文档文本内容
热化学、化学反应速率与平衡的综合分析
1.题型特点
这类试题往往以化学反应速率、化学平衡知识为主题，借助图像、图表的手段，综合考查关联知识，
关联知识主要有：
(1)ΔH符号的判断、热化学方程式的书写、应用盖斯定律计算ΔH。
(2)化学反应速率的计算与比较，外因对化学反应速率的影响(浓度、压强、温度、催化剂)。
(3)平衡常数、转化率的计算，温度对平衡常数的影响；化学平衡状态的判断，用化学平衡的影响因素
进行分析和解释。
(4)在多层次曲线图中反映化学反应速率、化学平衡与温度、压强、浓度的关系。
2.解答化学平衡移动问题的步骤
(1)正确分析反应特点：包括反应物、生成物的状态，气体体积变化，反应的热效应。
(2)明确外界反应条件：恒温恒容、恒温恒压、反应温度是否变化、反应物投料比是否变化。
(3)结合图像或K与Q的关系、平衡移动原理等，判断平衡移动的方向或结果。
3.分析图表与作图时应注意的问题
(1)仔细分析并准确画出曲线的最高点、最低点、拐点和平衡点。
(2)找准纵坐标与横坐标的对应数据。
(3)描绘曲线时注意点与点之间的连接关系。
(4)分析表格数据时，找出数据大小的变化规律。
4.解答有关平衡常数的计算
(1)结合题意，运用“三段式”，分析计算、确定各物理量的变化。
(2)多重平衡体系的计算用好连续计算法(分设变量)、守恒法两种方法。
(3)多重平衡体系达到整体综合平衡后，每种平衡组分都只能有一个平衡浓度。
1.(2024·湖北，17)用BaCO 和焦炭为原料，经反应Ⅰ、Ⅱ得到BaC ，再制备乙炔是我国科研人员提出
3 2
的绿色环保新路线。
反应Ⅰ：BaCO (s)+C(s) BaO(s)+2CO(g)
3
反应Ⅱ：BaO(s)+3C(s) BaC (s)+CO(g)
2
回答下列问题：
(1)写出BaC 与水反应的化学方程式 。
2
p
(2)已知K =(p )n、K=( CO )n(n是CO的化学计量系数)。反应Ⅰ、Ⅱ的lg K与温度的关系曲线见图
p CO 105Pa
1。①反应BaCO (s)+4C(s) BaC (s)+3CO(g)在1 585 K的K = Pa3。
3 2 p
②保持1 320 K不变，假定恒容容器中只发生反应Ⅰ，达到平衡时p = Pa，若将容器体积
CO
1
压缩到原来的 ，重新建立平衡后p = Pa。
2 CO
(3)恒压容器中，焦炭与BaCO 的物质的量之比为4∶1，Ar为载气。1 400 K和1 823 K下，BaC 产率
3 2
随时间的关系曲线依实验数据拟合得到图2(不考虑接触面积的影响)。
①初始温度为900 K，缓慢加热至1 400 K时，实验表明BaCO 已全部消耗，此时反应体系中含Ba物
3
种为 。
②1 823 K下，反应速率的变化特点为 ，其原因是 。
答案 (1)BaC +2H O―→Ba(OH) +HC≡CH↑ (2)①1016 ②105 105 (3)①BaO ②速率不变至BaC 产
2 2 2 2
率接近100% 容器中只发生反应Ⅱ，反应条件恒温1 823 K、恒压，且该反应只有CO为气态，据K=
p
CO 可知，CO的压强为定值，所以化学反应速率不变
105Pa
解析 (1)Ba、Ca同主族，BaC 与CaC 结构相似，BaC 与水反应和CaC 与水反应相似，其反应的化学方
2 2 2 2
程式为BaC +2H O―→Ba(OH) +HC≡CH↑。(2)①反应Ⅰ+反应Ⅱ得BaCO (s)+4C(s) BaC (s)+3CO(g)，则
2 2 2 3 2
p p
CO CO
其平衡常数K=K ×K =( )3；由图1可知，1 585 K时K =102.5，K =10-1.5，即( )3=102.5×10-
Ⅰ Ⅱ 105Pa Ⅰ Ⅱ 105Pa
1.5=10，所以p3 =10×(105 Pa)3=1016 Pa3，则K =p3 =1016 Pa3。②由图1可知，1 320 K时反应Ⅰ的
CO p CO
p 1
K =100=1，即K =( CO )2=1，所以p2 =(105 Pa)2，即p =105 Pa；若将容器体积压缩到原来的 ，由于
Ⅰ Ⅰ 105Pa CO CO 2温度不变、平衡常数不变，重新建立平衡后p 不变，即p =105 Pa。(3)①由图2可知，1 400 K时，BaC
CO CO 2
的产率为0，即没有BaC 生成，又实验表明BaCO 已全部消耗，此时反应体系中含Ba物种只有BaO。
2 3
2.(2024·河北，17节选)氯气是一种重要的基础化工原料，广泛应用于含氯化工产品的生产。硫酰氯及
1，4⁃ 二(氯甲基)苯等可通过氯化反应制备。
(1)硫酰氯常用作氯化剂和氯磺化剂，工业上制备原理如下：SO (g)+Cl (g) SO Cl (g) ΔH=-67.59
2 2 2 2
kJ·mol-1。
②恒容密闭容器中按不同进料比充入SO (g)和Cl (g)，测定T 、T 、T 温度下体系达平衡时的
2 2 1 2 3
Δp(Δp=p -p，p 为体系初始压强，p =240 kPa，p为体系平衡压强)，结果如图。
0 0 0
上图中温度由高到低的顺序为 ，判断依据为 。
M点Cl 的转化率为 ，T 温度下用分压表示的平衡常数K = kPa-1。
2 1 p
③下图曲线中能准确表示T 温度下Δp随进料比变化的是 (填序号)。
1
(2)1，4⁃ 二(氯甲基)苯(D)是有机合成中的重要中间体，可由对二甲苯(X)的氯化反应合成。对二甲苯浅
度氯化时的反应过程为
以上各反应的速率方程均可表示为v=kc(A)c(B)，其中c(A)、c(B)分别为各反应中对应反应物的浓度，k
