内容正文:
大单元四 第二单元 化学反应速率与化学平衡
第7讲 化学反应速率与化学平衡图像分析
【高考考向预测】
化学反应速率与化学平衡图像重点考查速率-时间、浓度-时间、转化率/百分含量-温度/压强等各类图像的解读,结合勒夏特列原理判断反应特征、外界条件影响及平衡移动规律,分析拐点、交点、趋势变化等关键信息,常作为化学反应原理大题核心设问;近三年考频极高,属于高频必考题型;预测2027年侧重多曲线、多变量复合图像分析,结合陌生可逆反应考查图像逻辑推理、条件判断与数据综合分析。
【双基自测●明考向】
1.(2026·辽宁朝阳·模拟预测)在恒容密闭容器中发生反应:,其反应历程如下:
①(快反应)
②(慢反应) ,已知k表示速率常数,表示活化能。
反应体系中含氮物质的物质的量分数随时间的变化如图1所示:
下列有关说法正确的是
A.图1中曲线M表示N2O2的物质的量分数
B.选择合适的催化剂可降低图1中曲线N的峰值
C.可用图2表示该反应历程中的能量变化
D.升高温度、减小,、增大
2.(2026·安徽滁州·模拟预测)向容积为2 L的刚性密闭容器中充入2 mol NO和1 mol CO,发生反应: ,在恒温或绝热条件下分别测得NO转化率随时间(t)的变化如图所示。已知:;(、为速率常数)。下列说法不正确的是
A.
B.反应开始至Y点,生成的平均速率为
C.Y点处,
D.Z点时,再投入一定量的NO,平衡正向移动,体积分数增大
3.(2026·黑龙江哈尔滨·模拟预测)甲酸是基本有机化工原料之一,它有两种可能的分解反应:
反应I:
反应Ⅱ:
一定压强下,向密闭容器中充入一定量的HCOOH气体,平衡体系中CO或的选择性和HCOOH的转化率随温度变化曲线如图所示。
已知:CO的选择性
下列说法正确的是
A.曲线I代表H2的选择性
B.400℃时CO2的体积分数约为
C.反应Ⅰ:
D.升高温度,两个反应的正反应速率均减小,逆反应速率均增大
4.(2026·重庆·模拟预测)烷烃催化裂解可以制备氢气: ,利用膜反应新技术,可以实现边反应边分离出生成的氢气。不同温度下,1.00 mol乙烷在容积为1.00 L的密闭容器中反应,氢气移出率与乙烷平衡转化率关系如图所示:(氢气移出率)。下列说法错误的是
A.相同温度时,、、依次增大
B.若,乙烷转化率为60%,则体系内碳、氢原子个数比
C.A点平衡常数,则
D.在一定温度下和压强下,向平衡体系中掺入水蒸气,乙烷的转化率增大
5.(2026·重庆沙坪坝·模拟预测)温度下,由a与b制备c涉及的反应如下:
反应I: 反应II:
向恒容密闭容器中充入nmola(g)和1.0molb(g)进行上述反应,平衡体系内a、c、d的物质的量分数随a的起始投料n的变化关系如图所示。下列说法正确的是
A.曲线③代表a的物质的量分数随a的起始投料n的变化关系
B.反应II的平衡常数
C.当你+时,若某时刻体系中a(g)的物质的量分数为20%,则此时
D.若升高温度,Q点将左移
6.(25-26高三下·湖南长沙·阶段检测)工业上,可用丙烷催化氧化制备丙酸: 。起始时向某密闭容器中投入和,发生上述反应,保持的平衡转化率固定为0.45、0.50、0.60,温度、压强变化关系如图所示。已知:用各组分的物质的量分数计算的平衡常数叫做物质的量分数平衡常数。下列说法正确的是
A.曲线代表为0.60
B.A、B、C、D点中物质的量分数平衡常数最大的是B
C.恒温恒容下,向平衡体系中再充入,丙烷转化率增大
D.C点对应的
【核心梳理●明考点】
考点一 速率-时间图像
1.“渐变”类v-t图像
图像
分析
结论
t1时v'正突然增大,v'逆逐渐增大;v'正>v'逆,平衡向正反应方向移动
t1时其他条件不变,增大反应物的浓度
t1时v'正突然减小,v'逆逐渐减小;v'逆>v'正,平衡向逆反应方向移动
t1时其他条件不变,减小反应物的浓度
t1时v'逆突然增大,v'正逐渐增大;v'逆>v'正,平衡向逆反应方向移动
t1时其他条件不变,增大生成物的浓度
t1时v'逆突然减小,v'正逐渐减小;v'正>v'逆,平衡向正反应方向移动
t1时其他条件不变,减小生成物的浓度
2.“断点”类v-t图像
(1)速率-时间图像“断点”分析
当可逆反应达到平衡后,若某一时刻外界条件发生改变,可能使速率—时间图像的曲线出现不连续的情况,即出现“断点”。根据“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,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
图像
t1时刻所
改变的条
件
温度
升高
降低
升高
降低
正反应为放热的反应
正反应为吸热的反应
压强
增大
减小
增大
减小
正反应为气体物质的量增大的反应
正反应为气体物质的量减小的反应
【考点突破●明方向】
1.在一密闭容器中发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,达到平衡后,只改变某一个条件时,反应速率与反应时间的关系如图所示。
回答下列问题:
(1)处于平衡状态的时间段是 (填字母,下同)。
A.t0~t1 B.t1~t2
C.t2~t3 D.t3~t4
E.t4~t5 F.t5~t6
(2)判断t1、t3、t4时刻分别改变的一个条件。
A.增大压强 B.减小压强
C.升高温度 D.降低温度
E.加催化剂 F.充入氮气
t1时刻 ;t3时刻 ;t4时刻 。
(3)依据(2)中的结论,下列时间段中,氨的百分含量最高的是 。
A.t0~t1 B.t2~t3
C.t3~t4 D.t5~t6
(4)如果在t6时刻,从反应体系中分离出部分氨,t7时刻反应达到平衡状态,请在图中画出反应速率的变化曲线。
2.可逆反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)在一定条件下达到平衡状态。在t1时刻改变某一条件,化学反应速率与反应时间的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.维持温度、反应体系容积不变,t1时充入SO3(g)
B.维持温度、压强不变,t1时充入SO3(g)
C.维持反应体系容积不变,t1时升高反应体系温度
D.维持温度、反应体系容积不变,t1时充入一定量Ar
考点二 两类热点图像
1.反应进程折线图
此类图像一般纵坐标表示物质的量、浓度、百分含量、转化率,横坐标表示反应时间。解题的关键是找转折点。
(1)转折点之前,用外因对速率的影响分析问题,用“先拐先平,数值大”的规律判断不同曲线表示温度或压强的大小。
(2)转折点之后是平衡状态或平衡移动,解题时要抓住量的变化,找出平衡移动的方向,利用化学平衡移动原理推理分析。
(3)图示:(C%指产物的质量分数,B%指某反应物的质量分数)
2.恒压(或恒温)线
此类图像的纵坐标为某物质的平衡浓度或转化率,横坐标为温度或压强,解答此类问题,要关注曲线的变化趋势,有多个变量时,注意控制变量,即“定一议二”。
反应:aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g) ΔH
图像
结论
a+b>c+d,ΔH>0
a+b>c+d,ΔH>0
【考点突破●明方向】
1.已知反应A(g)+2B(g)C(g) ΔH<0。在体积可变的密闭容器中,按n(A)∶n(B)=1∶1充入反应物进行反应,A的平衡转化率与温度、压强关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.温度:T1>T2>T3
B.平均摩尔质量:M(a)<M(c),M(b)>M(d)
C.a点的分压平衡常数Kp= kPa-2
D.d点:v正(A)=2v逆(B)
2.已知某可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)在密闭容器中进行,如图表示在不同反应时间(t)时,温度(T)和压强(p)与反应物B在混合气体中的体积分数[φ(B)]的关系曲线,由曲线分析,下列判断正确的是( )
A.T1<T2,p1>p2,m+n>p,放热反应
B.T1>T2,p1<p2,m+n>p,吸热反应
