2025人教版新教材化学高考第一轮基础练--第38讲　化学反应速率和平衡图像（含答案）

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2025人教版新教材化学高考第一轮
第38讲 化学反应速率和平衡图像
层次1基础性
1.(2023·广东茂名二模)一定温度下,向2 L密闭容器中加入2 mol N2O5发生反应①2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g),②2NO2(g)N2O4(g),反应体系中N2O5、NO2、O2的物质的量随反应时间t的部分变化曲线如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.曲线Ⅱ表示n(NO2)随t的变化
B.0~2 min内,2v(N2O5)=v(O2)=1 mol·L-1·min-1
C.3 min后,充入NO2,容器内气体颜色先变深后变浅
D.3 min后,充入O2,容器内气体颜色变浅
2.(2023·广东潮州二模)T1 ℃时,向1 L密闭容器中充入10 mol H2和3 mol SO2发生反应:3H2(g)+SO2(g)H2S(g)+2H2O(g)　ΔH<0。部分物质的物质的量n(X)随时间t变化如图实线所示。下列说法正确的是(　　)
A.该反应的平衡常数K=
B.t1 min时,v正(SO2)C.曲线a代表n(H2O)随时间变化的曲线
D.若该反应在T2 ℃(T23.合成气是一种重要的化工原料气,主要组分为CO和H2。用甲烷、二氧化碳自热重整可制备合成气,反应原理如下:
反应Ⅰ:CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g)
ΔH1=-820.6 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH2=+247.1 kJ·mol-1
反应Ⅲ:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)　ΔH3=+205.9 kJ·mol-1
反应Ⅳ:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH4
不同温度下,向容积为V L的含少量O2的恒压容器按照n(CO2)∶n(CH4)=1投料,实验测得不同压强下平衡时随温度的变化关系如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.ΔH4=-41.2 kJ·mol-1
B.某温度下,反应Ⅱ的平衡常数随压强增大而减小
C.由图可知,p1>p2>p3
D.压强为p2时,T>Tm后,升高温度对反应Ⅳ的促进作用更大
4.(2023·广东江门部分名校仿真模拟)氢还原辉钼矿并用碳酸钠作固硫剂的原理为MoS2(s)+4H2(g)+2Na2CO3(s)Mo(s)+2CO(g)+4H2O(g)+2Na2S(s)　ΔH。平衡时的有关变化曲线如图。下列说法正确的是(　　)
图1　平衡时气体浓度与温度关系
图2　正逆反应的平衡常数(K)与温度(T)的关系
A.该反应在低温下可以自发进行
B.粉碎矿物和增大压强都有利于辉钼矿的还原
C.图2中T1对应图1中的温度为1 300 ℃
D.若图1中A点对应温度下体系压强为10 MPa,则H2O(g)的分压为5 MPa
5.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)根据图示可确定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　　　　　　(填编号,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。
层次2综合性
6.反应Si(s)+3HCl(g)SiHCl3(g)+H2(g)　ΔH是工业上制备高纯硅的重要中间过程。一定压强下,起始投入原料的值和温度与SiHCl3的平衡产率的变化关系如图所示。下列说法错误的是 (　　)
A.该反应为放热反应,ΔH<0
B.M、N点SiHCl3的分压:M>N
C.的值越大SiHCl3平衡产率越高
D.M、N点的逆反应速率:vM>vN