为速率常数(k ~k 分别对应反应①~⑤)。某温度下，反应器中加入一定量的X，保持体系中氯气浓度恒
1 5定(反应体系体积变化忽略不计)，测定不同时刻相关物质的浓度。已知该温度下，
k ∶k ∶k ∶k ∶k =100∶21∶7∶4∶23。
1 2 3 4 5
①30 min时，c(X)=6.80 mol·L-1，且30~60 min内v(X)=0.042 mol·L-1·min-1，反应进行到60 min时，
c(X)= mol·L-1。
②60 min时，c(D)=0.099 mol·L-1，若0~60 min产物T的含量可忽略不计，则此时c(G)=
c(D)
mol·L-1；60 min后，随T的含量增加， (填“增大”“减小”或“不变”)。
c(G)
答案 (1)②T >T >T 该反应是放热的、气体分子数减小的反应，恒容条件下，反应正向进行时，容器内
3 2 1
压强减小，从T 到T 平衡时Δp增大，说明反应正向进行程度逐渐增大，对应温度逐渐降低 75% 0.03
3 1
③D (2)①5.54 ②0.033 增大
解析 (1)②该反应的正反应为气体体积减小的反应，反应正向进行程度越大，Δp越大。由图可知，从T
3
到T ，Δp增大，说明反应正向进行程度逐渐增大，已知正反应为放热反应，则温度由T 到T 逐渐降低，
1 3 1
即T >T >T 。由图中M点可知，进料比为n(SO )∶n(Cl )=2，平衡时Δp=60 kPa，已知恒温恒容条件下，容
3 2 1 2 2
器内气体物质的量之比等于压强之比，可据此列出三段式：
SO (g)+Cl (g) SO Cl (g) Δp
2 2 2 2
起始压强/kPa 160 80
转化压强/kPa 60 60 60 60
平衡压强/kPa 100 20 60
60 kPa p(SO Cl ) 60 kPa
2 2
可计算得α(Cl )= ×100%=75%，K = = =0.03 kPa-1。③根据
2 80 kPa p p(SO )·p(Cl ) 100 kPa×20 kPa
2 2
“等效平衡”原理，该反应中SO 和Cl 的化学计量数之比为1∶1，则SO 和Cl 的进料比互为倒数(如2与
2 2 2 2
Δc(X)
0.5)时，Δp相等。(2)①根据v(X)= ，60 min时，c(X)=6.80 mol·L-1-v(X)·Δt=6.80 mol·L-1-0.042
Δt
v (D) k ·c(M) k
mol·L-1·min-1×30 min=5.54 mol·L-1。②由题给反应速率方程推知 生成 = 2 = 2 =3，又D、G的初
v (G) k ·c(M) k
生成 3 3
v(D) Δc(D) 1
始浓度均为0，则 = ，则Δc(G)= ×Δc(D)=0.033 mol·L-1，即此时c(G)=0.033 mol·L-1。60 min
v(G) Δc(G) 3
v (D) k ·c(D) 4×0.099
消耗 4
后，D和G转化为T的速率比为 = = ，结合二者的生成速率可知，D生成的快
v (G) k ·c(G) 23×0.033
消耗 5
c(D)
而消耗的慢，G生成慢而消耗的快，则 增大。
c(G)
3.[2024·黑吉辽，18(1)(2)(3)(4)(5)]为实现氯资源循环利用，工业上采用RuO 催化氧化法处理HCl废气：
2
1
2HCl(g)+ O (g) Cl (g)+H O(g) ΔH =-57.2 kJ·mol-1 ΔS K。将HCl和O 分别以不同起始流速通入
2 2 2 2 1 2
反应器中，在360 ℃、400 ℃和440 ℃下反应，通过检测流出气成分绘制HCl转化率(α)曲线，如下图
所示(较低流速下转化率可近似为平衡转化率)。回答下列问题：
(1)ΔS 0(填“>”或“<”)；T = ℃。
3
(2)结合以下信息，可知H 的燃烧热ΔH= kJ·mol-1。
2
H O(l)===H O(g) ΔH =+44.0 kJ·mol-1
2 2 2
H (g)+Cl (g)===2HCl(g) ΔH =-184.6 kJ·mol-1
2 2 3
(3)下列措施可提高M点HCl转化率的是 (填标号)。
A.增大HCl的流速
B.将温度升高40 ℃
C.增大n(HCl)∶n(O )
2
D.使用更高效的催化剂
(4)图中较高流速时，α(T )小于α(T )和α(T )，原因是 。
3 2 1
(5)设N点的转化率为平衡转化率，则该温度下反应的平衡常数K= (用平衡物质的量分数代
替平衡浓度计算)。
答案 (1)< 360 (2)-285.8 (3)BD (4)反应未达平衡时，流速过快，反应物分子来不及在催化剂表面接
触而发生反应，导致转化率下降，同时，T 温度低，反应速率低，故单位时间内氯化氢的转化率低 (5)6
3
1
解析 (1)2HCl(g)+ O (g) Cl (g)+H O(g)反应后气体分子数目减小，该反应 ΔS<0；该反应为放热反应，
2 2 2 2
由于在流速较低时的转化率视为平衡转化率，在流速低的时候，温度越高，HCl的转化率越小，由图像可
1
知，T 代表的温度为440 ℃，T 为360 ℃。(2)根据盖斯定律可得反应H (g)+ O (g)===H O(l)的
1 3 2 2 2 2
ΔH=ΔH +ΔH -ΔH =-57.2 kJ·mol-1-184.6 kJ·mol-1-44.0 kJ·mol-1=-285.8 kJ·mol-1，即氢气的燃烧热ΔH=-285.8
1 3 2
kJ·mol-1。(3)增大HCl的流速，由图像可知，HCl的转化率减小，A不符合题意；M点对应的温度为360℃，由图像可知，温度升高40 ℃为400 ℃时，HCl的转化率增大，B符合题意；增大n(HCl)∶n(O )，HCl
