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高中化学鲁科版专题复习 专题十五化学反应速率和化学平衡测试题
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专题十五 化学反应速率和化学平衡
考点1 化学反应速率
1.对于反应A(g)+3B(g)2C(g)+2D(g),下列表示中反应速率最快的是( )
A.v(A)=0.8 mol·L-1·s-1
B.v(B)=0.4 mol·L-1·s-1
C.v(C)=0.6 mol·L-1·s-1
D.v(D)=1.8 mol·L-1·min-1
2.已知:X(g)+2Y(g)3Z(g) ΔH=-a kJ·mol-1(a>0)。下列说法错误的是( )
A.达到化学平衡状态时,反应放出的总热量可能达到a kJ
B.升高反应温度,逆反应速率增大,正反应速率减小
C.达到化学平衡状态时,X、Y、Z的浓度不再发生变化
D.0.1 mol X和0.2 mol Y充分反应生成Z的物质的量一定小于0.3 mol
3.利用 CH4可消除NO2的污染,反应原理为CH4(g)+2NO2(g)N2(g)+CO2(g)+2H2O(g),在10 L密闭容器中分别加入0.50 mol CH4和1.2 mol NO2,测得不同温度下n(CH4)随时间变化的有关实验数据如表所示:
组别
n(CH4)/mol温度/K时间/min
0
10
20
40
50
①
T1
0.50
0.35
0.25
0.10
0.10
②
T2
0.50
0.30
0.18
M
0.15
下列说法正确的是( )
A.组别①中0~20 min内, NO2降解速率为0.012 5 mol·L-1·min-1
B.由实验数据可知温度T1 K
D.该反应只有在高温下才能自发进行
4.在容积为2.0 L的密闭容器内,物质D在T ℃时发生反应,其反应物和生成物的物质的量随时间t的变化关系如图,下列叙述错误的是( )
A.从反应开始到第一次达到平衡时,A物质的平均反应速率为0.067 mol·L-1· min-1
B.该反应的平衡常数表达式为K=c2(A)·c(B)c2(D)
C.若在第5分钟时升高温度,则该反应的正反应是吸热反应,反应的平衡常数增大,B的反应速率增大
D.若在第7分钟时增加D的物质的量,A的物质的量变化情况符合b曲线
5.[12分]研究CO、CO2的回收利用既可变废为宝,又可减少碳的排放。
(1)二甲醚(CH3OCH3)被誉为“21世纪的清洁燃料”,由CO和H2制备二甲醚的反应原理如下。
CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH=-90.1 kJ·mol-1
2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH=-24.5 kJ·mol-1
已知:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH=-41.0 kJ·mol-1。
则2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)的ΔH= ,有利于提高该反应中CO2平衡转化率的条件是 (填字母)。
A.高温低压 B.高温高压 C.低温低压 D.低温高压
(2)T1 K时,将1 mol二甲醚充入一个150 L的恒容密闭容器中,发生反应:CH3OCH3(g) CH4(g)+CO(g)+H2(g),在不同时间测定容器内的总压强,所得数据见下表。
反应时间/min
0
6.5
13.0
26.5
52.6
∞
气体总压强/kPa
50.0
55.0
65.0
83.2
103.8
125.0
①由表中数据计算:0~6.5 min内的平均反应速率v(CH3OCH3)= ,反应达平衡时,二甲醚的转化率为 。
②若要缩短该反应达到平衡的时间,可采取的措施有 。(写出两条)
(3)在T2 K、1.0×104 kPa下,等物质的量的CO与CH4发生反应:CO(g)+CH4(g)CH3CHO(g),反应速率v=v正-v逆=k正·p(CO)·p(CH4)-k逆·p(CH3CHO),k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数,p为气体的分压,p总为气体总压强,且p=p总×该气体的体积分数。用气体分压表示的平衡常数Kp=4.5×10-5,则CO的转化率为20%时,v正v逆= 。
考点2 化学平衡状态及化学平衡的移动
