像
①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,解决这类图像一般采用“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。②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,说明升高温度平衡向正反应方向移动,即正反应为吸热反应。③当温度相等时,在图1中作垂线,与三条等压线交于三点,这三点自下而上为增大压强,A的转化率增大,说明增大压强平衡向正反应方向移动,即正反应为气体体积减小的反应。
(2)转化率(或百分含量)与压强变化图像
①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。②当压强相等时,在图3中作垂线,与两条等温线交于两点,这两点自下而上为降低温度,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.“四步法”突破化学平衡图像及分析类题
[命题角度]角度1化学反应速率图像及分析【典例】 (2021湖南卷,11改编)已知: A(g)+2B(g) 3C(g)　ΔH<0,向一恒温恒容的密闭容器中充入1 mol A和3 mol B发生反应,t1时达到平衡状态Ⅰ,在t2时改变某一条件,t3时重新达到平衡状态Ⅱ,正反应速率随时间的变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.容器内压强不变,表明反应达到平衡 B.t2时改变的条件:向容器中加入CC.平衡时A的体积分数φ:φ(Ⅱ) <φ(Ⅰ) D.平衡常数K:K(Ⅱ)B
角度拓展1.(2022辽宁抚顺一模)如图是关于反应A2(g)+3B2(g) 2C(g)　ΔH<0的平衡移动图像。判断下列说法是否正确。(1)增大反应物浓度,同时减小生成物浓度。(　　)(2)增大反应物浓度,同时使用催化剂。(　　)(3)升高温度,同时加压。(　　)(4)降低温度,同时减压。(　　)
√
×
×
×
2.(2021河北卷,13改编)室温下,某溶液初始时仅溶有M和N且浓度相等,同时发生以下两个反应:①M+N X+Y;②M+N X+Z。反应①的速率可表示为v1=k1c2(M),反应②的速率可表示为v2=k2c2(M)(k1、k2为速率常数)。反应体系中组分M、Z的浓度随时间变化情况如图。判断下列说法是否正确。
(1)0~30 min时间段内,Y的平均反应速率为6.67×10-3 mol·L-1·min-1。(　　)(2)反应开始后,体系中Y和Z的浓度之比保持不变。(　　)(3)反应①的活化能比反应②的活化能大。(　　)
×
√
√
角度2化学平衡图像及分析【典例】 (2021广东卷,14)反应X 2Z经历两步:①X→Y;②Y→2Z。反应体系中X、Y、Z的浓度c随时间t的变化曲线如图所示。下列说法不正确的是(　　)A.a为c(X)随t的变化曲线B.t1时,c(X)=c(Y)=c(Z)C.t2时,Y的消耗速率大于生成速率D.t3后,c(Z)=2c0-c(Y)
D
提示 由题中信息可知,反应X 2Z经历两步:①X→Y;②Y→2Z。图中呈不断减小趋势的a线为X的浓度c随时间t的变化曲线,呈不断增加趋势的曲线为Z的浓度c随时间t的变化曲线,先增加后减小的曲线为Y的浓度c随时间t的变化曲线。X是唯一的反应物,随着反应的发生,其浓度不断减小,a为c(X)随t的变化曲线,A正确;分别代表3种不同物质的曲线相交于t1时刻,t1时c(X)=c(Y)=c(Z),B正确;由题图中信息可知,t2时刻以后,X、Y的浓度仍在不断减小,说明t2时刻两步反应仍在向正反应方向进行,而且反应①生成Y的速率小于反应②消耗Y的速率,即t2时Y的消耗速率大于生成速率,C正确;t3时刻反应①完成,X完全转化为Y,若无反应②发生,则c(Y)=c0,由于反应②Y→2Z的发生,t3时刻Y浓度的变化量为c0-c(Y),变化量之比等于化学计量数之比,则Z的浓度的变化量为2[c0-c(Y)],这种关系在t3后仍成立,D错误。
角度拓展1.(2022湖南怀化二模)在400 ℃和550 ℃条件下,向两个容积恒定的容器中分别充入2 mol N2O和2 mol CO,发生反应:N2O(g)+CO(g) N2(g)+CO2(g)。实验测得两容器中CO与N2的物质的量随时间变化关系如图所示。曲线Ⅰ平衡后的总压强为p1 kPa,曲线Ⅱ平衡后的总压强为p2 kPa。判断下列说法是否正确。
(1)曲线Ⅰ为550 ℃条件下的变化曲线。(　　)(2)ad段N2O的平均速率为0.015p1 kPa·min-1。(　　)(3)曲线Ⅱ代表的温度下,该反应的平衡常数Kp= 。(　　)
×
√
×
