高考化学答题技巧之化学反应原理 题型二 反应速率及速率常数的计算(原卷版)Word（27页）

题型二 反应速率及速率常数的计算 最基本的方法模式是“平衡三段式法”。具体步骤是在化学方程式下写出有关物质起始时的物质的量、 发生转化的物质的量、平衡时的物质的量(也可以是物质的量浓度或同温同压下气体的体积)，再根据题意 列式求解。 mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g) n(起始)/mol a b 0 0 n(转化)/mol mx nx px qx n(平衡)/mol a－mx b－nx px qx 起始、转化、平衡是化学平衡计算的“三步曲”。 一、有关化学反应速率计算公式的理解 对于反应mA(g)＋nB(g)===cC(g)＋dD(g) 化学反应速率为高考的重点考查内容，分定性和定量两个方面。定性方面为化学反应速率概 念的分析及外界条件改变对化学反应速率结果的判断；定量方面为有关反应速率的计算和比较； 近年高考中，化学常涉及化学反应速率常数相关试题。速率常数虽然在高中教材中未曾提及，但 近几年高考中，对速率常数和速率方程的考查成为新宠，此类试题主要考查考生知识获取能力、 “变化观念与平衡思想”和“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养，要求考生有较强的信 息整理能力，认识到化学反应速率是可以调控的，能够多角度、动态地分析化学变化，通过数据 分析推理，建立认知模型，并运用认知模型解释变化的规律。 (1)计算公式：v(A)＝ Δc( A) Δt = Δn( A) V⋅Δt (2)同一反应用不同的物质表示反应速率时，数值可能不同，但意义相同。不同物质表示的反应速率， 存在如下关系：v(A)∶v(B)∶v(C)∶v(D)＝m∶n∶c∶d (3)注意事项 ①浓度变化只适用于气体和溶液中的溶质，不适用于固体和纯液体 ②化学反应速率是某段时间内的平均反应速率，而不是瞬时速率，且计算时取正值 二、转化率及其计算 1．明确三个量——起始量、变化量、平衡量 N2 ＋ 3H2 2NH3 起始量 1 3 0 变化量 a b c 平衡量 1－a 3－b c ①反应物的平衡量＝起始量－转化量。 ②生成物的平衡量＝起始量＋转化量。 ③各物质变化浓度之比等于它们在化学方程式中化学计量数之比。变化浓度是联系化学方程式、平衡 浓度、起始浓度、转化率、化学反应速率的桥梁。因此抓住变化浓度是解题的关键。 2．掌握四个公式 (1)反应物的转化率＝×100%＝×100%。 (2)生成物的产率：实际产量(指生成物)占理论产量的百分数。一般来讲，转化率越大，原料利用率越 高，产率越大。产率＝×100%。 (3)平衡时混合物组分的百分含量＝×100%。 (4)某组分的体积分数＝×100%。 3．答题模板 反应：mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)，令A、B 起始物质的量分别为a mol、b mol，达到平衡后， A 的转化量为mx mol，容器容积为V L，则有以下关系： mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g) 起始/mol a b 0 0 转化/mol mx nx px qx 平衡/mol a－mx b－nx px qx 对于反应物：n(平)＝n(始)－n(转) 对于生成物：n(平)＝n(始)＋n(转) 则有：①K＝ ②c 平(A)＝ mol·L－1 ③α(A)平＝×100%，α(A)∶α(B)＝∶＝ ④φ(A)＝×100% ⑤＝ ⑥混＝ g·L－1[其中M(A)、M(B)分别为A、B 的摩尔质量] ⑦平衡时体系的平均摩尔质量： ＝ g·mol－1 三、化学反应速率常数及应用 1．速率常数含义：反应速率常数(k)是指在给定温度下，反应物浓度皆为1 mol·L－1时的反应速率。在 相同的浓度条件下，可用反应速率常数大小来比较化学反应的反应速率 2．速率常数的影响因素：与浓度无关，但受温度、催化剂、固体表面性质等因素的影响，但温度对 化学反应速率的影响是显著的，速率常数是温度的函数，同一反应，温度不同，速率常数将有不同的值， 一般温度越高，反应速率常数越大。通常反应速率常数越大，反应进行得越快。不同反应有不同的速率常 数 3．速率方程 (1)定义：一定温度下，化学反应速率与反应物浓度以其计量数为指数的幂的乘积成正比 (2)表达式：对于反应：aA(g)＋bB(g) gG(g)＋hH(g)，则v 正＝k 正·ca(A)·cb(B)(其中k 正为正反应的 反应速率常数)，v 逆＝k 逆·cg(G)·ch(H)(其中k 逆为逆反应的反应速率常数) 如：反应：2NO2(g) 2NO(g)＋O2(g)，v 正＝k 正·c2(NO2)，v 逆＝k 逆·c2(NO)·c(O2)。 