人教版高中化学选择性必修1第二章素养提升课化学反应速率、化学平衡图像练习含答案

素养提升课　化学反应速率、化学平衡图像

1.速率—时间图像(v-t图像)

　　 Ⅰ　　　　　　　 　Ⅱ               Ⅲ

解题关键:分清正反应速率、逆反应速率的相对大小,分清“突变”和“渐变”;正确判断化学平衡的移动方向;熟记浓度、温度、压强、催化剂等对化学平衡移动的影响规律。

Ⅰ.v'正突变,v'逆渐变,且v'正>v'逆,说明是增大了反应物的浓度,使v'正突变,且平衡正向移动。

Ⅱ.v'正、v'逆都是突然减小的,且v'正>v'逆,说明平衡正向移动,可能是放热反应降温或气体总体积增大的反应减压。

Ⅲ.v'正、v'逆都是突然增大的,且增大程度相同,说明该化学平衡没有发生移动,可能是使用了催化剂,也可能是对反应前后气体分子数不变的反应压缩体积(即增大压强)所致。

2.百分含量(或转化率)—时间图像(温度、压强或催化剂对照线)

　　Ⅰ　　　　　　　Ⅱ                Ⅲ

解题关键:“先拐先平数值大”。即先出现拐点的反应先达到平衡,先出现拐点的曲线表示的温度较高、压强较大或使用了催化剂。

①图Ⅰ表示T2>T1,正反应是放热反应,升高温度,平衡逆向移动。

②图Ⅱ表示p2>p1,增大压强,反应物A的转化率减小,说明正反应是气体总体积增大的反应,增大压强,平衡逆向移动。

③图Ⅲ中生成物C的百分含量不变,说明平衡不发生移动,但反应速率a>b,故a使用了催化剂;也可能该反应是反应前后气体总体积不变的可逆反应,a增大了压强(压缩体积)。

3.百分含量(或转化率)—温度—压强图像(恒压线或恒温线)

Ⅰ                        Ⅱ

解题关键:“定一议二”。化学平衡图像包括纵坐标、横坐标和曲线所表示的三个变量,分析时先确定其中一个变量,再讨论另外两个变量之间的关系。如图Ⅰ中确定压强为105 Pa或107 Pa,则生成物C的百分含量随温度T的升高而逐渐减小,说明正反应是放热反应;再确定温度T不变,作横坐标的垂线,与压强线出现两个交点,分析生成物C的百分含量随压强p的变化可以发现,增大压强,生成物C的百分含量增大,说明正反应是气体总体积减小的反应。依此分析图Ⅱ。

典例精析

【例1】对反应:aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)　ΔH的反应特点与对应的图像的说法中错误的是 (　　)

①             ②             ③              ④

A.图①中,若p1>p2,则a+b>c+d

B.图②中,若T2>T1,则ΔH<0且a+b=c+d

C.图③中,t1时刻改变的条件一定是使用了催化剂

D.图④中,若ΔH<0,则纵坐标不可能表示的是反应物的转化率

解析:若p1>p2,由图可知,当温度相同时,p1时A%低于P2时A%,压强增大,平衡正向移动,则反应前气体分子数大于反应后气体分子数,即a+b>c+d,A项正确;图②中,压强增大,A的平衡转化率不变,平衡不移动,则a+b=c+d,若T2>T1,由图可知,温度升高,A的平衡转化率降低,平衡逆向移动,则正反应为放热反应,ΔH<0,B项正确; 图③中,t1时刻改变的条件可能是使用了催化剂,也可能是增大压强(当a+b=c+d时),C项错误;图④中,T1>T2,若ΔH<0,则纵坐标不可能表示的是反应物的转化率,D项正确。

答案:C

【例2】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

Ⅱ.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)　ΔH2=-90.4 kJ/mol

Ⅲ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH3=+40.9 kJ/mol

(1)一定条件下,向容积为V L的恒容密闭容器中通入 1 mol CO2与

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,此时H2O(g)的浓度为　　　　mol/L(用含a、b、V的代数式表示,下空同),反应Ⅲ的平衡常数为　　　　　　　　　　　　。 