2
的转化率减小，C不符合题意；M点时，反应未达到平衡，使用高效催化剂，可以增加该温度下的反应速
率，使单位时间内HCl的转化率增加，D符合题意。(5)由图像可知，N点HCl的平衡转化率为80%，设起
始n(HCl)=n(O )=4 mol，可列出三段式：
2
1
2HCl(g)+ O (g) Cl (g)+H O(g)
2 2 2 2
起始量/mol 4 4 0 0
变化量/mol 3.2 0.8 1.6 1.6
平衡量/mol 0.8 3.2 1.6 1.6
1.6 1.6
×
7.2 7.2
则K= =6。
1
0.8 3.2
( ) 2×( )2
7.2 7.2
题型突破练(A) [分值：50 分]
1.(10分)(2024·贵州，17)在无氧环境下，CH 经催化脱氢芳构化可以直接转化为高附加值的芳烃产品。一
4
定温度下，CH 芳构化时同时存在如下反应：
4
ⅰ.CH (g)―→C(s)+2H (g) ΔH =+74.6 kJ·mol-1 ΔS=+80.84 J·mol-1·K-1
4 2 1
ⅱ.6CH (g)―→C H (l)+9H (g) ΔH
4 6 6 2 2
回答下列问题：
(1)反应 ⅰ 在1 000 K时 (填“能”或“不能”)自发进行。
(2)已知25 ℃时有关物质的燃烧热数据如表，则反应ⅱ的ΔH = kJ·mol-1(用含a、b、c的代数式表
2
示)。
物质 CH (g) C H (l) H (g)
4 6 6 2
ΔH/(kJ·mol-1) a b c
(3)受反应ⅰ影响，随着反应进行，单位时间内甲烷转化率和芳烃产率逐渐降低，原因是 。
(4)对催化剂在不同的pH条件下进行处理，能够改变催化剂的活性。将催化剂在5种不同pH条件下处理后
分别用于催化CH 芳构化，相同反应时间内测定相关数据如下表，其中最佳pH为 ，理由是
4
。
pH CH 平均转化率/% 芳烃平均产率/% 产物中积碳平均含量/%
4
2.4 9.60 5.35 40.75
4.0 9.80 4.60 45.857.0 9.25 4.05 46.80
10.0 10.45 6.45 33.10
12.0 9.95 4.10 49.45
(5)973 K、100 kPa下，在某密闭容器中按n(C H )∶n(CH )=1∶5充入气体，发生反应C H (g)
6 6 4 6 6
+CH (g)―→C H (g)+H (g)，平衡时C H 与C H 的分压比为4∶1，则C H 的平衡转化率为 ，平
4 7 8 2 6 6 7 8 6 6
衡常数K = (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)。
p
(6)引入丙烷可促进甲烷芳构化制备苯和二甲苯，反应如下：
(两个反应可视为同级数的平行反应)
对于同级数的平行反应有 v 1 = k 1 = A 1e ( E a，2 R - T E a，1) ，其中v、k分别为反应速率和反应速率常数，E 为反应活
v k A a
2 2 2
k
化能，A 、A 为定值，R为常数，T为温度，同一温度下 1是定值。已知E <E ，若要提高苯的产
1 2 k a，苯 a，二甲苯
2
率，可采取的措施有 。
答案 (1)能 (2)6a-b-9c (3)反应ⅰ有积炭生成，随着反应的进行，生成的积炭逐渐增多，覆盖在催化剂
表面，使催化剂催化性能逐渐降低，化学反应速率减小 (4)10.0 pH=10.0时，产物中积炭平均含量最低，
(0.2 ) 2
×100 kPa
6 0.22
CH 平均转化率最大，芳烃平均产率最高 (5)20% (或 )
4 (0.8 ) (4.8 ) 0.8×4.8
×100 kPa × ×100 kPa
6 6
(6)适当降低温度，加入合适的催化剂(合理即可)
解析 (1)反应ⅰ.CH (g)―→C(s)+2H (g) ΔH =+74.6 kJ·mol-1 ΔS=+80.84 J·mol-1·K-1，在1 000 K时，
4 2 1
ΔG=ΔH-TΔS=+74.6 kJ·mol-1-1 000 K×80.84×10-3 kJ·mol-1·K-1=-6.24 kJ·mol-1<0，故反应ⅰ在1 000 K时能自发
进行。(2)ⅱ.6CH (g)―→C H (l)+9H (g) ΔH
4 6 6 2 2
由题给数据可得出以下热化学方程式：
①CH (g)+2O (g)―→CO (g)+2H O(l) ΔH=a kJ·mol-1
4 2 2 2
15
②C H (l)+ O (g)―→6CO (g)+3H O(l) ΔH=b kJ·mol-1
6 6 2 2 2 2
1
③H (g)+ O (g)===H O(l) ΔH=c kJ·mol-1
2 2 2 2
依据盖斯定律，将反应①×6-②-③×9得，反应ⅱ的ΔH =(6a-b-9c) kJ·mol-1。(5)设起始时C H 的物质的量为
2 6 6
1 mol，CH 的物质的量为5 mol，参加反应的C H 的物质的量为x mol，则可建立如下三段式：
4 6 6
C H (g) +CH (g)―→C H (g) +H (g)
6 6 4 7 8 2
起始量/mol 1 5 0 0
转化量/mol x x x x平衡量/mol 1―x 5―x x x
1-x
×p
6 总 4
根据平衡时C H 与C H 的分压比为4∶1得 = ，解得x=0.2。平衡时，n(C H )=0.8 mol，
6 6 7 8 x 1 6 6
×p
6 总
