专题强化练3　化学反应速率和平衡理论及其相关图像（含解析）高中化学苏教版（2019）选择性必修一

专题强化练3　化学反应速率和平衡理论及其相关图像
(2024江苏扬州邗江期中调研)在2 L恒容密闭容器中分别通入
2 mol CO和1 mol O2。进行反应:2CO(g)+O2(g) 2CO2(g)　ΔH。在相同的时间段(5 min)内,测得CO的转化率与温度的关系如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.20 ℃条件下,v(O2)=0.07 mol·L-1·min-1
B.该反应ΔH<0
C.a点和d点CO转化率相等,d点v正(CO)等于a点v正(CO)
D.50 ℃时,该反应的化学平衡常数K=160
2.(2025辽宁部分名校期中联考)往20 L恒容密闭容器中通入1 mol CO2,发生的反应为2CO2(g) 2CO(g)+O2(g)　ΔH>0,在不同温度下达到平衡时,各物质的体积分数变化如图所示,下列说法错误的是(　　)
A.该反应的反应物的总能量小于生成物的总能量
B.平衡常数:KaC.曲线Ⅲ代表CO2(g)体积分数随温度的变化
D.d点时,c(O2)=0.025 mol·L-1
3.已知反应aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g),如图表示在不同条件下生成物D的体积分数φ(D)随时间变化的关系,据此判断(　　)
A.a+bc+d,ΔH>0
C.a+b0　　　　　D.a+b>c+d,ΔH<0
4.(2024河北保定部分高中月考)甲、乙为两个容积均为1 L的恒容密闭容器,向甲中充入1 mol CH4和1 mol CO2,乙中充入1 mol CH4和n mol CO2,在催化剂存在下发生反应:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g),测得CH4的平衡转化率随温度的变化如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.该反应的正反应是吸热反应
B.H2的体积分数为φ(b)<φ(c)
C.873 K向甲的平衡体系中再充入CO2、CH4各0.4 mol,CO、H2各1.2 mol,重新达到平衡前v正>v逆
D.773 K时,该反应的平衡常数小于12.96
5.(易错题)(2025重庆西南大学附中期中)恒压条件下,将A、B按一定比例和流速通过装有催化剂的反应管只发生以下两个反应:
反应Ⅰ:A(g)+2B(g) C(g)+D(g)　ΔH1<0
反应Ⅱ:A(g)+4B(g) E(g)+2D(g)　ΔH2<0
相同时间内测得A的转化率及C、E的选择性[×100%]与反应温度的关系如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.曲线M代表A的转化率
B.X点可推断此时n(A)剩余∶n(E)生成=3∶97
C.190~198 ℃范围内,升高温度,物质A的平衡转化率一定减小
D.Z点对应的所有生成物中,E的体积分数最小
6.(2024江苏连云港期中)利用CO2和H2合成甲醇,可以减少CO2的排放。涉及的主要反应如下:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1<0
反应Ⅱ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH2>0
在1 L密闭容器中通入1 mol CO2和2.44 mol H2,选择合适的催化剂反应,甲醇的选择性(生成甲醇的CO2量占CO2总转化量的比值)和CO2的平衡转化率随温度的变化趋势如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.曲线a表示甲醇的选择性
B.其他条件不变,增大压强可提高平衡时CH3OH的体积分数
C.553 K时,反应Ⅱ的平衡常数K=0.1
D.553 K时,反应Ⅰ和反应Ⅱ参加反应的氢气物质的量之比为9∶2
7.(2025重庆巴蜀月考)在容积可变的密闭容器中,充入2n mol NO和n mol O2发生反应:2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)。在不同压强下(p1、p2),反应达到平衡时,测得NO转化率随温度的变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.p1B.y点的容器容积大于x点的容器容积
C.x点的v(正)D.350 ℃下,将2n mol NO和n mol O2充入初始压强为p2的恒容密闭容器,达到平衡后NO的转化率大于60%
8.(2025北京师范大学二附中期中)如图是某压强下,N2与H2按体积比1∶3投料时,反应混合物中氨的体积分数随温度的变化曲线。其中一条是经过一定时间反应后的曲线,另一条是平衡时的曲线。下列说法不正确的是(　　)
A.图中曲线Ⅰ是平衡时的曲线
B.图中c点,v(正)>v(逆)
C.图中b点,容器内气体n(N2)∶n(NH3)=1∶4