(2)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图所示。

甲                   乙

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　  　                。 

(3)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,应选择的反应条件为　　　(填字母)。 

A.低温、高压　　　　　　   B.高温、低压

C.低温、低压                D.高温、高压

解析: (1)假设反应Ⅱ中,CO反应了x mol,则反应Ⅱ生成的CH3OH为

x mol,反应Ⅰ生成的CH3OH为(a-x)mol,反应Ⅲ生成的CO为(b+x)mol。

反应Ⅰ:

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

　　a-x 　 3(a-x)　　a-x　　　 a-x

反应Ⅱ:

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

　　　    x　　　2x　　　　x

反应Ⅲ:

CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)

　       b+x　　b+x　 b+x　　b+x

所以平衡时H2O(g)的物质的量为(a-x)mol+(b+x)mol=(a+b)mol,其浓度为=mol/L;平衡时CO2的物质的量为

1 mol-(a-x)mol-(b+x)mol=(1-a-b)mol,H2的物质的量为

3 mol-3(a-x)mol-2x mol-(b+x)mol=(3-3a-b)mol,CO的物质的量为b mol,水的物质的量为(a+b)mol,则反应Ⅲ的平衡常数为=。

(2)反应Ⅰ和Ⅱ为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,则CH3OH的平衡产率减小,所以图甲表示CH3OH的平衡产率;图乙中,开始升高温度,由于反应Ⅰ和Ⅱ为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,CO2的平衡转化率降低,反应Ⅲ为吸热反应,升高温度反应Ⅲ平衡正向移动,升高一定温度后以反应Ⅲ为主,CO2的平衡转化率又升高,所以图乙表示CO2的平衡转化率。压强增大,反应Ⅰ和Ⅱ是气体体积减小的反应,反应Ⅰ和Ⅱ平衡正向移动,反应Ⅲ是气体体积不变的反应,平衡不移动,故压强增大,CH3OH的平衡产率增大,由图可知,压强关系为p1>p2>p3;温度升高,反应Ⅰ和Ⅱ平衡逆向移动,反应Ⅲ正向移动,所以T1温度时,三条曲线交于一点的原因为T1温度时以反应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。(3)根据图示可知,温度越低,CO2的平衡转化率越大,CH3OH的平衡产率越大;压强越大,CO2的平衡转化率越大,CH3OH的平衡产率越大,所以选择低温和高压,故选A项。

答案: (1) 　　(2)乙　p1>p2>p3　T1温度时以反应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　(3)A

• 模型建构

化学反应速率、化学平衡图像题目的解答思路

活学活用

1.可逆反应A+2B2C+3D的化学反应速率与化学平衡随外界条件改变(先降温后加压)而变化的情况如图所示。由此可推断 (　　)

A.正反应是放热反应

B.D可能是气体

C.逆反应是放热反应

D.A、B、C、D均为气体

解析:降温后v'正>v'逆,平衡向正反应方向移动,证明正反应放热,加压后

v″正>v″逆,平衡向正反应方向移动,正反应气体体积减小,D不可能是气体。

答案:A

2.对于反应mA(g)+nB(g)eC(g)+fD(s)　ΔH,若按反应物的化学计量数比投料,在一定条件下进行反应,该反应达到平衡时C的体积分数与温度、压强的关系如图所示。下列叙述中正确的是 (　　)

