第13讲 速率、平衡图表类综合题
1．目前工业上有一种方法是用CO2来生产甲醇。一定条件下发生反应：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)。
(1)如图表示该反应进行过程中能量(单位为kJ·mol-1)的变化。在体积为4 L的恒容密闭容器中，充入1 mol CO2和3 mol H2，反应达平衡后，下列措施中能使c(CH3OH)增大的是 。
a．升高温度
b．充入He(g)，使体系压强增大
c．将H2O(g)从体系中分离出来
d．再充入1 mol CO2和3 mol H2
(2)在一密闭的容积可变的容器中，一定温度下，加入1 mol CO2和3 mol H2，不同压力下反应达平衡时，测得的数据如下表。
压强(atm)
1
2
2
10
20
n(CH3OH)(mol)
0.22
0.30
0.86
0.92
0.96
由表中数据可以看出：增大压强，化学平衡向 方向移动，而从2 atm加压到5 atm，甲醇的物质的量增大较多的原因可能是_______________ ___________________________________________________。
解析 本题主要考查化学平衡理论的运用，意在考查考生的读图、识表及分析判断能力。(1)a项，由于反应物的总能量大于生成物的总能量，正反应为放热反应，升温，平衡逆向移动，c(CH3OH)减小；b项，充入He(g)，平衡不移动，c(CH3OH)不变；c项，将H2O(g)从体系中分离出来，平衡正向移动，c(CH3OH)增大；d项，再充入1 mol CO2和3 mol H2，假设容器扩大一倍，达到平衡再压缩，c(CH3OH)增大。(2)从表格中的数据不难看出，加压，平衡正向移动，从2 atm加压到5 atm，甲醇的物质的量增大较多的原因可能是压强增大后，CH3OH和H2O的状态由气态变为液态，有利于化学平衡正向移动，故CH3OH的产量有较大提高。
答案 (1)cd (2)正反应 压强增大后，CH3OH和H2O的状态由气态变为液态，有利于化学平衡正向移动，故CH3OH的产量有较大提高
2．化工生产中原料转化与利用非常重要，现有反应：CCl4＋H2CHCl3＋HCl，查阅资料可知沸点：CCl4为77 ℃，CHCl3为61.2 ℃。在密闭容器中，该反应达到平衡后，测得下表数据。
实验
序号
温度℃
初始CCl4
浓度(mol·L－1)
初始H2浓度
(mol·L－1)
CCl4的平
衡转化率
1
110
0.8
1.2
a
2
110
1.0
1.0
50%
3
100
1.0
1.0
b
(1)在100 ℃时，此反应的化学平衡常数表达式为________；在110 ℃时的平衡常数为________。
(2)在实验2中，若1小时后反应达到平衡，则H2的平均反应速率为________。在此平衡体系中再加入0.5 mol CCl4和1.0 mol HCl，平衡将向________方向移动。
(3)实验1中，CCl4的转化率a________50%(填“＞”、“＝”或“＜”)。实验3中，b的值________(填字母序号)。
A．等于50% B．大于50%
C．小于50% D．由本题所给资料无法判断
解析 本题主要考查平衡常数的计算与转化率大小的判断，意在考查考生根据化学平衡常数表达式进行计算的能力。(1)根据题给各物质的沸点及反应温度可知所有物质均为气态，该反应的平衡常数表达式K＝；由实验2可知，CCl4的转化率为50%，则平衡时c(CCl4)＝c(H2)＝c(CHCl3)＝c(HCl)＝0.5 mol·L－1，则代入平衡常数表达式可得K＝1。(2)达到平衡后H2的转化浓度为0.5 mol·L－1，则H2的平均反应速率为0.5 mol/(L·h)；由于加入HCl的物质的量大于加入的CCl4的物质的量，使Q＞K，则平衡向逆反应方向移动。(3)实验1中，设CCl4转化浓度为x mol·L－1，K＝，解得x＝0.48，则CCl4的转化率＝×100%＝60%＞50%；实验3中，由于不知道该反应是放热反应还是吸热反应，故无法判断。