D.550 ℃后曲线Ⅱ下降的原因可能是催化剂活性下降
9.用CO2制备CH3OH可实现CO2的能源化利用,反应原理为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)。
(1)测得上述反应中生成8.0 g CH3OH(g)放出的热量为12.3 kJ。该反应的热化学方程式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)在实验室模拟上述反应。一定温度下(各物质均为气态),向体积为1 L的恒容密闭容器中充入3 mol CO2和6 mol H2,加入合适的催化剂进行反应。已知该温度下该反应的化学平衡常数的值为。某时刻测得c(CH3OH)=1 mol/L,此时反应　　　　　(填“已经达到”或“未达到”)化学平衡状态。
(3)工业上用CO2制备CH3OH的过程中存在副反应:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH=+41.2 kJ/mol。
将反应物混合气按进料比n(CO2)∶n(H2)=1∶3通入反应装置,选择合适的催化剂,发生反应。
①不同温度和压强下,CH3OH平衡产率和CO2平衡转化率分别如图1、图2。
ⅰ.图1中,压强p1　　　　p2(填“>”“=”或“<”),推断的依据是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
ⅱ.图2中,压强为p2,温度高于503 K后,CO2平衡转化率随温度升高而增大的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
②实际生产中,测得压强为p3时,相同时间内不同温度下的CH3OH产率如图3。图3中523 K时的CH3OH产率最大,可能的原因是　　　　(填字母)。
a.此条件下主反应限度最大
b.此条件下主反应速率最快
c.523 K时催化剂的活性最高
答案与分层梯度式解析
专题强化练3　化学反应速率和平衡理论及其相关图像
C　20 ℃时CO的转化率为0.7,发生反应的CO的物质的量为
2 mol×0.7=1.4 mol,根据化学方程式可知反应的O2的物质的量为0.7 mol,v(O2)==0.07 mol·L-1·min-1,A正确;起始时,2 L恒容密闭容器中通入2 mol CO和1 mol O2,反应正向进行,b点之前温度低,反应速率慢,反应未达平衡,b点之后反应达平衡,温度继续升高,CO的转化率降低,说明平衡逆向移动,逆反应为吸热反应,即该反应ΔH<0,B正确;a点和d点温度不同,d点温度高,d点v正(CO)大于a点v正(CO),C错误;50 ℃时,CO的转化率为0.8,则发生反应的CO的物质的量为2 mol×0.8=1.6 mol,利用三段式分析:
　　　　　　2CO(g)+O2(g) 2CO2(g)
初始量/mol 2 1 0
转化量/mol 1.6 0.8 1.6
平衡量/mol 0.4 0.2 1.6
该反应的化学平衡常数K==160,D正确。
2.D　该反应的ΔH>0,正反应为吸热反应,则反应物的总能量小于生成物的总能量,A正确;正反应为吸热反应,升高温度使平衡正向移动,平衡常数增大,根据题图可知,温度:a　　　　　　2CO2(g) 2CO(g)+O2(g)
初始/mol 1 0 0
转化/mol 2x 2x x
平衡/mol 1-2x 2x x
则1-2x=x,解得x=≈0.017 mol·L-1,D错误。
3.D　比较曲线T1、p2与曲线T2、p2,压强相等,温度高的曲线先到达平衡,所以T1>T2,温度越高,平衡时D的体积分数越小,说明升高温度,平衡向逆反应方向移动,正反应是放热反应,即ΔH<0;比较曲线T1、p1与曲线T1、p2,温度相等,压强大的曲线先到达平衡,所以p1c+d。综上所述,D项正确。
4.C　CH4的平衡转化率随温度的升高而增大,升高温度平衡正向移动,该反应的正反应是吸热反应,A正确;由题图可知,相同温度下乙中甲烷的平衡转化率大于甲,说明n>1,b点、c点CH4的平衡转化率均为60%,两容器中甲烷的起始量相等,则平衡时CH4、H2和CO的物质的量分别相等,但b点CO2的物质的量大于c点CO2的物质的量,则H2的体积分数:φ(b)<φ(c),B正确;873 K时,甲中甲烷的转化率为60%,恒温时向甲的平衡体系中再充入CO2、CH4各0.4 mol,CO、H2各1.2 mol,相当于体系内所有组分浓度均变为两倍,可视为加压,则平衡逆向移动,重新达平衡前v正5.B　根据题图X点坐标可知,物质C的选择性为50%,相同条件下,根据物质C、E的选择性之和为1可知,曲线N代表E的选择性,则曲线M代表A的转化率,A正确;由题图可知,X点时,A的转化率为97%,物质C、E的选择性均为50%,设A的起始物质的量为100 mol,两反应消耗的A为97 mol,剩余的A为3 mol,则反应Ⅱ中消耗=48.5 mol A,生成48.5 mol E,则n(A)剩余∶n(E)生成=6∶97,B错误;曲线M代表一定时间段内的A的转化率随温度的变化,不是平衡转化率易错点,题给两个反应均为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,物质A的平衡转化率一定减小,C正确;Z点对应的所有生成物中,由于两反应均生成D,则D的物质的量最大,又因为此时C的选择性大于50%,则C的物质的量大于E的物质的量,即Z点对应的所有生成物中,E的体积分数(物质的量分数)最小,D正确。