0.2mol
n(CH )=4.8 mol，n(C H )=0.2 mol，n(H )=0.2 mol，则C H 的平衡转化率为 ×100%=20%，平衡常数
4 7 8 2 6 6 1mol
(0.2 ) 2
×100 kPa
K = 6 或 0.22 。(6)已知E <E ， v 苯 = A 1e ( E a，二甲 R 苯 T -E a，苯) ，
p (0.8 ×100 kPa ) × (4.8 ×100 kPa ) 0.8×4.8 a，苯 a，二甲苯 v 二甲苯 A 2
6 6
v
苯
降低温度， 增大，可提高苯的产率；加入合适的催化剂，选择性降低E ，能加快生成苯的速率，
v a，苯
二甲苯
提高苯的产率。
2.(10分)(2023·辽宁，18)硫酸工业在国民经济中占有重要地位。
(1)我国古籍记载了硫酸的制备方法——“炼石胆(CuSO ·5H O)取精华法”。借助现代仪器分析，该制备过
4 2
程中CuSO ·5H O分解的TG曲线(热重)及DSC曲线(反映体系热量变化情况，数值已省略)如图1所示。
4 2
700 ℃左右有两个吸热峰，则此时分解生成的氧化物有SO 、 和 (填化学式)。
2
(2)铅室法使用了大容积铅室制备硫酸(76%以下)，副产物为亚硝基硫酸，主要反应如下：
NO +SO +H O===NO+H SO
2 2 2 2 4
2NO+O ===2NO
2 2
ⅰ.上述过程中NO 的作用为 。
2
ⅱ.为了适应化工生产的需求，铅室法最终被接触法所代替，其主要原因是 (答出两点即
可)。
1
(3)接触法制硫酸的关键反应为SO 的催化氧化：SO (g)+ O (g) SO (g) ΔH=-98.9 kJ·mol-1
2 2 2 2 3
ⅰ.为寻求固定投料比下不同反应阶段的最佳生产温度，绘制相应转化率(α)下反应速率(数值已略去)与温度
的关系如图2所示，下列说法正确的是 。a.温度越高，反应速率越大
b.α=0.88的曲线代表平衡转化率
c.α越大，反应速率最大值对应温度越低
d.可根据不同α下的最大速率，选择最佳生产温度
ⅱ.为提高钒催化剂的综合性能，我国科学家对其进行了改良。不同催化剂下，温度和转化率关系如图3所
示，催化性能最佳的是 (填标号)。
ⅲ.设O 的平衡分压为p，SO 的平衡转化率为α，用含p和α 的代数式表示上述催化氧化反应的K =
2 2 e e p
(用平衡分压代替平衡浓度计算)。
答案 (1)CuO SO (2)ⅰ.催化剂 ⅱ.铅室法制得的产品中存在亚硝基硫酸杂质，生产过程中需使用有毒
3
α
e
的氮氧化物 (3)ⅰ.cd ⅱ.d ⅲ. 1
(1-α )·p2
e
解析 (1)由图可知，起始时有2.5 mg CuSO ·5H O，其物质的量是0.01 mmol，所含结晶水的质量为0.9
4 2
mg，则固体质量剩余1.6 mg时所得固体为CuSO ，加热过程中Cu元素的质量不变，则固体质量剩余0.8
4
mg时所得的固体是CuO，结合题图DSC曲线有两个吸热峰可知，700 ℃发生的反应为
CuSO ―→CuO+SO 、SO ―→SO +O ，则生成的氧化物除SO 外，还有CuO、SO 。(2)ⅰ.根据所给的反应
4 3 3 2 2 2 3
方程式，NO 在反应过程中先消耗再生成，说明NO 在反应中起催化剂的作用。(3)ⅰ.根据不同转化率下的
2 2
反应速率曲线可以看出，随着温度的升高反应速率先加快后减慢，a错误；由图像可知，相同温度下，转
化率可以达到0.90和0.92，则α=0.88不是平衡转化率，b错误；随着转化率的增大，最大反应速率不断减
小，最大反应速率出现的温度也逐渐降低，c正确；ⅲ.利用分压代替浓度计算平衡常数，反应的平衡常数n(SO )
3 p
p(SO 3 ) n 总 n(SO 3 )
总
K = 1 = = 1 ；设SO 初始量为m，则平衡时n(SO )=m-
p p(SO 2 )·p2(O 2 ) n(SO 2 ) ·p ·p 1 2(O ) n(SO 2 )·p2(O 2 ) 2 2
n 总 2
总
mα α
e e
mα=m(1-α)，n(SO )=mα，K = 1= 1。
e e 3 e p
m(1-α )·p2 (1-α )·p2
e e
3.(14分)(2024·山东，20)水煤气是H 的主要来源，研究CaO对C-H O体系制H 的影响，涉及主要反应如
2 2 2
下：
C(s)+H O(g) CO(g)＋H (g)(Ⅰ) ΔH >0
2 2 1
CO(g)+H O(g) CO (g)+H (g)(Ⅱ) ΔH <0
2 2 2 2
CaO(s)+CO (g) CaCO (s)(Ⅲ) ΔH <0
2 3 3
(1)C(s)+CaO(s)+2H O(g) CaCO (s)+2H (g)的焓变ΔH= (用代数式表示)。
2 3 2
(2)压力p下，C-H O-CaO体系达平衡后，图示温度范围内C(s)已完全反应，CaCO (s)在T 温度时完全分解。
2 3 1
气相中CO、CO 和H 摩尔分数随温度的变化关系如图所示，则a线对应物种为 (填化学式)。
2 2
当温度高于T 时，随温度升高c线对应物种摩尔分数逐渐降低的原因是 。
1
(3)压力p下、温度为T 时，图示三种气体的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05，则反应CO(g)+H O(g)
0 2
CO (g)+H (g)的平衡常数K = ；此时气体总物质的量为4.0 mol，则CaCO (s)的物质的量为
2 2 p 3