7.一定条件下,6H2(g)+2CO2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g),CO2的平衡转化率随温度变化如图所示,对a、b、c三点对应情况的分析,合理的是(　　)
A.CO2物质的量分数:a>b
B.C2H5OH体积分数:aC.平衡常数:Ka>Kc>Kb
D.反应速率:va(CO2)8.在恒容密闭容器中进行反应:2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g)　ΔH。在某压强下起始时按不同氢碳比投料(如图中曲线①②③),测得CO2的平衡转化率与温度的关系如图所示,下列有关说法正确的是(　　)
A.该反应的ΔH>0
B.氢碳比:①<②<③
C.其他条件不变的情况下,增大容器的容积可提高CO2的转化率
D.若起始CO2的浓度为2 mol·L-1、H2为4 mol·L-1,在图中曲线③氢碳比条件下进行,则400 K时该反应的平衡常数数值约为1.7
9.甲醛在木材加工、医药等方面有重要用途。甲醇利用脱氢法可制备甲醛,主要反应为CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g)　ΔH=+85.2 kJ·mol-1。Na2CO3是甲醇脱氢制甲醛的催化剂,有研究指出,催化反应的部分机理如下:
历程ⅰ:CH3OH·H+·CH2OH
历程ⅱ:·CH2OH·H+HCHO
历程ⅲ:·CH2OH3·H+CO
历程ⅳ:·H+·HH2
如图所示为在容积为2 L的恒容容器中,投入1 mol CH3OH,在碳酸钠催化剂作用下,经过5 min反应,测得甲醇的转化率与甲醛的选择性与温度的关系(甲醛的选择性:转化的CH3OH中生成HCHO的百分比),下列有关说法正确的是(　　)
A.600 ℃时,前5 min内生成甲醛的平均速率v(HCHO)=0.055 mol·L-1·min-1
B.700 ℃时,反应历程ⅱ的速率大于反应历程ⅲ的速率
C.脱氢法制甲醛中,在高温高压条件下更有利于提高平衡产率
D.反应历程ⅰ的活化能小于CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g)的活化能
10.(2023·广东广州二模)CH4和CO2重整制取合成气CO和H2,在减少温室气体排放的同时,可充分利用碳资源。该重整工艺主要涉及以下反应:
反应a:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH1>0
反应b:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2>0
反应c:CH4(g)C(s)+2H2(g)　ΔH3>0
反应d:2CO(g)C(s)+CO2(g)　ΔH4<0
(1)重整时往反应体系中通入一定量的水蒸气,可在消除积碳的同时生成水煤气,反应为C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g),该反应的ΔH=　　　　　　　　　　　　(写出一个代数式)。
(2)关于CH4和CO2重整,下列说法正确的是　　　　　(填字母)。
A.CH4的物质的量保持不变时,反应体系达到平衡状态
B.恒容时通入N2增大压强,CO2的平衡转化率减小
C.加入反应c的催化剂,该反应的平衡常数K增大
D.达到平衡后,降低反应温度,反应d的v(正)>v(逆)
(3)一定压强下,按照n(CH4)∶n(CO2)=2∶1投料,CH4和CO2重整反应达到平衡时各组分的物质的量分数随温度的变化如图所示。
①图中曲线m、n分别表示物质　　　　　　、　　　　　　(填“H2”“CO”或“CO2”)的变化。
②700 ℃后,C(s)的物质的量分数随温度升高而增大的原因是 　　　　　　　　　。
③某温度下体系中不存在积碳,CH4和H2O的物质的量分数分别是0.50、0.04,该温度下甲烷的平衡转化率为　　　　　　,反应b的平衡常数K=　　　　　　(列出计算式)。
11.(2024·四川雅安模拟)甲醇是一种重要的化工原料,又是一种可再生能源,具有广阔的开发利用前景。工业上通过CO2制甲醇的主要反应如下:
ⅰ.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49.4 kJ·mol-1
ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　
ΔH2=+41.2 kJ·mol-1
(1)研究发现,在单原子Cu/ZrO2催化时,反应ⅰ的历程如下:
第一步CO2+H2HCOO*+H*(慢)
第二步HCOO*+2H2CH3O*+H2O(快)
第三步CH3O*+H*CH3OH(快)
下列说法正确的是　　　　　(填字母,下同)。
A.任何温度下,反应ⅰ均可自发进行
B.升高温度时,三步反应速率均加快
C.用不同催化剂催化反应可以改变反应历程,提高平衡转化率
D.反应历程中,第一步反应的活化能最高,是反应的决速步
(2)绝热条件下,将H2、CO2以体积比2∶1充入恒容密闭容器中,若只发生反应ⅱ,下列不可以作为反应ⅱ达到平衡的判据是　　　　　。
A.c(CO2)与c(CO)比值不变
B.容器内气体密度不变
C.容器内气体压强不变
D.不变
(3)将H2、CO2以体积比3∶1充入恒容密闭容器中,在催化剂存在下发生反应ⅰ和反应ⅱ。CO2的平衡转化率及CH3OH的选择性(生成目标产物所消耗的反应物的物质的量与参与反应的反应物的物质的量之比)随温度变化曲线如图所示:
CO2加氢制甲醇,　　　　　(填“高”或“低”,下同)温有利于提高反应速率,　　　　温　　　　压有利于提高平衡时CH3OH的产率。结合上图阐述实际选用约312 ℃作为反应温度的原因:　 　 　　　　　　　　　　　　　　　。
(4)温度为T ℃时,在一个刚性容器中模拟工业上合成CH3OH,往容器中通入1 mol CO2、3 mol H2进行反应ⅰ和反应ⅱ,反应过程中容器内的压强随着时间变化如下表所示。
时间/min 0 10 20 30 40 50
压强/MPa 120 105 95 90 88 88
计算反应开始至40 min时,CH3OH的平均反应速率是　　　　　MPa·min-1,平衡时n(CH3OH)是n(CO)的4倍,则H2的平衡分压是　　　　　MPa(分压=总压×气体物质的量分数);CO2的平衡转化率是　　　　　(最后结果保留两位小数)。
层次3创新性
12.环戊烯()常用于有机合成及树脂交联等。在催化剂作用下,可通过环戊二烯()选择性氧化制得,体系中同时存在如下反应:
反应Ⅰ:(g)+H2(g)(g)　ΔH1=-100.3 kJ·mol-1
反应Ⅱ:(g)+H2(g)(g)　ΔH2=-109.4 kJ·mol-1
反应Ⅲ:(g)+(g)2(g)　ΔH3
已知:选择性指生成目标产物所消耗的原料量在全部所消耗原料量中所占的比例。回答下列问题:
(1)反应Ⅲ的ΔH3=　　　　　　 kJ·mol-1。
(2)为研究上述反应的平衡关系,在T ℃下,向某密闭容器中加入a mol的环戊二烯和4 mol H2,测得平衡时,容器中环戊二烯和环戊烷()的物质的量相等,环戊烯的选择性为80%,此时H2的转化率为　　　　　　%,反应Ⅲ以物质的量分数表示的平衡常数K3=　　　　　　　　。
(3)为研究不同温度下催化剂的反应活性,保持其他条件不变,测得在相同时间内,上述反应的转化率和选择性与温度的关系如图所示。
该氢化体系制环戊烯的最佳温度为　　　　　　;30 ℃以上时,环戊烯的选择性降低的可能原因是　　　　　　(填字母)。
A.催化剂活性降低
B.平衡常数变大
C.反应活化能减小
(4)实际生产中采用双环戊二烯()解聚成环戊二烯:(g)2(g)　ΔH>0。若将3 mol双环戊二烯通入恒容密闭容器中,分别在T1和T2温度下进行反应。曲线A表示T2温度下n(双环戊二烯)的变化,曲线B表示T1温度下n(环戊二烯)的变化,T2温度下反应到a点恰好达到平衡。
①曲线B在T1温度下恰好达到平衡时的点的坐标为(m,n),则m　　　　(填“>”“<”或“=”)2,由图像计算n的取值范围是　　　　　　　　。
②T2温度下,若某时刻,容器内气体的压强为起始时的1.5倍,则此时v(正)　　　　　(填“>”“<”或“=”)v(逆)。
第38讲　化学反应速率和平衡图像
