2022届高考化学二轮专题复习11化学反应速率与平衡

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化学反应速率与平衡
一、选择题（本题共20小题，每题只有一个选项符合题意）
1．实验得知，溶解在CCl4中的N2O5分解反应如下：2N2O5=4NO2+O2；其反应浓度及速率如表：
组别
c0(N2O5)/(mol·L-1)
速率常数k
/(mol·L-1·min-1)
1
0.40
k
2.48×10-4
2
0.16
k
9.92×10-5
3
a
k
7.44×10-5
下列说法错误的是
A．该反应的速率方程为=k·c0(N2O5)
B．k=6.2×10-4min-1
C．a=0.12
D．浓度由0.16mol·L-1减小到amol·L-1，用时1min
【答案】D
【解析】A．根据第2组c0(N2O5)是第1组c0(N2O5)的0.4倍，第2组速率也是第1组速率的0.4倍，故=k·c(N2O5)，A正确；B．将第一组数据代入v=k·c0(N2O5)，可得k=6.2×10-4min-1，B正确；C．将k=7.44×10-5和k=6.2×10-4min-1代入=k·c0(N2O5)，可得a=0.12，C正确；D．由于浓度改变化学反应速率也改变，且反应速率为平均反应速率，故浓度由0.16mol·L-1减小到amol·L-1，根据目前所学的知识，无法计算出所用的时间，D错误；故答案为D。
2．在一定温度下的密闭容器中发生反应：，平衡时测得A的浓度为。保持温度不变，将容器的容积扩大到原来的二倍，再达平衡时，测得A的浓度为。下列有关判断正确的是
A． B．平衡向逆反应方向移动
C．B的转化率增大 D．C的体积分数增大
【答案】B
【解析】由题干信息可知，平衡时测得A的浓度为，保持温度不变，将容器的容积扩大到原来的二倍，再达平衡时，测得A的浓度为，说明减小压强，平衡逆向移动。A．由分析可知，减小压强，平衡逆向移动，故逆反应为气体体积增大的方向，即，A错误；B．由分析可知，平衡向逆反应方向移动，B正确；C．由分析可知，平衡逆向移动，故B的转化率减小，C错误；D．由分析可知，平衡逆向移动，故C的体积分数增大，D错误；故答案为B。
3．科学家研究二甲醚（DME）在H-ZSM-5分子筛（用H+A-表示）上的水解反应，其反应进程中能量变化如图所示。下列说法正确的是

A．根据反应图示可知，在相同的催化剂作用下，化学反应也存在多种反应途径
B．升高温度，stepwise路径和concerted路径的反应速率都加快，有利于提高反应物的转化率
C．由于ΔEa>ΔEa1，DME水解反应更易以stepwise路径进行
D．根据图示可知，DME首先与分子筛H+A-结合形成(CH3)2OH+A-
【答案】D
【解析】A．根据反应图示可知，在相同的催化剂作用下，化学反应存在一种反应途径，A错误；B．升高温度，stepwise路径和concerted路径的反应速率都加快，不改变其它，平衡不改变，转化率不变，B错误；C．由于ΔEaB，故B错误；C．假设总压为P总，由于温度不变，Kp不变，原本的Kp=9/(P总2)，充入3molN2后，此时的Q=9/(P总2)，Q=Kp，平衡不移动，故C错误；D．由于温度不变，压强平衡常数Kp不变，而Kp=p(CO2)，因此平衡时CO2 的压强不变，故D正确；答案选D。
二、非选择题（共2小题）
21．工业上，以煤炭为原料，通入一定比例的空气和水蒸气，经过系列反应可以得到满足不同需求的原料气。请回答：
（1）在C和O2的反应体系中：
反应1：C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH1=-394kJ·mol-1
反应2：2CO(g)+O2(g)=2CO2(g) ΔH2=-566kJ·mol-1
反应3：2C(s)+O2(g)=2CO(g)ΔH3。
①设y=ΔH-TΔS，反应1、2和3的y随温度的变化关系如图1所示。图中对应于反应3的线条是______。