C.T1<T2,p1>p2,m+n<p,放热反应
D.T1>T2,p1<p2,m+n<p,吸热反应
考点三 三种特殊图像
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(如下图);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,故正反应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(E点),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(F点),v正<v逆。
3.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A是平衡状态,压强增大,正反应速率增大得快,平衡正向移动。
【考点突破●明方向】
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,得到趋势图如图。
(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
。
2.在容积一定的密闭容器中,置入一定量的NO(g)和足量C(s),发生反应C(s)+2NO(g)CO2(g)+N2(g),平衡状态时NO(g)的物质的量浓度与温度T的关系如图所示。则下列说法正确的是( )
A.该反应的ΔH>0
B.若该反应在T1、T2时的平衡常数分别为K1、K2,则K1<K2
C.在T2时,若反应体系处于状态D,则此时一定有v(正)<v(逆)
D.在T3时,若混合气体的密度不再变化,则可以判断反应达到平衡状态
考点四 化工生产中的复杂图像
一、催化剂的投料比图像
1.采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu-Mn合金),利用CO和H2制备二甲醚(DME)。
主反应:2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)
副反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
测得反应体系中各物质的产率或转化率与催化剂的关系如图所示。
则催化剂中约为 时最有利于二甲醚的合成。
(1)改变投料比相当于增加一种反应物的浓度,另一种反应物的转化率升高,而自身的转化率降低。(2)当按化学反应方程式的计量数之比投入反应物,各组分的平衡转化率相同,平衡时产物的体积分数最大。
二、生成物的选择性图像
2.压强一定的条件下,将1 mol (COOCH3)2和4 mol H2按一定流速通过装有催化剂的反应管,利用(COOCH3)2催化加氢制乙二醇。主要发生如下反应:
ⅰ.(COOCH3)2(g)+2H2(g)CH3OOCCH2OH(g)+CH3OH(g) ΔH1>0
ⅱ.(COOCH3)2(g)+4H2(g)HOCH2CH2OH(g)+2CH3OH(g) ΔH2>0
测得(COOCH3)2的转化率及CH3OOCCH2OH、HOCH2CH2OH的选择性与温度的关系如图所示。已知:选择性定义为
×100%。下列说法正确的是( )
A.曲线M表示(COOCH3)2的转化率随温度变化曲线
B.192~198 ℃范围内,CH3OOCCH2OH的选择性随温度升高而增大
C.保持其他条件不变,加快气体的流速可以提高(COOCH3)2的转化率
D.195 ℃时,生成CH3OH的物质的量为1.455 mol
【真题再现●明考向】
1.(2025·重庆,17(3))利用弛豫法可研究快速反应的速率常数(k,在一定温度下为常数),其原理是通过微扰(如瞬时升温)使化学平衡发生偏离,观测体系微扰后从不平衡态趋向新平衡态所需的弛豫时间(τ),从而获得k的信息。对于H2OH++OH-,若将纯水瞬时升温到25 ℃,测得τ=4.0×10-5s。
已知:25 ℃时,c(H2O)=55.6 mol·L-1,v(正)=k1c(H2O),v(逆)=k2c(H+)c(OH-),τ=(xc为H+的平衡浓度)。
下列能正确表示瞬时升温后反应建立新平衡的过程示意图为 。
2.(2024·山东,15改编)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。下列说法正确的是( )
A.k1<k2
B.T1、T2温度下达平衡时反应速率的比值:<
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
3.(2024·海南,7)已知298 K、101 kPa时,CO2(g)+3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49.5 kJ·mol-1。该反应在密闭的刚性容器中分别于T1、T2温度下进行,CO2的初始浓度为0.4 mol·L-1,c(CO2)-t关系如图所示。下列说法错误的是( )
A.T1>T2
B.T1下反应达到平衡时c(CH3OH)=0.15 mol·L-1
C.使用催化剂1的反应活化能比催化剂2的大
D.使用催化剂2和催化剂3的反应历程相同
4.(2024·黑吉辽,10)异山梨醇是一种由生物质制备的高附加值化学品,150 ℃时其制备过程及相关物质浓度随时间变化如图所示,15 h后异山梨醇浓度不再变化。下列说法错误的是( )
A.3 h时,反应②正、逆反应速率相等
B.该温度下的平衡常数:①>②
C.0~3 h平均速率(异山梨醇)=0.014 mol·kg-1·h-1
D.反应②加入催化剂不改变其平衡转化率
5.(2025·山东,10)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
6.(2025·河南,17(5)(6))CaCO3的热分解与NixPy催化的CH4重整结合,可生产高纯度合成气(H2+CO),实现碳资源的二次利用。主要反应如下:
反应Ⅰ:CaCO3(s)⥫⥬CaO(s)+CO2(g) ΔH1=+178 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH4(g)+CO2(g)⥫⥬2H2(g)+2CO(g) ΔH2=+247 kJ·mol-1
反应Ⅲ:H2(g)+CO2(g)⥫⥬H2O(g)+CO(g) ΔH3=+41 kJ·mol-1
回答下列问题:
(5)在温度分别为T1、T2和T3下,CH4的平衡转化率与压强的关系如图所示,反应温度最高的是 (填“T1”“T2”或“T3”),原因是 。
(6)一定温度、100 kPa下,向体系中加入1.0 mol CaCO3和1.0 mol CH4,假设此条件下其他副反应可忽略,恒压反应至平衡时,体系中CaCO3转化率为80%,CH4转化率为60%,CO物质的量为1.3 mol,反应Ⅲ的平衡常数Kp= (保留小数点后一位),此时原位CO2利用率为 。已知:原位CO2利用率= ×100%
【限时训练】
(60分钟)
基础落实
选择题只有1个选项符合题意
1.SO2的催化氧化是硫酸工业中的重要反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0,图中L(L1、L2)、X可分别代表压强或温度。下列说法正确的是( )
A.X代表压强
B.L2>L1
C.Ka=Kb
D.若c点的温度或压强分别为L2、X1,则c点v正(SO2)>v逆(SO2)
2.CO和H2在一定条件下合成甲醇的反应为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH。现在容积均为1 L的a、b、c、d、e五个密闭容器中分别充入1 mol CO和2 mol H2的混合气体,控温,进行实验,测得相关数据如下图1和图2。下列叙述不正确的是( )
A.该反应的ΔH<0
B.在500 ℃条件下达平衡时CO的转化率为60%
C.平衡常数K1(300 ℃)<K2(500 ℃)
D.图2中达化学平衡的点为c、d、e