4．速率常数与化学平衡常数之间的关系 (1)K 与k 正、k 逆的关系 对于反应：aA(g)＋bB(g) pC(g)＋qD(g)， 则：v 正＝k 正·ca(A)·cb(B) (k 正为正反应速率常数) v 逆＝k 逆·cp(C)·cq(D) (k 逆为逆反应速率常数) 反应达到平衡时v 正＝v 逆，此时：k 正·ca(A)·cb(B)=k 逆·cp(C)·cq(D)⇒ k 正 k 逆 =c p(C )⋅cq( D) ca( A)⋅cb(B) =K ，即： K= k 正 k 逆 (2)Kp与k 正、k 逆的关系 以2NO N2O4为例，v 正＝k 正·p2(NO2)，v 逆＝k 逆·p(N2O4) 反应达到平衡时v 正＝v 逆，此时：k 正·p2(NO2)＝k 逆·p(N2O4)⇒＝＝Kp，即：Kp＝ 5．速率常数与反应级数 一定温度下，化学反应速率与反应物浓度以其计量数为指数的幂的乘积成正比。 对于基元反应aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g)，其速率方程可表示为v＝k·ca(A)·cb(B)，a、b 称为反应 的分级数，分别表示物质A 和B 的浓度 对反应速率的影响程度。分级数之和(a+b)则称为反应的总级数，简称反应级数。 反应级数可由实验数据计算得到，可以是正数、负数或零、也可以是分数(反应级数为负数的反应及其 罕见)，若反应级数为零，则反应物的浓度不影响反应速率。 1．(2023•山东卷，20 节选)一定条件下，水气变换反应CO+H2O CO2+H2的中间产物是 HCOOH。为探究该反应过程，研究 水溶液在密封石英管中的分子反应： Ⅰ．HCOOH CO+H2O(快) Ⅱ．HCOOH CO2+H2(慢) (2)反应Ⅰ正反应速率方程为： ，k 为反应速率常数。T1温度下，HCOOH 电离 平衡常数为Ka，当HCOOH 平衡浓度为x mol·L-1时，H+浓度为_____ mol·L-1，此时反应Ⅰ应速率 _____ mol·L-1·h -1 (用含Ka、x 和k 的代数式表示)。 2．(2023•全国甲卷，28 节选)(2)电喷雾电离等方法得到的M+(Fe+、C o+、Ni+等)与O3反应可得MO+。 MO+与CH4反应能高选择性地生成甲醇。分别在300K 和310K 下(其他反应条件相同)进行反应MO++CH4= M++CH3OH，结果如下图所示。图中300K 的曲线是_______(填“a”或“b”。 300K、60s 时MO+的转化率为 _______(列出算式)。 3．(2023•广东卷，19 节选)(4)R 的衍生物L 可用于分离稀土。溶液中某稀土离子(用M 表示)与L 存在 平衡： M+L ML K1 ML+L ML2 K2 研究组用吸收光谱法研究了上述反应中M 与L 反应体系。当c0(L)=1.0×10-5mol·L-1时，测得平衡时各 物种c 平/ c0(L)随c0(M)/ c0(L)的变化曲线如图。c0(M)/ c0(L)=0.51 时，计算M 的平衡转化率 (写出计算 过程，结果保留两位有效数字)。 4．(2022·全国乙卷)油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有的硫化氢，需要回收处理并加 以利用。 H2S 热分解反应：2H2S(g)===S2(g)＋2H2 ΔH4＝170kJ·mol－1 在1373K、100kPa 反应条件下，对于n(H2S)：n(Ar)分别为4：1、1：1、1：4、1：9、1：19 的H2S－ Ar 混合气，热分解反应过程中H2S 转化率随时间的变化如下图所示。 (1)n(H2S)：n(Ar)越小，H2S 平衡转化率________，理由是_______________________________________ _ (2)n(H2S)：n(Ar)＝1：9 对应图中曲线________，计算其在0~0.1s 之间，H2S 分压的平均变化率为____ _kPa·s－1 5．(2022·海南卷)某空间站的生命保障系统功能之一是实现氧循环，其中涉及反应：CO2(g)＋4H2(g) 催化剂 CH4(g)＋2H2O(g) (1)某研究小组模拟该反应，温度t 下，向容积为10L 的抽空的密闭容器中通入0.1 mol CO2和0.1 mol H2，反应平衡后测得容器中n(CH4)＝0.05 mol。