_____________ mol；若向平衡体系中通入少量CO (g)，重新达平衡后，分压p(CO )将 (填
2 2
“增大”“减小”或“不变”)，p(CO)将 (填“增大”“减小”或“不变”)。
答案 (1)ΔH +ΔH +ΔH (2)H 当温度高于T ，CaCO (s)已完全分解，只发生反应Ⅱ，温度升高，反应Ⅱ
1 2 3 2 1 3
5
平衡逆向移动，所以CO 的摩尔分数逐渐降低 (3) 0.5 不变 不变
2 9
解析 (1)根据盖斯定律，目标总反应=反应(Ⅰ)+反应(Ⅱ)+反应(Ⅲ)，则其ΔH=ΔH +ΔH +ΔH 。(2)图示温
1 2 3
度范围内C(s)已完全反应，则反应Ⅰ已经进行完全，反应Ⅱ和Ⅲ均为放热反应，从开始到T ，温度不断升
1
高，反应Ⅱ和Ⅲ平衡逆向移动，依据反应Ⅱ，H 量减小，摩尔分数减小，CO量升高，摩尔分数增大，所
2
以a线代表H 的摩尔分数的变化，b线代表CO的摩尔分数的变化。T 时，CaCO (s)已完全分解，当温度
2 1 3
高于T ，相当于只发生反应Ⅱ，CO 的摩尔分数减小，则c线代表CO 的摩尔分数随温度的变化。(3)压力
1 2 2
p下、温度为T 时，H 、CO、CO 的摩尔分数分别为0.50、0.15、0.05，则H O(g)的摩尔分数为1-0.5-0.15-
0 2 2 2p(CO )·p(H ) 0.05p×0.5p 5
2 2
0.05=0.3，则反应CO(g)+H O(g) CO (g)+H (g)的平衡常数K = = = ；从
2 2 2 p p(CO)·p(H O) 0.15p×0.3p 9
2
H 的来源分析，产生H 多少取决于消耗碳的量和生成不同含碳物种量的多少。平衡时，可独立分析产生
2 2
H 与消耗碳和生成各含碳物种的化学反应，如下：
2
Ⅰ：C(s)+H O(g)===CO(g)+H (g)
2 2
Ⅳ：C(s)+2H O(g)===CO (g)+2H (g)
2 2 2
Ⅴ：C(s)+CaO(s)+2H O(g) CaCO (s)+2H (g)
2 3 2
平衡时气体n(总)=4 mol，根据H 、CO、CO 的摩尔分数可计算三者的物质的量分别为：
2 2
n(H )=4 mol×0.5=2 mol，同理，n(CO)=0.6 mol，n(CO )=0.2 mol，平衡时，由反应(Ⅰ)生成的H ：
2 2 2
n(H ) =n(CO)=0.6 mol，由反应(Ⅳ)生成的H ：n(H ) =2n(CO )=2×0.2 mol=0.4 mol，则由反应(Ⅴ)生成的
2 Ⅰ 2 2 Ⅳ 2
1 1
H ：n(H ) =2 mol-0.6 mol-0.4 mol=1 mol，由反应(Ⅴ)产物关系可得n(CaCO )= n(H ) = ×1 mol=0.5 mol；
2 2 Ⅴ 3 2 2 Ⅴ 2
1
若向平衡体系中通入少量CO (g)后，反应ⅢCaO(s)+CO (g)===CaCO (s)重新达平衡，K = ，温度
2 2 3 p p(CO )
2
1
不变，K 不变，则分压p(CO )不变，K= ，c(CO )也不变，其他气体的浓度均不变，所以p(CO)不
p 2 c c(CO ) 2
2
变。
4.(16分)二氧化碳、甲烷等是主要的温室气体。研发二氧化碳和甲烷的利用技术对治理生态环境具有重要
意义。
已知：常温常压下，一些物质的燃烧热如表所示。
物质 CH (g) H (g) CO(g)
4 2
ΔH/
-890.3 -285.8 -283.0
(kJ·mol-1)
(1)在催化剂作用下，甲烷的催化重整是制备合成气的重要方法，写出CH (g)与CO (g)反应生成CO(g)和
4 2
H (g)的热化学方程式： 。
2
(2)在恒温恒容密闭容器中，通入一定量的CH 、CO 发生催化重整反应。
4 2
①下列能说明该反应达到化学平衡状态的是 (填字母)。
A.混合气体的平均相对分子质量不再变化
B.v (CH )=2v (CO)
正 4 逆
C.CO与H 浓度的比值不再变化
2
D.容器内混合气体的密度不再变化
n(CH )
4
②当投料比 =1.0时，CO 的平衡转化率(α)与温度(T)、初始压强(p)的关系如图所示。由图可知：
n(CO ) 2
2
压强p (填“>”“<”或“=”)2 MPa；当温度为T K、初始压强为2 MPa时，a点的v
1 3 逆(填“>”“<”或“=”)v 。起始时向1 L恒容容器中加入2 mol CH 和2 mol CO ，在温度为T K、初始压
正 4 2 6
强为2 MPa条件下反应，用压强表示该反应的平衡常数K = MPa2(分压=总压×物质的量分数)。
p
(3)我国科学家对甲烷和水蒸气催化重整反应机理也进行了广泛研究，通常认为该反应分两步进行。第一步：
CH 催化裂解生成H 和碳(或碳氢物种)，其中碳(或碳氢物种)吸附在催化剂上，如CH ―→C /[C(H) ] +(2-
4 2 4 ads n ads
n n
)H ；第二步：碳(或碳氢物种)和H O反应生成CO 和H ，如C /[C(H) ] +2H O―→CO +(2+ )H 。反应
2 2 2 2 2 ads n ads 2 2 2 2
过程和能量变化残图如图：
判断过程 (填序号)加入了催化剂，原因是 。
控制整个过程②反应速率的是第Ⅱ步，其原因为 。
答案 (1)CH (g)+CO (g)===2CO(g)+2H (g) ΔH=+247.3 kJ·mol-1 (2)①A ②< > 4 (3)② 催化剂降
4 2 2
低了活化能 第 Ⅱ 步的活化能大，反应速率慢
解析 (1)根据已知燃烧热可得热化学方程式：
1
