新高考化学一轮复习精品学案 第8章 热点强化19　化学反应速率和化学平衡简答题（含解析）

热点强化19　化学反应速率和化学平衡简答题

文字描述代表一种开放性思维与能力，一般从速率问题、平衡(转化率)问题、安全问题、节能减排等角度作答(考查前两个角度居多)，实际上就是效益最大化的问题。

1．条件选择类

(1)实验最佳条件的选择或控制就是为了又“快”又“好”地生产，即主要是从反应速率与转化率(化学平衡)两个角度来分析。“快”就是提高反应速率，“好”就是提高转化率，原料利用率高，而影响速率与转化率的主要因素就是浓度、温度、压强与催化剂，其中温度与压强是试题中经常考查的因素。

(2)从速率、转化率、产率、纯度等角度分析，选择最佳条件。如针对反应速率时，思考方向为如何提高浸出速率、如何提高反应速率等；针对平衡转化率、产率时，可运用平衡移动原理解释(其他条件不变的情况下，改变××条件，可逆反应平衡向××方向移动，导致××发生变化)；针对综合生产效益时，可从原料成本，原料来源是否广泛、是否可再生，能源成本，对设备的要求，环境保护，绿色化学等方面作答。

(3)选择当前条件的优势，其他条件的不足，往往不足的描述比较容易疏忽，如温度过高或过低，压强过小或过大，也要进行分析。

2．原因分析类

(1)依据化学反应速率和平衡移动原理，分析造成图像曲线变化的原因。

(2)催化剂对反应的影响、不同反应的选择性问题是这类题目的难点，解题时要多加关注，不同的条件会有不同的选择性。

(3)这类题目一般都是多因素影响，需要多角度分析原因。

题组一　曲线上特殊点的分析

1．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)________(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________。

(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________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　(1)＜　(2)Kb＞Kc＞Kd　(3)T3～T4温度区间，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

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)＜v正(d)。(2)根据图像，温度为T3时反应达平衡，此后温度升高，c(CO2)增大，平衡逆向移动，说明正反应是放热反应。升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，故Kb＞Kc＞Kd。

2．[2020·天津，16(4)]用H2还原CO2可以在一定条件下合成CH3OH(不考虑副反应)：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH<0

恒压下，CO2和H2的起始物质的量之比为1∶3时，该反应在无分子筛膜时甲醇的平衡产率和有分子筛膜时甲醇的产率随温度的变化如图所示，其中分子筛膜能选择性分离出H2O。

①甲醇平衡产率随温度升高而降低的原因为_________________________________

________________________________________________________________________。

②P点甲醇产率高于T点的原因为__________________________________________

________________________________________________________________________。

③根据上图，在此条件下采用该分子筛膜时的最佳反应温度为____________℃。

答案　①该反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动(或平衡常数减小)　②分子筛膜从反应体系中不断分离出H2O，有利于反应正向进行，甲醇产率升高　③210

解析　①图中有分子筛膜时，P点甲醇产率最大，达到平衡状态，P点后甲醇的产率降低，其原因是合成甲醇的反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，甲醇产率降低。②P点有分子筛膜，T点无分子筛膜，而分子筛膜能选择性分离出H2O，使平衡正向移动，提高甲醇的产率。③由图可知，当有分子筛膜，温度为210 ℃时，甲醇产率最大，故该分子筛膜的最佳反应温度为210 ℃。

3．[2020·山东，18(3)]探究CH3OH合成反应化学平衡的影响因素，有利于提高CH3OH的产率。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·mol－1

Ⅱ.CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)

ΔH2＝－90.4 kJ·mol－1

Ⅲ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH3

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下图所示。

已知：CO2的平衡转化率＝×100%

CH3OH的平衡产率＝×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___________

_______________________________________________________________________________。

答案　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

解析　由反应Ⅰ、Ⅱ可知，随着温度的升高，甲醇的平衡产率逐渐降低，因此图甲的纵坐标表示的是甲醇的平衡产率，图乙的纵坐标表示的是CO2的平衡转化率。同温度下，随着压强的增大，甲醇的平衡产率应增大，因此压强由大到小的顺序为p1＞p2＞p3。图乙中，当升温到T1时，CO2的平衡转化率与压强的大小无关，说明以反应Ⅲ为主，因为反应Ⅲ前后气体分子数相等。