提示 (1)曲线Ⅱ先达到平衡,反应速率较快,对应的温度更高,故曲线Ⅱ为550 ℃条件下的变化曲线;(2)曲线Ⅰ表示的是CO的物质的量随时间的变化关系,根据题图可知,ad段CO转化的物质的量为1.4 mol-0.8 mol=0.6 mol,根据恒温恒容时气体的压强之比等于物质的量之比,该反应是气体分子数不变的反应,且平衡后的总压强为p1 kPa,知ad段CO的压强变化为0.15p1 kPa,故v(CO)=v(N2O)= =0.015p1 kPa·min-1;(3)曲线Ⅱ代表550 ℃下N2的物质的量随时间的变化关系,由题图可知,平衡时N2的物质的量为1 mol,故平衡时N2O、CO、N2、CO2四种气体的平衡分压相等,均为0.25p2 kPa,故曲线Ⅱ代表的温度下,该反应的
2.(2022山东枣庄二模)工业上利用S8与CH4为原料制备CS2,发生反应S8(s)4S2(g)、2S2(g)+CH4(g) CS2(g)+2H2S(g),在密闭容器中,原料投入比为1∶1时,部分物质变化曲线如图所示。判断下列说法是否正确。
(1)生成CS2的反应为吸热反应。(　　)(2)一定温度下,气体总压不变反应达平衡状态。(　　)(3)当温度为450 ℃时,S8转化率为67.5%。(　　)
×
√
√
提示 (1)随温度升高,甲烷的转化率降低,根据勒夏特列原理可知,该反应的正反应为放热反应;(3)当温度为450 ℃时,甲烷的转化率为98%,S2的体积分数为20%,原料投入比为1∶1,设加入的S8与CH4均为1 mol,则转化的甲烷为1 mol×98%=0.98 mol,设S8转化为x mol,列出三段式:　　　　　S8(s) 4S2(g)起始量/mol 1 0变化量/mol x 4x平衡量/mol 1-x 4x-1.96
　　　 2S2(g)　+ CH4(g) CS2(g)+2H2S(g)起始量/mol 1 0 0转化量/mol 1.96 0.98 0.98 1.96平衡量/mol 4x-1.96 0.02 0.98 1.96由S2的体积分数为20%,则 ×100%=20%, 4x-1.96=0.8x+0.2,解得x=0.675,则S8的转化率为67.5%。
——突破一　命题篇——
新教材新考向 反应速率常数(k)及应用1.反应速率常数(k)表示单位浓度下的化学反应速率,与浓度无关,只受温度影响。通常,反应速率常数越大,反应进行得越快。2.根据化学反应速率常数计算化学平衡常数(K)(1)根据达到平衡时v(正)=v(逆),确定正、逆反应速率常数[k(正)、k(逆)]和反应物、生成物浓度之间的定量关系。(2)根据化学方程式书写平衡常数的表达式,并将k(正)、k(逆)的定量关系代入表达式,确定平衡常数(K)与k(正)、k(逆)的关系,代入数值计算
典例突破1(2022湖南长沙一模)在起始温度均为T ℃、容积均为10 L的密闭容器A(恒温)、B(绝热)中均加入1 mol N2O和4 mol CO,发生反应N2O(g)+CO(g) N2(g)+CO2(g)　ΔH<0。已知:k(正)、k(逆)分别是正、逆反应速率常数,v(正)=k(正)·c(N2O)·c(CO),v(逆)=k(逆)·c(N2)·c(CO2),A、B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.用CO的浓度变化表示曲线N在0~100 s内的反应速率为4×10-4 mol·L-1·s-1B.曲线N表示B容器中N2O的转化率随时间的变化C.Q点v(正)大于P点v(逆)
答案 C解析 曲线N在100 s时N2O的转化率约为10%,则转化的物质的量为1 mol ×10%=0.1 mol,0~100 s内N2O的反应速率为 =1×10-4 mol·L-1 ·s-1,则有v(CO)=v(N2O)=1×10-4 mol·L-1·s-1,A错误。该反应为放热反应,绝热容器中体系温度上升,平衡逆向移动,N2O的转化率减小,故曲线M表示B容器中N2O的转化率随时间的变化,B错误。Q和P点均未达到平衡状态,反应正向进行,则Q点v(正)大于P点v(逆),C正确。容器A为恒温T ℃,平衡时N2O的转化率为25%,利用容器A可得三段式:
　　　　　 N2O(g)+CO(g) CO2(g) + N2(g)起始量/(mol·L-1) 0.1 0.4 0 0转化量/(mol·L-1) 0.025 0.025 0.025 0.025平衡量/(mol·L-1) 0.075 0.375 0.025 0.025由于反应速率v(正)=k(正)·c(N2O)·c(CO),v(逆)=k(逆)·c(N2)·c(CO2),平衡时
典例突破2(2022陕西汉中第二次检测)已知反应CO2(g)+H2(g) HCOOH(g)ΔH<0。温度为T1 ℃时,将等物质的量的CO2和H2充入容积为1 L的密闭容器中发生反应CO2(g)+H2(g) HCOOH(g)　K=2。实验测得v(正)=k正c(CO2)c(H2),v(逆)=k逆c(HCOOH),k正、k逆为速率常数。T1 ℃时,k正=　　　k逆;温度为T2 ℃时,反应达到平衡时k正=1.8k逆,则T2>T1,理由是　  　。 