②一定压强下，随着温度的升高，气体中CO与CO2的物质的量之比______。
A．不变 B．增大 C．减小 D．无法判断
（2）水煤气反应：C(s)+H2O(g)=CO(g)+H2(g) ΔH=131kJ·mol-1。工业生产水煤气时，通常交替通入合适量的空气和水蒸气与煤炭反应，其理由是________。
（3）一氧化碳变换反应：CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH=-41kJ·mol-1。
①一定温度下，反应后测得各组分的平衡压强（即组分的物质的量分数×总压）：p(CO)=0.25MPa、p(H2O)=0.25MPa、p(CO2)=0.75MPa和p(H2)=0.75MPa，则反应的平衡常数K的数值为________。
②维持与题①相同的温度和总压，提高水蒸气的比例，使CO的平衡转化率提高到90%，则原料气中水蒸气和CO的物质的量之比为________。
③生产过程中，为了提高变换反应的速率，下列措施中合适的是________。
A．反应温度愈高愈好 B．适当提高反应物压强
C．选择合适的催化剂 D．通入一定量的氮气
④以固体催化剂M催化变换反应，若水蒸气分子首先被催化剂的活性表面吸附而解离，能量-反应过程如图2所示。

用两个化学方程式表示该催化反应历程（反应机理）：步骤Ⅰ：________；步骤Ⅱ：________。
【答案】（1）a B
（2）水蒸气与煤炭反应吸热，氧气与煤炭反应放热，交替通入空气和水蒸气有利于维持体系热量平衡，保持较高温度，有利于加快化学反应速率
（3）9.0 1.8∶1 BC M+H2O=MO+H2 MO+CO=M+CO2
【解析】（1）①由已知方程式：(2×反应1-反应2)可得反应3，结合盖斯定律得：，反应1前后气体分子数不变，升温y不变，对应线条b，升温促进反应2平衡逆向移动，气体分子数增多，熵增，y值增大，对应线条c，升温促进反应3平衡逆向移动，气体分子数减少，熵减，y值减小，对应线条a，故此处填a；②温度升高，三个反应平衡均逆向移动，由于反应2焓变绝对值更大，故温度对其平衡移动影响程度大，故CO2物质的量减小，CO物质的量增大，所以CO与CO2物质的量比值增大，故答案选B；
（2）由于水蒸气与煤炭反应吸热，会引起体系温度的下降，从而导致反应速率变慢，不利于反应的进行，通入空气，利用煤炭与O2反应放热从而维持体系温度平衡，维持反应速率，故此处填：水蒸气与煤炭反应吸热，氧气与煤炭反应放热，交替通入空气和水蒸气有利于维持体系热量平衡，保持较高温度，有利于加快反应速率；
（3）①该反应平衡常数K=；②假设原料气中水蒸气为x mol，CO为1 mol，由题意列三段式如下：，则平衡常数K=，解得x=1.8，故水蒸气与CO物质的量之比为1.8∶1；③A．反应温度过高，会引起催化剂失活，导致反应速率变慢，A不符合题意；B．适当增大压强，可加快反应速率，B符合题意；C．选择合适的催化剂有利于加快反应速率，C符合题意；D．若为恒容条件，通入氮气对反应速率无影响，若为恒压条件，通入氮气后，容器体积变大，反应物浓度减小，反应速率变慢，D不符合题意；故答案选BC；④水分子首先被催化剂吸附，根据元素守恒推测第一步产生H2，第二步吸附CO产生CO2，对应反应历程依次为：M+H2O=MO+H2、MO+CO=M+CO2。
22．做好碳达峰、碳中和工作，是中央经济工作会议确定的2021年八项重点任务之一，CO2的资源化可以推动经济高质量发展和生态环境质量的持续改善。
（1）一定条件下，由CO2和H2制备甲醇的过程中含有下列反应：
反应1：
反应2：
反应3：
其对应的平衡常数分别为K1、K2、K3，它们随温度变化的曲线如图所示。则ΔH2________ΔH3（填“大于”、“小于”或“等于”）。

