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2023届高考化学二轮复习热点10化学反应速率与化学平衡专题练含解析
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热点10:化学反应速率与化学平衡
反应速率与平衡移动
【典例】(2022·湖南选择考改编)向体积均为1 L的两恒容容器中分别充入2 mol X和1 mol Y发生反应:2X(g)+Y(g)Z(g) ΔH,其中甲为绝热过程,乙为恒温过程,两反应体系的压强随时间的变化曲线如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.ΔH>0 B.气体的总物质的量:na
关键信息
信息解读
2X(g)+Y(g)Z(g)
随反应进行气体物质的量减小的反应,压强应随之减小
恒容绝热容器
压强受体系温度和气体物质的量影响
恒容恒温容器
压强仅受气体物质的量影响
对比发现,压强减小为气体物质的量减少所致,压强增大为反应放热使绝热容器温度升高所致
【失分警示】如不注意题目中甲为绝热过程,乙为恒温过程,就不能正确推断该反应为放热反应,从而导致无法对题目进行正确推导。
反应速率与化学平衡审题顺序
综合上述信息对研究对象进行焓变分析、反应速率分析、和平衡状态及移动分析。
注意:对于非恒温体系平衡常数处理,可先求解恒温体系的平衡常数,再通过平衡移动判断大小。
1.(化学反应速率与化学平衡的关系)某温度下,反应CH2CH2(g)+H2O(g)CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡。下列说法错误的是 ( )
A.增大压强,v正>v逆,平衡常数不变
B.加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度增大
C.恒容下,充入一定量的H2O(g),平衡向正反应方向移动
D.恒容下,充入一定量的CH2CH2(g),CH2CH2(g)的平衡转化率减小
2.(化学反应速率的计算和影响因素)利用CH4可消除NO2污染,反应原理为CH4(g)+2NO2(g)N2(g)+CO2(g)+2H2O(g),在10 L密闭容器中分别加入0.50 mol CH4和1.20 mol NO2,测得不同温度下n(CH4)随时间变化的有关实验数据如表。
组别
温度
/K
时间/min
0
10
20
40
50
①
T1
物质的
量/mol
n(CH4)
0.50
0.35
0.25
0.10
0.10
②
T2
0.50
0.30
0.18
M
0.15
下列说法错误的是 ( )
A.该反应为吸热反应
B.组别①中0~10 min内,NO2的平均反应速率为0.003 mol·L-1·min-1
C.若组别②改为恒压装置,则M值一定大于0.15
D.当有1 mol C—H键断裂同时有1 mol O—H键断裂,则达到平衡状态
3.(速率常数)向两个体积相同的恒容密闭容器中各充入一定量X(g),发生反应X(g)2Y(g) ΔH>0,一段时间后达到平衡。已知反应速率v正=k正c(X),v逆=k逆c2(Y),其中k正、k逆分别为正、逆反应的速率常数,只受温度影响。
反应过程中X(g)的浓度随时间变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.T1>T2
B.a点时v正大于b点时v逆
C.c点时,>
D.若对原平衡体系减压,重新达到平衡时c(Y)将增大
平衡图像分析
【典例】(2022·广东选择考)恒容密闭容器中,BaSO4(s)+4H2(g)BaS(s)+4H2O(g)在不同温度下达平衡时,各组分的物质的量(n)如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.该反应的ΔH<0
B.a为n(H2O)随温度的变化曲线
C.向平衡体系中充入惰性气体,平衡不移动
D.向平衡体系中加入BaSO4,H2的平衡转化率增大
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
信息解读
BaSO4(s)+4H2(g)
BaS(s)+4H2O(g)
该反应为可逆反应,反应物和产物中气体系数相等,固体系数相等
图中所示为不同温度下的平衡状态,n(H2)随温度升高而减少,据此确定各条曲线所代表的物质和反应的焓变
【失分警示】如不注意题目中物质的量变化趋势,就不能正确推断曲线所表示的物质,从而导致无法对题目进行正确推导。
平衡图像分析的常用解题步骤
1.(速率与平衡传统图像)工业上生产CO是由焦炭和CO2在高温条件下反应而得。现将焦炭和CO2放入体积为2 L的刚性密闭容器中,高温下进行下列反应:C(s)+CO2(g)2CO(g) ΔH=Q kJ·mol-1。图为CO2、CO的物质的量n随时间t的变化关系图。下列说法正确的是 ( )
A.0~1 min,v(CO)=1 mol·L-1·min-1;1~3 min时,v正(CO)=v逆(CO2)
B.当容器内的气体密度(D)不变时,反应一定达到平衡状态,且>1
C.5 min时再充入一定量的CO,a、d曲线分别表示n(CO)、n(CO2)的变化
D.3 min时温度由T1升高到T2,则Q>0,再达平衡时≈4.7
2.(工业生产实际图像)活性炭可以高效处理二氧化氮污染。在温度为T℃时,向体积不等的恒容密闭容器中分别加入足量活性炭和1 mol NO2,发生反应:2C(s)+2NO2(g)N2(g)+2CO2(g),反应相同时间,测得各容器中NO2的转化率与容器体积的关系如图所示。下列说法不正确的是( )