典例突破3(2022新疆昌吉二诊)在刚性容器中按投料比 =1发生反应:2H2(g)+2NO(g) N2(g)+2H2O(g)　ΔH=-664.1 kJ·mol-1。在刚性容器中按投料比 =1发生上述反应,不同催化剂条件下,反应相同时间时,测得NO的转化率与温度的关系如图。
(1)使用催化剂乙、温度高于350 ℃时,NO转化率降低的原因可能是  　。 
答案 (1)催化剂失去活性、发生其他副反应等(合理即可) (2)1　越大解析 (1)使用催化剂乙、温度高于350 ℃时,NO的转化率降低的原因可能是催化剂失去活性或发生其他副反应。(2)研究表明该反应v=kcm(H2)c2(NO),其中k为速率常数,与温度、活化能有关。T1 ℃的初始速率为v0,当H2的转化率为50%时,NO的转化率也是50%,
新材料新情境 “碳中和”与CO2资源化利用新材料　我国政府提出CO2排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现“碳中和”。“碳中和”是使碳排放与碳吸收达平衡,实现二氧化碳相对“零排放”。可通过催化反应实现资源化利用二氧化碳加氢转化为具有高附加值的甲烷(CH4)、甲醇、低碳烯烃和油品(汽柴油)等,实现良好的碳循环,满足可持续发展需求。
思考CO2在固体催化剂表面加氢合成甲烷过程中发生以下两个反应:主反应:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH1=-156.9 kJ·mol-1副反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.1 kJ·mol-1(1)加氢合成甲烷时,为使反应有较高的反应速率,通常控制温度为500 ℃左右,其主要原因为  　。 (2)500 ℃时,向1 L恒容密闭容器中充入4 mol CO2和12 mol H2,初始压强为p,20 min时主、副反应都达到平衡状态,测得c(H2O)=5 mol·L-1,体系压强为 ,则0~20 min内v(CH4)=　　　　　　　　　　　　,平衡时CH4选择性=　　　　　　　　(CH4选择性= ×100%,保留至0.1%)。 
答案 (1)温度低于500 ℃,反应速率低;温度高于500 ℃,对副反应影响较大,化学平衡向生成CO的方向移动程度增大,不利于甲烷的生成　(2)0.1 mol·L-1·min-1　66.7%解析 (2)500 ℃时,向1 L恒容密闭容器中充入4 mol CO2和12 mol H2,n(总)=4 mol+12 mol=16 mol,初始压强为p,20 min时主、副反应都达到平衡状态,测得c(H2O)=5 mol·L-1,n(H2O)=5 mol,体系压强为 p,则此时气体的总物质的量n(总)平= ×16 mol=12 mol,由于副反应是反应前后气体体积不变的反应,对于主反应,每有1 mol CO2发生反应,气体的物质的量减少2 mol,现在反应后气体的物质的量减少4 mol,主反应消耗2 mol CO2气体,产生2 mol CH4、4 mol H2O,副反应产生1 mol H2O,消耗1 mol CO2气体,
典例突破4(2022甘肃兰州一诊)我国力争2060年前实现碳中和。CH4与CO2催化重整是实现碳中和的热点研究课题。该催化重整反应体系主要涉及以下反应:反应Ⅰ:主反应CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)　ΔH1　Kp1反应Ⅱ:副反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH2　Kp2反应Ⅲ:积碳反应2CO(g) CO2(g)+C(s) ΔH3　Kp3反应Ⅳ:积碳反应CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH4　Kp4(1)已知H2(g)、CO(g)的燃烧热ΔH分别为-285.8 kJ·mol-1、-283.0 kJ·mol-1, H2O(l) ══ H2O(g)　ΔH5=+44 kJ·mol-1,则反应Ⅱ的ΔH2=　　　　　 kJ·mol-1。 
(2)设Kp为分压平衡常数(用分压代替浓度,气体分压=总压×该组分的物质的量分数),反应Ⅲ、Ⅳ的lg Kp随 (T表示温度)的变化如图所示。据图判断,反应Ⅰ的ΔH1　　　(填“大于”“小于”或“等于”)0,说明判断的理由　  　。 
(3)下列关于该重整反应体系的说法正确的是　　　　　　。 
(4)在一定条件下的密闭容器中,按照 加入反应物,发生反应Ⅰ(反应Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ可忽略)。在不同条件下达到平衡,设体系中平衡状态下甲烷的物质的量分数为x(CH4),在T=800 ℃下的x(CH4)随压强p的变化曲线、在p=100 kPa下的x(CH4)随温度T的变化曲线如图所示。
①图中对应T=800 ℃下,x(CH4)随压强p的变化曲线是　　　　　　,判断的理由是    。 ②若x(CH4)=0.1,则CO2的平衡转化率为　　　　。 