3.25 ℃时,向恒容容器中加入A发生反应:①2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g);②2NO2(g)N2O4(g)。反应体系中N2O5、NO2、O2的分压随时间t的变化曲线如图所示。下列说法正确的是( )
A.曲线C表示NO2的分压随时间的变化曲线
B.25 ℃时,反应②的压强平衡常数Kp= kPa-1
C.当O2、N2O4的分压相等时,反应②中的NO2转化率为12.5%
D.t1 min后,保持温度和体积不变,再充入NO2(g),则O2(g)的分压增大
4.某密闭容器中充入等物质的量的A和B,一定温度下发生反应A(g)+xB(g)2C(g),达到平衡后,在不同的时间段内反应物的浓度随时间的变化如图甲所示,正逆反应速率随时间的变化如图乙所示,下列说法中正确的是( )
A.30~40 min间该反应使用了催化剂
B.化学方程式中的x=1,正反应为吸热反应
C.30 min时降低温度,40 min时升高温度
D.前8 min A的平均反应速率为0.08 mol·L-1·min-1
5.一定条件下,在密闭容器中发生反应4NH3(g)+6NO(g)5N2(g)+6H2O(g) ΔH<0,并建立平衡,在t1和t3时分别改变一个条件,在t2和t4时反应达到新的平衡状态。图1是正反应速率随时间变化的图像,图2是NO的浓度随时间变化的图像,下列说法错误的是( )
A.t1时改变的条件是减小生成物浓度
B.t3时正、逆反应速率均增大
C.t3时改变的条件可能是加压或者升温
D.t4时的平衡常数小于t1时的平衡常数
6.有关下列图像的分析正确的是( )
A.图1所示图中的阴影部分面积的含义是某物质的物质的量的变化量
B.图2表示在N2+3H2 2NH3达到平衡后,减少NH3浓度时速率的变化
C.图3表示铝片与稀硫酸反应的速率随反应时间变化的曲线,说明t1时刻溶液的温度最高
D.图4表示反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0,a、b、c三点中,a点时SO2的转化率最高
7.某温度下,在容积为2 L的刚性固定容器中加入1 mol环戊烯()和1 mol I2发生可逆反应(g)+I2(g)(g)+2HI(g) ΔH>0,实验测得容器内压强随时间的变化关系如图所示。下列说法错误的是( )
A.0~2 min内,环戊烯的平均反应速率为0.10 mol·L-1· min-1
B.环戊烯的平衡转化率为50%
C.高温低压有利于提高环戊烯的平衡转化率
D.该温度下,反应的平衡常数为K=2
8.已知:在700 ℃的恒温、恒容密闭容器中发生反应3CH4(g)+2N2(g)3C(s)+4NH3(g),若CH4与N2在不同投料比时CH4的平衡转化率如图所示,下列说法正确的是( )
A.n(CH4)/n(N2)越大,CH4的转化率越高
B.a点对应的平衡常数比c点的大
C.b点对应的NH3的体积分数为26%
D.不改变投料比,增加n(N2)时,NH3体积分数增大
9.向一容积不变的密闭容器中充入一定量A和B,发生如下反应:xA(g)+2B(s)yC(g) ΔH<0。在一定条件下,容器中A、C的物质的量浓度随时间变化的曲线如图所示。请回答下列问题:
(1)用A的浓度变化表示该反应在0~10 min内的平均反应速率v(A)= 。
(2)根据图像可确定x∶y= 。
(3)0~10 min容器内压强 (填“变大”“不变”或“变小”)。
(4)推测第10 min引起曲线变化的反应条件可能是 (填序号,下同);第16 min引起曲线变化的反应条件可能是 。
①减压 ②增大A的浓度 ③增大C的量 ④升温 ⑤降温 ⑥加催化剂
(5)若平衡 Ⅰ 的平衡常数为K1,平衡 Ⅱ 的平衡常数为K2,则K1 (填“>”“=”或“<”)K2。
能力提升
10.含氮化合物在生活、生产、研究领域至关重要。我国学者在容积不变的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,不同催化剂条件下,反应相同时间测得NO转化率与温度的关系如图所示。且研究表明该反应v=kcm(H2)·c2(NO),其中k为速率常数。下列说法错误的是( )
A.当使用催化剂乙时,温度高于350 ℃ NO转化率下降是由于反应放热,达到平衡后,升高温度使平衡逆向移动
B.使用催化剂甲比使用催化剂乙正反应的活化能更低
C.对于反应2H2(g)+2NO(g)N2(g)+2H2O(g),其他条件不变,加压使平衡正向移动
D.T1 ℃的初始速率为v0,当H2转化率为60%时,反应速率为0.064v0,由此可知m=1
11.在一恒容的密闭容器中充入0.1 mol·L-1 CO2、0.1 mol·L-1 CH4,在一定条件下发生反应:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),测得CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如图,下列有关说法不正确的是( )
A.上述反应的ΔH>0
B.压强:p4>p3>p2>p1
C.压强为p4、温度为1 100 ℃时该反应的平衡常数约为1.64
D.压强为p4时,在y点:v正<v逆
12.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·mol-1,CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1,在1.0×105 Pa、n始(C2H5OH)∶n始(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=×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的选择性减小
C.一定温度下,增大乙醇平衡转化率降低
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
13.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 ℃。
学科网(北京)股份有限公司
$
大单元四 第二单元 化学反应速率与化学平衡
第7讲 化学反应速率与化学平衡图像分析
【高考考向预测】
化学反应速率与化学平衡图像重点考查速率-时间、浓度-时间、转化率/百分含量-温度/压强等各类图像的解读,结合勒夏特列原理判断反应特征、外界条件影响及平衡移动规律,分析拐点、交点、趋势变化等关键信息,常作为化学反应原理大题核心设问;近三年考频极高,属于高频必考题型;预测2027年侧重多曲线、多变量复合图像分析,结合陌生可逆反应考查图像逻辑推理、条件判断与数据综合分析。
【双基自测●明考向】
1.(2026·辽宁朝阳·模拟预测)在恒容密闭容器中发生反应:,其反应历程如下:
①(快反应)
②(慢反应) ,已知k表示速率常数,表示活化能。
反应体系中含氮物质的物质的量分数随时间的变化如图1所示:
下列有关说法正确的是
A.图1中曲线M表示N2O2的物质的量分数
B.选择合适的催化剂可降低图1中曲线N的峰值
C.可用图2表示该反应历程中的能量变化
D.升高温度、减小,、增大
【答案】B
【详解】A.反应①是快反应,生成的N2O2会在反应②中被消耗,所以N2O2的物质的量分数会先升高后降低,对应图1中的曲线N;而产物NO2的物质的量分数会逐渐增大,对应曲线M。所以曲线M表示的是NO2,不是N2O2,A错误;
B.催化剂可以降低反应的活化能,加快反应速率,合适的催化剂会让反应②的速率提升更明显,使N2O2生成后被更快消耗,从而降低N2O2(曲线N)的物质的量分数的峰值,B正确;
C.反应②是慢反应,说明反应②的活化能应该大于反应①的正反应活化能,但图2中比小,不符合“慢反应活化能更高”的规律,C错误;
D.升高温度,所有反应的速率常数k都会增大(无论是正反应还是逆反应,温度升高,反应速率均加快),所以、、、均增大,D错误;
故答案选B。
2.(2026·安徽滁州·模拟预测)向容积为2 L的刚性密闭容器中充入2 mol NO和1 mol CO,发生反应: ,在恒温或绝热条件下分别测得NO转化率随时间(t)的变化如图所示。已知:;(、为速率常数)。下列说法不正确的是
A.
