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2022版高考化学一轮复习 专题集训4 化学平衡图像的分类突破

2022版高考化学一轮复习 专题集训4 化学平衡图像的分类突破

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化学平衡图像的分类突破
(建议用时：40分钟)
1．一定条件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g)CH2===CH2(g)＋4H2O(g)。已知温度对CO2的平衡转化率及催化剂催化效率的影响如图所示。下列说法正确的是(　　)

A．M点的正反应速率v正大于N点的逆反应速率v逆
B．若投料比n(H2)∶n(CO2)＝4∶1，则图中M点乙烯的体积分数约为5.88%
C．250 ℃，催化剂对CO2平衡转化率的影响最大
D．当温度高于250 ℃，升高温度，平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低
B　[由于N点的温度高，催化剂的催化效率低，而M点的温度低，催化剂的催化效率高，M点的正反应速率v正不一定大于N点的逆反应速率v逆，A错误；M点CO2的平衡转化率为50%，根据三段式计算：
　6H2(g)＋2CO2(g)CH2===CH2(g)＋4H2O(g)
开始/mol　 4 　　　1　　　　　 0　　　0
转化/mol 1.5 0.5 0.25 1
平衡/mol 2.5 0.5 0.25 1
M点乙烯的体积分数φ(CH2===CH2)＝×100%≈5.88%，B正确；催化剂只影响反应速率，不影响平衡移动和反应物的平衡转化率，C错误；该反应的催化剂在250 ℃左右活性最高，当温度高于250 ℃时，催化效率降低，与平衡的移动无关，D错误。]
2．工业上以CH4为原料制备H2的原理为CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)。在一定条件下向a、b两个恒温恒容的密闭容器中均通入1.1 mol CH4(g)和1.1 mol H2O(g)，测得两容器中CO的物质的量随时间的变化曲线分别如图中a和b所示。已知容器a的体积为10 L，温度为Ta，下列说法错误的是(　　)

A．容器a中CH4从反应开始到恰好平衡时的平均反应速率为0.025 mol·L－1·min－1
B．a、b两容器的温度不相同
C．在达到平衡前，容器a的压强逐渐减小
D．该反应在Ta下的平衡常数为27
C　[观察两容器中CO的物质的量随时间的变化曲线a和b可知，当CO的物质的量保持不变时便达到平衡状态，a容器中反应达到平衡用了4 min，b容器中反应达到平衡用了6.5 min，两个容器中反应快慢不同。用三段式分析a容器中各物质的相关量：
　　　　CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)
起始量/mol　　 1.1　　　1.1　　　0　　　　0
变化量/mol　　 1.0　　　1.0　　　1.0　　　3.0
平衡量/mol　　 0.1　　　0.1　　　1.0　　　3.0
容器a中CH4从反应开始到恰好平衡时的平均反应速率v(CH4)＝＝0.025 mol·L－1·min－1，A正确；投入相同的反应物，a和b达到平衡状态所用时间a<b，平衡时CO物质的量a>b，所以a、b两容器中反应温度不同，B正确；在恒温恒容条件下，随着反应的进行，反应体系中气体物质的量不断增加，体系的压强逐渐增大，C错误；该反应在Ta温度下的平衡常数K＝＝＝27，D正确。]
3．将一定量硫化氢气体加入密闭容器中，发生反应2H2S(g)S2(g)＋2H2(g)。该反应的平衡常数的负对数(－lg K)随温度(T)的变化曲线如图所示，下列说法错误的是(　　)

A．c点对应的平衡常数K＝1.0×10－3.638
B．该反应的ΔH>0
C．a、c点反应速率：va>vc
D．30 ℃时，b点对应状态的v正>v逆
D　[A项，c点－lg K＝3.638，则平衡常数K＝1.0×10－3.638，正确；B项，－lg K越大，则平衡常数K越小，由题图可知，随温度的升高，平衡常数增大，则平衡向正反应方向移动，正反应为吸热反应，故该反应的ΔH>0，正确；C项，a点温度高于c点，va>vc，正确；D项，b点的值大于平衡常数的值，反应向逆反应方向进行，则b点对应的v正<v逆，错误。]
4．煤气化的一种方法是在气化炉中给煤炭加氢，发生的主要反应为C(s)＋2H2(g)CH4(g)。在V L的密闭容器中投入a mol碳(足量)，同时通入2a mol H2，控制条件使其发生上述反应，实验测得碳的平衡转化率随压强及温度的变化关系如图所示。下列说法正确的是 (　　)

