内容正文:
主题四 化学反应的热效应、速率与平衡
选择题9 化学反应速率与平衡图像、图表分析
主题五 化学反应的热效应、速率与平衡
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目录
contents
Part 01 真题精做
Part 02 疑难精讲
Part 03 预测演练
主题五 化学反应的热效应、速率与平衡
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真 题 精 做
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主题五 化学反应的热效应、速率与平衡
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疑 难 精 讲
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预 测 演 练
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考向一 化学反应速率与平衡图表分析应用
1.(2025·山东卷)在恒容密闭容器中,Na2SiF6(s)热解反应所得固相产物和气相产物均为含氟化合物。平衡体系中各组分物质的量随温度的变化关系(实线部分)如图所示。已知:T2温度时,Na2SiF6(s)完全分解;体系中气相产物在T1、T3温度时的分压分别为p1、p3。下列说法错误的是( )
A.a线所示物种为固相产物
B.T1温度时,向容器中通入N2,气相产物分压仍为p1
C.p3小于T3温度时热解反应的平衡常数Kp
D.T1温度时,向容器中加入b线所示物种,重新达平衡时逆反应速率增大
答案 D
解析 Na2SiF6(s)受热分解生成NaF和SiF4两种氟化物,NaF为离子晶体,SiF4为分子晶体,熔点:NaF>SiF4,因此NaF为固相产物,SiF4为气相产物,则热解反应的化学方程式为Na2SiF6(s) 2NaF(s)+SiF4(g),根据曲线的变化趋势及变化比例,结合方程式可判断曲线a、b、c分别为NaF(s)、SiF4(g)、Na2SiF6(s)。由上述分析知,A正确;N2不与体系中任何物质反应,由于容器恒容,因此SiF4的分压不变,仍为p1,B正确;该反应的平衡常数Kp=p(SiF4),由题图可知,温度越高,Na2SiF6分解程度越大,平衡时p(SiF4)越大,即Kp越大,由于T2温
度下Na2SiF6已完全分解,因此升温至T3时,无法释放更多的SiF4,故p3小于T3温度时热解反应的平衡常数Kp,C正确;T1温度时,加入SiF4的瞬间其分压增大,平衡逆向移动,由Kp=p(SiF4)知,重新平衡后SiF4的分压仍为p1,SiF4的浓度不变,故逆反应速率不变,D错误。
2.(2024·安徽卷)室温下,为探究纳米铁去除水样中SeO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) 的影响因素,测得不同条件下SeO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) 浓度随时间变化关系如下图。
实验序号
水样体积/mL
纳米铁质量/mg
水样初始pH
①
50
8
6
②
50
2
6
③
50
2
8
下列说法正确的是( )
A.实验①中,0~2小时内平均反应速率v(SeO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) )=2.0 mol·L-1·h-1
B.实验③中,反应的离子方程式为:2Fe+SeO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) +8H+===2Fe3++Se+4H2O
C.其他条件相同时,适当增加纳米铁质量可加快反应速率
D.其他条件相同时,水样初始pH越小,SeO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) 的去除效果越好
答案 C
解析 实验①中,0~2小时内平均反应速率v(SeO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) )=
eq \f(5.0×10-5mol·L-1-1.0×10-5 mol·L-1,2h) =2.0×10-5 mol·L-1·h-1,A不正确;实验③中水样初始pH=8,溶液显弱碱性,发生反应的离子方程式中不能用H+配电荷守恒,B不正确;由实验①和②可知,在相同时间内,实验①中SeO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) 浓度的变化大,则其他条件相同时,适当增加纳米铁质量可加快反应速率,C正确;由实验②和③可知,在相同时间内,实验②中SeO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) 浓度的变化大,则其他条件相同时,适当减小水样初始pH,SeO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) 的去除效果较好,但是当初始pH太小时,H+浓度太大,纳米铁与H+反应速率加快,会导致与SeO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) 反应的纳米铁减少,因此,初始pH越小,SeO eq \o\al(\s\up1(2-),\s\do1(4)) 的去除效果不一定越好,D不正确。