则CO2的转化率为_______ (2)在相同条件下，CO2(g)与H2(g)还会发生不利于氧循环的副反应 CO2(g)＋3H2(g) 催化剂 CH3OH(g)＋H2O(g)，在反应器中按n(CO2)：n(H2)＝1：4 通入反应物，在不 同温度、不同催化剂条件下，反应进行到2min 时，测得反应器中CH3OH、CH4浓度(μmol·L－1)如下表所 示 催化剂 t＝350℃ t＝400℃ c(CH3OH) c(CH4) c(CH3OH) c(CH4) 催化剂I 10.8 12722 345.2 42780 催化剂II 9.2 10775 34 38932 在选择使用催化剂Ⅰ和350℃条件下反应，0~2min 生成CH3OH 的平均反应速率为_______μmol·L－ 1·min－1；若某空间站的生命保障系统实际选择使用催化剂Ⅱ和400℃的反应条件，原因是_______________ _____________ 6．(2022·河北卷)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．CH4(g)＋H2O(g) CO(g)＋3H2(g) Ⅱ．CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) (1)下列操作中，能提高CH4(g)平衡转化率的是_______ A．增加CH4(g)用量 B．恒温恒压下通入惰性气体 C．移除CO(g) D．加入催化剂 (2)恒温恒压条件下，1mol CH4(g)和1mol H2O(g)反应达平衡时，CH4(g)的转化率为α，CO2(g)的物质的 量为b mol，则反应Ⅰ的平衡常数Kx＝_______ (写出含有a、b 的计算式；对于反应mA(g)＋nB(g) pC(g)＋qD(g)， ，x 为物质的量分数)。其他条件不变，H2O(g)起始量增加到5 mol，达 平衡时，α＝0.90，b＝0.65，平衡体系中H2(g)的物质的量分数为_______(结果保留两位有效数字) 7．(2021·全国甲卷)二氧化碳催化加氢制甲醇，有利于减少温室气体二氧化碳。二氧化碳加氢制甲醇 的总反应可表示为：CO2＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－49 kJ·mol－1 合成总反应在起始物＝3 时，在不同条件下达到平衡，设体系中甲醇的物质的量分数为x(CH3OH)，在 t＝250 ℃下的x(CH3OH)～p、在p＝5×105 Pa 下的x(CH3OH)～t 如图所示。 (1)用各物质的平衡分压表示总反应的平衡常数，表达式Kp＝________________； (2)当x(CH3OH)＝0.10 时，CO2的平衡转化率α＝________，反应条件可能为_____________或_______ _______。 8．(2021·湖南卷)某兴趣小组对该反应进行了实验探究。在一定温度和催化剂的条件下，将0.1 mol NH3通入3 L 的密闭容器中进行反应(此时容器内总压为200 kPa)，各物质的分压随时间的变化曲线如图所 示。 (1)若保持容器容积不变，t1时反应达到平衡，用H2的浓度变化表示0～t1时间内的反应速率v(H2)＝ ________mol·L－1·min－1(用含t1的代数式表示) (2)在该温度下，反应的标准平衡常数K⊖＝________[已知：分压＝总压×该组分物质的量分数，对于反 应dD(g)＋eE(g) gG(g)＋hH(g) K⊖＝，其中p⊖＝100 kPa，pG、pH、pD、pE为各组分的平衡分压] 9．(2021·河北卷)(1)雨水中含有来自大气的CO2，溶于水中的CO2进一步和水反应，发生电离： ①CO2(g) CO2(aq) ②CO2(aq)＋H2O(l) H＋(aq)＋HCO(aq) 25 ℃时，反应②的平衡常数为K2。 溶液中CO2的浓度与其在空气中的分压成正比(分压＝总压×物质的量分数)，比例系数为y mol·L－ 1·kPa－1，当大气压强为p kPa，大气中CO2(g)的物质的量分数为x 时，溶液中H＋浓度为________mol·L－ 1(写出表达式，考虑水的电离，忽略HCO 的电离)。 (2)105 ℃时，将足量的某碳酸氢盐(MHCO3)固体置于真空恒容容器中，存在如下平衡： 2MHCO3(s) M2CO3(s)＋H2O(g)＋CO2(g) 上述反应达平衡时体系的总压为46 kPa。 保持温度不变，开始时在体系中先通入一定量的CO2(g)，再加入足量MHCO3(s)，欲使平衡时体系 中水蒸气的分压小于5 kPa，CO2(g)的初始压强应大于______________kPa 10．(2021·广东省)我国力争于2030 年前做到碳达峰，2060 年前实现碳中和。CH4与CO2重整是CO2利 用的研究热点之一。