答案 (1)+41.2(2)大于　温度T升高,Kp3减小,Kp4增大, ,则Kp1增大,故反应Ⅰ正反应吸热(或温度T升高,Kp3减小,Kp4增大,说明反应ΔH3<0,反应ΔH4>0,则ΔH1=ΔH4-ΔH3>0)(3)AC(4)①b　反应Ⅰ正反应方向气体分子数增大,其他条件不变时,增大压强,平衡逆向移动,x(CH4)增大　②
(2)由盖斯定律可知,反应Ⅳ-反应Ⅲ得到反应Ⅰ,则ΔH1=ΔH4—ΔH3,由图可知,温度升高,反应Ⅲ分压平衡常数减小,该反应为放热反应,反应ΔH3<0,反应Ⅳ分压平衡常数增大,该反应为吸热反应,ΔH4>0,则ΔH1=ΔH4-ΔH3>0(或由盖斯定律可知,反应Ⅳ-反应Ⅲ得到反应Ⅰ,则反应Ⅰ分压平衡常数为 ,由图可知,温度升高,反应Ⅲ分压平衡常数减小,反应Ⅳ分压平衡常数增大,Kp1增大,则该反应为吸热反应)。
解析 (1)由题意可得如下热化学方程式①H2(g)+ O2(g) ══ H2O(l)　ΔH=-285.8 kJ·mol-1,②CO(g)+ O2(g) ══ CO2(g)　ΔH=-283.0 kJ·mol-1,③H2O(l) ══ H2O(g)　ΔH5=+44 kJ·mol-1,由盖斯定律可知,①-②+③得到反应Ⅱ,则反应热ΔH2=(-285.8 kJ·mol-1)-(-283.0 kJ·mol-1)+(+44 kJ·mol-1) =+41.2 kJ·mol-1。
(4)①反应Ⅰ为气体体积增大的反应,温度一定时,增大压强,平衡向逆反应方向移动,甲烷的物质的量分数增大,则800 ℃时,甲烷的物质的量分数随压强的变化曲线是b。②设起始甲烷和二氧化碳的物质的量都为1 mol,二氧化碳的转化率为a,由题意可建立如下三段式: CO2(g) + CH4(g) 2CO(g) + 2H2(g)起始/mol 1 1 0 0转化/mol a a 2a 2a平衡/mol 1-a 1-a 2a 2a
——突破二　解题篇——
素养命题+题型突破1.化学反应速率的影响因素及计算(证据推理与模型认知)近三年全国卷考查了化学反应速率的影响因素及计算,要求考生能结合浓度、压强、温度、催化剂等对化学反应速率的影响规律,建构理论模型,分析外界条件改变对化学反应速率的影响及结果;结合反应速率常数进行化学反应速率的简单计算,知道反应速率常数与化学平衡常数(K)的关系,侧重考查考生的分析推理能力、简单计算能力。
典例突破1(2022四川宜宾适应性考试)将一定量的污泥投加到水泥预分解炉内,控制燃烧温度为1 200 ℃,测得燃烧过程中NO的浓度和O2、CO2的体积分数随时间变化如图所示。0~50 s内,以NO表示的反应速率v(NO)=　　　　　 mol·L-1·s-1;图中表示CO2的体积分数随时间变化的曲线是　　　　　(填“a”或“b”)。 
答案 6.0×10-7　b
方法点拨(1)依据“控制变量法”,借助“有效碰撞理论”,分析外界条件(浓度、温度、压强、催化剂等)对化学反应速率的影响及结果。(2)依据化学反应速率定义式或结合化学方程式,按比例关系计算化学反应速率。(3)结合速率方程计算不同时刻的反应速率,根据平衡时v(正)=v(逆)(同一物质)计算平衡常数K;若v(正)、v(逆)用不同物质表示,结合化学方程式中物质的化学计量数,建立v(正)、v(逆)的定量关系,求出平衡常数K。
针对训练1(2022河南大联考第三次模拟)合成氨的速率方程为v(NH3)=kcα(N2)·cβ(H2)cγ(NH3)(k为速率常数,只与温度、催化剂有关,与浓度无关;α、β、γ为反应级数,可取整数、分数或小数)。测得在一定温度和催化剂作用下,反应速率与浓度的关系如下表所示:
则α=　　　　;β=　　　 　　;γ=　　 　　;m=　　 　　　。 
答案 1　1.5　-1　1.6
2.化学平衡移动及分析(变化观念与平衡思想)全国卷考查了化学平衡移动及分析,要求考生能运用浓度、压强、温度对化学反应平衡的影响规律,建构理论分析模型(勒夏特列原理),推测化学平衡移动的方向及浓度、转化率等相关物理量的变化;能利用平衡常数和离子积的关系判断化学反应是否达到平衡状态及平衡移动的方向,讨论化学反应条件的选择和优化。
典例突破2(2022广西南宁适应性测试)Ⅰ.氨是重要的基础化工品之一。(1)T ℃时,在2 L的恒容密闭容器中投入2 mol N2和6 mol H2发生反应,平衡时H2的体积分数为50%,则该温度下的平衡常数K=　　　　　　　　　;其他条件不变,若向此平衡体系中再充入3 mol H2和3 mol N2,则平衡　　　　　　　(填“正向”“逆向”或“不”)移动。 
Ⅱ.1922年,德国奥堡工厂建成世界首座以NH3和CO2为原料生产尿素(NH2CONH2)的工业装置。该工艺的主要原理为:①2NH3(l)+CO2(l) NH2COONH4(l)　ΔH<0　(快反应)②NH2COONH4(l) H2O(l)+NH2CONH2(l)　ΔH>0　(慢反应)一定条件下,CO2的平衡转化率与温度、初始氨碳比[ L= ]的关系如图:
(2)两曲线中,L1　　　(填“>”“<”或“=”)L2。 (3)若L2=3,T1时,NH3的平衡转化率为　　　　　　　　　。 (4)其他条件不变,随着温度的升高,CO2的平衡转化率先升高后下降,“先升高”的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;“后下降”的原因是设备腐蚀加剧等因素。 
答案 (1)0.593　正向(2)>(3)50%(4)反应②为吸热反应,升温有利于平衡正向移动,使NH2COONH4(l)的物质的量减少,从而使反应①平衡正移,CO2的转化率增大
解析 (1)T ℃时,在2 L的恒容密闭容器中投入2 mol N2和6 mol H2发生反应,平衡时H2的体积分数为50%,设N2的变化量为x mol·L-1,则可建立如下三段式:
(2)对于反应2NH3(l)+CO2(l) NH2COONH4(l),增大NH3的浓度,平衡正向移动,CO2的转化率增大,所以L1为初始氨碳比较大的曲线,从而得出L1>L2。(3)若L2=3,设NH3的物质的量为3 mol,则CO2的物质的量为1 mol,T1时,CO2的平衡转化率为75%,则参加反应的CO2的物质的量为0.75 mol,参加反应的NH3的物质的量为1.5 mol,NH3的平衡转化率为 ×100%=50%。(4)其他条件不变,随着温度的升高,CO2的平衡转化率先升高后下降,“先升高”表明平衡正向移动,对反应②有利,所以应从反应②分析原因,从而得出原因是反应②为吸热反应,升温有利于平衡正向移动,使NH2COONH4(l)的物质的量减少,从而使反应①平衡正移,CO2的转化率增大。
方法点拨(1)依据勒夏特列原理判断平衡移动的方向通过比较平衡破坏瞬间的正、逆反应速率的相对大小来判断平衡移动的方向。①若外界条件改变,引起v(正)>v(逆),此时正反应占优势,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)(2)恒温条件下,密闭反应体系中通入非反应气体(如He等),利用“模型法”分析化学平衡移动方向及结果。
针对训练2(2022河南开封第二次模拟)将燃煤废气中的二氧化硫富集后进行催化氧化可得到三氧化硫。(1)标准摩尔生成焓(Δf )是指在标准状态下,各元素最稳定单质生成标准状态下1 mol某纯物质的热效应。由表中数据,推测SO3(l)的Δf 　　(填“>”“<”或“=”)-395.7 kJ·mol-1,写出SO2(g)与O2(g)生成SO3(g)的热化学方程式　  　。 
(2)将含有SO2的废气与空气混合后,分别在0.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa的压强下发生反应,测得SO2平衡转化率α随温度的变化如图1所示,推测p1=　　　　　　 MPa,依据是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
图1　转化率与反应温度、压强的关系
图2表示在转化率为0.90时的反应速率(v)与转化率、反应温度的关系。说明在各种转化率下,都有一个反应速率的最大值,该值对应的温度为最佳温度。保持其他条件不变,当转化率为0.99时,对应的最大反应速率　　　　(填“>”或“<”,下同)9,最佳温度　　　　　490 ℃。 
图2　反应速率与转化率、反应温度的关系
答案 (1)<　2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH=-197.8 kJ·mol-1(2)5.0　SO2与O2反应生成SO3的反应是气体物质的量减小的反应,增大压强,SO2的转化率增大,则p1>p2>p3,即p1=5.0 MPa　<　<
(2)温度一定时,增大压强平衡正向移动导致二氧化硫转化率增大,根据图知,压强:p1>p2>p3,即p1为5.0 MPa;根据反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)　ΔH=-197.8 kJ·mol-1,升温时平衡逆向移动,转化率0.90<0.99,温度低时转化率高,最佳温度小于490 ℃,温度低反应慢,对应的最大反应速率小于9。
3.化学平衡常数和转化率的计算(证据推理与模型认知)全国卷考查了化学平衡常数、平衡转化率、平衡浓度的计算,要求考生能书写平衡常数表达式,能进行平衡常数、转化率的简单计算,能利用平衡常数(K)和离子积(Q)的关系判断化学反应是否达到平衡及平衡移动的方向。
典例突破3(2021全国甲卷,28节选)二氧化碳加氢制甲醇的总反应为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH<0。总反应在起始物 =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　　　　　,判断理由是　 　　　　　　　　　。 ③当x(CH3OH)=0.10时,CO2平衡转化率α=　　　,反应条件可能为　　　　　　　或　　　　　　　　　　。 