①CH (g)+2O (g)===CO (g)+2H O(l) ΔH=-890.3 kJ·mol-1；②H (g)+ O (g)===H O(l) ΔH=-285.8
4 2 2 2 2 2 2 2
1
kJ·mol-1；③CO(g)+ O (g)===CO (g) ΔH=-283.0 kJ·mol-1。根据盖斯定律，将热化学方程式①-②×2-
2 2 2
③×2，整理可得CH (g)+CO (g)===2CO(g)+2H (g) ΔH=+247.3 kJ·mol-1。(2)①在恒温恒容密闭容器中，通
4 2 2
入一定量的CH 、CO 发生催化重整反应：CH (g)+CO (g)===2CO(g)+2H (g)，该反应的正反应是气体体积
4 2 4 2 2
m
增大的反应，反应后气体的物质的量增大，根据M= 可知，混合气体m不变，n变化，平均相对分子质
n
量变化，当平均相对分子质量不再变化，反应达到平衡状态，A正确；反应速率之比等于化学计量数之比，
当2v (CH )=v (CO)，反应达到平衡状态，故v (CH )=2v (CO)时反应未达到平衡状态，B错误；CO与
正 4 逆 正 4 逆
H 都是生成物，二者的浓度比始终保持不变，因此不能据此判断反应是否达到平衡状态，C错误；该反应
2m
的反应物都是气体，气体的质量不变，反应在恒温恒容密闭容器中进行，气体的体积不变，则根据ρ= 可
V
知容器内混合气体的密度始终不变化，因此不能据此判断反应是否达到平衡状态，D错误。②该反应的正
反应为气体分子数增多的反应，在其他条件不变时，增大压强，化学平衡逆向移动α(CO )减小，故压强：
2
p <2 MPa；根据图示可知，当温度为T K、初始压强为2 MPa时，反应进行到a点时CO 的转化率大于该
1 3 2
压强下的CO 平衡转化率，则说明反应逆向进行，故反应速率关系：v >v ；根据图示可知，在温度为T
2 逆 正 6
K，起始压强为2 MPa时，CO 的平衡转化率为0.5。由于开始时加入n(CH )=n(CO )=2 mol，则根据CH (g)
2 4 2 4
+CO (g)===2CO(g)+2H (g)中反应转化关系可知平衡时n(CH )=n(CO )=1 mol，n(H )=n(CO)=2 mol，气体总
2 2 4 2 2
物质的量为n(总)=6 mol，反应在恒温恒容密闭容器中进行，气体的压强与气体的物质的量呈正比，则平衡
1 1
(3× ) 2×(3× ) 2
6mol 3 3
时气体总压强为p(平衡)= ×2 MPa=3 MPa，则压强平衡常数K = MPa2=4
2mol+2mol p 1 1
(3× )×(3× )
6 6
MPa2。(3)根据图示可知曲线②的活化能比曲线①的活化能低，反应速率快，故过程②加入了催化剂；对于
多步反应，总反应速率快慢由慢反应决定。反应的活化能越大，反应需要的能量就越高，反应速率就越慢。
根据图示可知第Ⅱ步的活化能大，反应速率慢，其决定了整个反应速率的快慢。
题型突破练(B) [分值：50 分]
1.(10分)(2024·湖南益阳高三模拟)煤的间接液化是煤的综合利用的一种重要方法。首先是煤燃烧生成
CO ，再在钼系催化剂的催化作用下与H O反应，最终生成C H OH。过程中主要发生如下反应：
2 2 2 5
反应Ⅰ：C(s)+O (g)===CO (g) ΔH =-393.5 kJ·mol-1
2 2 1
反应Ⅱ：2CO (g)+2H O(g)===C H (g)+3O (g) ΔH =+1 323 kJ·mol-1
2 2 2 4 2 2
反应Ⅲ：C H (g)+H O(g)===C H OH(l) ΔH =-88.2 kJ·mol-1
2 4 2 2 5 3
(1)已知H O(l)===H O(g) ΔH =+44.0 kJ·mol-1，C H OH的燃烧热ΔH = kJ·mol-1。
2 2 4 2 5 5
(2)为更好地研究煤的液化过程，某学习小组对反应Ⅱ进行了系统的研究。在一个2 L的刚性容器中加入2
mol CO 气体及4 mol水蒸气，在500 ℃及钼系催化剂(固体)存在条件下只发生反应Ⅱ。
2
①下列能说明该反应已达到平衡状态的是 (填字母)。
A.CO 的体积分数不再改变
2
B.n(CO )∶n(H O)不再改变
2 2
C.容器的总压不再改变
D.容器中气体的密度不再改变
②如图为平衡时四种组分的物质的量分数随温度的变化曲线。图中曲线b表示的物质是 ，原因
是 。③T K时该反应的平衡常数为 。
1
④T K时，某同学在该容器中加入m mol CO 和n mol H O(g)，同时加入了1 mol C H 和3 mol O ，达到平
1 2 2 2 4 2
衡后CO 的体积分数仍与N点相同，则n= (用含m的代数式表示)。
2
答案 (1)-1366.8 (2)①AB ②C H 随温度升高，平衡正向移动，C H 的含量增大，且O 物质的量分
2 4 2 4 2
27
数增大量是C H 的3倍 ③ ④2m+2
2 4 16
解析 (2)①CO 的体积分数不再改变，浓度不变，反应达到平衡状态，A选；充入的反应物不是按系数比
2
充入，n(CO )∶n(H O)不再改变，反应达到平衡状态，B选；该反应反应前后气体总物质的量不变，容器
2 2
的总压不再改变，不能判断反应已达到平衡状态，C不选；该反应反应前后气体总物质的量不变，容器的
体积不变，密度为定值，容器中气体的密度不再改变，不能判断反应已达到平衡状态，D不选。③列出三
段式：
2CO (g)+2H O(g)===C H (g)+3O (g)
2 2 2 4 2
初始/mol 2 4 0 0
转化/mol 2x 2x x 3x
