2023年高考化学二轮复习(新高考版) 专题15 速率常数、平衡常数的分析应用
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[复习目标] 1.了解速率常数、平衡常数的关系。2.掌握化学平衡常数的计算。
1.化学平衡常数
(1)意义:化学平衡常数K表示反应进行的程度,K越大,反应进行的程度越大。K>105时,可以认为该反应已经进行完全。K的大小只与温度有关。
(2)化学平衡常数表达式:对于可逆化学反应mA(g)+nB(g)pC(g)+qD(g)在一定温度下达到化学平衡时,K=。另可用压强平衡常数表示:Kp=[p(C)为平衡时气体C的分压]。
(3)依据化学方程式计算平衡常数
①同一可逆反应中,K正·K逆=1。
②同一方程式中的化学计量数等倍扩大或缩小n倍,则新平衡常数K′与原平衡常数K间的关系是K′=Kn或K′=。
③几个可逆反应方程式相加,得总方程式,则总反应的平衡常数等于各分步反应平衡常数之积。
2.转化率、产率及分压的计算
反应物的转化率=×100%
产物的产率=×100%
分压=总压×物质的量分数
3.常用的气体定律
同温同体积:p(前)∶p(后)=n(前)∶n(后)
同温同压强:===
4.速率常数与化学平衡常数关系的应用
温度为T1,在三个容积均为1 L的恒容密闭容器中仅发生反应CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH=+206.3 kJ·mol-1,该反应中,正反应速率为v正=k正 c(CH4)·c(H2O),逆反应速率为v逆=k逆c(CO)·c3(H2),k正、k逆为速率常数,受温度影响。
已知T1时,k正=k逆,则该温度下,平衡常数K1=____;当温度改变为T2时,若k正=1.5k逆,则T2______(填“>”“=”或“<”)T1。
1.[2020·全国卷Ⅰ,28(2)(3)(4)]硫酸是一种重要的基本化工产品,接触法制硫酸生产中的关键工序是SO2的催化氧化:SO2(g)+O2(g)SO3(g) ΔH=-98 kJ·mol-1。回答下列问题:
(2)当SO2(g)、O2(g)和N2(g)起始的物质的量分数分别为7.5%、10.5%和82%时,在0.5 MPa、2.5 MPa和5.0 MPa压强下,SO2平衡转化率α随温度的变化如图1所示。反应在5.0 MPa、550 ℃时的α=__________,判断的依据是___________________________________。
影响α的因素有__________________________________________________________。
(3)将组成(物质的量分数)为2m% SO2(g)、m% O2(g)和q% N2(g)的气体通入反应器,在温度t、压强p条件下进行反应。平衡时,若SO2转化率为α,则SO3压强为__________________,平衡常数Kp=__________________(以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(4)研究表明,SO2催化氧化的反应速率方程为:v=k(-1)0.8(1-nα′)。式中:k为反应速率常数,随温度t升高而增大;α为SO2平衡转化率,α′为某时刻SO2转化率,n为常数。在α′=0.90时,将一系列温度下的k、α值代入上述速率方程,得到v~t曲线,如图2所示。
曲线上v最大值所对应温度称为该α′下反应的最适宜温度tm。t
________________________________________________________________________。
2.[2020·全国卷Ⅱ,28(1)]乙烷在一定条件可发生如下反应:C2H6(g)===C2H4(g)+H2(g) ΔH1,相关物质的燃烧热数据如下表所示:
物质
C2H6(g)
C2H4(g)
H2(g)
燃烧热ΔH/
(kJ·mol-1)
-1 560
-1 411
-286
①ΔH1=________ kJ·mol-1。
②提高该反应平衡转化率的方法有________________、________________。
③容器中通入等物质的量的乙烷和氢气,在等压下(p)发生上述反应,乙烷的平衡转化率为α。反应的平衡常数Kp=______________(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
3.(2020·全国卷Ⅲ,28)二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用CO2的热点研究领域。回答下列问题:
(1)CO2催化加氢生成乙烯和水的反应中,产物的物质的量之比n(C2H4)∶n(H2O)=__________。当反应达到平衡时,若增大压强,则n(C2H4)____________(填“变大”“变小”或“不变”)。
(2)理论计算表明,原料初始组成n(CO2)∶n(H2)=1∶3,在体系压强为0.1 MPa,反应达到平衡时,四种组分的物质的量分数x随温度T的变化如图所示。
图中,表示C2H4、CO2变化的曲线分别是__________、__________。CO2催化加氢合成C2H4反应的ΔH____0(填“大于”或“小于”)。
