第二章　提升课时4　速率平衡综合题的解题策略 练习（含答案）2025秋高中化学选择性必修一（人教版2019）

第二章　提升课时4　速率平衡综合题的解题策略
1.(8分)一种以CO2为碳源，在催化剂作用下催化加氢制备可再生能源甲醇的反应如下：
反应i：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH4＝－49.1 kJ·mol－1
反应ii：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH5＝＋41.1 kJ·mol－1
(1)(4分)往恒容密闭容器中按n(CO2)∶n(H2)＝1∶3(总量为a mol)充入反应物，在合适催化剂作用下，CO2的平衡转化率和甲醇的选择率(转化为甲醇的CO2物质的量与参加反应的CO2总物质的量之比)如图所示。在513 K达平衡时，甲醇的物质的量为_____________________________________ mol(列出计算式即可)。
随着温度的升高，ABC所在曲线逐渐升高的原因是
___________________________________________________________________。
(2)(4分)现向恒温恒容(0.1 MPa)的密闭容器中充入1 mol CO2、3 mol H2和6 mol He，选择合适的催化剂使其仅按反应i进行，反应10 min后达平衡CO2的转化率为20%，则氢气的分压变化率为________ MPa·min－1(请计算出结果)，该反应的Kp＝________ MPa－2(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数，列出计算式即可)。
2.(9分)我国提出了碳达峰和碳中和的目标。为了实现这一目标，科技工作者加大了对二氧化碳转化技术研究的力度。
Ⅰ.中国科技研究者在催化剂作用下利用CO2人工合成甲醇，在CO2加氢合成甲醇的体系中，同时存在以下反应：
ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1
ⅱ.CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH2
(1)(3分)在特定温度下，由稳定态单质生成1 mol化合物的焓变叫做该物质在此温度下的标准摩尔生成焓。表中为几种物质在298K的标准摩尔生成焓
物质 CO2(g) CH3OH(g) H2O(g) H2(g)
标准摩尔生成焓/(kJ·mol－1) －393.51 －201.17 －241.82 0
①(2分)由此可求得ΔH1＝_________________________ kJ/mol。
②(1分)反应ⅰ在________(填“高温”“低温”或“任意温度”)下可以自发进行。
(2)(4分)已知甲醇选择性(S—CH3OH)＝×100%，CO2的平衡转化率(X—CO2)、甲醇的选择性(S—CH3OH)随温度、压强变化如图所示：
①(2分)由图可知压强大小关系：p1________p2(填“>”“<”或“＝”，下同)，ΔH2________0。
②(2分)300 ℃之后，随着温度的升高，CO2的平衡转化率增大，甲醇的选择性降低，是因为：__________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(3)(2分)在恒温恒容的容器中，充入0.5 mol CO2(g)和1.0 mol H2(g)，起始压强为p kPa，一段时间后达到平衡测得容器中生成0.3 mol H2O(g)，压强为p kPa，反应ⅱ的平衡常数Kp＝________。(分压＝物质的量分数×总压，用平衡分压代替平衡浓度计算的平衡常数即为Kp)。
3.(12分)(2024·佛山顺德一中高二期中)由CO2与H2制备甲醇是当今研究的热点之一，由CO2人工合成淀粉(节选途径见图)中的重要反应之一。
已知：
反应①：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1
反应②：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝＋40.9 kJ/mol
反应③：CH3OH(g)CO(g)＋2H2(g) ΔH3＝＋90.4 kJ/mol
(1)(2分)ΔH1＝________________________________________。