A.T℃时,该反应的化学平衡常数为
B.图中c点所示条件下:v(正)>v(逆)
C.图中a、c点对应的CO2浓度:ca(CO2)>cc(CO2)
D.容器内的压强:pa∶pb<6∶7
1.(化学反应历程及速率常数)化学工作者对NO与H2的反应进行研究,提出下列三步机理(k为速率常数)
第一步:2NON2O2 快速平衡[其速率方程为v正=k正c2(NO);v逆=k逆c(N2O2)]
第二步:N2O2+H2N2O+H2O 慢反应
第三步:N2O+H2N2+H2O 快反应
其中可近似认为第二步反应不能影响第一步平衡,下列说法错误的是 ( )
A.总反应为2NO+2H2N2+2H2O
B.总反应快慢主要由第二步反应决定
C.平衡时,2c(NO)=c(N2O2)
D.第一步反应的平衡常数K=
2.(化学反应速率影响因素及计算)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。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-1
B.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
D.T℃时,K=
3.(化学平衡移动)已知[Co(H2O)6]2+呈粉红色,[CoCl4]2-呈蓝色,[ZnCl4]2-为无色。现将CoCl2溶于水,加入浓盐酸后溶液由粉红色变为蓝色,存在以下平衡:[Co(H2O)6]2++4Cl-[CoCl4]2-+6H2O ΔH,用该溶液做实验,溶液的颜色变化如图。以下结论或解释正确的是 ( )
A.将实验③改为加入少量NaCl固体,溶液变为粉红色
B.由实验①可推知ΔH>0
C.实验②是由于c(H2O)增大,导致平衡逆向移动
D.由实验③可知离子的稳定性:[ZnCl4]2->[CoCl4]2-
4.(平衡状态判断与平衡移动)研究CO还原NOx对环境的治理有重要意义,相关的主要化学反应有
Ⅰ.NO2(g)+CO(g)CO2(g)+NO(g) ΔH1
Ⅱ.2NO2(g)+4CO(g)N2(g)+4CO2(g) ΔH2<0
已知:1 mol下列物质分解为气态基态原子吸收的能量分别为
NO2
CO
CO2
NO
819 kJ
1 076 kJ
1 490 kJ
632 kJ
下列描述正确的是 ( )
A.ΔH1=+227 kJ·mol-1
B.若在绝热恒容密闭容器中只进行反应Ⅰ,压强不变时能说明反应Ⅰ达到了平衡
C.恒温条件下,增大CO的浓度能使反应Ⅱ正向移动,且提高了CO的平衡转化率
D.上述两个反应达到平衡后,再升高温度,逆反应速率均一直增大直至达到新的平衡
5.(化学平衡及三段式计算)在容积为V L的恒温密闭容器中模拟工业合成氨。充入N2和H2的总物质的量为1 mol,容器内各组分的物质的量分数与反应时间t的关系如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.a表示N2物质的量分数的变化情况
B.0~t1min,v(H2)=mol·L-1·min-1
C.t2 min时,NH3的分解速率大于其生成速率
D.t3 min时改变的条件可能为减小容器体积
6.(竞争反应多重平衡)二氧化碳催化加氢制甲醇是一种实现“碳中和”的有效方法。在CO2和H2催化制甲醇反应体系中,主要发生的反应的热化学方程式为
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-49.6 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.2 kJ·mol-1
将1 mol CO2和3 mol H2混合气体通入恒压、密闭容器中,在Cu-ZnO/ZrO2的催化下反应,平衡时CO2转化率、CH3OH和CO选择率随温度变化如图所示(选择率:转化的CO2中生成CH3OH或CO的百分比)。下列说法错误的是 ( )
A.CH3OH选择率对应的曲线是b
B.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH=-90.8kJ·mol-1
C.图中M点时,CO2的平衡转化率为25%,则H2的转化率为33.3%
D.提高CO2转化为CH3OH的转化率,需要研发在低温区高效的催化剂
7.(连续反应多重平衡)已知:2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的反应历程分两步:
第1步:2NO(g)N2O2(g)(快) ΔH1<0
第2步:N2O2(g)+O2(g)2NO2(g)(慢) ΔH2<0
在固定容积的容器中充入一定量NO和O2发生上述反应,测得体系中部分物质的物质的量(n)随温度(T)的变化如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.第1步、第2步正反应活化能分别为E1、E2,则E1
C.b点后,n(N2O2)增加的原因是第2步平衡逆向移动的程度比第1步的大
D.若其他条件不变,仅将容器变为恒压状态,则体系建立平衡的时间不变
8.(主反应与副反应的多重平衡)CH4-CO2重整反应能够有效去除大气中 CO2,是实现“碳中和”的重要途径之一,发生的反应如下:
重整反应 CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH
积炭反应Ⅰ 2CO(g)CO2(g)+C(s)ΔH1=-172 kJ·mol-1
积炭反应Ⅱ CH4(g)C(s)+2H2(g)ΔH2=+75 kJ·mol-1
在恒压、起始投料比=1条件下,体系中各组分平衡时的物质的量随温度变化关系曲线如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.重整反应的反应热ΔH=+247 kJ·mol-1
B.曲线B表示CH4平衡时物质的量随温度的变化
C.积炭会导致催化剂失活,降低CH4的平衡转化率
D.低于600 ℃时,降低温度有利于减少积炭的量并去除CO2气体
热点10:化学反应速率与化学平衡
考向1
【典例】B 甲容器在绝热条件下,随着反应的进行,压强先增大后减小,根据理想气体状态方程pV=nRT可知,刚开始压强增大的原因是因为容器温度升高,则说明上述反应过程放热,即ΔH<0,故A错误;根据A项分析可知,上述密闭容器中的反应为放热反应,图中a点和c点的压强相等,因甲为绝热过程,乙为恒温过程,若两者气体物质的量相等,则甲容器压强大于乙容器压强,则说明甲容器中气体的总物质的量此时相比乙容器在减小,即气体总物质的量:na
c0 2 1 0
Δc 2x x x
c平 2-2x 1-x x
则有=,计算得到x=0.75,那么化学平衡常数K===12,又甲为绝热过程,当Q=12时,因反应为放热反应,此时压强会大于p,要使压强等于p,反应体系气体物质的量需进一步减小,即反应会继续正向移动,当达到平衡时,K>12,故C错误;根据图像可知,甲容器达到平衡的时间短,温度高,所以达到平衡的速率相对乙容器的快,即va正>vb正,故D错误。
1.B 该反应是体积减小的反应,增大压强,v正>v逆,平衡常数不变,故A正确;加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度不变,故B错误;恒容下,充入一定量的H2O(g),H2O(g)的浓度增大,平衡向正反应方向移动,故C正确;恒容下,充入一定量的CH2CH2(g),CH2CH2(g)的平衡转化率减小,故D正确。
2.A、C 由表格数据可知,T2温度下反应速率大于T1,则T2>T1,说明反应在T2温度下先达到平衡状态,则T2温度下该反应在40 min时已达到平衡状态,M=0.15,平衡时甲烷物质的量大于T1温度下,说明升高温度,平衡逆向移动,则该反应为放热反应,故A错误;组别①中0~10 min内,Δn(CH4)=0.50 mol-0.35 mol=0.15 mol,根据化学方程式可知,Δn(NO2)=2×0.15 mol=0.3 mol,v(NO2)==0.003 mol·L-1·min-1,故B正确;该反应是气体体积增大的反应,若组别②改为恒压装置,相当于减小压强,平衡正向移动,则M值一定小于0.15,故C错误;1 mol C—H键断裂表示正反应,1 mol O—H键断裂表示逆反应,当有1 mol C—H键断裂同时有1 mol O—H键断裂,说明正反应速率等于逆反应速率,反应达到平衡状态,故D正确。
3.B、C 根据图像,温度为T1时c平(X)=0.8 mol·L-1,c转(X)=2.0 mol·L-1-0.8 mol·L-1=1.2 mol·L-1,根据反应X(g)2Y(g),得c平(Y)=2.4 mol·L-1,因此平衡常数===7.2,同理可计算温度为T2时,平衡常数=12.8,故有<,由于此反应ΔH>0,所以,得出T1b点的v正,b点处于平衡状态,v正=v逆,所以a点时v正>b点时v逆,故B正确;c点时,反应正向进行,K=>=Q,故C正确;若对原平衡体系减压,容器体积增大,重新达到平衡时c(Y)将减小,故D错误。
考向2
【典例】C 由图可知,温度越高,氢气的物质的量越少,故升高温度平衡正向移动,正反应为吸热反应,ΔH>0,故A错误;因为水的系数比BaS的大,即水的增加量应该比BaS的大,故最上面的一条线是n(H2O)的变化,a为n(BaS)随温度的变化曲线,故B错误;向平衡体系中充入惰性气体,各组分浓度不变,平衡不移动,故C正确;硫酸钡是固体,增加固体的量对平衡无影响,故氢气的平衡转化率不变,故D错误。
1.B、D 由图可知,1 min时CO生成2 mol,0~1 min,v(CO)==1 mol·L-1·min-1;1~3 min时,反应达到平衡状态,反应速率之比等于化学计量数比,故v正(CO)=2v逆(CO2),A错误;反应容器容积不变,当容器内的气体密度(D)不变时,混合气体的总质量不变,正逆反应速率相等,反应达到平衡状态,反应正向气体的质量增加,平衡时混合气体密度增大,故>1,B正确;5 min时再充入一定量的CO,瞬间CO的物质的量增加,然后平衡逆向移动,CO减少,二氧化碳增加,故曲线b为二氧化碳,c或d为CO,C错误;由图可知,温度为T1时,达到平衡时CO的物质的量为2 mol,二氧化碳的物质的量为7 mol,平衡常数===,温度为T2时,达到平衡时CO的物质的量为4 mol,二氧化碳的物质的量为6 mol,平衡常数===,故再达平衡时=≈4.7,D正确。
2.A、D 由图可知,b点NO2的转化率最高,则温度为T℃时,b点达到平衡状态,而ab曲线上对应容器的体积均小于V2 L,起始投料相同,则NO2的起始浓度均大于b点,ab曲线上物质的反应速率均大于b点,所以ab曲线上反应均先于b点达到平衡状态,即ab曲线上反应均达到平衡状态,由于a点时NO2的转化率为40%,a点反应三段式为
2C(s)+2NO2(g)N2(g)+2CO2(g)
起始量(mol) 1 0 0
变化量(mol) 0.4 0.2 0.4