3.(2023·河北卷)在恒温恒容密闭容器中充入一定量W(g),发生如下反应。
反应②和③的速率方程分别为v2=k2c2(X)和v3=k3c(Z),其中k2、k3分别为反应②和③的速率常数,反应③的活化能大于反应②。测得W(g)的浓度随时间的变化如下表。
t/min
0
1
2
3
4
5
c(W)/(mol·L-1)
0.160
0.113
0.080
0.056
0.040
0.028
下列说法正确的是( )
A.0~2 min内,X的平均反应速率为0.080 mol·L-1·min-1
B.若增大容器容积,平衡时Y的产率增大
C.若k2=k3,平衡时c(Z)=c(X)
D.若升高温度,平衡时c(Z)减小
答案 D
解析 由题表知0~2 min内Δc(W)=(0.160-0.080) mol·L-1=0.080 mol·L-1,Δc(X)=2Δc(W)=0.160 mol·L-1,但一部分X转化为Z,造成Δc(X)<0.160 mol·L-1,则v(X)< eq \f(0.160 mol·L-1,2 min) =0.080 mol·L-1·min-1,故A错误;平衡时v逆=v正,即v3=v2,k3c(Z)=k2c2(X),若k2=k3,平衡时c(Z)=c2(X),故C错误;反应③的活化能大于反应②,ΔH=正反应活化能-逆反应活化能<0,则4X(g)⇌2Z(g) ΔH<0,升高温度,平衡逆向移动,则平衡时c(Z)减小,故D正确。
考向二 化学反应速率与平衡图像分析
4.(2025·安徽卷)恒温恒压密闭容器中,t=0时加入A(g),各组分物质的量分数x随反应时间t变化的曲线如图(反应速率v=kx,k为反应速率常数)。
下列说法错误的是( )
A.该条件下 eq \f(xN,平衡,xM,平衡) = eq \f(k-1k2,k1k-2)
B.0~t1时间段,生成M和N的平均反应速率相等
C.若加入催化剂,k1增大,k2不变,则x1和xM,平衡均变大
D.若A(g)→M(g)和A(g)→N(g)均为放热反应,升高温度则xA,平衡变大
答案 C
解析 ①A(g)⇌M(g)的K= eq \f(k1,k-1) ,②A(g)⇌N(g)的K= eq \f(k2,k-2) ,②-①得到M(g)⇌N(g),则K= eq \f(xN,平衡,xM,平衡) = eq \f(\f(k2,k-2),\f(k1,k-1)) = eq \f(k2k-1,k1k-2) ,A正确;由图可知,0~t1时间段,生成M和N的物质的量相同,由此可知,生成M和N的平均反应速率相等,B正确;若加入催化剂,k1增大,更有利于生成M,则x1变大,但催化剂不影响平衡移动,xM,平衡不变,C错误;若A(g)→M(g)和A(g)→N(g)均为放热反应,升高温度,两个反应均逆向移动,A的物质的量分数变大,即xA,平衡变大,D正确。
5.(双选)(2024·山东卷)逆水气变换反应:CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g) ΔH>0。一定压力下,按CO2、H2物质的量之比n(CO2)∶n(H2)=1∶1投料,T1、T2温度时反应物摩尔分数随时间变化关系如图所示。已知该反应的速率方程为v=kc0.5(H2)c(CO2),T1、T2温度时反应速率常数k分别为k1、k2。下列说法错误的是( )
A.k1>k2
B.T1、T2温度下达平衡时反应速率的比值: eq \f(v(T1),v(T2)) < eq \f(k1,k2)
C.温度不变,仅改变体系初始压力,反应物摩尔分数随时间的变化曲线不变
D.T2温度下,改变初始投料比例,可使平衡时各组分摩尔分数与T1温度时相同
答案 CD
解析 根据分析,T1比T2反应速率快,T1>T2反应速率常数与温度有关,结合反应速率方程知k1>k2,A项正确;反应的速率方程为v=kc0.5(H2)c(CO2),则 eq \f(v(T1),v(T2)) =eq \o\al(\s\up1(0.5),\s\do1(1)) eq \f(c(H2)1c(CO2),k2c eq \o\al(\s\up1(0.5),\s\do1(2)) (H2)2c(CO2))
,T1温度下达到平衡时反应物的摩尔分数低于T2温度下平衡时,eq \o\al(\s\up1(0.5),\s\do1(1)) eq \f(c(H2)1c(CO2),c eq \o\al(\s\up1(0.5),\s\do1(2)) (H2)2c(CO2))