B.反应开始至Y点,生成的平均速率为
C.Y点处,
D.Z点时,再投入一定量的NO,平衡正向移动,体积分数增大
【答案】D
【分析】反应,绝热条件下反应放热使体系温度升高,反应速率更快,达到平衡所需时间更短,且升温平衡逆向移动,NO平衡转化率更低,因此平衡转化率更低、先达到平衡的条件1对应绝热体系,平衡转化率更高的条件2对应恒温体系。同一反应时间下,绝热体系的NO转化率高于恒温体系,因此W点属于条件1曲线,X点属于条件2曲线。
【详解】A.W点位于绝热体系,体系温度高于恒温体系的X点,且W点NO转化率更高,生成物浓度更大,逆反应速率随温度升高、生成物浓度增大而增大,因此,A正确;
B.反应开始至Y点,时间为20s,NO转化的物质的量为,根据反应计量关系,生成的物质的量为,容器容积为2L,因此的平均速率为,B正确;
C.平衡时,因此,条件2为恒温体系,平衡时NO转化率为25%,计算得平衡常数,Y点NO转化率为20%,代入浓度计算得浓度商,因此,C正确;
D.Z点为恒温体系的平衡点,再投入一定量的NO,平衡正向移动,生成的物质的量增大,但体系总气体物质的量也增大,若投入NO的量较大,的体积分数会减小,因此体积分数不一定增大,D错误;
故选 D。
3.(2026·黑龙江哈尔滨·模拟预测)甲酸是基本有机化工原料之一,它有两种可能的分解反应:
反应I:
反应Ⅱ:
一定压强下,向密闭容器中充入一定量的HCOOH气体,平衡体系中CO或的选择性和HCOOH的转化率随温度变化曲线如图所示。
已知:CO的选择性
下列说法正确的是
A.曲线I代表H2的选择性
B.400℃时CO2的体积分数约为
C.反应Ⅰ:
D.升高温度,两个反应的正反应速率均减小,逆反应速率均增大
【答案】B
【详解】A.图像中CO的选择性曲线随温度升高从100%降至0%,H2的选择性应与之互补(从0%升至100%),曲线Ⅱ为H2的选择性曲线,A错误;
B.400℃时,CO选择性为0,仅反应Ⅱ发生,设初始HCOOH为1 mol,由图可知,转化率为90%,反应Ⅱ生成CO2和H2各0.9 mol,剩余HCOOH 0.1 mol,总气体物质的量=0.1+0.9+0.9=1.9 mol。CO2体积分数为,B正确;
C.反应Ⅰ为吸热反应,升高温度平衡正向移动,平衡常数增大,,C错误;
D.升高温度,正、逆反应速率均增大(吸热方向增幅更大),并非“正反应速率减小”,D错误;
故答案选B。
4.(2026·重庆·模拟预测)烷烃催化裂解可以制备氢气: ,利用膜反应新技术,可以实现边反应边分离出生成的氢气。不同温度下,1.00 mol乙烷在容积为1.00 L的密闭容器中反应,氢气移出率与乙烷平衡转化率关系如图所示:(氢气移出率)。下列说法错误的是
A.相同温度时,、、依次增大
B.若,乙烷转化率为60%,则体系内碳、氢原子个数比
C.A点平衡常数,则
D.在一定温度下和压强下,向平衡体系中掺入水蒸气,乙烷的转化率增大
【答案】B
【分析】该反应为气体分子数增大的反应,相同温度下,氢气移出率α越大,生成物浓度越低,平衡正向移动程度越大,乙烷平衡转化率越高,因此同一温度下转化率越高对应α越大,可判断三条曲线从上到下依次对应、、。
【详解】A.相同温度时,α越大乙烷平衡转化率越高,结合图像相同温度下三条曲线的转化率大小为对应曲线>对应曲线>对应曲线,因此、、依次增大,A正确;
B.初始1mol 含2mol C、6mol H,乙烷转化率为60%时,生成的物质的量为,,则移出的物质的量为,移出H的物质的量为,体系内剩余H的物质的量为,C原子全部留存于体系内,总物质的量为2mol,因此,B错误;
C.A点乙烷平衡转化率为90%,则转化的乙烷物质的量为,生成、的物质的量均为0.9mol,设为x,则平衡时体系内的物质的量为,的物质的量为,的物质的量为0.9mol,容器体积为1L,平衡常数,解得,则x≈94.4%,C正确;
D.一定温度和压强下,掺入水蒸气,容器体积增大,相当于减小压强,平衡向气体分子数增大的正向移动,乙烷转化率增大,D正确;
故选B。
5.(2026·重庆沙坪坝·模拟预测)温度下,由a与b制备c涉及的反应如下:
反应I: 反应II:
向恒容密闭容器中充入nmola(g)和1.0molb(g)进行上述反应,平衡体系内a、c、d的物质的量分数随a的起始投料n的变化关系如图所示。下列说法正确的是
A.曲线③代表a的物质的量分数随a的起始投料n的变化关系
B.反应II的平衡常数
C.当你+时,若某时刻体系中a(g)的物质的量分数为20%,则此时
D.若升高温度,Q点将左移
【答案】C
【分析】由方程式可知,反应Ⅰ中1.0 mol b 完全反应生成1.0 mol d、消耗1.0 mol a,则 T温度下,增大a的物质的量,反应Ⅱ的平衡向正反应方向移动,a的物质的量分数增大、d的物质的量分数减小、c的物质的量分数先增大后减小,则曲线①、②、③分别表示物种a、c、d物质的量分数随a的起始投料n的变化关系。
【详解】A.由分析可知,曲线③代表d的物质的量分数随a的起始投料n的变化关系,A错误;
B.在点,,和的物质的量分数均为,则的物质的量分数为。设容器体积为,总物质的量为。由于几乎完全反应,可近似认为。结合物质的量分数,,。反应Ⅱ的平衡常数,B错误;
C.当n=2时,平衡时a的物质的量分数为13%<20%。若某时刻a的物质的量分数为20%,高于平衡值,反应需正向消耗a。因此,正反应速率大于逆反应速率,C正确;
D.反应Ⅱ的,为吸热反应,升高温度会使反应Ⅱ平衡正向移动,的物质的量分数增大,的物质的量分数减小。点是和物质的量分数相等的点。升温后,要使和的分数再次相等,需要更大的,因为的物质的量分数减小、的分数增大,需增加的投料来平衡两者,因此,点应右移而非左移,D错误;
故选C。
6.(25-26高三下·湖南长沙·阶段检测)工业上,可用丙烷催化氧化制备丙酸: 。起始时向某密闭容器中投入和,发生上述反应,保持的平衡转化率固定为0.45、0.50、0.60,温度、压强变化关系如图所示。已知:用各组分的物质的量分数计算的平衡常数叫做物质的量分数平衡常数。下列说法正确的是
A.曲线代表为0.60
B.A、B、C、D点中物质的量分数平衡常数最大的是B
C.恒温恒容下,向平衡体系中再充入,丙烷转化率增大
D.C点对应的
【答案】D
【详解】A.该反应的正反应是气体分子数减小的放热反应,相同压强条件下,升高温度,正反应方向受抑制,丙烷的平衡转化率减小,故曲线分别代表丙烷的平衡转化率(α)为0.45、0.50、0.60,A错误;
B.平衡常数只与温度有关,该反应,温度越低,越大,A、B、C、D四点中,D点温度最低,因此最大的是D,B错误;
C.恒温恒容下,向平衡体系中再充入,各物质的物质的量浓度、分压均不变,平衡不移动,丙烷转化率不变,C错误;
D.起始时投入和,C点丙烷的平衡转化率为0.50,即反应消耗丙烷的物质的量为1 mol,列出三段式:,平衡时总物质的量为4.5 mol,平衡时丙烷、氧气、丙酸、水的物质的量分数分别为、、、,因此,D正确;
故选D。
【核心梳理●明考点】
考点一 速率-时间图像
1.“渐变”类v-t图像
图像
分析
结论
t1时v'正突然增大,v'逆逐渐增大;v'正>v'逆,平衡向正反应方向移动
t1时其他条件不变,增大反应物的浓度
t1时v'正突然减小,v'逆逐渐减小;v'逆>v'正,平衡向逆反应方向移动
t1时其他条件不变,减小反应物的浓度
t1时v'逆突然增大,v'正逐渐增大;v'逆>v'正,平衡向逆反应方向移动
t1时其他条件不变,增大生成物的浓度
t1时v'逆突然减小,v'正逐渐减小;v'正>v'逆,平衡向正反应方向移动
t1时其他条件不变,减小生成物的浓度
2.“断点”类v-t图像
(1)速率-时间图像“断点”分析
当可逆反应达到平衡后,若某一时刻外界条件发生改变,可能使速率—时间图像的曲线出现不连续的情况,即出现“断点”。根据“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,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
图像
t1时刻所
改变的条
件
温度
升高
降低
升高
降低
正反应为放热的反应
正反应为吸热的反应
压强
增大