6.在373 K时,把0.1 mol N2O4气体通入体积为1 L的恒容密闭容器中,立即出现红棕色。在60 s时,体系已达平衡,此时容器内压强为开始时的1.6倍。下列说法错误的是( )
A.压缩容器,颜色加深
B.在平衡时体系内含N2O4 0.04 mol
C.以N2O4的浓度变化表示的平均反应速率为0.001 mol·L-1·s-1
D.平衡时,如果再充入一定量N2O4,则可提高N2O4的转化率
7. 在一定温度和压强下,向容积可变的密闭容器中通入物质的量相等的X、Y气体,发生反应:X(g)+3Y(g)2Z(g) ΔH=-m kJ·mol-1(m>0)。下列说法正确的是( )
A.密闭容器的体积保持不变,说明反应已达到平衡
B.密闭容器中X的体积分数不变,说明反应已达到平衡
C.反应达到平衡时,X和Y的转化率相等
D.反应达到平衡时,放出的热量不可能为m kJ
8. 将5 mL 0.005 mol·L-1 FeCl3溶液和5 mL 0.015 mol·L-1 KSCN溶液混合,达到平衡后溶液呈红色。再将混合液均分成5份,分别进行如下实验:
实验①:滴加4滴蒸馏水,振荡
实验②:滴加4滴饱和FeCl3溶液,振荡
实验③:滴加4滴1 mol·L-1 KCl溶液,振荡
实验④:滴加4滴1 mol·L-1 KSCN溶液,振荡
实验⑤:滴加4滴6 mol·L-1 NaOH溶液,振荡
下列说法错误的是( )
A.对比实验①和②,证明增加反应物浓度,平衡正向移动
B.对比实验①和③,证明增加生成物浓度,平衡逆向移动
C.对比实验①和④,证明增加反应物浓度,平衡正向移动
D.对比实验①和⑤,证明减少反应物浓度,平衡逆向移动
考点3 化学平衡常数与转化率
9.[双选]一定温度下,在3个容积均为1 L的恒容密闭容器中发生反应:PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g)。下列说法正确的是( )
容器编号
物质的起始浓度/(mol·L-1)
物质的平衡浓度/(mol·L-1)
c(PCl5)
c(PCl3)
c(Cl2)
c(Cl2)
Ⅰ
0.4
0
0
0.2
Ⅱ
1.05
0.05
1.95
Ⅲ
0.8
0
0
A.达平衡时,容器Ⅰ中c(Cl2)c(PCl5)比容器Ⅱ中的大
B.达平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为6∶31
C.达平衡时,容器Ⅲ中Cl2体积分数大于13
D.达平衡时,容器Ⅲ中0.4 mol·L-1
A.实验c条件下,从反应开始至达到平衡时v(AX3)=2.0×10-4 mol·L-1·min-1
B.实验a条件下,用浓度表示的平衡常数为100
C.该反应的ΔH>0
D.比较实验a、c可得出升高温度反应速率加快
11.[8分]碳及其化合物广泛存在于自然界。请回答下列问题:
(1)反应Ⅰ:Fe(s)+CO2(g)FeO(s)+CO(g) ΔH1 平衡常数为K1
反应Ⅱ:Fe(s)+H2O(g)FeO(s)+H2(g) ΔH2 平衡常数为K2
不同温度下, K1、K2的值如下表:
T/K
K1
K2
973
1.47
2.38
1 173
2.15
1.67
现有反应Ⅲ:H2(g)+CO2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH3,结合上表数据,反应Ⅲ是 (填“放热”或“吸热”)反应,为提高 CO2的转化率可采取的措施有
(写出任意两条)。
(2)已知CO2催化加氢合成乙醇的反应原理为2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g) ΔH<0。设m为起始时的投料比,即m=n(H2)/n(CO2)。
①图1中投料比相同,温度从高到低的顺序为 。
②图2中 m1、m2、m3从大到小的顺序为 。
③图3表示在总压为5 MPa的恒压条件下,且m=3时,平衡状态时各物质的物质的量分数与温度的关系。则曲线d代表的物质的化学名称为 ,T4 K时,该反应的平衡常数Kp的计算式为 。
一、选择题(每小题6分,共12分)
1. 335 ℃时,在恒容密闭反应器中1.00 mol C10H18(l)催化脱氢的反应过程如下:
反应1:C10H18(l)C10H12(l)+3H2(g) ΔH1
反应2:C10H12(l)C10H8(l)+2H2(g) ΔH2
测得C10H12和C10H8的产率x1和x2(以物质的量分数计)随时间的变化关系及反应过程中能量的变化如图所示。下列说法错误的是( )
A.使用催化剂能改变反应历程
B.更换催化剂后ΔH1、ΔH2也会随之改变