<1,则 eq \f(v(T1),v(T2)) < eq \f(k1,k2) ,B项正确;温度不变,仅改变体系初始压力,虽然平衡不移动,但反应物的浓度改变,反应速率改变,反应达到平衡的时间改变,C错误;T2温度下,改变初始投料比,相当于改变某一反应物的浓度,达到平衡时H2和CO2的摩尔分数不可能相等,D项错误。
6.(双选)(2023·山东卷)一定条件下,化合物E和TFAA合成H的反应路径如下:
已知反应初始E的浓度为0.10 mol·L-1,TFAA的浓度为0.08 mol·L-1,部分物质的浓度随时间的变化关系如图所示,忽略反应过程中的体积变化。下列说法正确的是( )
A.t1时刻,体系中有E存在
B.t2时刻,体系中无F存在
C.E和TFAA反应生成F的活化能很小
D.反应达平衡后,TFAA的浓度为0.08 mol·L-1
答案 AC
答案 AC
解析 t1时刻TFAA浓度为0,则TFAA完全反应,消耗的E为0.08 mol·L-1,E剩余0.02 mol·L-1,故体系中有E存在,A正确;由题给反应路径和元素守恒知,体系中TFAA、G、F的总浓度应为0.08 mol·L-1,由题图知,t2时刻TFAA和G的浓度之和小于0.08 mol·L-1,则体系中一定存在F,B错误;由图可知,反应刚开始TFAA的浓度迅速减小为0,则E和TFAA的反应速率非常快,该反应的活化能很小,C正确;只有F、G全部转化为H和TFAA时,TFAA的浓度才能为0.08 mol·L-1,而G⇌H+TFAA为可逆反应,所以反应达平衡后,TFAA的浓度一定小于0.08 mol·L-1,D错误。
7.(2024·湖南卷)恒压下,向某密闭容器中充入一定量的CH3OH(g)和CO(g),发生如下反应:
主反应:CH3OH(g)+CO(g)===CH3COOH(g) ΔH1
副反应:CH3OH(g)+CH3COOH(g)===CH3COOCH3(g)+H2O(g) ΔH2
在不同温度下,反应达到平衡时,测得两种含碳产物的分布分数δ[δ(CH3COOH)= eq \f(n(CH3COOH),n(CH3COOH)+n(CH3COOCH3)) ]随投料比x(物质的量之比)的变化关系如图所示,下列说法正确的是( )
A.投料比x代表 eq \f(n(CH3OH),n(CO))
B.曲线c代表乙酸的分布分数
C.ΔH1<0,ΔH2>0
D.L、M、N三点的平衡常数:K(L)=K(M)>K(N)
答案 D
解析 图中曲线表示的是两种含碳产物的分布分数即δ(CH3COOH)、δ(CH3COOCH3),结合主、副反应可知,x代表 eq \f(n(CO),n(CH3OH)) ,曲线a或曲线b表示CH3COOH分布分数,曲线c或曲线d表示CH3COOCH3分布分数,故A、B错误;曲线a或曲线b表示δ(CH3COOH),由图像可知,当 eq \f(n(CO),n(CH3OH)) 相同时,T2>T1,T2时δ(CH3COOH)大于T1时,说明升高温度主反应的平衡正向移动,故ΔH1>0;同理,T1时δ(CH3COOCH3)大于T2时,说明升高温度副反应的平衡逆向移动,
故ΔH2<0,C错误;L、M、N三点对应副反应ΔH2<0,且TN>TM=TL,升高温度平衡逆向移动,故K(L)=K(M)>K(N),D正确。
8.(2023·湖南卷)向一恒容密闭容器中加入1 mol CH4和一定量的H2O,发生反应:CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g)。CH4的平衡转化率按不同投料比x[x= eq \f(n(CH4),n(H2O)) ]随温度的变化曲线如图所示。下列说法错误的是( )
A.x1<x2
B.反应速率:vb正<vc正
C.点a、b、c对应的平衡常数:Ka<Kb=Kc
D.反应温度为T1,当容器内压强不变时,反应达到平衡状态
答案 B
解析 一定条件下,增大H2O(g)的浓度,能提高CH4的转化率,即x值越小,CH4的转化率越大,则x1<x2,故A正确;b点和c点温度相同,CH4的起始物质的量都为1 mol,b点x值小于c点,则b点H2O(g)多,反应物浓度大,则反应速率:vb正>vc正,故B错误;由图像可知,x一定时,温度升高CH4的平衡转化率增大,说明正反应为吸热反应,温度升高平衡正向移动,K增大,温度相同,K不变,则点a、b、c对应的平衡常数:Ka<Kb=Kc,故C正确;该反应为气体分子数增大的反应,反应进行时压强发生改变,所以温度一定时,当容器内压强不变时,反应达到平衡状态,故D正确。
1.化学平衡与平衡转化率
(1)转化率和平衡转化率
转化率有未达到平衡的转化率和平衡转化率,在审题的时候一定要注意转化率是否为平衡转化率。
(2)转化率与温度的关系
可逆反应的焓变ΔH
升高温度
吸热反应,ΔH>0
未达到平衡的转化率增大
平衡转化率增大
放热反应,ΔH<0
未达到平衡的转化率增大
平衡转化率减小
(3)增大反应物的浓度与平衡转化率的关系(其中A、B、C均为气体)
影响(4)如果两气体物质的投料比按照化学计量数投料,那么无论是否达到化学平衡,两者的转化率一直相等。
2.化学平衡常数、平衡移动方向与反应速率的关系
aA(g)+bB(g)⇌cC(g)+dD(g)