(3)根据图中点A(440,0.39),计算该温度时反应的平衡常数Kp=____________(MPa)-3(列出计算式。以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应,生成C3H6、C3H8、C4H8等低碳烃。一定温度和压强条件下,为了提高反应速率和乙烯选择性,应当_____________________。
4.(2019·海南,14)由γ-羟基丁酸生成γ-丁内酯的反应如下:
在298 K下,γ-羟基丁酸水溶液的初始浓度为0.180 mol·L-1,测得γ-丁内酯的浓度随时间变化的数据如表所示。回答下列问题:
t/min
21
50
80
100
120
160
220
∞
c/(mol·
L-1)
0.024
0.050
0.071
0.081
0.090
0.104
0.116
0.132
(1)该反应在50~80 min内的平均反应速率为________mol·L-1·min-1。
(2)120 min时γ-羟基丁酸的转化率为___________________________________________。
(3)298 K时该反应的平衡常数K=_____________________________________________。
(4)为提高γ-羟基丁酸的平衡转化率,除适当控制反应温度外,还可采取的措施是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
5.[2019·全国卷Ⅰ,28(1)(2)(4)]水煤气变换[CO(g)+H2O(g)===CO2(g)+H2(g) ΔH<0]是重要的化工过程,主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。
回答下列问题:
(1)Shibata曾做过下列实验:①使纯H2缓慢地通过处于721 ℃下的过量氧化钴 CoO(s),氧化钴部分被还原为金属钴Co(s),平衡后气体中H2的物质的量分数为0.025 0。
②在同一温度下用CO还原CoO(s),平衡后气体中CO的物质的量分数为0.019 2。
根据上述实验结果判断,还原CoO(s)为Co(s)的倾向是CO______H2(填“大于”或“小于”)。
(2)721 ℃时,在密闭容器中将等物质的量的CO(g)和H2O(g)混合,采用适当的催化剂进行反应,则平衡时体系中H2的物质的量分数为__________(填标号)。
A.<0.25 B.0.25 C.0.25~0.50 D.0.50 E.>0.50
(4)Shoichi研究了467 ℃、489 ℃时水煤气变换中CO和H2分压随时间变化关系(如图所示),催化剂为氧化铁,实验初始时体系中的和pCO相等、和相等。
计算曲线a的反应在30~90 min内的平均速率(a)=________ kPa·min-1。467 ℃时pH2和pCO随时间变化关系的曲线分别是________、________。489 ℃时和pCO随时间变化关系的曲线分别是______、______。
6.[2019·全国卷Ⅱ,27(2)(3)改编]环戊二烯()是重要的有机化工原料,广泛用于农药、橡胶、塑料等生产。回答下列问题:
(2)某温度,等物质的量的碘和环戊烯()在刚性容器内发生反应[(g)+I2(g)===(g)+2HI(g) ΔH=+89.3 kJ·mol-1],起始总压为105 Pa,平衡时总压增加了20%,环戊烯的转化率为________,该反应的平衡常数Kp=________Pa。达到平衡后,欲增加环戊烯的平衡转化率,可采取的措施有________(填标号)。
A.通入惰性气体
B.提高温度
C.增加环戊烯浓度
D.增加碘浓度
(3)环戊二烯容易发生聚合生成二聚体,该反应为可逆反应。不同温度下,溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图所示,下列说法正确的是______(填标号)。
A.T1>T2
B.a点的反应速率小于c点的反应速率
C.a点的正反应速率大于b点的逆反应速率
D.b点时二聚体的浓度为0.45 mol·L-1
7.[2022·全国乙卷,28(3)(4)]油气开采、石油化工、煤化工等行业废气普遍含有硫化氢,需要回收处理并加以利用。回答下列问题:
(3)在1 470 K、100 kPa反应条件下,将n(H2S)∶n(Ar)=1∶4的混合气进行H2S热分解反应。平衡时混合气中H2S与H2的分压相等,H2S平衡转化率为__________,平衡常数Kp=__________ kPa。
(4)在1 373 K、100 kPa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图所示。
①n(H2S)∶n(Ar)越小,H2S平衡转化率__________,理由是_______________________
________________________________________________________________________。
②n(H2S)∶n(Ar)=1∶9对应图中曲线________,计算其在0~0.1 s之间,H2S分压的平均变化率为__________ kPa·s-1。