C.8 h时,反应1、2都未处于平衡状态
D.x1显著低于x2,是由于反应2的活化能比反应1的小,反应1生成的C10H12很快转变成C10H8
2.已知:2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO42MnSO4+K2SO4 +10CO2↑+8H2O。某化学小组欲探究H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液反应过程中浓度、温度对化学反应速率的影响,进行了如下实验(忽略溶液体积变化):
编号
0.01 mol·L-1酸性KMnO4溶液体积/mL
0.1 mol·L-1H2C2O4
溶液体积/mL
水的体
积/mL
反应温
度/℃
反应时
间/min
Ⅰ
2
2
0
20
2.1
Ⅱ
V1
2
1
20
5.5
Ⅲ
V2
2
0
50
0.5
下列说法不正确的是( )
A.V1=1,V2=2
B.设计实验Ⅰ、Ⅲ的目的是探究温度对反应速率的影响
C.实验计时是从溶液混合开始,溶液呈紫红色时结束
D.实验Ⅲ中用酸性KMnO4溶液的浓度变化表示的反应速率v(KMnO4)=0.01 mol·L-1·min-1
二、非选择题(共29分)
3.[14分]减少CO2排放是一项重要课题。CO2经催化加氢可以生成低碳有机物,主要有以下反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.6 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH3OCH3(g)+H2O(g)2CH3OH(g) ΔH2=+23.4 kJ·mol-1
反应Ⅲ:2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH3
(1)ΔH3= kJ·mol-1。
(2)恒温恒容条件下,在密闭容器中通入等物质的量的CO2和H2,发生反应Ⅰ。下列描述能说明反应Ⅰ达到平衡状态的是 (填序号)。
A.反应体系总压强保持不变
B.容器内混合气体的密度保持不变
C.水分子中断裂2NA个H—O键,同时氢气分子中断裂3NA个H—H键
D.CH3OH和H2O的浓度之比保持不变
(3)反应Ⅱ在某温度下的平衡常数为0.25,此温度下,在密闭容器中加入等物质的量的CH3OCH3(g)和H2O(g),反应到某时刻时测得各组分浓度如下:
物 质
CH3OCH3(g)
H2O(g)
CH3OH(g)
浓度/(mol·L-1)
1.8
1.8
0.4
此时v正 v逆(填“>”“<”或“=”),当反应达到平衡状态时,混合气体中CH3OH的体积分数= %。
(4)在某压强下,反应Ⅲ在不同温度、不同投料比时,CO2的平衡转化率如图1所示。T1温度下,将6 mol CO2和12 mol H2充入2 L的密闭容器中,5 min后反应达到平衡状态,则0~5 min内的平均反应速率v(CH3OCH3)= ;KA、KB、KC三者之间的大小关系为 。
图1
(5)恒压下将CO2和H2按体积比为1∶3混合,在不同催化剂作用下发生反应Ⅰ和反应Ⅲ,在相同的时间段内CH3OH的选择性和产率随温度的变化如图2所示。其中:CH3OH的选择性=CH3OH的物质的量反应的CO2的物质的量×100%。
图2
①温度高于230 ℃,CH3OH产率随温度升高而下降的原因是 。
②在上述条件下合成甲醇的工业条件是 。
A.210 ℃ B.230 ℃ C.催化剂CZT D.催化剂CZ(Zr-1)T
4.[15分]草酸()在工业上可作漂白剂、鞣革剂,也是实验室常用试剂。
(1)已知相关化学键的键能数据如下表:
化学键
C—O
CO
C—C
E/(kJ·mol-1)
a
b
c
一定条件下发生反应:H2C2O4(g)H2O(g)+CO(g)+CO2(g)ΔH= kJ·mol-1。
(2)现将0.50 mol无水草酸加入10 L的恒容密闭容器中,分别在T1、T2时进行上述反应(体系内物质均为气态),测得n(H2C2O4)随时间变化的数据如下表:
t/min温度 n(H2C2O4)/ mol
0
10
20
40
50
T1
0.50
0.35
0.25
0.10
0.10
T2
0.50
0.30
0.18
…
0.18
①T1 (填“>”“<”或“=”)T2。
②T2时0~20 min内平均反应速率v(CO)= 。
③该反应达到平衡状态的标志为 (填标号)。
a.消耗H2C2O4和生成H2O的物质的量相等
b.混合气体密度不变
c.混合气体的平均摩尔质量不变
d.体系中n(CO)n(H2C2O4)不变