(2)(4分)某研究小组将2 mol CH3OH通入2L的刚性密闭容器内，只发生反应③，5分钟后容器压强变为原来的2.5倍，则这段时间内，v(H2)＝________；CH3OH的转化率为________。
(3)(6分)某研究小组采用上述催化剂，向V＝2 L的恒容密闭容器中通入3 mol H2和1 mol CO2，只发生反应①和反应②，在不同条件下达到平衡。其中，在T＝300 ℃下甲醇的物质的量分数φ(CH3OH)随压强p的变化、在p＝600 kPa下φ(CH3OH)随温度T的变化，如图所示。
①(2分)Y点对应的温度和压强为________ ℃、________ kPa。
②(2分)M点时容器中CO2为 mol，CO为 mol，反应①的化学平衡常数K＝___________________________________________________________________。
③(2分)图中M点的φ(CH3OH)高于N点的原因是___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
4.(11分)处理、回收和利用CO是环境科学研究的热点课题。回答下列问题：
(1)(3分)CO用于处理大气污染物N2O的反应为CO(g)＋N2O(g)CO2(g)＋N2(g)。在Zn＋作用下该反应的具体过程如图1所示，反应过程中能量变化情况如图2所示。
总反应：CO(g)＋N2O(g)CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝________ kJ·mol－1；该总反应的决速步是反应________(填“①”或“②”)，判断的理由是___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
(2)(2分)已知：CO(g)＋N2O(g)CO2(g)＋N2(g)的速率方程为v＝k·c(N2O)，k为速率常数(与温度有关)。为提高反应速率，可采取的措施是________(填序号)。
A.升温 B.恒容时，再充入CO
C.恒压时，再充入N2O D.恒压时，再充入N2
(3)(6分)在总压为100 kPa的恒容密闭容器中，充入一定量的CO(g)和N2O(g)发生上述反应，不同条件下达到平衡，T2 K时N2O的转化率与的变化曲线和＝2时N2O的转化率与的变化曲线如图3所示：
①(2分)表示N2O的转化率随的变化曲线为________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
②(2分)T1________T2(填“>”或“<”)，判断的理由是___________________________________________________________________
___________________________________________________________________。
③(2分)已知：该反应的标准平衡常数Kθ＝，其中pθ为标准压强(100 kPa)，p(CO2)、p(N2)、p(N2O)和p(CO)为各组分的平衡分压，则T2 K时，该反应的标准平衡常数Kθ＝________(计算结果保留两位有效数字，p(分)＝p(总)×物质的量分数)。
提升课时4　速率平衡综合题的解题策略
1.(1)0.25a×15%×78%　升高温度，反应ii正向移动的程度大于反应i逆向移动的程度　(2)0.000 5　33.3
解析　(1)根据题意可知投料为0.25a mol CO2和0.75a mol H2，据图可知513 K达平衡时CO2的平衡转化率为15%，甲醇的选择率为78%，结合反应i可知生成的甲醇为0.25a×15%×78% mol；反应i为放热反应，反应ii为吸热反应，升高温度反应ii平衡正向移动，反应i平衡逆向移动，且反应ii正向移动的程度大于反应i逆向移动的程度，所以CO2的平衡转化率升高，甲醇的选择率降低；(2)平衡时CO2的转化率为20%，列化学平衡三段式，
He不参与反应，仍为6 mol，混合气体总物质的量为(0.8＋2.4＋0.2＋0.2＋6) mol＝9.6 mol，p(H2)＝×0.1 MPa＝0.025 MPa，起始p(H2)＝×0.1 MPa＝0.03 MPa，氢气的分压变化率为＝0.000 5 MPa·min－1，Kp＝
＝ ≈33.3 MPa－2。
2.(1)①－49.48　②低温　(2)①>　>　②反应ⅰ放热，反应ⅱ吸热，随温度升高，反应ⅰ逆移，反应ⅱ正移，且反应ⅱ正向移动幅度更大，所以CO2的平衡转化率增大，甲醇的选择性降低　(3)