1.C　解析 向2 L密闭容器中加入2 mol N2O5发生反应①2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g),②2NO2(g)N2O4(g),反应体系中N2O5、NO2、O2的物质的量随反应时间t的部分变化曲线如题图所示,反应过程中N2O5的物质的量减小,则曲线Ⅲ表示n(N2O5)随t的变化,NO2和O2的物质的量增大,且生成NO2的物质的量更多,则曲线Ⅰ表示n(NO2)随t的变化,曲线Ⅱ表示n(O2)随t的变化,A错误;曲线Ⅲ表示n(N2O5)随t的变化,结合方程式2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)可知,0~2 min内,=v(O2)=0.25 mol·L-1·min-1,B错误;3 min后,充入NO2,NO2的浓度增大,容器内气体颜色变深,然后平衡2NO2(g)N2O4(g)正向移动,容器内气体颜色变浅,C正确;反应①2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)不是可逆反应,3 min后,充入O2,NO2的浓度不变,容器内气体颜色不变,D错误。
2.A　解析 根据图中信息得到平衡时c(SO2)=0.3 mol·L-1,c(H2)=(10-2.7×3) mol·L-1=1.9 mol·L-1,c(H2S)=2.7 mol·L-1,c(H2O)=5.4 mol·L-1,则该反应的平衡常数K=,A正确;t1 min时还未达到平衡,正在建立平衡的阶段,因此v正(SO2)>v逆(H2S),B错误;根据曲线a与SO2曲线变化相反,则说明a代表n(H2S)随时间变化的曲线,C错误;该反应是放热反应,若该反应在T2 ℃(T23.D　解析 反应Ⅳ可由反应Ⅱ-反应Ⅲ得到,则ΔH4=ΔH2-ΔH3=+41.2 kJ·mol-1,A错误;温度一定的情况下,化学平衡常数保持不变,B错误;反应Ⅱ、Ⅲ为气体体积增大的反应,减小压强平衡正向移动,n(H2)增加的程度大于n(CO),则压强越小,越大,故p1Tm后,升高温度减小,说明升高温度对反应Ⅳ的促进作用更大,D正确。
4.C　解析 由方程式聚集状态知ΔS>0,由图1可知正反应是吸热反应,ΔH>0,则根据ΔG=ΔH-TΔS<0知,该反应为高温下的自发反应,A错误;该反应是气体分子数增大的反应,增大压强平衡向逆反应方向进行,不利于反应向右进行,B错误;根据图1,1 300 ℃时该反应的平衡常数K==1,根据图2可知,T1 ℃时正逆反应化学平衡常数相等,即此时平衡常数为1,C正确;A点各组分的浓度之和为5.0 mol·L-1,在同一容器中,压强之比等于物质的量之比,也等于浓度之比,所以A点对应温度下体系压强为10 MPa时,H2O(g)的分压为4 MPa,D错误。
5.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0.2 mol·L-1,C的物质的量浓度增加量为0.4 mol·L-1,x、y之比等于A、C的浓度的变化量之比,故x∶y=0.2 mol·L-1∶0.4 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;12~16 min,反应处于平衡状态;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。由于16 min时升高温度,则K1>K2。
6.C　解析 温度升高,SiHCl3的平衡产率减小,ΔH<0,A项正确;对应气体压强之比等于物质的量之比,由题图可知,M、N点SiHCl3的平衡产率M>N,所以M、N点SiHCl3的分压:M>N,B项正确;由题图可知,的值增大至7时,SiHCl3的平衡产率降低至接近于0,C项错误;M点温度较高,SiHCl3浓度较大,逆反应速率vM>vN,D项正确。
7.D　解析 a、b点均在曲线Ⅰ上,由题图可知升高温度CO2平衡转化率减小,可知升高温度平衡逆向移动,则CO2物质的量分数:ac,故B错误;K与温度有关,且正反应为放热反应,温度越高K越小,则平衡常数:Ka=Kc>Kb,故C错误;a、b点只有温度不同,温度越高、反应速率越快,则反应速率:va(CO2)8.D　解析 根据图像可知,在氢碳比相等的条件下,随着温度的升高,CO2的转化率降低,说明升高温度,平衡向逆反应方向移动,因此正反应是放热反应,ΔH<0,A错误;氢碳比越大,CO2的转化率越高,根据图像可知,在温度相等的条件下,CO2的转化率:①>②>③,则氢碳比:①>②>③,B错误;正反应是气体体积减小的反应,因此其他条件不变的情况下,缩小容器的容积,压强增大,平衡向正反应方向移动,可提高CO2的转化率,C错误;根据图像可知,400 K时曲线③中CO2的转化率是50%,这说明消耗CO2 1 mol·L-1,则消耗氢气3 mol·L-1,生成乙醇和水蒸气分别是0.5 mol·L-1、1.5 mol·L-1,剩余CO2和氢气分别是1 mol·L-1、1 mol·L-1,该温度下平衡常数K=≈1.7,D正确。