A．上述正反应为吸热反应
B．在4 MPa、1 200 K时，图中X点v(H2)正<v(H2)逆
C．在5 MPa、800 K时，该反应的平衡常数为
D．工业上维持6 MPa、1 000 K而不采用10 MPa、1 000 K，主要是因为前者碳的转化率高
A　[A项，由图观察，温度越高，碳的平衡转化率越大，平衡正向移动，正反应为吸热反应，正确；B项，X点是未平衡时，反应正向进行，正反应速率大于逆反应速率，错误；C项，此时碳转化率为50%
C(s)＋2H2(g)CH4(g)
起始量/mol a 2a 0
转化量/mol 0.5a a 0.5a
平衡量/mol 0.5a a 0.5a
K＝＝，错误；D项，该选择的原因是两者转化率相差不大，但压强增大对设备要求高，能量需求大，错误。]
5．COS的水解反应为COS(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2S(g)　ΔH<0。某温度时，用活性Al2O3作催化剂，在恒容密闭容器中COS(g)的平衡转化率随不同投料比[n(H2O)/n(COS)]的转化关系如图1所示。其他条件相同时，改变反应温度，测得COS的平衡转化率如图2所示：

图1　　　　　　　　　　　图2
(1)该反应的最佳条件：投料比[n(H2O)/n(COS)]＝ ，温度＝ 。
(2)P点对应的平衡常数为 (保留小数点后2位)。
(3)当温度升高到一定值后，发现COS(g)的平衡转化率降低。猜测可能的原因：
(任写一种)。
[解析]　(1)根据题图1可知，投料比[n(H2O)/n(COS)]＝10时COS的平衡转化率最大；根据题图2可知，温度为160 ℃时COS的平衡转化率最大。(2)P点对应的n(H2O)/n(COS)＝6，COS的平衡转化率为40%，设容器容积为V L，起始时n(H2O)＝6a mol，n(COS)＝a mol，平衡建立过程中COS和H2O均转化0.4a mol，则平衡时n(H2O)＝5.6a mol，n(COS)＝0.6a mol，n(CO2)＝n(H2S)＝0.4a mol，故平衡常数K＝＝≈0.05。
(3)温度升高到一定值后，COS(g)的平衡转化率降低，可能的原因是催化剂活性降低或平衡向逆反应方向移动。
[答案]　(1)10　160　(2)0.05　(3)催化剂活性降低或平衡向逆反应方向移动
6．T1温度时，在容积为2 L的恒容密闭容器中发生反应2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)，实验测得：v正＝v消耗(NO)＝2v消耗(O2)＝k正c2(NO)·c(O2)，v逆＝v消耗(NO2)＝k逆c2(NO2)，k正、k逆为速率常数，受温度影响。容器中各反应物和生成物的物质的量随时间变化如图所示：

(1)下列说法能表明该反应已经达到平衡状态的是 (填标号)。
A．混合气体的密度不变　 B．混合气体的颜色不变
C．k正、k逆不变 D．2v正(O2)＝v逆(NO2)
(2)化学平衡常数K与速率常数k正、k逆的数学关系式为K＝ 。
(3)温度为T1时的化学平衡常数K＝ ，若将容器的温度变为T2时，k正＝k逆，则T2 T1(填“>”“<”或“＝”)。
[解析]　(1)由于气体质量和容器体积保持不变，故混合气体密度始终保持恒定，不能由此判断是否达到平衡状态，A错误；混合气体的颜色不变，即NO2的量保持不变，可说明反应达到平衡状态，B正确；k正、k逆只与温度有关，与是否达到平衡状态无关，C错误；当2v正(O2)＝v逆(NO2)时，正、逆反应速率相等，可说明反应达到平衡状态，D正确。(2)达到化学平衡状态时v正＝v逆，即k正c2(NO)·c(O2)＝k逆c2(NO2)，则平衡常数K＝＝。(3)结合题图可计算出T1时NO、O2、NO2的平衡浓度分别为0.1 mol·L－1、0.1 mol ·L－1和0.4 mol·L－1，故K＝＝160。当温度变为T2时，由k正＝k逆可知K＝1，由于2NO(g)＋O2(g)2NO2(g)为放热反应，温度升高，平衡常数减小，故T2>T1。
[答案]　(1)BD　(2)　(3)160　>
7．一定压强下，向密闭容器中充入一定量的CH2===CHCH3和Cl2发生反应：CH2===CHCH3(g)＋Cl2(g)CH2===CHCH2Cl(g)＋HCl(g)　ΔH＝－102 kJ·mol－1。设起始的＝w，平衡时Cl2的体积分数(φ)与温度(T)、w的关系如图甲所示。w＝1时，正、逆反应的平衡常数(K)与温度(T)的关系如图乙所示。