平衡量(mol) 0.6 0.2 0.4
各物质平衡浓度为c(NO2)=、c(N2)=、c(CO2)=,T℃时,该反应的化学平衡常数K===,A错误;b点达到平衡状态,b点以后,随着容器体积的增大,NO2的起始浓度减小,反应速率减慢,达到平衡的时间延长,所以bc曲线上反应均未达到平衡状态,并且NO2的起始浓度均小于b点,反应速率也小于b点,则bc曲线上反应正向进行,即图中c点所示条件下,v(正)>v(逆),B正确;图中a点、c点NO2的转化率相同,但a点容器体积小于c点容器体积,则对应的CO2浓度:ca(CO2)>cc(CO2),C正确;b点反应三段式
2C(s)+2NO2(g)N2(g)+2CO2(g)
起始量(mol) 1 0 0
变化量(mol) 0.8 0.4 0.8
平衡量(mol) 0.2 0.4 0.8
根据A选项中a点反应三段式、b点反应三段式和pV=nRT可知,paV1=1.2RT,pbV2=1.4RT,由于V2>V1,所以容器内的压强:pa∶pb>6∶7,D错误。
1.C 将第一、二、三步加起来可得总反应为2NO+2H2N2+2H2O,故A正确;第二步N2O2+H2N2O+H2O慢反应,总反应快慢主要由第二步反应决定,故B正确;平衡时v正=v逆,有k正c2(NO)=k逆c(N2O2),由于k正、k逆未知,故c(NO)和c(N2O2)关系未知,故C错误;第一步反应,平衡时:v正=k正·c2(NO)=v逆=k逆·c(N2O2),反应的平衡常数K==,故D正确。
2.C、D A.曲线N在100 s时N2O的转化率为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v===1×10-4 mol·L-1·s-1,由速率之比等于化学计量数比,v(CO)=1×10-4 mol·L-1·s-1,故A错误;B.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,故B错误;C.由于曲线M表示的绝热容器B,体系温度高,所以Q点v正大于P点v逆,故C正确;D.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 0.1×25% 0.025 0.025 0.025
平衡量/mol·L-1 0.075 0.375 0.025 0.025,
故平衡常数K===,故D正确。
3.B、D A.将实验③改为加入少量NaCl固体,增大氯离子浓度,溶液仍为蓝色,故A错误;B.由信息可知,[Co(H2O)6]2+呈粉红色,[CoCl4]2-呈蓝色,实验①知:降低温度,反应逆向移动,由勒夏特列原理可知,降低温度,平衡向放热方向移动,则正反应方向为吸热反应,则ΔH>0,故B正确;C.水是纯液体,浓度是常数,c(H2O)不变,故C错误;D.实验③平衡逆向移动,说明Zn2+结合Cl-的能力更强,则配离子的稳定性:[ZnCl4]2->[CoCl4]2-,故D正确。
4.B ΔH1=819 kJ·mol-1+1 076 kJ·mol-1-1 490 kJ·mol-1-632 kJ·mol-1=-227 kJ·mol-1,故A项错误;由于在绝热容器中进行反应Ⅰ,因此体系的温度升高,虽然反应前后气体体积不变,但温度升高,压强变大,因此压强不变时,说明反应达到平衡状态,故B项正确;增大CO的浓度,其转化率降低,故C项错误;由于两个反应ΔH均为负值,故再升高温度,平衡都会逆向移动,故逆反应速率均瞬间增大,之后逐渐减小至达到新的平衡,故D项错误。
5.B、C 由题中图示可知,开始时N2和H2各占50%,总物质的量是1 mol,则N2和H2各为0.5 mol,由
N2(g) + 3H2(g)2NH3(g)
起始物质的量(mol) 0.5 0.5 0
变化物质的量(mol) x 3x 2x
某时刻物质的量(mol) 0.5-x 0.5-3x 2x
可得,某时刻总物质的量为n(总)=(0.5-x) mol+(0.5-3x) mol+2xmol=(1-2x) mol,某时刻N2的物质的量分数为×100%=×100%=50%,所以,N2的物质的量分数一直保持不变,是50%,则a代表N2的物质的量分数,随反应进行减小的是c,代表H2的物质的量分数,b代表NH3的物质的量分数。
A.由上述分析可知,N2的物质的量分数一直保持不变,是50%,则a代表N2的物质的量分数,故A正确;B.由上述分析可知,a代表N2的物质的量分数,c代表H2的物质的量分数,b代表NH3的物质的量分数,t1 min时H2、NH3的物质的量分数相等,即=,解得x=0.1,则0~t1min,v(H2)== mol·L-1·min-1,故B错误;C.由上述分析可知,b代表NH3的物质的量分数,t2 min及以后,NH3的物质的量分数增大,说明反应向右进行,则NH3的分解速率小于其生成速率,故C错误;D.由N2(g)+3H2(g)2NH3(g)可知,t3 min时,减小容器体积,压强增大,平衡正向移动,NH3的物质的量分数增大,H2的物质的量分数减小,故D正确。
6.C A.升高温度,反应Ⅰ逆向移动,反应Ⅱ正向移动,CO2转化为CH3OH减少,CH3OH选择率降低,对应的曲线为b,A正确;B.目标反应=反应Ⅰ-反应Ⅱ,故ΔH为(-49.6-41.2) kJ·mol-1=-90.8 kJ·mol-1,B正确;C.M点CO2的转化率为25%,从图中看出,CO和CH3OH的选择率相同,均为50%,1 mol CO2各有1 mol×25%×50%=0.125 mol参与了反应Ⅰ和反应Ⅱ,消耗的氢气的物质的量为0.125×(3+1) mol=0.5 mol,氢气的转化率为×100%≈16.7%,C错误;D.生成甲醇的反应Ⅰ为放热反应,低温甲醇的产率较高,故提高CO2转化为CH3OH的转化率,需要研发在低温区高效的催化剂,D正确。