8.(2022·山东,20)利用γ-丁内酯(BL)制备1,4-丁二醇(BD),反应过程中伴有生成四氢呋喃(THF)和1-丁醇(BuOH)的副反应,涉及反应如下:
已知:①反应Ⅰ为快速平衡,可认为不受慢反应Ⅱ、Ⅲ的影响;②因反应Ⅰ在高压H2氛围下进行,故H2压强近似等于总压。回答下列问题:
(1)以5.0×10-3 mol BL或BD为初始原料,在493 K、3.0×103 kPa的高压H2氛围下,分别在恒压容器中进行反应。达平衡时,以BL为原料,体系向环境放热X kJ;以BD为原料,体系从环境吸热Y kJ。忽略副反应热效应,反应Ⅰ焓变ΔH(493 K,3.0×103 kPa)=________kJ·mol-1。
(2)初始条件同上。xi表示某物种i的物质的量与除H2外其他各物种总物质的量之比,xBL和xBD随时间t变化关系如图甲所示。实验测得X
(3)(xBD/xBL)max为达平衡时xBD与xBL的比值。(493 K,2.5×103 kPa)、(493 K,3.5×103 kPa)、(513 K,2.5×103 kPa)三种条件下,以5.0×10-3 mol BL为初始原料,在相同体积的刚性容器中发生反应,随时间t变化关系如图乙所示。因反应在高压H2氛围下进行,可忽略压强对反应速率的影响。曲线a、b、c中,(xBD/xBL)max最大的是________(填代号);与曲线b相比,曲线c达到=1.0所需时间更长,原因是____________________________。
考向一 连续反应、竞争反应平衡常数的计算
1.加热N2O5依次发生的分解反应为①N2O5(g)N2O3(g)+O2(g),②N2O3(g)N2O(g)+O2(g)。在容积为2 L的密闭容器中充入8 mol N2O5,加热到t ℃,达到平衡状态后O2为9 mol,N2O3为3.4 mol。则t ℃时反应①的平衡常数为( )
A.10.7 B.8.5
C.9.6 D.10.2
考向二 分压常数的计算
2.CO2和CH4在一定条件下反应可制得合成气。在1.0 L密闭容器中充入1.0 mol CH4和1.0 mol CO2,在一定条件下发生反应:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),测得CH4的平衡转化率与温度及压强的关系如图所示。
(1)比较压强大小:p1__________(填“>”“<”或“=”)p3。
(2)若要提高CH4的平衡转化率,可采取的措施有___________________________________
_______________________________________________________________(写出两条即可)。
(3)若p4=2.0 MPa,则x点的平衡常数Kp=__________(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)。
考向三 化学平衡常数与数学对数的结合
3.乙苯脱氢反应为(g)(g)+H2(g) ΔH>0。其速率方程式为v正=k正p乙苯,v逆=k逆p苯乙烯·p氢气(k正、k逆为速率常数,只与温度有关),图中③代表lg k逆随的变化关系,则能代表lg k正随的变化关系的是________(填序号)。
4.T ℃时,2NO2(g)N2O4(g),该反应正、逆反应速率与浓度的关系为v正=k正c2(NO2),v逆=k逆c(N2O4)(k正、k逆为速率常数)。
(1)图中表示lg v逆~lg c(N2O4)的线是______(填“m”或“n”)。
(2)T ℃时,向刚性容器中充入一定量NO2气体,平衡后测得c(N2O4)为1.0 mol·L-1,则平衡时,v正=______(用含a的表达式表示)。
(3)T ℃时,向2 L的容器中充入5 mol N2O4气体和1 mol NO2气体,此时v正____(填“>”“<”或“=”)v逆。
考向四 速率常数的应用
5.在没有NOx催化时,O3的分解可分为以下两步反应进行:
①O3===O+O2(慢) ②O+O3===2O2(快)
第一步的速率方程为v1=k1c(O3),第二步的速率方程为v2=k2c(O3)·c(O)。其中O为活性氧原子,它在第一步慢反应中生成,然后又很快的在第二步反应中消耗,因此,我们可以认为活性氧原子变化的速率为零。请用k1、k2组成的代数式表示c(O)=________。
6.已知过氧化氢是一种极弱的二元酸:H2O2H++HO(Ka1=2.4×10-12)。当稀H2O2溶液在碱性环境下分解时会发生反应H2O2+OH-HO+H2O,该反应中,正反应速率为v正=k正·c(H2O2)·c(OH-),逆反应速率为v逆=k逆·c(H2O)·c(HO),其中k正、k逆为速率常数,则k正与k逆的比值为____________(保留3位有效数字)。
高考化学一轮复习讲练 第7章 专项提能特训16 速率常数与化学平衡常数综合分析 (含解析): 这是一份高考化学一轮复习讲练 第7章 专项提能特训16 速率常数与化学平衡常数综合分析 (含解析),共5页。
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2023年高考化学二轮复习(新高考版)专题15速率常数、平衡常数的分析应用(教师版): 这是一份2023年高考化学二轮复习(新高考版)专题15速率常数、平衡常数的分析应用(教师版),共23页。