图甲　　　　　　　　　　图乙
(1)图甲中，w2 1(填“>”“<”或“＝”)。
(2)图乙中，表示正反应平衡常数的曲线为 (填“A”或“B”)，理由为
。
(3)T1 K下，平衡时α(Cl2)＝ 。
[解析]　(1)从题图甲可以看出，温度相同，w2时φ(Cl2)较小，在反应中，增大，φ(Cl2)减小，故w2>1。(2)反应的正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，则正反应平衡常数减小，故B曲线表示正反应平衡常数的曲线。(3)T1 K时正反应平衡常数与逆反应平衡常数相等，且＝1，则平衡时反应中各物质浓度均相同，Cl2的转化率为50%。
[答案]　(1)>　(2)B　反应的正反应为放热反应，温度升高，正反应平衡常数减小　(3)50%
8．一定条件下，CO2和H2可发生反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－53.7 kJ·mol－1；恒温条件下向2 L的恒容容器中充入一定量的CO2和H2，发生上述反应。测得平衡时混合物中CH3OH(g)体积分数φ(CH3OH)与起始投料比Z的关系如图1所示。

图1　　　　　　　　　图2
(1)当Z＝3时，CO2的平衡转化率为 %(结果保留2位小数)。
(2)当Z＝4时，反应达到平衡状态后，CH3OH的体积分数可能是图1中的
点(选填“D”“E”或“F”)。
(3)若充入1 mol CO2和2.8 mol H2，图2中过程Ⅰ、Ⅱ是在两种不同催化剂作用下建立平衡的过程中CO2的转化率[α(CO2)]随时间(t)的变化曲线。
①m点v(正) v(逆)(填“>”“<”或“＝”)。
②n点时该反应的平衡常数K＝ (用分数来表示)。
③过程Ⅰ反应的活化能 过程Ⅱ反应的活化能(填“大于”“小于”或“等于”)。
[解析]　(1)设达到平衡时CO2转化了x mol。
　 　CO2(g)　＋3H2(g)　CH3OH(g)＋H2O(g)
起始： a mol 3a mol 0 0
转化： x mol 3x mol x mol x mol
平衡： (a－x)mol (3a－3x)mol x mol x mol
则×100%＝15%，x＝a，CO2的转化率为×100%≈46.15%。
(2)C点Z＝3，符合方程式中H2与CO2的化学计量数之比，平衡时CH3OH体积分数达到最大值，故Z＝4时，反应达到平衡后CH3OH的体积分数对应的点可能为F点。
(3)①m点时反应正向进行，则v(正)>v(逆)。
②由题图2可知，平衡时CO2转化率为40%。
　 　CO2(g)　＋　3H2(g)　CH3OH(g)＋H2O(g)
起始： 1 mol 2.8 mol 0 0
转化： 0.4 mol 1.2 mol 0.4 mol 0.4 mol
平衡： 0.6 mol 1.6 mol 0.4 mol 0.4 mol
K＝＝＝＝。
③过程Ⅰ反应速率快，催化剂催化效果更好，活化能更小。
[答案]　(1)46.15　(2)F　(3)①>　②　③小于
9．丁烯是一种重要的化工原料，可由丁烷催化脱氢制备。回答下列问题：
(1)正丁烷(C4H10)脱氢制1­丁烯(C4H8)的热化学方程式如下：
①C4H10(g)===C4H8(g)＋H2(g)　　ΔH1
已知：②C4H10(g)＋O2(g)===C4H8(g)＋H2O(g)　ΔH2＝－119 kJ·mol－1
③H2(g)＋O2(g)===H2O(g)
ΔH3＝－242 kJ·mol－1
反应①的ΔH1＝ kJ·mol－1。图(a)是反应①平衡转化率与反应温度及压强的关系图，x 0.1(填“大于”或“小于”)；欲使丁烯的平衡产率提高，应采取的措施是 (填标号)。
A．升高温度　　　　　　 B．降低温度
C．增大压强 D．降低压强

图(a)　　　　　　　　图(b)

图(c)
(2)丁烷和氢气的混合气体以一定流速通过填充有催化剂的反应器(氢气的作用是活化催化剂)，出口气中含有丁烯、丁烷、氢气等。图(b)为丁烯产率与进料气中n(氢气)/n(丁烷)的关系。图中曲线呈现先升高后降低的变化趋势，其降低的原因是
。
(3)图(c)为反应产率和反应温度的关系曲线，副产物主要是高温裂解生成的短碳链烃类化合物。丁烯产率在590 ℃之前随温度升高而增大的原因可能是 、 ；590 ℃之后，丁烯产率快速降低的主要原因可能是 。
[解析]　(1)由盖斯定律可知，①式＝②式－③式，即ΔH1＝ΔH2－ΔH3＝－119 kJ·mol－1－(－242 kJ·mol－1)＝＋123 kJ·mol－1。由图(a)可知，同温下，x MPa时丁烯的平衡产率高于0.1 MPa时的，根据压强减小，平衡向右移动可知，x小于0.1。欲提高丁烯的平衡产率，应使平衡向右移动，该反应的正反应为吸热反应，因此可以通过升高温度的方法使平衡向右移动；该反应为气体体积增大的反应，因此可以通过降低压强的方法使平衡向右移动，所以A、D选项正确。
(2)由于氢气是产物之一，随着n(氢气)/n(丁烷)增大，逆反应速率增大，所以丁烯产率降低。
(3)该反应的正反应为吸热反应，因此升高温度可以使平衡向右移动，使丁烯的产率增大，另外，反应速率也随温度的升高而增大。由题意知，丁烯在高温条件下能够发生裂解，因此当温度超过590 ℃时，参与裂解反应的丁烯增多，而使产率降低。
[答案]　(1)＋123　小于　AD
(2)氢气是产物之一，随着n(氢气)/n(丁烷)增大，逆反应速率增大
(3)升高温度有利于反应向吸热方向进行　温度升高反应速率加快　丁烯高温裂解生成短链烃类
10．(2020·山东二模)(1)NO2可发生二聚反应生成N2O4，化学方程式为2NO2(g)N2O4(g)，上述反应达到平衡后，升高温度可使体系颜色加深，则该反应的ΔH 0(填“>”或“<”)。