7.D A.第2步是慢反应,由活化能越大反应速率越慢,可知第2步正反应活化能较大,则E1
反应速率与平衡移动
【典例】(2022·湖南选择考改编)向体积均为1 L的两恒容容器中分别充入2 mol X和1 mol Y发生反应:2X(g)+Y(g)Z(g) ΔH,其中甲为绝热过程,乙为恒温过程,两反应体系的压强随时间的变化曲线如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.ΔH>0 B.气体的总物质的量:na
关键信息
信息解读
2X(g)+Y(g)Z(g)
随反应进行气体物质的量减小的反应,压强应随之减小
恒容绝热容器
压强受体系温度和气体物质的量影响
恒容恒温容器
压强仅受气体物质的量影响
对比发现,压强减小为气体物质的量减少所致,压强增大为反应放热使绝热容器温度升高所致
【失分警示】如不注意题目中甲为绝热过程,乙为恒温过程,就不能正确推断该反应为放热反应,从而导致无法对题目进行正确推导。
反应速率与化学平衡审题顺序
综合上述信息对研究对象进行焓变分析、反应速率分析、和平衡状态及移动分析。
注意:对于非恒温体系平衡常数处理,可先求解恒温体系的平衡常数,再通过平衡移动判断大小。
1.(化学反应速率与化学平衡的关系)某温度下,反应CH2CH2(g)+H2O(g)CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡。下列说法错误的是 ( )
A.增大压强,v正>v逆,平衡常数不变
B.加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度增大
C.恒容下,充入一定量的H2O(g),平衡向正反应方向移动
D.恒容下,充入一定量的CH2CH2(g),CH2CH2(g)的平衡转化率减小
2.(化学反应速率的计算和影响因素)利用CH4可消除NO2污染,反应原理为CH4(g)+2NO2(g)N2(g)+CO2(g)+2H2O(g),在10 L密闭容器中分别加入0.50 mol CH4和1.20 mol NO2,测得不同温度下n(CH4)随时间变化的有关实验数据如表。
组别
温度
/K
时间/min
0
10
20
40
50
①
T1
物质的
量/mol
n(CH4)
0.50
0.35
0.25
0.10
0.10
②
T2
0.50
0.30
0.18
M
0.15
下列说法错误的是 ( )
A.该反应为吸热反应
B.组别①中0~10 min内,NO2的平均反应速率为0.003 mol·L-1·min-1
C.若组别②改为恒压装置,则M值一定大于0.15
D.当有1 mol C—H键断裂同时有1 mol O—H键断裂,则达到平衡状态
3.(速率常数)向两个体积相同的恒容密闭容器中各充入一定量X(g),发生反应X(g)2Y(g) ΔH>0,一段时间后达到平衡。已知反应速率v正=k正c(X),v逆=k逆c2(Y),其中k正、k逆分别为正、逆反应的速率常数,只受温度影响。
反应过程中X(g)的浓度随时间变化如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.T1>T2
B.a点时v正大于b点时v逆
C.c点时,>
D.若对原平衡体系减压,重新达到平衡时c(Y)将增大
平衡图像分析
【典例】(2022·广东选择考)恒容密闭容器中,BaSO4(s)+4H2(g)BaS(s)+4H2O(g)在不同温度下达平衡时,各组分的物质的量(n)如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.该反应的ΔH<0
B.a为n(H2O)随温度的变化曲线
C.向平衡体系中充入惰性气体,平衡不移动
D.向平衡体系中加入BaSO4,H2的平衡转化率增大
【审答思维】题干划线部分关键信息解读
关键信息
信息解读
BaSO4(s)+4H2(g)
BaS(s)+4H2O(g)
该反应为可逆反应,反应物和产物中气体系数相等,固体系数相等
图中所示为不同温度下的平衡状态,n(H2)随温度升高而减少,据此确定各条曲线所代表的物质和反应的焓变
【失分警示】如不注意题目中物质的量变化趋势,就不能正确推断曲线所表示的物质,从而导致无法对题目进行正确推导。
平衡图像分析的常用解题步骤
1.(速率与平衡传统图像)工业上生产CO是由焦炭和CO2在高温条件下反应而得。现将焦炭和CO2放入体积为2 L的刚性密闭容器中,高温下进行下列反应:C(s)+CO2(g)2CO(g) ΔH=Q kJ·mol-1。图为CO2、CO的物质的量n随时间t的变化关系图。下列说法正确的是 ( )
A.0~1 min,v(CO)=1 mol·L-1·min-1;1~3 min时,v正(CO)=v逆(CO2)
B.当容器内的气体密度(D)不变时,反应一定达到平衡状态,且>1
C.5 min时再充入一定量的CO,a、d曲线分别表示n(CO)、n(CO2)的变化
D.3 min时温度由T1升高到T2,则Q>0,再达平衡时≈4.7
2.(工业生产实际图像)活性炭可以高效处理二氧化氮污染。在温度为T℃时,向体积不等的恒容密闭容器中分别加入足量活性炭和1 mol NO2,发生反应:2C(s)+2NO2(g)N2(g)+2CO2(g),反应相同时间,测得各容器中NO2的转化率与容器体积的关系如图所示。下列说法不正确的是( )