A.该反应的ΔH>0

B.该化学方程式中m+n>e+f

C.加入催化剂可增大正反应速率,逆反应速率不变

D.向平衡后的恒压容器中再充入一定量C,达到新平衡时,C的浓度与原平衡时的相同

解析:当压强不变时,温度越高,平衡时C的体积分数越小,故ΔH<0,A项错误;当温度不变时,增大压强,平衡向气体分子数减小的方向进行,由图可知,当温度不变时,压强越大,平衡时C的体积分数越大,又因为D是固体,故该化学方程式中m+n>e,B项错误;加入催化剂,正、逆反应速率都增大,并且增大的倍数相同,C项错误;恒压条件下开始按反应物的化学计量数比投料,在一定条件下进行反应,平衡后向恒压容器中再充入一定量C,再次达到新平衡时,这两次平衡等效,故C的浓度与原平衡时的相同,D项正确。

答案:D

3.在恒压、NO和O2的起始浓度一定的条件下,催化反应相同时间,测得不同温度下NO转化为NO2的转化率如图中实线所示(图中虚线表示相同条件下NO的平衡转化率随温度的变化)。

下列说法错误的是 (　　)

A.图中Y点所示条件下,增加O2的浓度能提高NO转化率

B.图中X点所示条件下,延长反应时间能提高NO转化率

C.反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的ΔH>0

D.380 ℃下,c起始(O2)=0.005 mol/L,NO平衡转化率为50%,则平衡常数K>200

解析:Y点反应已经达到平衡状态,此时增加O2的浓度,使正反应速率大于逆反应速率,平衡向正反应方向移动,可以提高NO的转化率,故A项正确;X点时反应还未到达平衡状态,反应正向进行,则延长反应时间能提高NO的转化率,故B项正确;随温度升高NO的转化率先升高后降低,说明温度较低时反应较慢,一段时间内并未达到平衡,由温度较高时,已达到平衡时的NO转化率可知,温度越高NO转化率越低,说明温度升高平衡向逆反应方向移动,根据勒夏特列原理可知该反应为放热反应,其ΔH<0,故C项错误;设NO起始浓度为a mol/L,NO的转化率为50%,由2NO(g)+O2(g)2NO2(g),得平衡时NO、O2和NO2的浓度分别为0.5a mol/L、(0.005-0.25a) mol/L、0.5a mol/L,平衡常数K==>=200,故D项正确。

答案:C

4.利用I2O5可消除CO污染,反应为I2O5(s)+5CO(g)5CO2(g)+I2(s)。不同温度下,向装有足量的I2O5固体的 2 L 恒容密闭容器中通入

2 mol CO,测得CO2的体积分数φ(CO2)随时间t变化曲线如图所示,下列说法中正确的是 (　　)

A.N点时,CO的转化率为20%

B.容器内的压强保持恒定,表明反应达到平衡状态

C.N点和Q点的化学平衡常数:KN>KQ

D.0~0.5 min反应速率v(CO)=0.3 mol/(L·min)

解析:设N点时反应的CO的物质的量为y mol,利用“三段式”分析:

　　 　　　　I2O5(s)+5CO(g)5CO2(g)+I2(s)

起始量/mol　　　　　　 2　　　　 0

变化量/mol　　　　　　 y　　　　 y

N点量/mol　　　　　　2-y　　　 y

N点时CO2的体积分数φ(CO2)=×100%=80%,解得y=1.6,则CO的转化率为×100%=80%,A项错误;该反应为反应前后气体分子数不变的反应,容器中压强始终不变,故容器中压强保持恒定,不能作为平衡状态的标志,B项错误;N点时CO2的体积分数比Q点时CO2的体积分数大,说明反应进行的程度大,则化学平衡常数:KN>KQ,C项正确;0~0.5 min 时,设反应的CO的物质的量为x mol,列“三段式”如下:

　 　　　　   　I2O5(s)+5CO(g)5CO2(g)+I2(s)

起始量/mol　　　         2　　    0

变化量/mol　　　        x　　　　 x

M点量/mol　　　         2-x　　 x

M点时CO2的体积分数φ(CO2)=×100%=30%,解得x=0.6,则从反应开始至M点时的反应速率为v(CO)==0.6 mol/(L·min),D项错误。

答案:C

5.二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域,请回答下列问题。

(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中,产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)=　    　　。当反应达到平衡时,若增大压强,则n(C2H4)　　 　(填“变大”“变小”或“不变”)。 