9.D　解析 由图可知,600 ℃时甲醇的转化率为55%、甲醛的选择性为60%,则前5 min内生成甲醛的平均速率v(HCHO)==0.033 mol·L-1·min-1,故A错误;由图可知,600 ℃后,甲醇的转化率增大、甲醛的选择性降低,说明700 ℃时历程ⅲ的反应程度大,相同时间内反应历程ⅱ的速率小于反应历程ⅲ的速率,故B错误;该反应为气体体积增大的吸热反应,增大压强,平衡向逆反应方向移动,甲醛的产率降低,故C错误;使用催化剂,降低反应的活化能,则使用碳酸钠做反应催化剂的反应历程ⅰ的活化能小于CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g)的活化能,故D正确。
10.答案 (1)ΔH1-ΔH2-ΔH3　(2)AD
(3)①CO2　H2　②反应c为吸热反应,反应d为放热反应。700 ℃后,随着温度升高,反应c右移对C(s)的物质的量分数的影响比反应d左移的大　③12.5%　
解析 (1)该反应由反应a-反应b-反应c得到,即ΔH=ΔH1-ΔH2-ΔH3。
(2)随着反应进行CH4不断减少,平衡时保持不变,A项正确;恒容时,平衡体系中各物质的浓度不发生改变,平衡不移动,CO2转化率不变,B项错误;加入催化剂只改变反应历程不改变平衡常数,C项错误;达到平衡后,降低温度反应d正向移动,v(正)>v(逆),D项正确。
(3)反应起始投入n(CH4)和n(CO2)为2∶1,所以m为CO2。700 ℃之后C固体增加,即700 ℃以上的高温有利于反应c正向进行,反应c正向进行H2物质的量分数增加,则n为H2,p为CO。设反应投入CH4和CO2物质的量分别为2 mol、1 mol。根据反应列出以下三段式:
　　　　 CO2 + H2 CO + H2O
起始/mol 1 0 0
变化/mol n n n n
平衡/mol n
　　　　 CH4 + CO2 2CO + 2H2
起始/mol 2
变化/mol m m 2m 2m
平衡/mol 2-m
则平衡时CO2物质的量为(1-n-m) mol,CO的物质的量为(n+2m) mol,H2O物质的量为n mol,H2为(2m-n) mol,CH4为(2-m) mol,则平衡体系中气体总物质的量为(3+2m) mol。已知CH4和H2O的物质的量分数分别是0.50、0.04,则建立等式为=0.50、=0.04得m=0.25、n=0.14。则CH4的转化率为×100%=×100%=12.5%。则K=。
11.答案 (1)BD　(2)B
(3)高　低　高　温度低,反应速率太慢,且CO2转化率低;温度太高,甲醇的选择性低
(4)0.4　38　66.67%
解析 (1)反应ⅰ,ΔS<0,ΔH<0,低温条件下可自发进行,A错误;升高温度时,所有反应的反应速率均加快,B正确;催化剂不改变反应历程,加快反应速率,但不影响平衡移动,不能提高平衡转化率,C错误;第一步反应为慢反应,而活化能越高,反应速率越慢,则第一步反应的活化能最高,慢反应为总反应的决速步,D正确。
(2)A项,反应过程中c(CO2)减小,c(CO)浓度增大,则c(CO2)与c(CO)比值减小,故比值不变,能判断反应达到平衡状态;B项,容器容积不变,混合气体的总质量不变,则气体的密度始终不变,故容器内气体密度不变,不能判断反应达到平衡状态;C项,反应前后气体物质的量不变,但是容器绝热,温度降低,压强减小,故容器内气体压强不变,能判断反应达到平衡状态;D项,容器绝热,温度降低,降温平衡逆向移动,平衡常数减小,故K=不变,能判断反应达到平衡状态;故选B。
(3)CO2加氢制甲醇,升温反应速率加快,故高温有利于提高反应速率,反应ⅰ为放热反应,降温平衡正向移动,故低温有利于提高平衡时CH3OH的产率。实际选用300~320 ℃反应温度的原因:温度低,反应速率太慢,且CO2转化率低,温度高,甲醇选择性低。