6.C　升高温度,反应Ⅰ平衡逆向移动,反应Ⅱ平衡正向移动,甲醇的选择性降低,曲线a表示甲醇的选择性,曲线b表示CO2的平衡转化率破题关键,A正确;其他条件不变,增大压强平衡向气体体积减小的方向移动,反应Ⅰ平衡正向移动,可提高平衡时CH3OH的体积分数,B正确;553 K时CO2的平衡转化率是20%,甲醇的物质的量是1 mol×20%×60%=0.12 mol,则CO的物质的量为1 mol×20%-0.12 mol=0.08 mol,列式如下:
　　　　　CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g)
变化/mol 0.12 0.36 0.12 0.12
　　　　　CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)
变化/mol 0.08 0.08 0.08 0.08
平衡/mol 1-0.2=0.8 2.44-0.36-0.08=2 0.08 0.12+0.08=0.2
体积保持1 L不变,553 K时,反应Ⅱ的平衡常数K==0.01,C错误;由C项分析可知,反应Ⅰ参加反应的H2为0.36 mol,反应Ⅱ参加反应的H2为0.08 mol,所以反应Ⅰ和反应Ⅱ参加反应的H2的物质的量之比为9∶2,D正确。
7.C　反应2NO(g)+O2(g) 2NO2(g)为气体体积减小的反应,则同一温度下,增大压强,平衡向右移动,NO的转化率会增大,故p1>p2,A错误;由题图可知,x点、y点CO的平衡转化率相同,此时容器中物质的总物质的量相同,y点对应的压强更大,温度更高,根据pV=nRT可知,不能判断两容器的容积大小,B错误;根据题图及上述分析可知,y点的温度、压强都比x点的大,则平衡时y点的反应速率比x点的大,即x点v(正)8.C　温度等外界条件相同的情况下,平衡状态时氨气的体积分数应该是最大的破题关键,则曲线Ⅰ是平衡时的曲线,曲线Ⅱ是经过一定时间反应后的曲线,A正确;由题图可知,c点对应温度下,氨气的体积分数小于该温度下平衡状态时的体积分数,说明此时反应向正反应方向进行,即v(正)>v(逆),B正确;题图中b点氨气的体积分数为25%,设开始时N2和H2的物质的量分别为1 mol和3 mol、b点时消耗氮气x mol,列三段式:
　　　　　N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)
起始/mol 1 3 0
转化/mol x 3x 2x
b点/mol 1-x 3-3x 2x
b点氨气的体积分数为×100%=25%,解得x=0.4,此时容器中n(N2)∶n(NH3)=(1-0.4) mol∶(2×0.4) mol=3∶4,C错误;550 ℃以后曲线Ⅱ下降,可能的原因是高温导致催化剂活性降低,一定时间内生成氨气的量减小,氨气的体积分数减小,D正确。
9.答案　(1)CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-49.2 kJ/mol
(2)未达到
(3)①ⅰ.>　CO2制备CH3OH的反应为气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动,CH3OH平衡产率将增大,而相同温度下,p1时CH3OH平衡产率较p2时高,说明p1>p2　ⅱ.CO2平衡转化率为主反应和副反应的CO2平衡转化率之和,副反应为吸热反应,随温度升高CO2平衡转化率升高,主反应为放热反应,随温度升高,CO2平衡转化率降低,温度较高时,CO2平衡转化率主要取决于副反应
②bc
解析　(1)8.0 g CH3OH(g)的物质的量为=0.25 mol,反应中生成0.25 mol CH3OH(g)放出的热量为12.3 kJ,则生成1 mol CH3OH(g)放出的热量为49.2 kJ,则反应的热化学方程式为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-49.2 kJ/mol。(2)某时刻测得c(CH3OH)=1 mol/L,则消耗n(CO2)=1 mol,n(H2)=3 mol,生成n(H2O)=1 mol,该时刻c(CO2)=2 mol/L,c(H2)=3 mol/L,c(CH3OH)=1 mol/L,c(H2O)=
1 mol/L,浓度商Qc=,则反应未达到平衡状态。(3)②主反应为放热反应,升高温度,其反应限度减小,a不符合题意;温度高于523 K CH3OH产率降低,其可能原因是523 K时催化剂的活性最高,此条件下主反应速率最快,b、c符合题意。
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