解析　(1)①由题给信息可得反应ⅰ的焓变ΔH1＝(－201.17－241.82) kJ/mol－(－393.51＋0) kJ/mol＝－49.48 kJ/mol；②该反应为放热的熵减反应，根据ΔG＝ΔH－TΔS判断，反应ⅰ在低温下可以自发进行。(2)①反应ⅰ为气体总分子数减小的反应，反应ⅱ为气体总分子数不变的反应，故增大压强，反应ⅰ平衡向右移动，CO2的平衡转化率增加，甲醇选择性增加，结合图像可知，p1>p2；由图像可看出300 ℃之后，随着温度的升高，CO2的平衡转化率增大，而反应ⅰ随温度升高平衡逆向移动，不利于CO2的平衡转化率增大，甲醇选择性降低，因此反应ⅱ随温度升高平衡正向移动，ΔH2>0。②反应ⅰ放热，反应ⅱ吸热，反应达到平衡后，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，是因为反应ⅱ平衡正向移动程度更大。(3)设达到平衡后生成甲醇的物质的量为x mol、一氧化碳为y mol，根据题给数据可列三段式：
平衡后气体总物质的量为(1.5－2x) mol，由题给数据可得x＋y＝0.3，＝，解得x＝0.25，y＝0.05，则反应ⅱ的平衡常数Kp＝＝＝。
3.(1)－49.5 kJ/mol　(2)0.3 mol/(L·min)　75%
(3)①300　200　②2.5×10－6　③反应①为放热反应，且正反应是气体体积减小的反应，M点相对于N点，温度更低，压强更大，有利于反应①平衡正向移动，φ(CH3OH)增大
解析　(1)由盖斯定律可知，反应②－反应③得到反应①，则ΔH1＝ΔH2－ΔH3＝(＋40.9 kJ/mol)－(＋90.4 kJ/mol)＝－49.5 kJ/mol；(2)只发生反应③，5分钟后容器压强变为原来的2.5倍，根据阿伏加德罗定律可知，反应后总的物质的量为2 mol×2.5＝5 mol；反应增加气体的物质的量为3 mol，反应气体分子数变化为Δn＝2，根据化学方程式体现的关系可知，生成氢气3 mol、反应甲醇1.5 mol，则这段时间内，v(H2)＝ mol/(L·min)＝0.3 mol/(L·min)，CH3OH的转化率为：×100%＝75%；(3)①：反应①是气体体积减小的放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，甲醇的体积分数减小，增大压强，平衡向正反应方向移动，甲醇的体积分数增大，则曲线a为等温线，曲线b为等压线，所以Y点温度为300 ℃、压强为200 kPa；②：由图可知，M点的压强为800 MPa，甲醇的体积分数为10%，由题给数据可建立如下三段式：
由三段式数据可知，平衡时，二氧化碳、氢气、一氧化碳、甲醇和水蒸气的物质的量分别为 mol， mol， mol， mol， mol，总物质的量为 mol，则二氧化碳、氢气、一氧化碳、甲醇、水蒸气的平衡分压分别为×800 kPa＝80 kPa，×800 kPa＝400 kPa，×800 kPa＝80 kPa，×800 kPa＝80 kPa，×800 kPa＝160 kPa，反应①的压强平衡常数Kp＝＝2.5×10－6；③反应①为气体体积减小的放热反应，由图可知，M点相对于N点温度更低，压强更大，有利于反应①平衡向正反应方向移动，导致甲醇的体积分数增大。
4.(1)－361.22　①　反应①的活化能最大的是149.6 kJ·mol－1，反应②的活化能最大的是108.22 kJ·mol－1，反应②的活化能较小，故反应①是总反应的决速步
(2)AC　(3)①Ⅱ　②>　曲线Ⅰ表示N2O的转化率随的变化，由于ΔH<0，则越大，T越小，N2O的转化率越大，故T1>T2
③0.64
解析　(1)总反应：CO(g)＋N2O(g)CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝－361.22 kJ·mol－1；该总反应的决速步是活化能最大的步骤，反应①活化能最大的是149.6 kJ·mol－1，反应②活化能最大的是108.22 kJ·mol－1，速控步是反应①；(2)A项，升温可以加快反应速率，符合题意；B项，由速率方程式可知v与CO浓度无关，故B不符合题意；C项，恒压时再充入N2O，其浓度增大，则v增大，C不符合题意；D项，恒压时，再充入N2，相当于减小CO和二氧化碳、N2O浓度，反应速率减慢，不符合题意；(3)①CO物质的量不变时，N2O物质的量越多其转化率越低，符合的曲线为Ⅱ，②曲线Ⅰ为＝2时N2O的转化率与的变化曲线，由于ΔH<0，则越大，T越小，N2O的转化率越大，故T1>T2；③已知：该反应的标准平衡常数Kθ＝，其中pθ为标准压强(100 kPa)，p(CO2)、p(N2)、p(N2O)和p(CO)为各组分的平衡分压，则T2K时
Kθ＝＝＝0.64。