(1)对于化学反应mA(g)＋nB(g)pC(g)＋qD(g)，M点前，表示从反应物开始，v正>v逆；M点为刚达到平衡点(如图)；M点后为平衡受温度的影响情况，即升温，A的百分含量增加或C的百分含量减少，平衡左移，故ΔH＜0。

(2)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(如图)。L线的左上方(如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：v正>v逆；则L线的右下方(如F点)：v正＜v逆。

题组二　曲线变化趋势的分析

4．乙烯气相水合反应的热化学方程式为C2H4(g)＋H2O(g)C2H5OH(g)　ΔH＝－45.5 kJ·

mol－1，如图是乙烯气相水合法制乙醇中乙烯的平衡转化率与温度、压强的关系[其中n(H2O)∶n(C2H4)＝1∶1]。图中压强(p1、p2、p3、p4)的大小顺序为________，理由是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　p4>p3>p2>p1　该反应正向是气体分子数减小的反应，相同温度下，压强升高乙烯转化率升高

5．汽车使用乙醇汽油并不能减少NOx的排放，某研究小组在实验室以耐高温试剂Ag-ZSW-5催化，测得NO转化为N2的转化率随温度变化情况如图所示。

(1)在＝1条件下，最佳温度应控制在______左右。

(2)若不使用CO，温度超过775 K，发现NO的分解率降低，其可能的原因为________________________________________________________________________。

(3)用平衡移动原理解释为什么加入CO后NO转化为N2的转化率增大：________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　(1)870 K(860～880 K范围内都可以)

(2)该反应放热，升高温度，反应向逆反应方向进行

(3)加入的CO会与NO的分解产物O2发生反应，促进NO分解平衡向生成N2的方向移动，导致NO的转化率增大

6．下图是在一定时间内，使用不同催化剂Mn和Cr在不同温度下对应的脱氮率，由图可知工业使用的最佳催化剂为________，相应温度为________；使用Mn作催化剂时，脱氮率在b～a段呈现如图变化的可能原因是__________________________________________

________________________________________________________________________。

答案　Mn　200 ℃　b～a段，开始温度较低，催化剂活性较低，脱氮反应速率较慢，反应还没达到化学平衡，随着温度升高反应速率变大，一定时间参与反应的氮氧化物变多，导致脱氮率逐渐增大

7．丙烯腈()是一种重要的化工原料，广泛应用在合成纤维、合成橡胶及合成树脂等工业生产中。以3-羟基丙酸乙酯[(g)]为原料合成丙烯腈，主要反应过程如下：

反应Ⅰ：(g)(g)＋H2O(g)　ΔH1

反应Ⅱ：(g)＋NH3(g)(g)＋H2O(g)＋(g)　ΔH2

在盛有催化剂TiO2、压强为200 kPa的恒压密闭容器中按体积比2∶15充入(g)和NH3(g)发生反应，通过实验测得平衡体系中含碳物质(乙醇除外)的物质的量分数随温度的变化如图所示。

随着温度的升高，(g)的平衡物质的量分数先增大后减小的原因为________________________________________________________________________