减小
增大
减小
正反应为气体物质的量增大的反应
正反应为气体物质的量减小的反应
【考点突破●明方向】
1.在一密闭容器中发生反应:N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH<0,达到平衡后,只改变某一个条件时,反应速率与反应时间的关系如图所示。
回答下列问题:
(1)处于平衡状态的时间段是 (填字母,下同)。
A.t0~t1 B.t1~t2
C.t2~t3 D.t3~t4
E.t4~t5 F.t5~t6
(2)判断t1、t3、t4时刻分别改变的一个条件。
A.增大压强 B.减小压强
C.升高温度 D.降低温度
E.加催化剂 F.充入氮气
t1时刻 ;t3时刻 ;t4时刻 。
(3)依据(2)中的结论,下列时间段中,氨的百分含量最高的是 。
A.t0~t1 B.t2~t3
C.t3~t4 D.t5~t6
(4)如果在t6时刻,从反应体系中分离出部分氨,t7时刻反应达到平衡状态,请在图中画出反应速率的变化曲线。
【答案】(1)ACDF (2)C E B (3)A
(4)
【解析】(1)根据图示可知,t0~t1、t2~t3、t3~t4、t5~t6时间段内,v正、v逆相等,反应处于平衡状态。(2)t1时,v正、v逆同时增大,且v逆增大的更快,平衡向逆反应方向移动,所以t1时改变的条件是升温;t3时,v正、v逆同时增大且增大程度相同,平衡不移动,所以t3时改变的条件是加催化剂;t4时,v正、v逆同时减小,且v正减小的更快,平衡向逆反应方向移动,所以t4时改变的条件是减小压强。(3)根据图示知,t1~t2、t4~t5时间段内平衡均向逆反应方向移动,则NH3的含量均比t0~t1时间段内的低,所以t0~t1时间段内NH3的百分含量最高。(4)t6时刻分离出部分NH3,v逆立刻减小,而v正逐渐减小,在t7时刻二者相等,反应重新达到平衡,据此可画出反应速率的变化曲线。
2.可逆反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)在一定条件下达到平衡状态。在t1时刻改变某一条件,化学反应速率与反应时间的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.维持温度、反应体系容积不变,t1时充入SO3(g)
B.维持温度、压强不变,t1时充入SO3(g)
C.维持反应体系容积不变,t1时升高反应体系温度
D.维持温度、反应体系容积不变,t1时充入一定量Ar
【答案】B
【解析】维持温度、反应体系容积不变,t1时充入SO3(g),此时逆反应速率增大,正反应速率不变,故A错误;维持温度、压强不变,t1时充入SO3(g),此时逆反应速率增大,而且反应体系容积增大导致正反应速率减小,故B正确;维持反应体系容积不变,t1时升高反应体系温度,正、逆反应速率都增大,故C错误;维持温度、反应体系容积不变,t1时充入一定量Ar,反应物和生成物浓度都不变,正、逆反应速率都不变,故D错误。
考点二 两类热点图像
1.反应进程折线图
此类图像一般纵坐标表示物质的量、浓度、百分含量、转化率,横坐标表示反应时间。解题的关键是找转折点。
(1)转折点之前,用外因对速率的影响分析问题,用“先拐先平,数值大”的规律判断不同曲线表示温度或压强的大小。
(2)转折点之后是平衡状态或平衡移动,解题时要抓住量的变化,找出平衡移动的方向,利用化学平衡移动原理推理分析。
(3)图示:(C%指产物的质量分数,B%指某反应物的质量分数)
2.恒压(或恒温)线
此类图像的纵坐标为某物质的平衡浓度或转化率,横坐标为温度或压强,解答此类问题,要关注曲线的变化趋势,有多个变量时,注意控制变量,即“定一议二”。
反应:aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g) ΔH
图像
结论
a+b>c+d,ΔH>0
a+b>c+d,ΔH>0
【考点突破●明方向】
1.已知反应A(g)+2B(g)C(g) ΔH<0。在体积可变的密闭容器中,按n(A)∶n(B)=1∶1充入反应物进行反应,A的平衡转化率与温度、压强关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.温度:T1>T2>T3
B.平均摩尔质量:M(a)<M(c),M(b)>M(d)
C.a点的分压平衡常数Kp= kPa-2
D.d点:v正(A)=2v逆(B)
【答案】C
【解析】A.该反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,A的转化率降低,所以T1<T2<T3,A项错误;B.从图看a、b、c三点A的转化率越低,即正向程度减小,平均摩尔质量=,正向为n气总减小的反应,则越正向移动平均摩尔质量越大,即M(a)>M(c)。同一温度下,增大压强平衡正向移动,即压强越大平均摩尔质量越大,即M(b)>M(d),B项错误;C.建立三段式
计算x(A)=、x(B)=、x(C)=,C项正确;D.d点平衡点2v正(A)=2v逆(A)=v逆(B),D项错误。
2.已知某可逆反应mA(g)+nB(g)pC(g)在密闭容器中进行,如图表示在不同反应时间(t)时,温度(T)和压强(p)与反应物B在混合气体中的体积分数[φ(B)]的关系曲线,由曲线分析,下列判断正确的是( )
A.T1<T2,p1>p2,m+n>p,放热反应
B.T1>T2,p1<p2,m+n>p,吸热反应
C.T1<T2,p1>p2,m+n<p,放热反应
D.T1>T2,p1<p2,m+n<p,吸热反应
【答案】D
【解析】由图可知,压强一定时,温度T1先达到平衡,故温度:T1>T2,升高温度,B在混合气体中的体积分数减小,说明平衡正向移动,正反应为吸热反应;温度一定时,压强p2先达到平衡,故压强:p1<p2,增大压强,B在混合气体中的体积分数增大,说明平衡逆向移动,正反应为气体体积增大的反应,则m+n<p。
考点三 三种特殊图像
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(如下图);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,故正反应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(E点),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(F点),v正<v逆。
3.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A是平衡状态,压强增大,正反应速率增大得快,平衡正向移动。
【考点突破●明方向】
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,得到趋势图如图。
(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.在容积一定的密闭容器中,置入一定量的NO(g)和足量C(s),发生反应C(s)+2NO(g)CO2(g)+N2(g),平衡状态时NO(g)的物质的量浓度与温度T的关系如图所示。则下列说法正确的是( )
A.该反应的ΔH>0
B.若该反应在T1、T2时的平衡常数分别为K1、K2,则K1<K2
C.在T2时,若反应体系处于状态D,则此时一定有v(正)<v(逆)
D.在T3时,若混合气体的密度不再变化,则可以判断反应达到平衡状态
【答案】D
【解析】由图像可知,T1<T2,升高温度c平(NO)增大,平衡左移(吸热方向),所以ΔH<0,且K1>K2,A、B错误;T2时由D→B点需降低c平(NO),即平衡向右移动,所以D点对应体系中,v(正)>v(逆),C错误;由于反应物C为固体,故容积不变时,反应后气体质量增大,混合气体的密度增大,当密度不再变化时,可以判断反应达到平衡状态,D正确。
考点四 化工生产中的复杂图像
一、催化剂的投料比图像
1.采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu-Mn合金),利用CO和H2制备二甲醚(DME)。