③设起始n(CO2)=1 mol,n(H2)=3 mol,则
方法点拨利用“三段式”法计算化学平衡常数和平衡转化率(1)思维模板先确定各物质的起始浓度、转化浓度和平衡浓度,再代入平衡常数表达式进行计算。①反应物:平衡浓度=起始浓度-转化浓度。②生成物:平衡浓度=起始浓度+转化浓度。
(2)应用示例以反应mA(g)+nB(g) pC(g)+qD(g)为例,T ℃下,假设A、B起始物质的量浓度分别为a mol·L-1、b mol·L-1,达到平衡时A的转化浓度为mx mol·L-1,则有　　 mA(g) + nB(g) pC(g) + qD(g)
则T ℃下,该反应的化学平衡常数为 ,平衡时A的转化率为α(A)= ×100%。
针对训练3(2022河南平顶山质量检测)利用CO2与H2合成甲醇涉及的主要反应如下:a.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔHb.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH=+41 kJ·mol-1
一定条件下向某刚性容器中充入物质的量之比为1∶3的CO2和H2发生上述反应,在不同催化剂(Cat.1,Cat.2)下经相同反应时间,CO2的转化率和甲醇的选择性[甲醇的选择性= ×100%]随温度的变化如图所示:
(1)由图可知,催化效果Cat.1　　　　(填“>”“<”或“=”)Cat.2。 (2)在210~270 ℃间,CH3OH的选择性随温度的升高而下降,可能原因为  　(写出一条即可)。 (3)某条件下,达到平衡时CO2的转化率为15%,CH3OH的选择性为80%,则H2的平衡转化率为　　　　　;反应b的平衡常数Kp=　　　　　　　。 
答案 (1)>　(2)温度升高,催化剂的活性降低(或反应b为吸热反应,温度升高更有利于反应b进行)　(3)13%2.0×10-3解析 (1)由图可知,相同温度时,二氧化碳的转化率和甲醇的选择性Cat.1均高于Cat.2,则催化效果Cat.1强于Cat.2。(2)在210~270 ℃间,若温度升高,催化剂的活性降低,同时也更有利于反应b平衡正向移动,会导致甲醇的选择性随温度升高而下降。(3)设起始时二氧化碳的物质的量为a,平衡时一氧化碳的物质的量为b,甲醇的物质的量为c,由甲醇的选择性为80%可得 ×100%=80%,解得c=4b,由反应方程式可知,反应消耗二氧化碳和氢气的物质的量分别为
——突破三　热点专攻——
化学反应原理综合题高考必备1.命题分析在全国卷Ⅱ卷中设置化学反应原理综合题,此类试题一般以生产科技、环保情境为载体,体现化学在生产、生活和科研等方面的应用,涉及反应热的计算和盖斯定律的应用、化学平衡图像及分析、化学平衡常数的计算、化学反应条件的选择、电解质溶液、电化学等,充分体现新高考对学科素养中“学习掌握”“思维方法”“实践探索”三个维度的综合考查。
2.化学反应原理综合题的考查角度
真题感悟1.(2022全国乙卷,28)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢,需要回收处理并加以利用。回答下列问题:(1)已知下列反应的热化学方程式:①2H2S(g)+3O2(g) ══ 2SO2(g)+2H2O(g) ΔH1=-1 036 kJ·mol-1②4H2S(g)+2SO2(g) ══ 3S2(g)+4H2O(g) ΔH2=+94 kJ·mol-1③2H2(g)+O2(g) ══ 2H2O(g)　ΔH3=-484 kJ·mol-1计算H2S热分解反应④2H2S(g) ══ S2(g)+2H2(g)的ΔH4=　　 kJ·mol-1。 (2)较普遍采用的H2S处理方法是克劳斯工艺,即利用反应①和②生成单质硫。另一种方法是利用反应④高温热分解H2S。相比克劳斯工艺,高温热分解方法的优点是　　 　　　　　　　,缺点是　　　　　　　。 
(3)在1 470 K、100 kPa反应条件下,将n(H2S)∶n(Ar)=1∶4的混合气进行H2S热分解反应。平衡时混合气中H2S与H2的分压相等,H2S平衡转化率为　　　　,平衡常数Kp=　　　　 kPa。 (4)在1 373 K、100 kPa反应条件下,对于n(H2S)∶n(Ar)分别为4∶1、1∶1、1∶4、1∶9、1∶19的H2S-Ar混合气,热分解反应过程中H2S转化率随时间的变化如下图所示。
①n(H2S)∶n(Ar)越小,H2S平衡转化率　　　　,理由是　  　。 ②n(H2S)∶n(Ar)=1∶9对应图中曲线　　　　,计算其在0~0.1 s之间,H2S分压的平均变化率为　　　　 kPa·s-1。 
答案 (1)+170(2)能获取可作燃料的氢气　消耗能源(3)50%　4.76(4)①越大　恒压条件下,H2S的分压越小,越有利于H2S分解反应的正向进行　②d　24.9