(2)理论计算表明,原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。

图中,表示C2H4、CO2变化的曲线分别是　　　　、　　　　。CO2催化加氢合成C2H4反应的ΔH　　　　(填“大于”或“小于”)0。 

(3)根据图中点A(440 K,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp=

　　　(列出计算式,以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。 

(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当　             。 

解析: (1)CO2催化加氢生成乙烯和水,该反应的化学方程式为2CO2+6H2 CH2 CH2+4H2O,因此,该反应中产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)=1∶4。由于该反应是气体分子数减少的反应,当反应达到平衡状态时,若增大压强,则化学平衡向正反应方向移动,n(C2H4)变大。(2)由题中信息可知,两反应物的初始投料之比等于化学计量数之比;由图中曲线的起点坐标可知,c和a所表示的物质的物质的量分数之比为1∶3、d和b表示的物质的物质的量分数之比为1∶4,则结合化学计量数之比可以判断,表示乙烯变化的曲线是d,表示二氧化碳变化的曲线是c。由图中曲线的变化趋势可知,升高温度,乙烯的物质的量分数减小,则化学平衡向逆反应方向移动,则该反应为放热反应,ΔH小于0。(3)原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,在体系压强为0.1 MPa时建立平衡。由A点坐标可知,该温度下,氢气和水的物质的量分数均为0.39,则乙烯的物质的量分数为水的物质的量分数的,即,二氧化碳的物质的量分数为氢气的物质的量分数的,即,因此,该温度下反应的平衡常数Kp==×。(4)工业上通常通过选择合适的催化剂,以增大化学反应速率,同时还可以提高目标产品的选择性,减少副反应的发生。因此,一定温度和压强下,为了提高反应速率和乙烯的选择性,应当选择合适的催化剂。

答案: (1)1∶4　变大　(2)d　c　小于　(3)×

　(4)选择合适的催化剂等

6.已知CO2催化加氢合成乙醇的反应原理为2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g)　ΔH<0。

设m为起始时的投料比,即m=。

甲                  乙                     丙

(1)图甲中投料比相同,温度从高到低的顺序为　　　　　　　　。 

(2)图乙中m1、m2、m3从大到小的顺序为　　　　　　　　　　　。 

(3)图丙表示在总压为5 MPa的恒压条件下,且 m=3时,平衡状态时各物质的物质的量分数与温度的关系。则曲线d代表的物质化学名称为　　　　　　,T4温度时,该反应平衡常数Kp的计算式为(不必化简)　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

解析: (1)该反应为放热反应,温度越高,CO2转化率越小,则T3>T2>T1。(2)图乙中m1、m2、m3投料比从大到小的顺序为m1>m2>m3,因相同温度下,增大氢气的量,平衡正向移动,二氧化碳的转化率增大。(3)温度升高,反应逆向进行,所以产物的物质的量逐渐减少,反应物的物质的量逐渐增大,由图可知,曲线a代表的物质为H2,曲线b表示CO2,曲线c为H2O,曲线d表示乙醇;设开始时氢气的投入量是3n mol,二氧化碳的物质的量是n mol,二氧化碳的转化量是x mol,则:

2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g)

　　n　　　 3n　　　　0　　　　 0

　　x　　　 3x　　　　0.5x　　　1.5x

　  n-x　 　3n-3x　　 0.5x　　 　1.5x

P点H2、H2O的物质的量分数相同,所以3n-3x=1.5x,解得x=n,各物质的总物质的量是(n-x+3n-3x+0.5x+1.5x)mol=n mol,总压为5 MPa的恒压条件下,p(二氧化碳)=p(乙醇)=×5 MPa=0.125×5 MPa,p(氢气)=p(水)=×5 MPa=0.375×5 MPa,T4温度时,该反应的平衡常数Kp=。

答案: (1)T3>T2>T1　 (2)m1>m2>m3　(3)乙醇