培优练10 “工业生产调控”中速率、平衡图像题的分析
1.用焦炭还原NO2的反应为2NO2(g)＋2C(s) N2(g)＋2CO2(g)，在恒温条件下，1 mol NO2和足量C在不同容积的容器中发生反应，测得平衡时CO2和NO2的物质的量浓度与平衡总压的关系如图所示。下列描述正确的是( )
A.平衡常数：K(A)>K(C)
B.A、B、C三点中，C点NO2的转化率最低
C.B点时，若反应初始压强为12.8 MPa，则Kp＝3.2
D.焦炭的用量越多，NO2的转化率越高
2.以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图所示，下列说法不正确的是( )
A.由图可知：乙酸的生成速率随温度升高而升高
B.250～300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的主要原因是催化剂的催化效率降低
C.由300～400 ℃可知，其他条件相同时，催化剂的催化效率越低，乙酸的生成速率越大
D.根据图推测，工业上制备乙酸最适宜的温度应为250 ℃
3.已知：H2和CO2在一定条件下可发生反应4H2(g)＋CO2(g) CH4(g)＋2H2O(g) ΔH。在恒压条件下，控制H2和CO2的起始浓度相同，用不同Mg含量的催化剂Ni/xMg(x值越大表示Mg含量越高)催化该反应相同时间，测得不同温度下CO2的转化率如图所示。下列说法正确的是( )
A.ΔH>0
B.延长W点的反应时间可提高CO2的转化率
C.相同条件下催化剂中Mg的含量越高，催化效率越高
D.当反应温度低于350 ℃时，使用合适的催化剂可以提高CO2的转化率
4.温度为T ℃时，向体积不等的恒容密闭容器中分别加入足量活性炭和1 mol NO2，发生反应2C(s)＋2NO2(g) N2(g)＋2CO2(g)。反应相同时间，测得各容器中NO2的转化率α与容器体积的关系如图所示。下列说法错误的是( )
A.T ℃时，该反应的化学平衡常数K＝
B.c点：v正>v逆
C.a点时，充入一定量的NO2，再次达到平衡时，NO2的转化率比原平衡小
D.容器内的压强：pa∶pb＝6∶7
5.(2023·长春二中期末)利用反应2CO(g)＋2NO(g) N2(g)＋2CO2(g) ΔH＜0，可减少汽车尾气对大气的污染。该反应的速率方程可表示为v正＝k正·c2(CO)·c2(NO)、v逆＝k逆·c(N2)·c2(CO2)，其中k正、k逆分别为正、逆反应的速率常数(与温度有关)，lg k与的关系如图所示：
下列说法正确的是( )
A.升高温度，v正减小、v逆增大
B.曲线②代表lg k正
C.该反应易在高温下自发进行
D. ℃－1时，该反应的平衡常数K为10
6.向一恒温密闭容器中充入平均相对分子质量为15的N2和H2的混合气体，保持30 MPa条件下发生反应：N2(g)＋3H2(g) 2NH3(g) ΔH<0。
(1)测得不同温度下氢气的转化率如图1所示，图1中曲线Ⅰ为氢气的平衡转化率与温度的关系，曲线Ⅱ表示不同温度下经过相同反应时间后的氢气转化率，随着温度的升高，曲线Ⅱ向曲线Ⅰ靠近，与M点重合，其原因是______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
(2)在不同催化剂作用下反应相同时间，H2的转化率随温度的变化关系如图2所示，催化效果最佳的是催化剂________(填“Ⅰ”“Ⅱ”或“Ⅲ”)。b点时的反应速率：v正________(填“>”“<”或“＝”)v逆。测得图2中a点混合气体平均相对分子质量为18.75，则a点对应温度下反应的平衡常数Kp＝________(保留2位有效数字，Kp为以分压表示的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数)。
7.研究含碳化合物的相互转化，有利于提高工业生产效率。回答下列问题：
(1)在一体积可变的密闭容器中加入一定量的Mn(s)并充入一定量的CO2(g)，发生反应：Mn(s)＋CO2(g) MnO(s)＋CO(g) ΔH<0。下列能说明该反应达到平衡状态的是________(填标号)。
A.容器的体积不再改变
B.固体的质量不再改变
C.气体的总质量不再改变
D.v正(CO2)＝v逆(CO)