(2)分析优缺点时主要比较二者的反应物、生成物以及反应条件等,二者的反应物相同,生成物不完全相同,反应④可生成氢气,因此优点为“能获取可作燃料的氢气”;二者的反应条件不同,反应④需要高温分解,因此缺点是消耗能源。
(3)设起始时H2S的物质的量为1 mol,平衡时消耗H2S的物质的量为x mol,则
由题意可知,1-x=x,解得x=0.5,则H2S的转化率为50%。平衡时H2S(g)、S2(g)、H2(g)、Ar的物质的量分别为0.5 mol、0.25 mol、0.5 mol、4 mol,因此气体的总物质的量为5.25 mol。则
(4)①H2S分解的反应是气体化学计量数增大的反应,因此恒压条件下,H2S的分压越小,越有利于H2S分解反应的正向进行,即H2S的平衡转化率越大。②由图像和转化率大小关系可知,曲线a、b、c、d、e分别表示n(H2S)∶n(Ar)为4∶1、1∶1、1∶4、1∶9和1∶19时的转化率与时间的关系,因此n(H2S)∶n(Ar)=1∶9对应的是曲线d。设起始时H2S的物质的量为1 mol,则Ar的物质的量为9 mol,由题图可知,当0.1 s时H2S的转化率为24%,则
　　　 2H2S(g) S2(g) + 2H2(g)起始/mol 1 0 0转化/mol 0.24 0.12 0.240.1 s/mol 0.76 0.12 0.24则0.1 s时气体的总物质的量为0.76 mol+0.12 mol+0.24 mol+9 mol=10.12 mol。起始时,H2S的分压为100 kPa×0.1=10 kPa,0.1 s时H2S的分压为100 kPa× ≈7.51 kPa,即变化值约为2.49 kPa,则变化率为24.9 kPa·s-1。
2.(2022全国甲卷,28)金属钛(Ti)在航空航天、医疗器械等工业领域有着重要用途。目前生产钛的方法之一是将金红石(TiO2)转化为TiCl4,再进一步还原得到钛。回答下列问题:(1)TiO2转化为TiCl4有直接氯化法和碳氯化法。在1 000 ℃时反应的热化学方程式及其平衡常数如下:(ⅰ)直接氯化:TiO2(s)+2Cl2(g) ══ TiCl4(g)+O2(g)　ΔH1=172 kJ·mol-1,Kp1=1.0×10-2(ⅱ)碳氯化:TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s) ══ TiCl4(g)+2CO(g)　ΔH2=-51 kJ·mol-1, Kp2=1.2×1012 Pa
①反应2C(s)+O2(g) ══ 2CO(g)的ΔH为　　　　　 kJ·mol-1,Kp=　　　　 Pa。 ②碳氯化的反应趋势远大于直接氯化,其原因是   　。 ③对于碳氯化反应:增大压强,平衡　　　　(填“向左”“向右”或“不”)移动;温度升高,平衡转化率　　　　(填“变大”“变小”或“不变”)。 
(2)在1.0×105 Pa,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  　。 (3)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  　。 
答案 (1)①-223　1.2×1014②碳氯化反应的ΔH<0,ΔS>0,ΔG<0,可自发进行,而直接氯化的反应中气体分子数不变,且是吸热反应,不能自发进行③向左　变小(2)①7.2×105②升高温度,反应速率增大,缩短了反应达到平衡的时间,提高了效益(3)将固体TiO2和C粉碎后混合均匀,同时鼓入Cl2使固体粉末“沸腾”
②根据ΔG=ΔH-TΔS,碳氯化反应的ΔH<0,ΔS>0,ΔG<0,所以碳氯化反应可自发进行。而直接氯化反应中,ΔH>0,反应前后气体分子数不变,固体减少,ΔG>0,不属于自发进行的反应,故碳氯化的反应趋势大于直接氯化。③碳氯化反应中,正向反应为气体分子数增大的放热反应,依据勒夏特列原理,增大压强,平衡向左移动;升高温度,平衡向左移动,平衡转化率减小。
(2)①根据图像可知,1 400 ℃时CO2、CO的组成比例分别为0.05、0.6,②实际生产中反应温度高于200 ℃,原因是升高温度,反应速率增大,缩短了反应达到平衡的时间,可以达到最佳效益。(3)将固体TiO2和C粉碎后混合均匀,同时鼓入Cl2使固体粉末“沸腾”,可增大反应物间的接触面积。
方法点拨(1)利用盖斯定律确定热化学方程式或焓变ΔH要做到:①明确待求热化学方程中的反应物和生成物;②处理已知热化学方程式中的化学计量数和焓变;③叠加处理热化学方程式确定答案。(2)对于化学反应速率和化学平衡图像类试题,读懂图像,明确纵横坐标的含义,理解起点、终点、拐点的意义,分析曲线的变化趋势。对于图表数据类试题,分析数据,研究数据间的内在联系,找出数据的变化规律,挖掘数据的隐含意义。
(3)利用“三段式”计算v、α、K时,要特别注意用什么物理量计算,心中要清楚,如计算平衡常数K时,不能用平衡时的物质的量,而应将平衡时的物质的量浓度代入。(4)分析电化学问题时,要先根据题给信息,确定电池的类型及电极名称, 再结合原电池原理(或电解原理)判断电极反应及产物,并进行相关推理与计算。