（2）①对于上述CO2加氢合成CH3OH的体系，下列说法错误的是___（填标号）。
A．增大H2浓度有利于提高CO2的转化率
B．当气体的平均相对分子质量保持不变时，说明反应体系已达平衡
C．体系达平衡后，若压缩体积，则反应1平衡不移动，反应3平衡正向移动
D．选用合适的催化剂可以提高CH3OH在单位时间内的产量
②已知对于反应：，其标准平衡常数：，某温度为T，压强为的恒压密闭容器中，通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应，达到平衡时，容器中CH3OH(g)为a mol，CO为b mol（b＞a），此时H2O(g)的分压p(H2O)=_______（用含a、b的代数式表示，下同），反应1的标准平衡常数为___________。
（3）电催化还原能将CO2转化为多种碳产物。在铜电极上将CO2还原为CO的机理如图所示：

写出该机理过程总的电极方程式：___________。
（4）利用CO2为原料可以合成苯乙烯，涉及以下反应：
I．
II．
结合数据说明乙苯制苯乙烯过程中加氧气的理由___________。
【答案】（1）小于
（2）C
（3）
（4）I+II可得，，反应II使反应I得以实现；，反应II为反应I提供热量
【解析】（1）根据图示可知：反应II、III的化学平衡常数随温度的升高而减小，说明升高温度，平衡逆向移动，正反应为放热反应，所以ΔH2＜0，ΔH３＜0，且K3受温度影响变化更大，说明反应III的反应热更大，所以ΔH2＜ΔH３。
（2）①A．增大H2浓度，化学平衡正向移动，因此有利于提高CO2的转化率，A正确；B．在上述三个反应中，反应1是反应前后气体物质的量不变的反应，反应2、3都是气体体积减小的反应，反应混合物都是气体，当气体的平均相对分子质量保持不变时，气体的物质的量不变，说明反应体系已达平衡，B正确；C．压强增大，化学平衡向气体体积小的方向移动，所以体系达平衡后，若压缩体积，则压强增大，反应3平衡正向移动，使CO2浓度减小、H2O浓度增大，反应1平衡逆向移动，C错误；D．选用合适的催化剂可以加快化学反应速率，提高CH3OH在单位时间内的产量，D正确；故合理选项是C；②在密闭容器中发生反应：反应1：反应2：，某温度为T，压强为的恒压密闭容器中，通入1 mol CO2和3 mol H2发生上述反应，反应开始时气体总物质的量为n(始)=1 mol+3 mol=4 mol，反应达到平衡时，容器中CH3OH(g)为a mol，CO为b mol（b＞a），根据反应2：反应产生CH3OH(g)为a mol，消耗H2物质的量为2a mol，消耗CO物质的量为a mol，此时容器中还有CO为b mol，则反应1产生CO、H2O的物质的量都是(a+b) mol，消耗CO2、H2的物质的量都是(a+b) mol，由于反应1是反应前后气体体积不变的反应，反应2是气体体积减小的反应。每反应产生1 mol CH3OH，反应后气体的总物质的量会减小2 mol，现在反应产生a mol CH3OH，反应后气体物质的量减小2a mol，则平衡时气体总物质的量n(平)=(4-2a) mol，此时H2O(g)的分压P(H2O)=；③反应1，达到平衡时各种气体的物质的量分别为：n(CO2)=(1-a-b)mol，n(H2)=(3-3a-b)mol，n(CO)=b mol，n(H2O)=(a+b)mol，则各气体的分压为P(CO2)=×，P(H2)= ×，P(CO)=×，n(H2O)=×，反应1的标准平衡常数=。
（3）根据图示可知：该机理过程总的来说是CO2得到电子，与H+结合形成CO、H2O，故总的电极方程式为：。
（4）反应I是吸热反应，使物质环境温度降低，而反应II是放热反应，放出热量，是周围环境温度升高。根据盖斯定律，将反应I与反应II相加，整理可得，，反应II发生放出热量，使反应I得以实现；，反应II为反应I提供热量，因此在由乙苯制取苯乙烯时需要加入一定量的氧气。