主反应:2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)
副反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
测得反应体系中各物质的产率或转化率与催化剂的关系如图所示。
则催化剂中约为 2.0 时最有利于二甲醚的合成。
(1)改变投料比相当于增加一种反应物的浓度,另一种反应物的转化率升高,而自身的转化率降低。(2)当按化学反应方程式的计量数之比投入反应物,各组分的平衡转化率相同,平衡时产物的体积分数最大。
二、生成物的选择性图像
2.压强一定的条件下,将1 mol (COOCH3)2和4 mol H2按一定流速通过装有催化剂的反应管,利用(COOCH3)2催化加氢制乙二醇。主要发生如下反应:
ⅰ.(COOCH3)2(g)+2H2(g)CH3OOCCH2OH(g)+CH3OH(g) ΔH1>0
ⅱ.(COOCH3)2(g)+4H2(g)HOCH2CH2OH(g)+2CH3OH(g) ΔH2>0
测得(COOCH3)2的转化率及CH3OOCCH2OH、HOCH2CH2OH的选择性与温度的关系如图所示。已知:选择性定义为
×100%。下列说法正确的是( )
A.曲线M表示(COOCH3)2的转化率随温度变化曲线
B.192~198 ℃范围内,CH3OOCCH2OH的选择性随温度升高而增大
C.保持其他条件不变,加快气体的流速可以提高(COOCH3)2的转化率
D.195 ℃时,生成CH3OH的物质的量为1.455 mol
【答案】D
【解析】A.根据题意,随着温度升高,反应ⅰ、ⅱ均正向移动,(COOCH3)2的转化率增大,故曲线M不代表(COOCH3)2的转化率随温度变化曲线,A错误;B.曲线R是HOCH2CH2OH的选择性,195 ℃时曲线M与曲线R相交,则曲线M是CH3OOCCH2OH的选择性,根据图像,192~198 ℃范围内,CH3OOCCH2OH的选择性随温度升高而减小,B错误;C.加快气体的流速时,气体来不及在催化剂表面反应,(COOCH3)2的转化率会降低,C错误;D.195 ℃时(COOCH3)2的转化率为97%,即转化的n(COOCH3)2=0.97 mol,由图像知,195 ℃时CH3OOCCH2OH和HOCH2CH2OH的选择性相等,则n(CH3OOCCH2OH)=n(HOCH2CH2OH)=0.485 mol,此时n(CH3OH)=n(CH3OOCCH2OH)+2n(HOCH2CH2OH)=1.455 mol,D正确。
本讲感悟
疑点:
盲点:
【真题再现●明考向】
1.(2025·重庆,17(3))利用弛豫法可研究快速反应的速率常数(k,在一定温度下为常数),其原理是通过微扰(如瞬时升温)使化学平衡发生偏离,观测体系微扰后从不平衡态趋向新平衡态所需的弛豫时间(τ),从而获得k的信息。对于H2OH++OH-,若将纯水瞬时升温到25 ℃,测得τ=4.0×10-5s。
已知:25 ℃时,c(H2O)=55.6 mol·L-1,v(正)=k1c(H2O),v(逆)=k2c(H+)c(OH-),τ=(xc为H+的平衡浓度)。
下列能正确表示瞬时升温后反应建立新平衡的过程示意图为 。
【答案】D
【解析】瞬时升温后,正、逆反应速率突变增大,平衡正向移动,但水的浓度是恒定的,正反应速率不再变化,逆反应速率逐渐增大,所以建立新平衡的过程示意图为D。
2.(2024·山东,15改编)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。下列说法正确的是( )
A.k1<k2
B.T1、T2温度下达平衡时反应速率的比值:<
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】B
【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项错误;反应的速率方程为v=kc0.5(H2)c(CO2),则=,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,<1,则<,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项错误;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。
3.(2024·海南,7)已知298 K、101 kPa时,CO2(g)+3H2(g)⥫⥬CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49.5 kJ·mol-1。该反应在密闭的刚性容器中分别于T1、T2温度下进行,CO2的初始浓度为0.4 mol·L-1,c(CO2)-t关系如图所示。下列说法错误的是( )
A.T1>T2
B.T1下反应达到平衡时c(CH3OH)=0.15 mol·L-1
C.使用催化剂1的反应活化能比催化剂2的大
D.使用催化剂2和催化剂3的反应历程相同
【答案】D
【解析】由题干图像信息可知,平衡时CO2的浓度T1温度下比T2温度下的大,即T1到T2平衡正向移动,而结合题干方程式可知,该反应的正反应是一个放热反应,即降低温度平衡正向移动,即T1>T2,A正确;T1温度下达到平衡时CO2的浓度为0.25 mol·L-1,即CO2的浓度改变量为0.40 mol·L-1-0.25 mol·L-1=0.15 mol·L-1,则T1温度下反应达到平衡时c(CH3OH)=0.15 mol·L-1,B正确;在温度均为T1时,使用催化剂1达到平衡所需要的时间比使用催化剂2更长,即使用催化剂1时的反应速率比使用催化剂2的更慢,说明使用催化剂1的反应活化能比使用催化剂2的大,C正确;催化剂2和催化剂3达到平衡所需要的时间相同,但温度不同,反应速率不同,说明使用催化剂2和使用催化剂3的反应历程不相同,D错误。
4.(2024·黑吉辽,10)异山梨醇是一种由生物质制备的高附加值化学品,150 ℃时其制备过程及相关物质浓度随时间变化如图所示,15 h后异山梨醇浓度不再变化。下列说法错误的是( )
A.3 h时,反应②正、逆反应速率相等
B.该温度下的平衡常数:①>②
C.0~3 h平均速率(异山梨醇)=0.014 mol·kg-1·h-1
D.反应②加入催化剂不改变其平衡转化率
【答案】A
【解析】由图可知,3 h后异山梨醇浓度继续增大,所以3 h时,反应②未达到平衡状态,即正、逆反应速率不相等,故A错误;图像显示该温度下,15 h后所有物质浓度都不再变化,且此时山梨醇转化完全,即反应充分,而1,4⁃失水山梨醇仍有剩余,即反应②正向进行程度小于反应①,所以该温度下的平衡常数:①>②,故B正确;在0~3 h内异山梨醇的浓度变化量为0.042 mol·kg-1,所以平均速率(异山梨醇)==0.014 mol·kg-1·h-1,故C正确;催化剂只能改变化学反应速率,不能改变物质平衡转化率,故D正确。
5.(2025·山东,10)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),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,即SiF4的浓度不变,故逆反应速率不变,D错误。
6.(2025·河南,17(5)(6))CaCO3的热分解与NixPy催化的CH4重整结合,可生产高纯度合成气(H2+CO),实现碳资源的二次利用。主要反应如下:
反应Ⅰ:CaCO3(s)⥫⥬CaO(s)+CO2(g) ΔH1=+178 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH4(g)+CO2(g)⥫⥬2H2(g)+2CO(g) ΔH2=+247 kJ·mol-1
反应Ⅲ:H2(g)+CO2(g)⥫⥬H2O(g)+CO(g) ΔH3=+41 kJ·mol-1
回答下列问题:
(5)在温度分别为T1、T2和T3下,CH4的平衡转化率与压强的关系如图所示,反应温度最高的是 (填“T1”“T2”或“T3”),原因是 。