(2)已知：CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH<0。若将一定比例的CO(g)和H2(g)在装有催化剂的反应器中反应12小时，体系中CH3OH(g)的产率和催化剂的催化活性与温度的变化关系如图所示。
①P点________(填“是”或“不是”)处于平衡状态，原因是______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
②490 K之后，CH3OH(g)产率随温度升高而减小的原因可能是_____________________________________________________________________，
_____________________________________________________________________。
8.(1)T ℃时，在恒容密闭容器中充入1 mol CO2和n mol H2，在一定条件下发生反应：CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH<0。平衡后混合气体中CH3OH的体积分数与氢气的物质的量的关系如图1所示。图1中A、B、C三点对应的体系中，CO2的转化率最大的是________(填“A”“B”或“C”)，x＝________。
(2)现代制备乙烯常用乙烷氧化裂解法，主反应为C2H6(g)＋O2(g) C2H4(g)＋H2O(g) ΔH＝－110 kJ· mol－1，反应时还会生成CH4、CO、CO2等副产物(副反应均为放热反应)，如图2所示为温度对乙烷氧化裂解反应的影响。已知：乙烯选择性＝×100%；乙烯收率＝乙烷转化率×乙烯选择性。
①乙烷转化率随温度的升高而升高的原因是________________________________
_____________________________________________________________________；
反应的最佳温度为________(填标号)。
A.650 ℃ B.700 ℃ C.775 ℃ D.850 ℃
②工业上，保持体系总压强恒定在100 kPa下进行该反应，且通常在乙烷和氧气的混合气体中掺入惰性气体(惰性气体的体积分数为70%)，掺入惰性气体的目的是___________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
9.血红蛋白(Hb)和肌红蛋白(Mb)分别存在于血液和肌肉中，都能与氧气结合，与氧气的结合度α(吸附O2的Hb或Mb的量与总Hb或Mb的量的比值)和氧气分压p(O2)密切相关。请回答下列问题：
(1)人体中的血红蛋白(Hb)能吸附O2、H＋，相关反应的热化学方程式及平衡常数如下。
Ⅰ.Hb(aq)＋H＋(aq) HbH＋(aq) ΔH1 K1
Ⅱ.HbH＋(aq)＋O2(g) HbO2(aq)＋H＋(aq) ΔH2 K2
Ⅲ.Hb(aq)＋O2(g) HbO2(aq) ΔH3 K3
ΔH3＝________(用ΔH1、ΔH2表示)，K3＝________(用K1、K2表示)。
(2)Hb与氧气的结合度受c(H＋)的影响，相关反应为HbO2(aq)＋H＋(aq) HbH＋(aq)＋O2(g)。37 ℃，pH分别为7.2、7.4、7.6时氧气分压p(O2)与达到平衡时Hb与氧气的结合度α的关系如图1所示，pH＝7.6时对应的曲线为________(填“曲线A”或“曲线B”)。
(3)Mb与氧气结合的反应为Mb(aq)＋O2(g) MbO2(aq) ΔH，37 ℃时，氧气分压p(O2)与达到平衡时Mb与氧气的结合度α的关系如图2所示。
①已知Mb与氧气结合的反应的平衡常数的表达式K＝，则37 ℃时K＝________ kPa－1。
②人正常呼吸时，体温约为37 ℃，氧气分压约为20.00 kPa，此时Mb与氧气的最大结合度为________(结果保留3位有效数字)。
③经测定，体温升高，Mb与氧气的结合度降低，则该反应的ΔH________(填“>”或“<”)0。
④已知37 ℃时，上述反应的正反应速率v正＝k1·c(Mb)·p(O2)，逆反应速率v逆＝k2·c(MbO2)，若k1＝120 s－1·kPa－1，则k2＝________。图2中C点时，＝________。
10.(2023·浙江6月选考)水煤气变换反应是工业上的重要反应，可用于制氢。
水煤气变换反应：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41.2 kJ·mol－1