考向预测1.(化学平衡建立过程图)(2022河南百所名校第三次联合检测)在某恒温恒容密闭容器内充入2 mol CO2和3 mol H2发生反应Ⅰ:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)　ΔH1=-156.9 kJ·mol-1,t1 min时达到平衡,在t2 min时,向该恒温恒容密闭容器内再充入1 mol CO2和1 mol H2,整个过程用压力计测得容器内压强的变化如图:
(1)0~t2 min内CO2的平衡转化率为　　　　　　　　;在该温度下反应的标准平衡常数Kθ=　　　　　　　(用分数表示)。[已知:分压=总压×该组分物质的量分数,对于反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g),Kθ= ,其中pθ=100 kPa,pA、pB、pC、pD为各组分的平衡分压]。 (2)t2 min后容器内压强的变化曲线为　　　　　(填“a”或“b”),选择的理由为　   　。 
解析 (1)在恒温恒容条件下,容器内压强与气体的物质的量成正比,起始时气体总物质的量为5 mol,压强为2.0 MPa,反应进行到t1 min时达到平衡,平衡时压强为1.6 MPa,则平衡时气体的总物质的量为5 mol× =4 mol,设达到平衡时消耗CO2的物质的量为x mol,列三段式如下: CO2(g) + 4H2(g) CH4(g) + 2H2O(g)起始/mol 2 3 0 0转化/mol x 4x x 2x平衡/mol 2-x 3-4x x 2x
(2)在恒温恒容条件下,容器内压强与气体的物质的量成正比,t2 min前平衡时气体的总物质的量为4 mol,t2 min时向恒温恒容密闭容器内再充入1 mol CO2和1 mol H2,则压强变为1.6 MPa× =2.4 MPa,然后平衡正向移动,压强又减小,新平衡压强大于原平衡压强,则曲线b符合要求。
2.(影响化学平衡的因素综合图)(2022江西重点中学盟校第二次联考)已知:CO2催化加氢可缓解CO2对温室效应的影响,其原理为:Ⅰ.CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) ΔH=-156.9 kJ·mol-1Ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH=+41.0 kJ·mol-1
在密闭反应器中通入4 mol H2和1 mol CO2,分别在0.1 MPa和1 MPa下进行反应。分析实验中温度对含碳物质的平衡组成(体积百分数)的影响,其中CO和CH4的平衡组成受温度的影响如图所示:
(1)0.1 MPa时,表示CH4和CO平衡组成随温度变化关系的曲线分别是　　　　、　　　(填“a”“b”“c”或“d”)。 (2)N点平衡组成含量低于M点的原因是   　。 (3)当CH4和CO平衡组成均为40%时,则H2的平衡转化率为　　　　　　　,该温度下反应Ⅱ的平衡常数Kp为　　　　　　　　　。(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数) 
答案 (1)b　c　(2)温度相同时,增大压强使反应Ⅰ平衡正向移动,H2O的含量增大,CO2和H2的含量减少,使反应Ⅱ平衡逆向移动,CO含量降低　(3)50%　1.2解析 (1)对于反应Ⅰ:升高温度,平衡逆向移动,CH4的含量减少;对于反应Ⅱ:升高温度,则平衡正向移动,CO的含量增加;增大压强,反应Ⅱ平衡不移动,但反应Ⅰ的平衡正向移动,H2O的含量增大,使反应Ⅱ平衡逆向移动,导致CO含量降低。综上可知温度相同时,压强越大,CH4的含量越大、CO的含量越小,则压强为1 MPa时,表示CH4和CO平衡组成随温度变化关系的曲线分别是a、d;压强为0.1 MPa时,表示CH4和CO平衡组成随温度变化关系的曲线分别是b、c。
(2)N点平衡组成含量低于M点的原因是温度相同时,增大压强使反应Ⅰ平衡正向移动,H2O的含量增大,CO2和H2的含量减少,使反应Ⅱ平衡逆向移动,CO含量降低。(3)起始时n(CO2)=1 mol,n(H2)=4 mol,由图可知当CH4和CO的平衡组成均为40%时,则CO2平衡组成为20%,根据C原子守恒有:n(CO)=n(CH4)=1 mol×40%=0.4 mol,n(CO2)=1 mol×20%=0.2 mol,则根据反应的化学方程式列出反应消耗或生成的物质的物质的量:CO2(g) + 4H2(g) CH4(g) + 2H2O(g)0.4 mol 1.6 mol 0.4 mol 0.8 molCO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)0.4 mol 0.4 mol 0.4 mol 0.4 mol