A.T℃时,该反应的化学平衡常数为
B.图中c点所示条件下:v(正)>v(逆)
C.图中a、c点对应的CO2浓度:ca(CO2)>cc(CO2)
D.容器内的压强:pa∶pb<6∶7
1.(化学反应历程及速率常数)化学工作者对NO与H2的反应进行研究,提出下列三步机理(k为速率常数)
第一步:2NON2O2 快速平衡[其速率方程为v正=k正c2(NO);v逆=k逆c(N2O2)]
第二步:N2O2+H2N2O+H2O 慢反应
第三步:N2O+H2N2+H2O 快反应
其中可近似认为第二步反应不能影响第一步平衡,下列说法错误的是 ( )
A.总反应为2NO+2H2N2+2H2O
B.总反应快慢主要由第二步反应决定
C.平衡时,2c(NO)=c(N2O2)
D.第一步反应的平衡常数K=
2.(化学反应速率影响因素及计算)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。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-1
B.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
D.T℃时,K=
3.(化学平衡移动)已知[Co(H2O)6]2+呈粉红色,[CoCl4]2-呈蓝色,[ZnCl4]2-为无色。现将CoCl2溶于水,加入浓盐酸后溶液由粉红色变为蓝色,存在以下平衡:[Co(H2O)6]2++4Cl-[CoCl4]2-+6H2O ΔH,用该溶液做实验,溶液的颜色变化如图。以下结论或解释正确的是 ( )
A.将实验③改为加入少量NaCl固体,溶液变为粉红色
B.由实验①可推知ΔH>0
C.实验②是由于c(H2O)增大,导致平衡逆向移动
D.由实验③可知离子的稳定性:[ZnCl4]2->[CoCl4]2-
4.(平衡状态判断与平衡移动)研究CO还原NOx对环境的治理有重要意义,相关的主要化学反应有
Ⅰ.NO2(g)+CO(g)CO2(g)+NO(g) ΔH1
Ⅱ.2NO2(g)+4CO(g)N2(g)+4CO2(g) ΔH2<0
已知:1 mol下列物质分解为气态基态原子吸收的能量分别为
NO2
CO
CO2
NO
819 kJ
1 076 kJ
1 490 kJ
632 kJ
下列描述正确的是 ( )
A.ΔH1=+227 kJ·mol-1
B.若在绝热恒容密闭容器中只进行反应Ⅰ,压强不变时能说明反应Ⅰ达到了平衡
C.恒温条件下,增大CO的浓度能使反应Ⅱ正向移动,且提高了CO的平衡转化率
D.上述两个反应达到平衡后,再升高温度,逆反应速率均一直增大直至达到新的平衡
5.(化学平衡及三段式计算)在容积为V L的恒温密闭容器中模拟工业合成氨。充入N2和H2的总物质的量为1 mol,容器内各组分的物质的量分数与反应时间t的关系如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.a表示N2物质的量分数的变化情况
B.0~t1min,v(H2)=mol·L-1·min-1
C.t2 min时,NH3的分解速率大于其生成速率
D.t3 min时改变的条件可能为减小容器体积
6.(竞争反应多重平衡)二氧化碳催化加氢制甲醇是一种实现“碳中和”的有效方法。在CO2和H2催化制甲醇反应体系中,主要发生的反应的热化学方程式为
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-49.6 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.2 kJ·mol-1
将1 mol CO2和3 mol H2混合气体通入恒压、密闭容器中,在Cu-ZnO/ZrO2的催化下反应,平衡时CO2转化率、CH3OH和CO选择率随温度变化如图所示(选择率:转化的CO2中生成CH3OH或CO的百分比)。下列说法错误的是 ( )
A.CH3OH选择率对应的曲线是b
B.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH=-90.8kJ·mol-1
C.图中M点时,CO2的平衡转化率为25%,则H2的转化率为33.3%
D.提高CO2转化为CH3OH的转化率,需要研发在低温区高效的催化剂
7.(连续反应多重平衡)已知:2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的反应历程分两步:
第1步:2NO(g)N2O2(g)(快) ΔH1<0
第2步:N2O2(g)+O2(g)2NO2(g)(慢) ΔH2<0
在固定容积的容器中充入一定量NO和O2发生上述反应,测得体系中部分物质的物质的量(n)随温度(T)的变化如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.第1步、第2步正反应活化能分别为E1、E2,则E1
C.b点后,n(N2O2)增加的原因是第2步平衡逆向移动的程度比第1步的大
D.若其他条件不变,仅将容器变为恒压状态,则体系建立平衡的时间不变
8.(主反应与副反应的多重平衡)CH4-CO2重整反应能够有效去除大气中 CO2,是实现“碳中和”的重要途径之一,发生的反应如下:
重整反应 CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH
积炭反应Ⅰ 2CO(g)CO2(g)+C(s)ΔH1=-172 kJ·mol-1