该反应分两步完成：
3Fe2O3(s)＋CO(g) 2Fe3O4(s)＋CO2(g) ΔH1＝－47.2 kJ·mol－1
2Fe3O4(s)＋H2O(g) 3Fe2O3(s)＋H2(g) ΔH2
请回答：
(1)ΔH2＝____________kJ·mol－1。
(2)恒定总压1.70 MPa和水碳比[n(H2O)/n(CO)＝12∶5]投料，在不同条件下达到平衡时CO2和H2的分压(某成分分压＝总压×该成分的物质的量分数)如下表：
p(CO2)/MPa p(H2)/MPa p(CH4)/MPa
条件1 0.40 0.40 0
条件2 0.42 0.36 0.02
①在条件1下，水煤气变换反应的平衡常数K＝____________。
②对比条件1，条件2中H2产率下降是因为发生了一个不涉及CO2的副反应，写出该反应方程式_____________________________________________。
(3)下列说法正确的是________。
A.通入反应器的原料气中应避免混入O2
B.恒定水碳比[n(H2O)/n(CO)]，增加体系总压可提高H2的平衡产率
C.通入过量的水蒸气可防止Fe3O4被进一步还原为Fe
D.通过充入惰性气体增加体系总压，可提高反应速率
(4)水煤气变换反应是放热的可逆反应，需在多个催化剂反应层间进行降温操作以“去除”反应过程中的余热(如图1所示)，保证反应在最适宜温度附近进行。
①在催化剂活性温度范围内，图2中b～c段对应降温操作的过程，实现该过程的一种操作方法是____________。
A.按原水碳比通入冷的原料气
B.喷入冷水(蒸气)
C.通过热交换器换热
②若采用喷入冷水(蒸气)的方式降温，在图3中作出CO平衡转化率随温度变化的曲线。
(5)在催化剂活性温度范围内，水煤气变换反应的历程包含反应物分子在催化剂表面的吸附(快速)、反应及产物分子脱附等过程。随着温度升高，该反应的反应速率先增大后减小，其速率减小的原因是_______________________________
_________________________________________________________________。
参考答案
1.C [A项，A、C两点温度相同，则平衡常数K(A)＝K(C)，错误。B项，增大压强，平衡逆向移动，则NO2的转化率降低，故A、B、C三点中，C点NO2的转化率最高，错误。C项，B点时c(NO2)＝c(CO2)，由方程式系数关系可知c(N2)＝c(CO2)，所以B点时，NO2、N2、CO2的分压分别为16 MPa×，16 MPa×，16 MPa×，该反应的压强平衡常数Kp＝＝3.2，正确。D项，焦炭是固体，改变焦炭的用量，平衡不发生移动，NO2的转化率不变，错误。]
2.C [由图可知：在催化剂催化活性不变的前提下，温度升高，乙酸的生成速率提高，所以乙酸的生成速率随温度升高而升高，A正确；在250～300 ℃时催化剂的活性随温度的升高而降低，因此导致乙酸的生成速率降低，B正确；由300～400 ℃可知，催化剂的催化效率降低，但由于反应物分子具有的能量高，更多的普通分子变为活化分子，所以反应速率增大，不是由于催化剂的催化效率低，乙酸的生成速率才越大，C错误；要提高反应速率，根据图可知在250 ℃时催化剂的催化效率高，乙酸生成速率大，所以可推测在工业上制备乙酸最适宜的温度应为250 ℃，D正确。]
3.D [A项，反应达到平衡后，升高温度，CO2的转化率减小，平衡逆向移动，则该反应的正反应是放热反应，ΔH<0，错误。B项，W点时反应已达到平衡，延长反应时间，CO2的转化率不变，错误。C项，由题图可知，在达到平衡前，催化剂Ni/0.05Mg的催化效率最高，并非Mg的含量越高催化效率越高，错误。D项，当反应温度低于350 ℃时，反应未达到平衡，此时CO2的转化率由反应速率决定，即反应速率越大，相同时间内CO2的转化率越大。因此，使用合适的催化剂，可以加快反应速率，从而提高CO2的转化率，正确。]
4.D [假设曲线表示NO2的平衡转化率随容器体积的变化关系，则随容器体积增大，平衡正向移动，NO2的平衡转化率增大，b点之前的曲线符合，b点之后的曲线不符合，则b点之前的曲线对应的反应达到平衡状态，b点之后的曲线对应的反应未达到平衡状态。B项，c点对应反应未达到平衡状态，此时正反应速率大于逆反应速率，即v正>v逆，正确；D项，由b点数据列三段式：