④T2时,反应至20 min时再加入0.50 mol H2C2O4,反应达到平衡时H2C2O4的物质的量 (填“>”“<”或“=”)0.36 mol。
(3)室温下利用H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液的反应探究外界条件对反应速率的影响,设计方案如下:
实验编号
所加试剂及用量/mL
溶液颜色褪至无色所需时间/min
0.6 mol·L-1
H2C2O4溶液
H2O
0.01 mol·L-1
KMnO4溶液
3 mol·L-1
稀H2SO4
1
3.0
2.0
3.0
2.0
4.0
2
2.0
3.0
3.0
2.0
5.2
3
1.0
4.0
3.0
2.0
6.4
①上述反应的离子方程式为 。
②分析数据可得到的结论是 。
③该实验中若n(Mn2+)随时间变化趋势如图1所示,请在图2中画出t2后生成CO2的速率随时间变化的曲线(从a点开始作图)并说明理由: 。
一、选择题(每小题6分,共12分)
1.某温度下,在2 L恒容密闭容器中加入一定量A,发生反应:2A(g)2B(g)+C(g) ΔH=+a kJ·mol-1。反应过程中B、A的浓度比与时间t有如图所示关系,若测得第15 min时,c(C)=0.8 mol·L-1。下列说法错误的是( )
A.该温度下此反应的平衡常数为3.2
B.A的初始物质的量为4.8 mol
C.反应达到平衡时,A的转化率为66.7%
D.反应达到平衡时,吸收的热量为0.8a kJ
2.肼(N2H4)和氧气反应的产物随着温度不同而发生变化。在相同时间内不同温度下测得N2H4和氧气反应的产物的产率的变化曲线如图所示。下列说法不正确的是( )
A.温度低于400 ℃时,肼和氧气发生的主要反应中反应物的物质的量之比为1∶1
B.温度低于400 ℃时,肼和氧气反应的生成物有氮气、NO和水
C.温度高于900 ℃时,N2与NO的产率降低,但是反应速率加快了
D.温度高于900 ℃时,NO和N2的产率降低的原因一定是平衡逆向移动
二、非选择题(共37分)
3.[11分]合理利用和转化NO2、SO2、CO、NO等污染性气体是环保领域的重要课题。
(1)用CH4催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物污染。已知:
①CH4(g)+4NO2(g)4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g) ΔH=-574.0 kJ·mol-1
②CH4(g)+4NO(g)2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) ΔH=-1 160.0 kJ·mol-1
③H2O(g)H2O(l) ΔH=-44.0 kJ·mol-1
1 mol CH4(g)与NO2(g)反应生成N2(g)、CO2(g)和H2O(l)的反应热为 。
(2)已知2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的反应历程分两步:
①2NO(g)N2O2(g)(快) v1正=k1正·c2(NO),v1逆=k1逆·c(N2O2)
②N2O2(g)+O2(g)2NO2(g)(慢) v2正=k2正·c(N2O2)·c(O2),v2逆=k2逆·c2(NO2)
一定温度下,反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)达到平衡状态,该反应的平衡常数的表达式K= (用k1正、k1逆、k2正、k2逆表示),反应①的活化能E1与反应②的活化能E2的大小关系为E1 E2(填“>”“<”或“=”)。
(3)用活性炭还原法处理氮氧化物的有关反应为C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g)。向恒容密闭容器中加入一定量的活性炭和NO,恒温(T ℃)时,各物质的浓度随时间的变化如表:
物质
浓度/(mol·L-1)
时间/min
NO
N2
CO2
0
0.100
0
0
10
0.058
0.021
0.021
20
0.040
0.030
0.030
30
0.040
0.030
0.030
40
0.032
0.034
0.017
50
0.032
0.034
0.017
①T ℃时,该反应的平衡常数K= (保留2位有效数字)。
②在30 min时,若只改变某一条件使平衡发生移动,40 min、50 min时各物质的浓度如上表所示,则改变的条件是 。