积炭反应Ⅱ CH4(g)C(s)+2H2(g)ΔH2=+75 kJ·mol-1
在恒压、起始投料比=1条件下,体系中各组分平衡时的物质的量随温度变化关系曲线如图所示。下列说法正确的是 ( )
A.重整反应的反应热ΔH=+247 kJ·mol-1
B.曲线B表示CH4平衡时物质的量随温度的变化
C.积炭会导致催化剂失活,降低CH4的平衡转化率
D.低于600 ℃时,降低温度有利于减少积炭的量并去除CO2气体
热点10:化学反应速率与化学平衡
考向1
【典例】B 甲容器在绝热条件下,随着反应的进行,压强先增大后减小,根据理想气体状态方程pV=nRT可知,刚开始压强增大的原因是因为容器温度升高,则说明上述反应过程放热,即ΔH<0,故A错误;根据A项分析可知,上述密闭容器中的反应为放热反应,图中a点和c点的压强相等,因甲为绝热过程,乙为恒温过程,若两者气体物质的量相等,则甲容器压强大于乙容器压强,则说明甲容器中气体的总物质的量此时相比乙容器在减小,即气体总物质的量:na
c0 2 1 0
Δc 2x x x
c平 2-2x 1-x x
则有=,计算得到x=0.75,那么化学平衡常数K===12,又甲为绝热过程,当Q=12时,因反应为放热反应,此时压强会大于p,要使压强等于p,反应体系气体物质的量需进一步减小,即反应会继续正向移动,当达到平衡时,K>12,故C错误;根据图像可知,甲容器达到平衡的时间短,温度高,所以达到平衡的速率相对乙容器的快,即va正>vb正,故D错误。
1.B 该反应是体积减小的反应,增大压强,v正>v逆,平衡常数不变,故A正确;加入催化剂,平衡时CH3CH2OH(g)的浓度不变,故B错误;恒容下,充入一定量的H2O(g),H2O(g)的浓度增大,平衡向正反应方向移动,故C正确;恒容下,充入一定量的CH2CH2(g),CH2CH2(g)的平衡转化率减小,故D正确。
2.A、C 由表格数据可知,T2温度下反应速率大于T1,则T2>T1,说明反应在T2温度下先达到平衡状态,则T2温度下该反应在40 min时已达到平衡状态,M=0.15,平衡时甲烷物质的量大于T1温度下,说明升高温度,平衡逆向移动,则该反应为放热反应,故A错误;组别①中0~10 min内,Δn(CH4)=0.50 mol-0.35 mol=0.15 mol,根据化学方程式可知,Δn(NO2)=2×0.15 mol=0.3 mol,v(NO2)==0.003 mol·L-1·min-1,故B正确;该反应是气体体积增大的反应,若组别②改为恒压装置,相当于减小压强,平衡正向移动,则M值一定小于0.15,故C错误;1 mol C—H键断裂表示正反应,1 mol O—H键断裂表示逆反应,当有1 mol C—H键断裂同时有1 mol O—H键断裂,说明正反应速率等于逆反应速率,反应达到平衡状态,故D正确。
3.B、C 根据图像,温度为T1时c平(X)=0.8 mol·L-1,c转(X)=2.0 mol·L-1-0.8 mol·L-1=1.2 mol·L-1,根据反应X(g)2Y(g),得c平(Y)=2.4 mol·L-1,因此平衡常数===7.2,同理可计算温度为T2时,平衡常数=12.8,故有<,由于此反应ΔH>0,所以,得出T1
考向2
【典例】C 由图可知,温度越高,氢气的物质的量越少,故升高温度平衡正向移动,正反应为吸热反应,ΔH>0,故A错误;因为水的系数比BaS的大,即水的增加量应该比BaS的大,故最上面的一条线是n(H2O)的变化,a为n(BaS)随温度的变化曲线,故B错误;向平衡体系中充入惰性气体,各组分浓度不变,平衡不移动,故C正确;硫酸钡是固体,增加固体的量对平衡无影响,故氢气的平衡转化率不变,故D错误。
1.B、D 由图可知,1 min时CO生成2 mol,0~1 min,v(CO)==1 mol·L-1·min-1;1~3 min时,反应达到平衡状态,反应速率之比等于化学计量数比,故v正(CO)=2v逆(CO2),A错误;反应容器容积不变,当容器内的气体密度(D)不变时,混合气体的总质量不变,正逆反应速率相等,反应达到平衡状态,反应正向气体的质量增加,平衡时混合气体密度增大,故>1,B正确;5 min时再充入一定量的CO,瞬间CO的物质的量增加,然后平衡逆向移动,CO减少,二氧化碳增加,故曲线b为二氧化碳,c或d为CO,C错误;由图可知,温度为T1时,达到平衡时CO的物质的量为2 mol,二氧化碳的物质的量为7 mol,平衡常数===,温度为T2时,达到平衡时CO的物质的量为4 mol,二氧化碳的物质的量为6 mol,平衡常数===,故再达平衡时=≈4.7,D正确。
2.A、D 由图可知,b点NO2的转化率最高,则温度为T℃时,b点达到平衡状态,而ab曲线上对应容器的体积均小于V2 L,起始投料相同,则NO2的起始浓度均大于b点,ab曲线上物质的反应速率均大于b点,所以ab曲线上反应均先于b点达到平衡状态,即ab曲线上反应均达到平衡状态,由于a点时NO2的转化率为40%,a点反应三段式为
2C(s)+2NO2(g)N2(g)+2CO2(g)
起始量(mol) 1 0 0
变化量(mol) 0.4 0.2 0.4
平衡量(mol) 0.6 0.2 0.4
各物质平衡浓度为c(NO2)=、c(N2)=、c(CO2)=,T℃时,该反应的化学平衡常数K===,A错误;b点达到平衡状态,b点以后,随着容器体积的增大,NO2的起始浓度减小,反应速率减慢,达到平衡的时间延长,所以bc曲线上反应均未达到平衡状态,并且NO2的起始浓度均小于b点,反应速率也小于b点,则bc曲线上反应正向进行,即图中c点所示条件下,v(正)>v(逆),B正确;图中a点、c点NO2的转化率相同,但a点容器体积小于c点容器体积,则对应的CO2浓度:ca(CO2)>cc(CO2),C正确;b点反应三段式