(4)反应ⅰ为气体分子数减小的反应,导致总压强减小;反应ⅱ为气体分子数不变的反应,不会导致压强的变化;故反应开始到40 min时,减小的压强120 MPa-88 MPa=32 MPa为反应ⅰ进行导致;由三段式可知:
　　 CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
物质的量 1 3 1 1　1+3-1-1=2
16 MPa 　　32 MPa
则CH3OH的平均反应速率是=0.4 MPa·min-1。
容器中通入1 mol CO2、3 mol H2进行反应ⅰ和反应ⅱ,初始压强为120 MPa,则初始CO2、H2的分压分别为30 MPa、90 MPa;由题意可知,反应开始至40 min时,反应达到平衡,由三段式可知:
　　　 　CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g)
开始/MPa 30 90 0 0
变化/MPa x 3x x x
　　　 　CO2(g)+ H2(g) CO(g)+H2O(g)
开始/MPa 0 0
变化/MPa y y y y
平衡时CO2、H2、CH3OH、H2O、CO的分压分别为(30-x-y) MPa、(90-3x-y) MPa、x MPa、(x+y) MPa、y MPa,总压强为88 MPa,则(30-x-y)+(90-3x-y)+x+(x+y)+y=88,得120-2x=88;平衡时n(CH3OH)是n(CO)的4倍,根据气体压强之比等于物质的量之比,则x=4y,联立解得:y=4 MPa,x=16 MPa;故H2的平衡分压是90 MPa-3×16 MPa-4 MPa=38 MPa;CO2的平衡转化率=×100%≈66.7%。
12.答案 (1)+9.1　(2)25a　16　(3)30 ℃　A
(4)①<　4.8
解析 (1)反应Ⅲ=反应Ⅰ-反应Ⅱ,ΔH3=ΔH1-ΔH2=[-100.3-(-109.4)] kJ·mol-1=+9.1 kJ·mol-1。
(2)令反应Ⅰ中消耗x mol环戊二烯,反应Ⅲ中消耗y mol环戊二烯,根据题意可知,达到平衡时n(环戊二烯)=n(环戊烷)=(a-x-y) mol,反应Ⅲ中消耗y mol环戊二烯的同时消耗环戊烷的物质的量为y mol,则反应Ⅱ共生成环戊烷的物质的量为(a-x-y+y) mol=(a-x) mol,反应Ⅱ消耗氢气的物质的量为(a-x) mol,因此达到平衡时共消耗氢气的物质的量为(a-x+x) mol=a mol,氢气的转化率为×100%=25a%;依据选择性的定义,推出生成环戊烯的物质的量为0.8a mol,达到平衡时环戊二烯的物质的量为0.2a mol,环戊烷的物质的量也为0.2a mol,根据反应Ⅲ的特点,反应前后气体化学计量数之和相等,以物质的量分数表示的平衡常数与以物质的量表示的平衡常数是相等的,即K3==16。
(3)根据图像可知,该体系温度为30 ℃左右时,环戊烯的选择性和环戊二烯的转化率都很高,因此最佳温度为30 ℃;催化剂的活性在一定温度范围内最大,高于或低于这个温度范围,催化剂的活性降低,导致选择性降低,故A符合题意;催化剂对化学平衡移动无影响,故B不符合题意;使用催化剂,降低反应活化能,催化剂的活性降低,活化能应增大,故C不符合题意。
(4)①根据图像可知,相同时间段内,环戊二烯表示的反应速率大于双环戊二烯表示的反应速率,因此T1>T2,温度高,反应速率快,达到平衡时所用的时间短,即m<2;在T2温度下,达到平衡,消耗双环戊二烯的物质的量为(3-0.6) mol=2.4 mol,此时生成环戊二烯的物质的量为2.4×2 mol=4.8 mol,因为T1>T2,该反应为吸热反应,升高温度,平衡向正反应方向移动,则n>4.8,假设双环戊二烯全部反应,则生成环戊二烯的物质的量为6 mol,但该反应为可逆反应,不能进行到底,因此n<6,综上所述,得出n的范围为4.8②由①分析可知,T2温度下达到平衡时,生成环戊二烯的物质的量为4.8 mol,容器内气体的总物质的量为0.6 mol+4.8 mol=5.4 mol,相同条件下,压强之比等于气体物质的量之比,则平衡时容器内气体的压强为起始时容器内压强的1.8倍,由于1.8>1.5,容器内气体的压强为起始时的1.5倍,说明反应向正反应方向进行,即v(正)>v(逆)。
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