K= eq \f(cc(C)·cd(D),ca(A)·cb(B))
平衡时浓度
Q= eq \f(cc(C)·cd(D),ca(A)·cb(B))
某时刻浓度
3.化学反应速率与平衡图像分析思路
1.(2025·江苏卷)甘油(C3H8O3)水蒸气重整获得H2过程中的主要反应:
反应Ⅰ C3H8O3(g)===3CO(g)+4H2(g) ΔH>0
反应Ⅱ CO(g)+H2O(g)===CO2(g)+H2(g) ΔH<0
反应Ⅲ CO2(g)+4H2(g)===CH4(g)+2H2O(g) ΔH<0
1.0×105Pa条件下,1 mol C3H8O3和
9 mol H2O发生上述反应达平衡状态时,体
系中CO、H2、CO2和CH4的物质的量随温度
变化的理论计算结果如图所示。下列说法正
确的是( )
A.550 ℃时,H2O的平衡转化率为20%
B.550 ℃反应达平衡状态时,n(CO2)∶n(CO)=11∶25
C.其他条件不变,在400~550 ℃范围,平衡时H2O的物质的量随温度升高而增大
D.其他条件不变,加压有利于增大平衡时H2的物质的量
答案 A
解析 550 ℃时,曲线①物质的量是5 mol,根据原子守恒,n(C)=3 mol,则其不可能是含碳微粒,故曲线①表示H2,升高温度,反应Ⅰ平衡正移,反应Ⅱ平衡逆向移动,CO物质的量增大,则曲线③代表CO,温度升高,反应Ⅲ逆向移动,CH4物质的量降低,则曲线②代表CH4,据此解答。550 ℃时,n(H2)=5 mol,n(CO2)=2.2 mol,n(CH4)=n(CO)=0.4 mol,根据C原子守恒,可得n(C3H8O3)= eq \f(n(C)-n(CO2)-n(CO)-n(CH4),3) =0,根据O原子守恒,可得n(H2O)= eq \f(n(O)-2n(CO2)-n(CO)-3n(C3H8O3),1) =7.2 mol(也可利用H原子守恒计算,结果相同),则α(H2O)=
eq \f(9 mol-7.2 mol,9 mol) ×100%=20%,A正确;550 ℃时,n(CO2)=2.2 mol,n(CO)=0.4 mol,则n(CO2)∶n(CO)=11∶2,B错误;400~550 ℃范围,随温度升高,反应Ⅱ、Ⅲ平衡均逆向移动,n(CO2)增大,说明反应Ⅲ逆向移动程度更大,则H2O的物质的量减小,C错误;增大压强,反应Ⅰ平衡逆向移动,反应Ⅱ平衡不移动,反应Ⅲ平衡正向移动,H2的物质的量减小,D错误。
2.(2025·浙江二模)水煤气变换法反应为:CO eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) +H2O eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) ⇌CO2 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) +H2 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) ,将各0.5 mol的CO和H2O混合气体投入体积可变的密闭容器中,于不同的温度下测得反应物的物质的量分数(φ)随时间变化关系如图所示。
下列说法不正确的是( )
A.温度T2高于T1
B.升高温度,正反应速率增大的倍数小于逆反应速率
C.恒温恒容下,在状态a容器中再充入1.8 mol CO和2.7 mol CO2,平衡不移动
D.在T2时,反应物的物质的量投入加倍,则φ随时间变化可能为曲线L
答案 D
解析 A.由图可知,T2比T1先到达平衡状态,说明T2比T1对应反应速率快,则温度T2>T1,A正确;B.由图可知,升高温度,反应物的物质的量分数(φ)增大,说明升高温度平衡逆向移动,则正反应为放热反应;对放热反应而言,升高温度,正、逆反应速率都增大,但是正反应速率增大的倍数小于逆反应速率,B正确;C.状态a容器中,达到平衡时,消耗CO、H2O物质的量均为0.5 mol-0.2 mol=0.3 mol,则生成CO2、H2物质的量均为0.3 mol,平衡时K= eq \f(\f(0.3 mol,V)×\f(0.3 mol,V),\f(0.2 mol,V)×\f(0.2 mol,V)) = eq \f(9,4) ,再
充入1.8 mol CO和2.7 mol CO2,瞬时Q= eq \f(\f(3 mol,V)×\f(0.3 mol,V),\f(2 mol,V)×\f(0.2 mol,V)) = eq \f(9,4) =K,则平衡不移动,C正确;D.体积可变的密闭容器中,在T2时,反应物的物质的量投入加倍,则容器的体积也加倍,容器中反应物的浓度不变,化学反应速率不变,到达平衡的时间不变,则φ随时间变化不可能为曲线L,D错误;故选D。
3.(2025·江苏调研)用碘甲烷 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(CH3I)) 热裂解制取低碳烯烃的反应有:
反应Ⅰ:2CH3I eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) =C2H4 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) +2HI eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g))
ΔH1=+102.8 kJ/ mol
反应Ⅱ:3C2H4 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) =2C3H6 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g))
ΔH2=-110 kJ/ mol
反应Ⅲ:2C2H4 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) =C4H8 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) ΔH3=-283 kJ/ mol
在体积为1 L的恒容密闭容器中,投入1 mol CH3I eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) ,不同温度下平衡时体系中C2H4、C3H6、C4H8物质的量分数随温度变化如图所示。
下列说法正确的是( )
A.反应4C3H6 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) ===3C4H8 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) ΔH=+629 kJ/ mol
B.对于反应Ⅲ,寻找500K以上的高效催化剂,可提高平衡时C4H8的物质的量分数
C.800K时,加压能提高平衡时C2H4的选择性
D.715K的平衡体系中,HI的物质的量分数为64%
答案 D
解析 由热化学方程式可知,反应Ⅰ为吸热反应,升高温度平衡正向移动,C2H4物质的量分数增大;反应Ⅱ和反应Ⅲ为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,则一直上升的曲线表示C2H4的物质的量分数,则另一条曲线为C3H6;A.根据盖斯定律:3×Ⅲ-2×Ⅱ得4C3H6 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) ===3C4H8 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(g)) ΔH=-629 kJ/ mol,A错误;B.催化剂改变反应速率,但是不改变平衡移动,不能提高平衡时C4H8的物质的量分数,B错误;C.反应Ⅰ为气体分子数增大的反应、反应Ⅱ和反应Ⅲ为气体分子数减小的反应,800K时,加压,反应Ⅰ逆向移动、反应Ⅱ和反应Ⅲ正向移动,导致C2H4的选择性降低,C错误;D.根据图像可知,715K平衡时,n(C3H6)=n(C4H8)=2n(C2H4),设n(C2H4)=x,n(C3H6)=n(C4H8)=2x,n(CH3I)=y,则n(HI)=1-y,根据C守恒得:1=y+2x+6x+8x,
C2H4物质的量分数为4%得 eq \f(x,y+5x+1-y) ×100%=4%,联立两式解得:x= eq \f(1,20) ,y= eq \f(1,5) ,则HI的物质的量分数为 eq \f(1-\f(1,5),\f(1,5)+5×\f(1,20)+1-\f(1,5)) ×100%=64%,D正确;故选D。
4.(2025·南通二模)在催化剂作用下,以C2H6、CO2为原料合成C2H4,其主要反应有:
反应1 C2H6(g)+CO2(g)⇌C2H4(g)+H2O(g)+CO(g) ΔH=+177 kJ·mol-1
反应2 C2H6(g)⇌CH4(g)+H2(g)+C(s)
ΔH=+9 kJ·mol-1
将体积比为1∶1的C2H6、CO2混合气体按一定流速通过催化反应管,测得C2H6、CO2的转化率随温度变化的关系如图所示。
已知C2H4的选择性= eq \f(n生成(C2H4),n反应(C2H6)) ×100%。
下列说法正确的是( )
A.图中曲线①表示CO2转化率随温度的变化
B.720~800 ℃范围内,随温度的升高,出口处C2H4及CH4的量均增大
C.720~800 ℃范围内,随温度的升高,C2H4的选择性不断增大
D.其他条件不变,加入CaO(s)或选用高效催化剂,均能提高平衡时C2H4产率
答案 B
解析 由题图分析可知,图中曲线①表示C2H6转化率随温度的变化,故A错误;720~800 ℃范围内,随温度的升高,C2H6、CO2的转化率都增大,则出口处C2H4及CH4的量均增大,故B正确;720~800 ℃范围内,随温度的升高,C2H6、CO2的转化率都增大,但C2H6的转化率增大程度大于CO2,说明反应2正向进行的程度大于反应1,C2H4的选择性不断减小,故C错误;催化剂不改变平衡产率,故D错误。
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