2C(s)+2NO2(g)N2(g)+2CO2(g)
起始量(mol) 1 0 0
变化量(mol) 0.8 0.4 0.8
平衡量(mol) 0.2 0.4 0.8
根据A选项中a点反应三段式、b点反应三段式和pV=nRT可知,paV1=1.2RT,pbV2=1.4RT,由于V2>V1,所以容器内的压强:pa∶pb>6∶7,D错误。
1.C 将第一、二、三步加起来可得总反应为2NO+2H2N2+2H2O,故A正确;第二步N2O2+H2N2O+H2O慢反应,总反应快慢主要由第二步反应决定,故B正确;平衡时v正=v逆,有k正c2(NO)=k逆c(N2O2),由于k正、k逆未知,故c(NO)和c(N2O2)关系未知,故C错误;第一步反应,平衡时:v正=k正·c2(NO)=v逆=k逆·c(N2O2),反应的平衡常数K==,故D正确。
2.C、D A.曲线N在100 s时N2O的转化率为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v===1×10-4 mol·L-1·s-1,由速率之比等于化学计量数比,v(CO)=1×10-4 mol·L-1·s-1,故A错误;B.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,故B错误;C.由于曲线M表示的绝热容器B,体系温度高,所以Q点v正大于P点v逆,故C正确;D.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 0.1×25% 0.025 0.025 0.025
平衡量/mol·L-1 0.075 0.375 0.025 0.025,
故平衡常数K===,故D正确。
3.B、D A.将实验③改为加入少量NaCl固体,增大氯离子浓度,溶液仍为蓝色,故A错误;B.由信息可知,[Co(H2O)6]2+呈粉红色,[CoCl4]2-呈蓝色,实验①知:降低温度,反应逆向移动,由勒夏特列原理可知,降低温度,平衡向放热方向移动,则正反应方向为吸热反应,则ΔH>0,故B正确;C.水是纯液体,浓度是常数,c(H2O)不变,故C错误;D.实验③平衡逆向移动,说明Zn2+结合Cl-的能力更强,则配离子的稳定性:[ZnCl4]2->[CoCl4]2-,故D正确。
4.B ΔH1=819 kJ·mol-1+1 076 kJ·mol-1-1 490 kJ·mol-1-632 kJ·mol-1=-227 kJ·mol-1,故A项错误;由于在绝热容器中进行反应Ⅰ,因此体系的温度升高,虽然反应前后气体体积不变,但温度升高,压强变大,因此压强不变时,说明反应达到平衡状态,故B项正确;增大CO的浓度,其转化率降低,故C项错误;由于两个反应ΔH均为负值,故再升高温度,平衡都会逆向移动,故逆反应速率均瞬间增大,之后逐渐减小至达到新的平衡,故D项错误。
5.B、C 由题中图示可知,开始时N2和H2各占50%,总物质的量是1 mol,则N2和H2各为0.5 mol,由
N2(g) + 3H2(g)2NH3(g)
起始物质的量(mol) 0.5 0.5 0
变化物质的量(mol) x 3x 2x
某时刻物质的量(mol) 0.5-x 0.5-3x 2x
可得,某时刻总物质的量为n(总)=(0.5-x) mol+(0.5-3x) mol+2xmol=(1-2x) mol,某时刻N2的物质的量分数为×100%=×100%=50%,所以,N2的物质的量分数一直保持不变,是50%,则a代表N2的物质的量分数,随反应进行减小的是c,代表H2的物质的量分数,b代表NH3的物质的量分数。
A.由上述分析可知,N2的物质的量分数一直保持不变,是50%,则a代表N2的物质的量分数,故A正确;B.由上述分析可知,a代表N2的物质的量分数,c代表H2的物质的量分数,b代表NH3的物质的量分数,t1 min时H2、NH3的物质的量分数相等,即=,解得x=0.1,则0~t1min,v(H2)== mol·L-1·min-1,故B错误;C.由上述分析可知,b代表NH3的物质的量分数,t2 min及以后,NH3的物质的量分数增大,说明反应向右进行,则NH3的分解速率小于其生成速率,故C错误;D.由N2(g)+3H2(g)2NH3(g)可知,t3 min时,减小容器体积,压强增大,平衡正向移动,NH3的物质的量分数增大,H2的物质的量分数减小,故D正确。
6.C A.升高温度,反应Ⅰ逆向移动,反应Ⅱ正向移动,CO2转化为CH3OH减少,CH3OH选择率降低,对应的曲线为b,A正确;B.目标反应=反应Ⅰ-反应Ⅱ,故ΔH为(-49.6-41.2) kJ·mol-1=-90.8 kJ·mol-1,B正确;C.M点CO2的转化率为25%,从图中看出,CO和CH3OH的选择率相同,均为50%,1 mol CO2各有1 mol×25%×50%=0.125 mol参与了反应Ⅰ和反应Ⅱ,消耗的氢气的物质的量为0.125×(3+1) mol=0.5 mol,氢气的转化率为×100%≈16.7%,C错误;D.生成甲醇的反应Ⅰ为放热反应,低温甲醇的产率较高,故提高CO2转化为CH3OH的转化率,需要研发在低温区高效的催化剂,D正确。
7.D A.第2步是慢反应,由活化能越大反应速率越慢,可知第2步正反应活化能较大,则E1
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