b点时气体的总物质的量为0.2 mol＋0.4 mol＋0.8 mol＝1.4 mol，而a点时气体的总物质的量为1.2 mol，若a点和b点体积相等，则pa∶pb＝6∶7，但a点和b点的体积不相等，故pa∶pb≠6∶7，错误。]
5.D [A.升高温度，v正增大、v逆也增大，A错误；B.该反应的正反应为放热反应，降低温度，正、逆反应速率减小，k正、k逆也减小，由于温度对吸热反应影响更大，所以化学平衡正向移动，则k正＞k逆，所以曲线③代表lg k正，曲线④代表lg k逆，B错误；C.该反应的正反应是气体体积减小的放热ΔH＜0，ΔS＜0，因此反应易在低温下自发进行，C错误；D.v正＝k正·c2(CO)·c2(NO)，v逆＝k逆·c(N2)·c2(CO2)，当v正＝v逆时，反应处于平衡状态，k正·c2(CO)·c2(NO)＝k逆·c(N2)·c2(CO2)，＝＝K，根据选项B分析可知曲线③代表lg k正，曲线④代表lg k逆，在℃－1，lg k正＝a－0.1，lg k逆＝a－1.1，所以即lg k正－lg k逆＝1＝lg K，故K＝10，D正确。]
6.(1)温度升高，反应速率加快，达到平衡所需的时间缩短，故曲线Ⅱ向曲线Ⅰ靠近，M点达到平衡状态 (2)Ⅰ > 0.008 9
解析 (1)题图1中曲线Ⅰ为H2的平衡转化率与温度的关系，曲线Ⅱ表示不同温度下经过相同反应时间后H2的转化率，随着温度的升高，曲线Ⅱ向曲线Ⅰ靠近，与M点重合，这是由于温度升高，反应速率加快，达到平衡所需的时间缩短，故曲线Ⅱ向曲线Ⅰ靠近，M点达到平衡状态。(2)a点之前，H2的转化率相同时，催化剂Ⅰ需要的温度最低，故催化剂Ⅰ的催化活性最好，催化效果最佳。b点时未达到该温度下H2的最大转化率，说明反应未达到平衡，反应正向进行，故反应速率大小关系为v正>v逆。平均相对分子质量为15的N2和H2的混合气体中N2、H2的物质的量之比是1∶1，设该混合气体中N2、H2的物质的量都是1 mol，混合气体的总质量为m＝28 g＋2 g＝30 g，若a点混合气体平均相对分子质量为18.75，则此时混合气体的总物质的量n(总)＝＝1.6 mol，由差量法：
可知，反应生成了0.4 mol NH3。消耗了0.2 mol N2和0.6 mol H2，平衡时n(N2)＝1 mol－0.2 mol＝0.8 mol，n(H2)＝1 mol－0.6 mol＝0.4 mol，n(NH3)＝0.4 mol，则p(N2)＝×30 MPa＝15 MPa，p(H2)＝p(NH3)＝×30 MPa＝7.5 MPa，则Kp＝＝≈0.008 9。
7.(1)BCD (2)①不是 若P点处于平衡状态，该反应放热，则随着温度升高，平衡逆向移动，CH3OH(g)产率应减小，与题图不符，说明P点不是处于平衡状态 ②升高温度，平衡逆向移动 催化剂的催化活性降低
解析 (1)该反应为反应前后气体分子数不变的放热反应，根据“变量不变达平衡”进行判断。A项，反应前后气体分子数不变，反应过程中容器的体积始终不变，为定量，不能作为平衡状态的判断依据。B项，该反应是一个固体质量增大的反应，当固体的质量不再改变，说明反应达到平衡状态。C项，该反应是一个气体质量减小的反应，当气体的总质量不再改变，说明反应达到平衡状态。D项，正、逆反应速率相等，说明反应达到平衡状态。(2)①若P点处于平衡状态，该反应放热，则随着温度升高，平衡逆向移动，CH3OH(g)产率应减小，与题图不符，说明P点不是处于平衡状态。②490 K之前，CH3OH(g)产率随着温度升高而增大的原因是温度越高，化学反应速率越大。490 K之后，反应达到平衡状态，该反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，CH3OH(g)产率减小；由题图知催化剂的催化活性降低，使CH3OH(g)产率减小。
8.(1)C 3 (2)①温度升高，反应速率增大，转化率升高 D
②促使平衡正向移动
解析 (1)未能真正理解决定CO2转化率大小的因素是n(H2)还是CH3OH的体积分数而出错。增大n(H2)，CO2的转化率升高，所以C点对应体系中CO2的转化率最大。而CO2和H2按化学计量数之比投料时，生成的CH3OH的体积分数最大，即x＝3。(2)①放热反应，温度升高，平衡逆向移动，乙烷转化率降低，但乙烷的转化率随温度升高而升高，说明反应均未达到平衡状态，则转化率受反应速率影响，随温度升高，反应速率增大，转化率升高。对比选项中4个温度发现，850 ℃时，对应乙烷的转化率较高，乙烯的选择性较高，副产物相对较少，且乙烯收率较高。②该反应的正反应是气体分子数增大的反应，恒压条件下充入惰性气体，相当于减小体系压强，有利于平衡正向移动，提高反应物的转化率。