平衡/mol 2-2x 4-2x x 3x
2 1 4 1
平衡时2-2x=x，解得x= ，则平衡时c(CO )= mol·L-1，c(H O)= mol·L-1，c(C H )= mol·L-1，c(O )=1
3 2 3 2 3 2 4 3 2
1
×13
3 27
mol·L-1，故T K时反应的平衡常数K= = 。④加入1 mol C H 和3 mol O ，等效于加入2 mol
1 (1) 2 (4) 2 16 2 4 2
×
3 3
m+2 2
CO 和2 mol H O，可得 = ，解得n=2m+2。
2 2 n+2 4
2.(10分)(2023·辽宁抚顺普通高中高三模拟)我国承诺在2030年前实现碳达峰即二氧化碳的排放量不再增长。
因此，研发二氧化碳利用技术、降低空气中二氧化碳含量成为研究热点。请回答下列问题：
(1)以CO 和NH 为原料合成尿素是利用CO 的成功范例。在尿素合成塔中的主要反应可表示如下：
2 3 2
反应①：2NH (g)+CO (g) NH COONH (s) ΔH=-159.5 kJ·mol-1
3 2 2 4 l
反应②：NH COONH (s) CO(NH ) (s)+H O(g) ΔH
2 4 2 2 2 2
总反应③：2NH (g)+CO (g) CO(NH ) (s)+H O(g) ΔH =-87.0 kJ·mol-1
3 2 2 2 2 3
反应②的ΔH = kJ·mol-1。
2(2)利用工业废气中的CO 可以制取甲醇：CO (g)+3H (g) CH OH(g)+H O(g)，一定条件下往恒容密闭容
2 2 2 3 2
器中充入1 mol CO 和3 mol H ，在不同催化剂作用下发生反应 Ⅰ、反应Ⅱ与反应Ⅲ，相同时间内CO 的
2 2 2
转化率随温度变化如图所示。
①催化剂效果最佳的反应是 (填“反应Ⅰ”“反应Ⅱ”或“反应Ⅲ”)。
②一定温度下，下列不能说明上述反应 Ⅰ 达到化学平衡状态的是 (填字母)。
A.CO 的质量分数在混合气体中保持不变
2
B.反应中CO 与H 的物质的量之比为1∶3
2 2
C.3v (CO )=v (H )
正 2 逆 2
D.容器内气体总压强不再变化
E.容器内混合气体的密度不再变化
③若反应Ⅲ在a点时已达平衡状态，a点CO 转化率高于b点和c点的原因是 。
2
④c点时总压强为0.1 MPa，该反应的平衡常数= MPa-2(用平衡分压代替平衡浓度，分压=总压×物
质的量分数，计算结果用最简分式表示)。
答案 (1)+72.5
(2)①反应Ⅰ ②BE ③该反应为放热反应，c点所在温度高，平衡逆向移动，转化率低于a点；b点所在
25 600
温度低，反应速率慢，相同时间内反应未达到平衡，转化率低于a点 ④
27
解析 (1)根据盖斯定律，反应①+反应②得总反应③，即ΔH =ΔH -ΔH =-87.0 kJ·mol-1-(-159.5
2 3 1
kJ·mol-1)=+72.5 kJ·mol-1。(2)①根据图像分析，相同温度下，CO 转化率最高的为反应Ⅰ，故其催化效果最
2
好。②CO 的质量分数在混合气体中保持不变，即反应体系各组分浓度保持不变，说明反应达到平衡状态，
2
A不合题意；起始时CO 与H 的物质的量之比为1∶3，根据化学方程式可知，转化中CO 与H 的物质的
2 2 2 2
量之比一直为1∶3，故不能说明反应达到平衡状态，B符合题意；当3v (CO )=v (H )时，正、逆反应速
正 2 逆 2
率相等，反应达到化学平衡状态，C不合题意；反应过程中气体的物质的量发生改变，故容器内气体总压
强发生改变，当容器内压强不再变化时说明反应达到平衡状态，D不合题意；反应过程中气体的质量不变，
容器的体积不变，即容器内混合气体的密度一直不变，故混合气体的密度不再变化不能说明反应达到平衡
2
状态，E符合题意。④c点时总压强为0.1 MPa，且c点CO 的转化率为 ，列三段式分析：
2 3
CO (g)+3H (g) CH OH(g)+H O(g)
2 2 3 2
起始量/mol 1 3 0 0
2 2 2
转化量/mol 2
3 3 31 2 2
平衡量/mol 1
3 3 3
1
1
1 2 2 8 3 1
则平衡体系中气体的总物质的量为( +1+ + ) mol= mol，p(CO )= ×0.1 MPa= MPa，p(H )=8×0.1
3 3 3 3 2 8 80 2
3
3
2
3 3 2
MPa= MPa，p(CH OH)=p(H O)= ×0.1 MPa= MPa，所以反应的化学平衡常数为K =
80 3 2 8 80 p
3
2 2
MPa× MPa
p(CH OH)·p(H O) 80 80 25 600
3 2
= = MPa-2。
p(CO 2 )·p3 (H 2 ) 1 MPa×( 3 MPa) 3 27
80 80
3.(14分)(2024·江西九江高三二模)CO 与H 反应合成HCOOH，是实现“碳中和”的有效途径。
2 2
(1)已知：
CO (g)+H (g) HCOOH(g) ΔH= 。
2 2
(2)在催化作用下，温度为T ℃时，将一定量CO 和H 充入密闭容器中发生如下反应：
1 2 2
主反应Ⅰ：CO (g)+H (g) HCOOH(g) K=α；
2 2
副反应Ⅱ：CO (g)+H (g) CO(g)+H O(g) ΔH=+41.2 kJ·mol-1。
2 2 2
①如图是不同催化剂电化学还原CO 生产HCOOH的催化性能及机理，并通过DFT计算催化剂表面该还原
2
过程的物质的相对能量，如图所示(带“*”表示物质处于吸附态)。