已知该反应的正反应速率方程为v正＝k正·c2(NO2)，逆反应速率方程为v逆＝k逆·c(N2O4)，其中k正、k逆分别为正、逆反应的速率常数。则如图(lg k表示速率常数的对数；表示温度的倒数)所示①、②、③、④四条斜线中，能表示lg k正随变化关系的是斜线 ，能表示lg k逆随变化关系的是斜线 。
(2)图中A、B、C、D点的纵坐标分别为a＋1.5、a＋0.5、a－0.5、a－1.5，则温度T1时化学平衡常数K＝ mol－1·L。已知温度T1时，某时刻恒容密闭容器中NO2、N2O4浓度均为0.2 mol·L－1，此时v正 v逆(填“>”或“<”)；上述反应达到平衡后，继续通入一定量的NO2，则NO2的平衡转化率将 ，NO2的平衡浓度将 (填“增大”“减小”或“不变”)。
[解析]　(1)升高温度体系颜色加深，平衡逆向移动，则正反应为放热反应，ΔH<0；化学反应速率和温度成正比，随着温度降低，增大，正逆反应速率减小，则lg k正和lg k逆均减小，由于温度降低平衡正向移动，v正>v逆，则降低相同温度时lg k逆减小更快，则③表示lg k正随变化关系的斜线，④表示lg k逆随变化关系的斜线。(2)化学平衡常数K＝＝×＝×＝＝10；NO2、N2O4浓度均为0.2 mol·L－1，则浓度商Q＝ mol－1·L＝5 mol－1·L<K，则平衡正向移动，v正>v逆；反应达到平衡后，继续通入一定量的NO2，恒容密闭容器中，等效于达到平衡后增大压强，平衡正向移动；根据勒夏特列原理，达到平衡时浓度比起始时大。
[答案]　(1)<　③　④
(2)10　>　增大　增大
11．对于2NO2(g)N2O4(g)反应体系，标准平衡常数Kθ＝，其中pθ为标准压强(1×105 Pa)，p(N2O4)和p(NO2)为各组分平衡分压(平衡分压＝总压×物质的量分数)。
(1)若起始NO2的物质的量为1 mol，反应在恒定温度和标准压强下进行，N2O4的平衡产率为0.75，则Kθ＝ 。　
(2)利用现代手持技术传感器可以探究压强对2NO2(g)N2O4(g)化学平衡移动的影响。在恒定温度和标准压强条件下，往针筒中充入一定体积的NO2气体后密封并保持活塞位置不变，分别在t1、t2时刻迅速移动活塞后并保持活塞位置不变，测定针筒内气体压强变化如图所示。

①B点时NO2的转化率为 。
②E、H两点对应气体的平均相对分子质量r(E) r(H)(填“<”“>”或“＝”)。
[解析]　(1)起始NO2的物质的量为1 mol，则N2O4的理论产量为0.5 mol，根据N2O4的平衡产率为0.75，可知平衡时N2O4为0.375 mol，NO2为0.25 mol，则平衡时N2O4的分压为pθ＝0.6pθ，NO2的分压为pθ＝0.4pθ，故Kθ＝＝3.75。(2)①设起始时NO2为1 mol，从A点至B点时NO2转化x mol，则B点时NO2为(1－x) mol，N2O4为0.5x mol，根据阿伏加德罗推论可得1：(1－x＋0.5x)＝100∶97，解得x＝0.06，故B点时NO2的转化率为6%。②根据图像可知t2时移动活塞，压强先增大后减小，说明是压缩针筒，平衡向正反应方向移动，最终达到平衡时气体分子数减小，气体总质量不变，因此气体的平均相对分子质量增大，r(E)<r(H)。
[答案]　(1)3.75　(2)①6%　②<