9.(1)ΔH1＋ΔH2 K1·K2 (2)曲线A (3)①2.00 ②97.6% ③< ④60 s－1 1
解析 (1)根据盖斯定律，Ⅰ＋Ⅱ＝Ⅲ，则ΔH3＝ΔH1＋ΔH2，K3＝K1·K2。(2)与pH＝7.4时相比，pH＝7.6时， 氢离子浓度减小，平衡HbO2(aq)＋H＋(aq) HbH＋(aq)＋O2(g)逆向移动，c(HbO2)增大，Hb与氧气的结合度增大，故pH＝7.6时对应的曲线为曲线A。(3)①对于反应Mb(aq)＋O2(g) MbO2(aq)，假设反应开始时Mb的浓度为1 mol·L－1，根据题图2可知p(O2)＝2.00 kPa时，α＝80.0%，则平衡时c(Mb)＝0.2 mol·L－1，c(MbO2)＝0.8 mol·L－1，K＝＝
＝2.00 kPa－1。②人正常呼吸时，体温约为37 ℃，则K＝2.00 kPa－1，设反应开始时Mb的浓度为1 mol·L－1，当p(O2)＝20.00 kPa时，2.00 kPa－1＝，解得α≈97.6%。③体温升高，Mb与氧气的结合度降低，说明平衡逆向移动，则该反应的正反应为放热反应，ΔH<0。④当反应达到平衡时，v正＝v逆，由于v正＝k1·c(Mb)·p(O2)，v逆＝k2·c(MbO2)，则平衡时有k1·c(Mb)·p(O2)＝k2·c(MbO2)，＝＝K＝2.00 kPa－1，若k1＝120 s－1·kPa－1，则k2＝＝60 s－1；题图2中的C点，反应处于平衡状态，则v正＝v逆，故＝1。
10.(1)6 (2)①2 ②CO＋3H2 CH4＋H2O (3)AC
(4)①AC
②
(5)温度过高时，不利于反应物分子在催化剂表面的吸附，从而导致其反应物分子在催化剂表面的吸附量及浓度降低，反应速率减小；温度过高还会导致催化剂的活性降低，从而使化学反应速率减小
解析 (1)设方程式①CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH＝－41.2 kJ·mol－1
②3Fe2O3(s)＋CO(g) 2Fe3O4(s)＋CO2(g)
ΔH1＝－47.2 kJ·mol－1
③2Fe3O4(s)＋H2O(g) 3Fe2O3(s)＋H2(g) ΔH2
根据盖斯定律可知，③＝①－②，则ΔH2＝ΔH－ΔH1＝(－41.2 kJ·mol－1)－(－47.2 kJ·mol－1)＝6 kJ·mol－1；(2)①条件1下没有甲烷生成，只发生了水煤气变换反应，该反应是一个气体分子数不变的反应。设在条件1下平衡时容器的总体积为V，水蒸气和一氧化碳的投料分别为12 mol和5 mol，参加反应的一氧化碳为x mol，根据已知信息可得以下三段式：
×1.7 MPa＝0.40 MPa，解得x＝4；则平衡常数K＝＝2；②根据表格中的数据可知，有甲烷生成，且该副反应没有二氧化碳参与，且氢气的产率降低，则该方程式为：CO＋3H2 CH4＋H2O；(3)A.一氧化碳和氢气都可以和氧气反应，则通入反应器的原料气中应避免混入O2，A正确；B.该反应前后气体计量系数相同，则增加体系总压平衡不移动，不能提高平衡产率，B错误；C.通入过量的水蒸气可以促进四氧化三铁被氧化为氧化铁，水蒸气不能将铁的氧化物还原为单质铁，但过量的水蒸气可以降低体系中CO和H2的浓度，从而防止铁的氧化物被还原为单质铁，C正确；D.若保持容器的体积不变，通过充入惰性气体增加体系总压，反应物浓度不变，反应速率不变，D错误；故选AC；(4)①A.按原水碳比通入冷的原料气，可以降低温度，同时化学反应速率稍减小，导致CO的转化率稍减小，与图中变化相符，A正确；B.喷入冷水(蒸气)，可以降低温度，但是同时水蒸气的浓度增大，会导致CO的转化率增大，与图中变化不符，B错误；C.通过热交换器换热，可以降低温度，且不改变投料比，同时化学反应速率稍减小，导致CO的转化率稍减小，与图中变化相符，C正确；故选AC；②增大水蒸气的浓度，平衡正向移动，则一氧化碳的平衡转化率增大，会高于原平衡线，故图像为：；(5)反应物分子在催化剂表面的吸附是一个放热的快速过程，温度过高时，不利于反应物分子在催化剂表面的吸附，从而导致其反应物分子在催化剂表面的吸附量及浓度降低，反应速率减小；温度过高还会导致催化剂的活性降低，从而使化学反应速率减小