答案 (1)K＝ 1
(2)0.5 mol/(L·h) 逆反应 (3)＞ D
3．汽车尾气中含有CO、NO2等有毒气体，对汽车加装尾气净化装置，可使有毒气体相互反应转化为无毒气体。
(1)4CO(g)＋2NO2(g)===4CO2(g)＋N2(g) ΔH＝－1 200 kJ·mol－1
对于该反应，温度不同(T2＞T1)、其他条件相同时，下列图像正确的是________(填代号)。
(2)汽车尾气中CO与H2O(g)在一定条件下可以发生反应：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH＜0。
820 ℃时在甲、乙、丙三个恒容密闭容器中，起始时按照下表进行投料，达到平衡状态，K＝1.0。
起始物质的量
甲
乙
丙
n(H2O)/mol
0.10
0.20
0.20
n(CO)/mol
0.10
0.10
0.20
①该反应的平衡常数表达式为________。
②平衡时，甲容器中CO的转化率是________。比较下列容器中CO的转化率：乙________甲；丙________甲(填“＞”、“＝”或“＜”)。
③丙容器中，通过改变温度，使CO的平衡转化率增大，则温度________(填“升高”或“降低”)，平衡常数K________(填“增大”、“减小”或“不变”)。
解析 (1)4CO(g)＋2NO2(g)===4CO2(g)＋N2(g) ΔH＜0，该反应是放热反应，当升高温度时，正、逆反应速度都增大，甲中正反应速率在刚升温到T2时没有增大，故错误；升高温度，化学平衡逆向移动，CO的浓度增大，CO的体积分数增大，故丙不正确。
(2)①甲容器中起始时n(CO)＝n(H2O)＝0.10 mol，根据平衡常数计算可得到CO的转化率为50%。②乙容器中起始时n(H2O)＝0.20 mol，相当于在甲容器中增大c(H2O)，平衡正向移动，n(CO)减少，CO的转化率增大；丙容器中起始时n(CO2)＝n(H2)＝0.20 mol，相当于两个甲容器中的量，假设两个甲容器合二为一，反应到达平衡后，缩小体积至一半变成丙容器，对体系加压，平衡不移动，CO的转化率不变化。③丙容器中改变温度，CO的转化率增大说明平衡正向移动，正反应为放热反应，故需降低温度；平衡正向移动，生成物浓度增大，反应物浓度减小，故K增大。
答案 (1)乙 (2)①K＝ ②50% ＞ ＝ ③降低 增大
4．铁和铝是两种重要的金属，它们的单质及化合物有着各自的性质。
(1)在一定温度下，氧化铁可以与一氧化碳发生反应：Fe2O3(s)＋3CO(g)2Fe(s)＋3CO2(g)。已知该反应在不同温度下的平衡常数如下表：
温度/℃
1 000
1 150
1 300
平衡常数
64.0
50.7
42.9
请回答下列问题：
①该反应的平衡常数表达式K＝________，ΔH＝________0(填“＞”、“＜”或“＝”)。
②在一个容积为10 L的密闭容器中，1 000 ℃时加入Fe、Fe2O3、CO、CO2各1.0 mol，反应经过10 min后达到平衡。求该时间范围内反应的平均反应速率v(CO2)＝________，CO的平衡转化率为________。
③欲提高②中CO的平衡转化率，可采取的措施是________。
A．减少Fe的量 B．增加Fe2O3的量
C．移出部分CO2 D．提高反应温度
E．减小容器的容积 F．加入合适的催化剂
(2)某些金属氧化物粉末和Al粉在镁条的引燃下可以发生铝热反应，下列反应速率(v)和温度(T)的关系示意图中与铝热反应最接近的是________。
(3)写出氢氧化铝在水中发生酸式电离的电离方程式：_____________________________________________________________