(6)一定温度、100 kPa下,向体系中加入1.0 mol CaCO3和1.0 mol CH4,假设此条件下其他副反应可忽略,恒压反应至平衡时,体系中CaCO3转化率为80%,CH4转化率为60%,CO物质的量为1.3 mol,反应Ⅲ的平衡常数Kp= (保留小数点后一位),此时原位CO2利用率为 。已知:原位CO2利用率= ×100%
【答案】(5)T1 反应Ⅱ是吸热反应,压强一定时,温度升高,平衡正向移动,CH4平衡转化率增大 (6)1.2 70%
【解析】(6)CaCO3平衡转化率为80%,则反应Ⅰ生成的n(CO2)=0.8 mol,CH4平衡转化率为60%,则反应Ⅱ中CH4转化1 mol×60%=0.6 mol。则
平衡时CO的物质的量为1.3 mol,则反应Ⅲ生成0.1 mol CO,则
反应Ⅲ为气体分子数不变的反应,可用物质的量代替分压计算平衡常数,故反应Ⅲ的Kp===≈1.2,原位CO2利用率
=×100%=×100%=70%。
高考热点总结
【限时训练】
(60分钟)
基础落实
选择题只有1个选项符合题意
1.SO2的催化氧化是硫酸工业中的重要反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0,图中L(L1、L2)、X可分别代表压强或温度。下列说法正确的是( )
A.X代表压强
B.L2>L1
C.Ka=Kb
D.若c点的温度或压强分别为L2、X1,则c点v正(SO2)>v逆(SO2)
【答案】D
【解析】A.X如为压强,增大压强,平衡正向移动,转化率增大,正反应为放热反应,升高温度平衡逆向移动,转化率减小,则X表示温度,故A错误;B.该反应为气体体积减小的反应,增大压强平衡正向移动,转化率增大,L表示压强,应该L1>L2,故B错误;C.X表示温度,则a、b点温度不同,则平衡常数不同,故C错误;D.c点反应未达到平衡状态,平衡正向移动,则c点v正(SO2)>v逆(SO2),故D正确。
2.CO和H2在一定条件下合成甲醇的反应为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH。现在容积均为1 L的a、b、c、d、e五个密闭容器中分别充入1 mol CO和2 mol H2的混合气体,控温,进行实验,测得相关数据如下图1和图2。下列叙述不正确的是( )
A.该反应的ΔH<0
B.在500 ℃条件下达平衡时CO的转化率为60%
C.平衡常数K1(300 ℃)<K2(500 ℃)
D.图2中达化学平衡的点为c、d、e
【答案】C
【解析】A.根据图1,300 ℃时甲醇物质的量为0.8 mol,500 ℃时甲醇物质的量为0.6 mol,升高温度,向逆反应方向移动,根据勒夏特列原理,该反应为放热反应,即ΔH<0,故A说法正确;B.500 ℃时甲醇的物质的量为0.6 mol,则消耗CO的物质的量为0.6 mol,即CO的转化率为0.6 mol/1 mol×100%=60%,故B说法正确;C.化学平衡常数只受温度的影响,该反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向进行,即化学平衡常数减小,即K1(300 ℃)>K2(500 ℃),故C说法错误;D.a到c反应向正反应方向进行,还没有达到平衡,当达到平衡时,甲醇的物质的量最多,即c、d、e为化学平衡点,故D说法正确。
3.25 ℃时,向恒容容器中加入A发生反应:①2N2O5(g)===4NO2(g)+O2(g);②2NO2(g)N2O4(g)。反应体系中N2O5、NO2、O2的分压随时间t的变化曲线如图所示。下列说法正确的是( )
A.曲线C表示NO2的分压随时间的变化曲线
B.25 ℃时,反应②的压强平衡常数Kp= kPa-1
C.当O2、N2O4的分压相等时,反应②中的NO2转化率为12.5%
D.t1 min后,保持温度和体积不变,再充入NO2(g),则O2(g)的分压增大
【答案】B
【解析】起始时刻N2O5分压为40 kPa,发生反应①完全转化为二氧化氮和氧气,氧气分压为20 kPa,二氧化氮发生反应②部分转化为四氧化二氮,平衡时二氧化氮分压为16 kPa,A、B、C分别为N2O5、NO2、O2的分压随时间t的变化曲线,A错误;
Kp= kPa-1,B正确;某时刻O2、N2O4的分压相等为20 kPa时:
二氧化氮的转化率为50%,C错误;t1 min后,保持温度和体积不变,再充入NO2(g)引起②化学平衡发生移动,由勒夏特列原理知体系中总的物质的量依然增大,氧气的物质的量不变,氧气分压减小,D错误。
4.某密闭容器中充入等物质的量的A和B,一定温度下发生反应A(g)+xB(g)2C(g),达到平衡后,在不同的时间段内反应物的浓度随时间的变化如图甲所示,正逆反应速率随时间的变化如图乙所示,下列说法中正确的是( )
A.30~40 min间该反应使用了催化剂
B.化学方程式中的x=1,正反应为吸热反应
C.30 min时降低温度,40 min时升高温度
D.前8 min A的平均反应速率为0.08 mol·L-1·min-1
【答案】D
【解析】A项,若使用催化剂,各物质浓度不变,故错误;由甲图像可知,A、B的浓度变化相同,故A、B的化学计量数相同,都为1;由乙图像可知,30 min时改变的条件为减小压强,40 min时改变的条件为升高温度,且升高温度平衡向逆反应方向移动,则正反应为放热反应。前8 min A的平均反应速率为=0.08 mol·L-1·min-1。
5.一定条件下,在密闭容器中发生反应4NH3(g)+6NO(g)5N2(g)+6H2O(g) ΔH<0,并建立平衡,在t1和t3时分别改变一个条件,在t2和t4时反应达到新的平衡状态。图1是正反应速率随时间变化的图像,图2是NO的浓度随时间变化的图像,下列说法错误的是( )
A.t1时改变的条件是减小生成物浓度
B.t3时正、逆反应速率均增大
C.t3时改变的条件可能是加压或者升温
D.t4时的平衡常数小于t1时的平衡常数
【答案】C
【解析】A.由图1可知,t1改变条件时,正反应速率在原来基础上逐渐减小;由图2可知,t1改变条件时,NO的浓度在原来基础上逐渐减小,说明改变条件后平衡正向移动,只有减小生成物浓度才能与两个图像的变化情况吻合,A正确;B.由图1可知,t3改变条件时,正反应速率在原来基础上突增,由图2可知,NO的浓度在原来基础上逐渐增大,即化学平衡逆向移动,说明t3改变条件时,逆反应速率大于正反应速率,即逆反应速率在原来基础上也是突增的,B正确;C.由上分析可知,t3改变条件时正、逆反应速率均突增,但由图2可知,NO的浓度在原来基础上是逐渐增大的,因此所改变的条件只能是升温而不是加压,C错误;D.由上述分析可知,t4时的温度高于t3时的,t3时的温度等于t1时的,因此t4时的温度高于t1时的温度,升温平衡逆向移动,平衡常数减小,D正确。
6.有关下列图像的分析正确的是( )
A.图1所示图中的阴影部分面积的含义是某物质的物质的量的变化量
B.图2表示在N2+3H2 2NH3达到平衡后,减少NH3浓度时速率的变化
C.图3表示铝片与稀硫酸反应的速率随反应时间变化的曲线,说明t1时刻溶液的温度最高
D.图4表示反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0,a、b、c三点中,a点时SO2的转化率最高
【答案】D
【解析】A.Δc=vΔt,所以阴影部分面积表示物质的量浓度变化量,故A错误;B.减少NH3浓度,正反应速率不可能增大,正、逆反应速率都减小,且平衡正向移动,故B错误;C.铝片与稀硫酸反应为放热反应,体系温度升高,反应速率加快,但氢离子浓度不断减小,最高点后反应速率减慢,最高点以后,反应仍在放热,故t1时刻溶液的温度不是最高,故C错误;D.起始时二氧化硫越少,氧气越多,则二氧化硫的转化率越大,a点SO2的转化率最大,故D正确。
7.某温度下,在容积为2 L的刚性固定容器中加入1 mol环戊烯()和1 mol I2发生可逆反应(g)+I2(g)(g)+2HI(g) ΔH>0,实验测得容器内压强随时间的变化关系如图所示。下列说法错误的是( )
A.0~2 min内,环戊烯的平均反应速率为0.10 mol·L-1· min-1
B.环戊烯的平衡转化率为50%