电化学还原CO 生产HCOOH，使用 作催化剂较优。
2
②实验测得反应Ⅰ：v =k c(CO )·c(H )，v =k c(HCOOH)，k 、k 为速率常数。温度为T ℃时，k
正 正 2 2 逆 逆 正 逆 2 正
=0.8αk ，则T (填“大于”“小于”或“等于”)T ，判断依据是 。
逆 2 1
③实验测得平衡时CO 的转化率及HCOOH和CO的选择性(产物的选择性：生成的HCOOH或CO与转化
2
的CO 的比值)随温度变化如图所示。
2曲线b表示 ，200~360 ℃，升高温度曲线b对应纵坐标值减小的原因是 。
240 ℃时，平衡体系中氢气的分压为p kPa，主反应Ⅰ的K = kPa-1(用x、y、p 表示)。
0 p 0
答案 (1)-31.4 kJ·mol-1 (2)①BiIn ②大于 K(T )=0.8α<K(T )=α，该反应ΔH<0，温度越高，K越小
2 1
y(1-x)
③CO 的转化率 升高温度，反应Ⅰ平衡逆向移动程度大于反应Ⅱ平衡正向移动程度
2 (1- y)p
0
解析 (1)由盖斯定律得ΔH=(283.0-241.8-72.6) kJ·mol-1=-31.4 kJ·mol-1。(2)①由图可知BiIn作催化剂较优，
它对应的反应历程活化能最小，化学反应速率最快。③温度相同时，CO和HCOOH的选择性相加为1，同
时主反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，HCOOH选择性下降，即曲线a为HCOOH的选择性，
曲线c为CO的选择性，曲线b为CO 的转化率；200~360 ℃，升高温度曲线b对应纵坐标值减小，是因为
2
反应Ⅰ平衡逆向移动程度大于反应Ⅱ平衡正向移动程度；由图可知240 ℃时，CO 转化率为y，CO的选择
2
性为x，则HCOOH的选择性为1-x，设投入的CO 物质的量为a mol，可得
2
CO (g) + H (g) HCOOH(g)
2 2
起始/mol
转化/mol ay(1-x) ay(1-x) ay(1-x)
平衡/mol ay(1-x)
CO (g) + H (g) CO(g) + H O(g)
2 2 2
起始/mol
转化/mol ayx ayx ayx ayx
平衡/mol ayx ayx
平衡时，n(CO )=[a(1-y)] mol，n(HCOOH)=[ay(1-x)]mol，设总物质的量为n mol，总压强为p kPa，可得
2 总 总
ay(1-x)
p
n 总 y(1-x)
K = 总 kPa-1= kPa-1。
p a(1- y) (1- y)p
p ×p 0
n 总 0
总
4.(16分)CH
4
是重要的资源，CH 4⁃H
2
O催化重整不仅可制得H
2
，还对温室气体的减排具有重要意义。工业
上常用甲烷水蒸气重整制备氢气，体系中发生如下反应：
Ⅰ.CH (g)+H O(g) CO(g)+3H (g) ΔH =+205.8 kJ·mol-1
4 2 2 1
Ⅱ.CO(g)+H O(g) H (g)+CO (g) ΔH =-41.2 kJ·mol-1
2 2 2 2
总反应：Ⅲ.CH (g)+2H O(g) CO (g)+4H (g) ΔH
4 2 2 2 3
(1)反应Ⅲ的ΔH = ；该反应自发进行的条件是 。
3
(2)常向反应体系中通入一定比例的O ，有利于重整反应。试从能量角度分析其原因： ；
2
进料中氧气量不能过大，原因是 。
(3)生产中向重整反应体系中加入适量多孔CaO，其优点是 。
(4)在8 MPa、840 ℃条件下，甲烷水蒸气重整反应达到平衡时体系中各组分摩尔分数与投料水碳比[
n(H O) n
2 ]的计算结果如图所示。(物质i的摩尔分数x= i )
n(CH ) i n
4 总
①曲线②④分别代表体系中 、 的变化曲线(填化学式)。
②投料水碳比为4时，反应Ⅲ的平衡常数K = (以分压表示，分压=总压×物质的量分数，结果保
p
留3位有效数字)。
答案 (1)+164.6 kJ·mol-1 高温 (2)O 与CO反应为放热反应，温度高有利于重整反应的进行 如果O 的
2 2
量过大，可能会与H 反应，降低产率 (3)CaO与CO 反应生成CaCO ，多孔CaO与CO 接触面积大，吸
2 2 3 2
收CO 速率快，使得反应Ⅱ和Ⅲ正向进行，提高氢气的产率同时为反应提供热能 (4)①CH CO
2 4 2
②4.67 MPa2
解析 (1)根据盖斯定律，反应Ⅰ+反应Ⅱ得到反应Ⅲ，ΔH =ΔH +ΔH =(+205.8-41.2) kJ·mol-1=+164.6
3 1 2
kJ·mol-1，反应Ⅲ的ΔH>0，ΔS>0，则高温下，ΔG=ΔH-TΔS<0，即高温条件下自发进行。(4)水碳比[
n(H O) n(H O)
2 2
]增加，H O增加，提高CH 转化率，但H O转化率降低，故随水碳比[ ]增加升高最明显
n(CH ) 2 4 2 n(CH )
4 4
的①是H O，降低明显的②是CH ，水碳比较大时，CO会与H O进一步反应生成H ，使CO摩尔分数降
2 4 2 2
低，CO 摩尔分数升高，故③为CO，④为CO 。②根据反应Ⅲ，p(H O)=0.48×8 MPa，p(H )=0.36×8 MPa，
2 2 2 2
p4 (H )·p(CO ) (0.36×8 MPa) 4×(0.053×8 MPa)
2 2
p(CH )=p(CO )=0.053×8 MPa，K = = ≈4.67
4 2 p p(CH )·p2 (H O) (0.053×8 MPa)×(0.48×8 MPa) 2
4 2
MPa2。