________________________________________________________________________，

N点对应反应Ⅱ的平衡常数Kx＝________(x代表物质的量分数)。

答案　温度较低时，反应Ⅰ进行的程度大，(g)的物质的量分数增大；温度较高时反应Ⅱ进行的程度增大，(g)的物质的量分数减小　

解析　根据图像可知，温度较低时，(g)的物质的量分数很小，随温度升高(g)的物质的量分数增大，(g)是反应Ⅰ的生成物、反应Ⅱ的反应物，故随着温度的升高，(g)的平衡物质的量分数先增大后减小的原因为温度较低时，反应Ⅰ进行的程度大，(g)的物质的量分数增大；温度较高时反应Ⅱ进行的程度增大，(g)的物质的量分数减小。N点时，(g)的物质的量分数为0，(g)完全消耗，(g)和(g)的物质的量分数相等，即(g)和(g)物质的量相等，设起始(g)、NH3(g)物质的量依次为2 mol、15 mol，平衡时(g)物质的量为x mol，反应Ⅰ生成的(g)和H2O(g)的物质的量均为2 mol，则反应Ⅱ消耗的(g)和NH3(g)、生成的H2O(g)和(g)物质的量都为x mol，则2－x＝x，解得x＝1，平衡时(g)、NH3(g)、(g)、H2O(g)、(g)物质的量依次为1 mol、14 mol、1 mol、3 mol、1 mol，气体总物质的量为20 mol，物质的量分数依次为、、、、，N点对应反应Ⅱ的平衡常数Kx＝＝。

8．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) 4N2(g)＋6H2O(g)　ΔH<0。根据下图判断提高脱硝效率的最佳条件是____________________________________________________；

氨氮物质的量之比一定时，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

9．一种新型煤气化燃烧集成制氢发生的主要反应如下：

Ⅰ.C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)　ΔH1

Ⅱ.CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)　ΔH2

Ⅲ.CaO(s)＋CO2(g)CaCO3(s)　ΔH3

Ⅳ.C(s)＋2H2O(g)＋CaO(s)CaCO3(s)＋2H2(g)　 ΔH4＝－64.9 kJ·mol－1

副反应：

Ⅴ.C(s)＋2H2(g)CH4(g)　

ΔH5＝－74.8 kJ·mol－1

Ⅵ.CO(g)＋3H2(g)CH4(g)＋H2O(g)　

ΔH6＝－206.1 kJ·mol－1

回答下列问题：

(1)已知反应Ⅰ、Ⅱ的平衡常数K1、K2随温度的变化如图1、图2所示。

①由反应Ⅴ和反应Ⅵ可知，ΔH1＝________；反应Ⅰ的ΔS________(填“>”或“<”)0。

②温度小于800 ℃时，K1＝0，原因是________________________________________________。

③为提高反应Ⅱ中CO的转化率，可采取的措施是____________________________

_________________________________________________________________(写一条)。

④T ℃时，向密闭容器中充入1 mol CO(g)和3 mol H2O(g)，只发生反应Ⅱ ，此时该反应的平衡常数K2＝1，CO的平衡转化率为________。

(2)从环境保护角度分析，该制氢工艺中设计反应Ⅲ的优点是___________________________。

(3)起始时在气化炉中加入1 mol C、2 mol H2O及1 mol CaO，在2.5 MPa下，气体的组成与温度的关系如图3所示。

①200～725 ℃时，CH4的量不断减少的原因是________________________________

________________________________________________________________________。

②725～900 ℃时，H2的物质的量分数快速减小，其原因是_________________________。

③制氢生产中控制温度为750 ℃左右，不采用850 ℃以上温度的原因是________________________________________________________________________。

答案　(1)①＋131.3 kJ·mol－1　＞　②未达到自发进行反应的温度　③增大(或适当降低温度等合理答案)　④75%

(2)减少温室气体(CO2)的排放

(3)①反应 Ⅴ 和反应 Ⅵ 均为放热反应，温度升高，平衡逆向移动　②CaCO3开始分解，生成的CO2与H2反应　③气体中CO和CO2的含量高，不利于提纯(或其他合理答案)

解析　(1)①由盖斯定律知，反应Ⅴ－反应Ⅵ＝反应Ⅰ，ΔH1＝－74.8 kJ·mol－1－(－206.1 kJ·mol－1)＝＋131.3 kJ·mol－1；反应Ⅰ的气体分子数增多，ΔS>0。

③由图2可知，反应Ⅱ的K2随温度升高而减小，该反应为放热反应，故为提高反应Ⅱ中CO的转化率可采取降低温度、增大等方法。

④设容器体积为V L，

　　　　　CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g)

起始/mol　　1　　　3　　　　　0　　0

转化/mol  　x  　　x  　　　　x  　x

平衡/mol  1－x  　3－x  　　　x  　x

x2＝(1－x)(3－x)，解得x＝0.75。故CO的平衡转化率为×100%＝75%。

(2)该制氢工艺中设计反应Ⅲ的优点是吸收二氧化碳，减少温室气体的排放。