该重整反应体系主要涉及以下反应： (a)CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g) ΔH1 (b)CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g) ΔH2 (c)CH4(g) C(s)＋2H2(g) ΔH3 (d)2CO(g) CO2(g)＋C(s) ΔH4 (e)CO(g)＋H2(g) H2O(g)＋C(s) ΔH5 设K 为相对压力平衡常数，其表达式写法：在浓度平衡常数表达式中，用相对分压代替浓度。气体 的相对分压等于其分压(单位为kPa)除以p0(p0 ＝100 kPa)，反应a、c、e 的ln K 随(温度的倒数)的变化如 图所示 (1)反应a、c、e 中，属于吸热反应的有________(填字母) (2)反应c 的相对压力平衡常数表达式为K＝________ (3)在图中A 点对应温度下、原料组成为n(CO2)∶n(CH4)＝1∶1、初始总压为100 kPa 的恒容密闭容器 中进行反应，体系达到平衡时H2的分压为40 kPa。计算CH4的平衡转化率，写出计算过程。 11．(2021·湖北卷)(1)在温度为T2时，通入气体分压比为p(C3H8)：p(O2)：p(N2)＝10：5：85 的混合气 体，各组分气体的分压随时间的变化关系如图b 所示。0~1.2s 生成C3H6的平均速率为_______kPa/s，在反 应一段时间后，C3H8和O2的消耗速率比小于2：1 的原因为____________________________ (2)恒温刚性密闭容器中通入气体分压比为p(C3H8)：p(O2)：p(N2)=2：13：85 的混合气体，已知某反应 条件下只发生如下反应(k、k′为速率常数)： 反应II：2C3H8(g)＋O2(g)==2C3H6(g)＋2H2O(g) k 反应III：2C3H6(g)＋9O2(g)==6CO2＋6H2O(g) k′ 实验测得丙烯的净生成速率方程为v(C3H6)= k p(C3H8)—k′p(C3H6)，可推测丙烯的浓度随时间的变化趋 势为________，其理由是________________________________________________。 12．(2021·天津卷)CS2是一种重要的化工原料。工业上可以利用硫(S8)与CH4为原料制备CS2，S8受热 分解成气态S2，发生反应2S2(g)＋CH4(g) CS2(g)＋2H2S(g)，某温度下，若S8完全分解成气态S2。在 恒温密闭容器中，S2与CH4物质的量比为2∶1 时开始反应。 (1)当CS2的体积分数为10%时，CH4的转化率为___________。 (2)当以下数值不变时，能说明该反应达到平衡的是___________(填序号)。 a．气体密度 b．气体总压 c．CH4与S2体积比 d．CS2的体积分数 13．(2023•湖南卷，16 节选)(2)在某温度、 下，向反应器中充入 气态乙苯发生反应 ，其平衡转化率为50%，欲将平衡转化率提高至75%，需要 向反应器中充入_______ 水蒸气作为稀释气(计算时忽略副反应)。 1．(2024·辽宁省朝阳市建平区高三期末节选)(2)H2S 与CO2在高温下发生反应：H2S(g)＋CO2(g) COS(g)＋H2O(g) ΔH＞0。在610K 时，将0.1 mol H2S 与0.3 mol CO2充入2.5L 的空钢瓶中，经过10min 反 应达到平衡，平衡时H2O(g)的物质的量分数为0.125，用H2O(g)的浓度变化表示的反应速率v(H2O)= 。 H2S 的平衡转化率 %。 2．(2024·广东省深圳市高三期末节选)(4)在一个2L 恒容密闭容器中充入1molCH3OH(g)，在催化剂作 用下发生反应： CH3OH(g) HCHO (g)＋H2(g) ΔH＜0 CH3OH(g) CO (g)＋2H2(g) ΔH＞0 在不同温度下连续反应20min 后，测得甲醇的转化率 、甲醛的选择性 与温度的关系如下图所示。 ①600℃时，体系中H2的物质的量为 ， 平均反应速率 mol/(L·min)。 3．N2O4与NO2之间存在反应N2O4(g) 2NO2(g)。将一定量的N2O4放入恒容密闭容器中，在一定 条件下，该反应N2O4、NO2的消耗速率与自身压强间存在关系：v(N2O4)＝k1·p(N2O4)，v(NO2)＝ k2·p2(NO2)，其中k1、k2是与反应温度有关的常数。则一定温度下，k1、k2与平衡常数Kp的关系是k1＝ ________。 4．(2024·云南师大附中高三适应性考试节选) (3)恒温、恒容密闭容器中加入CO2、H2，其分压分别为 15kPa、50kPa，加入某催化剂使其发生CO2甲烷化反应：CO2+4H2 CH4+2H2O，研究表明CH4的