_______________________________________________________________。
欲使上述体系中Al3＋浓度增加，可加入的物质是________。
解析 (1)①书写平衡常数的表达式时固体不需写入。由表可知温度越高，K越小，可知升高温度平衡向逆反应方向移动，所以正反应为放热反应，ΔH＜0。
② Fe2O3(s)＋3CO(g)2Fe(s)＋3CO2(g)
c(始)(mol·L－1) 0.1 0.1
c(转)(mol·L－1) x x
c(平)(mol·L－1) 0.1－x 0.1＋x
由K＝64.0＝，解得x＝0.06，故v(CO2)＝0.006 mol·L－1·min－1。CO的转化率为60%。
③该反应的正反应是放热反应，温度升高平衡逆向移动，CO 平衡转化率降低，这是一个反应前后气体体积不变的反应，不能从压强方面考虑，Fe、Fe2O3为固体，也不影响平衡，所以应从CO、CO2的浓度方面考虑。(2)铝热反应在常温下不反应，高温时瞬间反应。(3)欲使Al3＋浓度增加，根据Al(OH)3发生碱式电离的方程式：Al(OH)3Al3＋＋3OH－，使平衡右移，可加入酸性物质，如HCl、H2SO4等。
答案 (1)①[CO2]3/[CO]3 ＜ ②0.006 mol·L－1·min－1 60% ③C (2)b (3)Al(OH)3＋H2OH＋＋[Al(OH)4]－ 盐酸(合理即可)
5．在100 ℃时，将0.40 mol的二氧化氮气体充入2 L真空的密闭容器中，每隔一段时间就对该容器内的物质进行分析，得到数据如表所示：
时间(s)
0
20
40
60
80
n(NO2)/mol
0.40
n1
0.26
n3
n4
n(N2O4)/mol
0.00
0.05
n2
0.08
0.08
(1)在上述条件下，从反应开始直至20 s时，二氧化氮的平均反应速率为________mol·L－1·s－1。
(2)n3________n4(填“＞”、“＜”或“＝”)，该反应的平衡常数为________(保留小数点后一位)。
(3)若在相同情况下，最初向该容器中充入的是四氧化二氮气体，要达到上述同样的平衡状态，四氧化二氮的起始浓度是________mol·L－1，假设在80 s时达到平衡，请在图中画出并标明该条件下此反应中N2O4和NO2的浓度随时间变化的曲线。
(4)达到平衡后，如升高温度，气体颜色会变深，则升高温度后，反应2NO2(g)N2O4(g)的平衡常数将________(填“增大”、“减小”或“不变”)。
(5)达到平衡后，如向该密闭容器中再充入0.32 mol氦气，并把容器体积扩大为4 L，则平衡将________(填“向左移动”、“向右移动”或“不移动”)，其理由是_________________________________________________________ _____________________________________________________________。
解析 根据反应速率的定义不难解答问题(1)。根据已知表中的数据可知60～80 s反应已达到平衡，故n3＝n4。由方程式2NO2(g)N2O4(g)及平衡常数公式可计算出其平衡常数约为2.8 mol－1·L。因温度、体积不变，故达到等效平衡时需要N2O4的起始物质的量为0.20 mol，即浓度为0.10 mol·L－1。由于再充入0.32 mol氦气时对平衡无影响，但容器体积扩大为4 L时相当于给原平衡减压，故平衡逆向移动。
答案 (1)0.002 5 (2)＝ 2.8 (3)0.10 如图
(4)减小 (5)向左移动 氦气是稀有气体，不参与反应；扩大体积的瞬间，c(NO2)和c(N2O4)都降低为原来的一半，使c(N2O4)/c2(NO2)增大，并大于该温度下的平衡常数K，平衡会向左移动(或氦气是惰性气体，不参与反应，扩大体积相当于减小压强，平衡向左移动)
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