C.高温低压有利于提高环戊烯的平衡转化率
D.该温度下,反应的平衡常数为K=2
【答案】D
【解析】同温同体积下,压强之比等于物质的量之比,根据图中信息及方程式可知,压强增大0.20倍,消耗0.4 mol环戊烯,所以0~2 min内,环戊烯的平均反应速率为=0.10 mol·L-1· min-1,A正确;平衡时,压强增大0.25倍,消耗0.5 mol环戊烯,其平衡转化率为50%,B正确;该反应为吸热反应,且生成物中气体的系数之和大于反应物中气体系数之和,升高温度、减小压强有利于提高环戊烯的平衡转化率,C正确;平衡时n(I2)=n(环戊烯)=n()=0.5 mol、n(HI)=1 mol,该反应的平衡常数为K==1,D错误。
8.已知:在700 ℃的恒温、恒容密闭容器中发生反应3CH4(g)+2N2(g)3C(s)+4NH3(g),若CH4与N2在不同投料比时CH4的平衡转化率如图所示,下列说法正确的是( )
A.n(CH4)/n(N2)越大,CH4的转化率越高
B.a点对应的平衡常数比c点的大
C.b点对应的NH3的体积分数为26%
D.不改变投料比,增加n(N2)时,NH3体积分数增大
【答案】D
【解析】由图像看出,CH4的转化率随的增大而降低,A错误;a、b两点的温度相同,平衡常数只与温度有关,则平衡常数不变,B错误;b点甲烷转化率为22%,=0.75,则设甲烷为3 mol,氮气为4 mol,
则NH3的体积分数约为×100%=13%,C错误;不改变投料比,增加n(N2)时,必然增加甲烷,平衡正向移动,氨气体积分数增加,D正确。
9.向一容积不变的密闭容器中充入一定量A和B,发生如下反应:xA(g)+2B(s)yC(g) ΔH<0。在一定条件下,容器中A、C的物质的量浓度随时间变化的曲线如图所示。请回答下列问题:
(1)用A的浓度变化表示该反应在0~10 min内的平均反应速率v(A)= 。
(2)根据图像可确定x∶y= 。
(3)0~10 min容器内压强 (填“变大”“不变”或“变小”)。
(4)推测第10 min引起曲线变化的反应条件可能是 (填序号,下同);第16 min引起曲线变化的反应条件可能是 。
①减压 ②增大A的浓度 ③增大C的量 ④升温 ⑤降温 ⑥加催化剂
(5)若平衡 Ⅰ 的平衡常数为K1,平衡 Ⅱ 的平衡常数为K2,则K1 (填“>”“=”或“<”)K2。
【答案】(1)0.02 mol·L-1·min-1 (2)1∶2
(3)变大 (4)④⑥ ④ (5)>
【解析】(1)0~10 min内v(A)=
=0.02 mol·L-1·min-1。(2)根据图像可知,0~10 min内A的物质的量浓度减少量为0.20 mol·L-1,C的物质的量浓度增加量为0.40 mol·L-1,x、y之比等于A、C的物质的量浓度变化量之比,故x∶y=0.20 mol·L-1∶0.40 mol·L-1=1∶2。(3)该反应是气体分子数增大的反应,而容器容积不变,因此0~10 min容器内压强变大。(4)根据图像可知,10 min时改变条件后,A、C的浓度瞬时不变且随后反应速率加快,故改变的条件可能是升温或加入催化剂;16 min时改变条件后,A、C的浓度瞬时不变,且随后A的浓度逐渐增大,C的浓度逐渐减小,说明平衡逆向移动,故改变的条件可能是升温。(5)升高温度,平衡逆向移动,平衡常数减小,则K1>K2。
能力提升
10.含氮化合物在生活、生产、研究领域至关重要。我国学者在容积不变的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,不同催化剂条件下,反应相同时间测得NO转化率与温度的关系如图所示。且研究表明该反应v=kcm(H2)·c2(NO),其中k为速率常数。下列说法错误的是( )
A.当使用催化剂乙时,温度高于350 ℃ NO转化率下降是由于反应放热,达到平衡后,升高温度使平衡逆向移动
B.使用催化剂甲比使用催化剂乙正反应的活化能更低
C.对于反应2H2(g)+2NO(g)N2(g)+2H2O(g),其他条件不变,加压使平衡正向移动
D.T1 ℃的初始速率为v0,当H2转化率为60%时,反应速率为0.064v0,由此可知m=1
【答案】A
【解析】当使用催化剂乙时,温度低于350 ℃时,催化剂的活性随温度升高逐渐增强,反应速率加快,NO转化率也增大,温度高于350 ℃时,催化剂活性降低甚至失去活性,反应速率下降,导致NO转化率下降,A错误;单位时间内,使用催化剂甲比使用催化剂乙反应速率快,NO转化率高,则使用催化剂甲比使用催化剂乙正反应的活化能更低,B正确;设初始一氧化氮和氢气的物质的量均为1 mol,容器体积为1 L,则初始一氧化氮和氢气的浓度均为1 mol·L-1,v0=k×1m×12=k,当H2转化率为60%时,c(H2)=0.4 mol·L-1,c(NO)=0.4 mol·L-1,此时的反应速率为0.064v0,则有0.064v0=k×0.4m×0.42=v0×0.4m×0.42,解得m=1,D正确。
11.在一恒容的密闭容器中充入0.1 mol·L-1 CO2、0.1 mol·L-1 CH4,在一定条件下发生反应:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),测得CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如图,下列有关说法不正确的是( )
A.上述反应的ΔH>0
B.压强:p4>p3>p2>p1
C.压强为p4、温度为1 100 ℃时该反应的平衡常数约为1.64
D.压强为p4时,在y点:v正<v逆
【答案】D
【解析】由图像可知,压强一定时,温度越高,CH4的平衡转化率越高,故正反应为吸热反应,ΔH>0,A项正确;该反应为气体分子总数增加的反应,压强越大,甲烷的平衡转化率越小,故压强:p4>p3>p2>p1,B项正确;压强为p4、温度为1 100 ℃时,甲烷的平衡转化率为80.00%,故平衡时各物质的浓度分别为c(CH4)=0.02 mol·L-1,c(CO2)=0.02 mol·L-1,c(CO)=0.16 mol·L-1,c(H2)=0.16 mol·L-1,平衡常数K=≈1.64,C项正确;压强为p4时,y点未达到平衡,此时v正>v逆,D项错误。
12.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·mol-1,CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1,在1.0×105 Pa、n始(C2H5OH)∶n始(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=×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的选择性减小
C.一定温度下,增大乙醇平衡转化率降低
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
【答案】C
【解析】根据已知反应①C2H5OH(g)+3H2O(g)===2CO2(g)+6H2(g) ΔH=+173.3 kJ·mol-1,反应②CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1,温度较低时,以反应①为主,CO2的选择性最大,CO的选择性最小,随着温度的升高,反应速率加快,CO2的选择性逐渐减小,CO的选择性逐渐增大,H2的产率逐渐升高,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,以此解题。A.由分析可知②代表H2的产率,故A错误;B.由分析可知升高温度,平衡时CO的选择性增大,故B错误;C.一定温度下,增大,可以认为开始时水蒸气的物质的量不变,增大乙醇的物质的量,乙醇的平衡转化率降低,故C正确;D.加入CaO同时吸收CO2和水蒸气,无法判断平衡如何移动,无法判断如何影响平衡时H2产率,故D错误。
13.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
学科网(北京)股份有限公司
$