③在51 min时,保持温度和容器体积不变再充入NO和N2,使二者的浓度均增加至原来的两倍,此时反应v正 v逆(填“>”“<”或“=”)。
4.[12分]将二氧化碳还原转化为有用的化学产品是目前研究的热点之一。回答下列问题:
(1)1945年Ipatieff等首次提出可在铜铝催化剂上用CO2加氢合成甲醇。已知发生的主要反应如下:
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41.17 kJ·mol-1
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.47 kJ·mol-1
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH3
①ΔH3= kJ·mol-1。
②CO2和H2以物质的量之比为1∶3通入某密闭容器中,只发生反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),CO2的平衡转化率与温度、气体的总压强的关系如图1所示。
图1
p1 (填“大于”“小于”或“等于”)p2;为提高CO2的平衡转化率除改变温度和压强外,还可采取的措施是 (写一条即可);图中a点H2的平衡分压p(H2)= MPa(保留3位有效数字)。
(2)利用微生物燃料电池技术可将CO2转化为甲烷(如图2所示)。微生物所起的作用是 ,阴极的电极反应式为 。
图2
(3)氢气可将CO2还原为甲烷,反应为CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)。
①Shyam Kattel等结合实验与计算机模拟结果,研究了在Pt/SiO2催化剂表面上CO2与H2的反应历程,前三步历程如图3所示,其中吸附在Pt/SiO2催化剂表面上的物种用·标注,Ts表示过渡态。
图3
物质吸附在催化剂表面,形成过渡态的过程会 (填“放出热量”或“吸收热量”);反应历程中最小能垒(活化能)步骤的化学方程式为 。
②CO2、CO分别与H2反应生成CH4的lg Kp与T的关系如图4所示:
图4
容器中只发生反应Ⅰ时,a点:v(正) (填“大于”“小于”或“等于”)v(逆);900 ℃时,容器中同时发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,则CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的lg Kp= 。
5.[14分]许多有氯气参与的工业生产中,消耗氯气的同时,通常会产生大量的副产物氯化氢。工业上可采用氯化氢催化氧化法制取氯气,实现氯资源循环利用,既可提高经济效益,又能减少HCl污染问题,有关反应原理为4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH=-114.5 kJ·mol-1。
回答下列问题:
(1)上述反应原理可分为在低温下进行氯化反应和在高温下进行氧化反应两个步骤,采用合适的催化剂和反应温度,分两步多次循环进行,HCl的转化率可大大提高。基本原理如下:
200 ℃氯化反应:CuO(s)+2HCl(g)CuCl2(s)+H2O(g) ΔH1=-120.4 kJ·mol-1;
400 ℃氧化反应:2CuCl2(s)+O2(g)2CuO(s)+2Cl2(g) ΔH2。
①ΔH2= kJ·mol-1。
②从化学反应速率和化学平衡角度解释氯化反应温度选择200 ℃的理由: 。
(2)关于密闭容器中氯化氢催化氧化制氯气的反应,下列说法正确的是 (填字母)。
a.将所用催化剂颗粒变得更小,可提高HCl的转化效率
b.容器内气体颜色不再变化,说明该反应达到平衡状态
c.反应达平衡后,升高温度,可提高HCl的转化率
d.增大压强,该反应的平衡常数增大
(3)实验测得在进料比n(HCl)∶n(O2)=4∶1、不同压强的情况下,某密闭容器中氯化氢催化氧化制氯气的反应中HCl的平衡转化率[α(HCl)]随温度T变化的曲线如图所示。
①压强:p1 (填“>”“<”或“=”)p2。
②310 ℃、p2条件下,依据A点数据计算反应4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)的平衡常数Kp= (Kp为以分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
(4)350 ℃时,若某密闭容器中氯化氢催化氧化制氯气的反应的平衡常数K=25.0 (mol·L-1)-1(以平衡浓度表示的平衡常数),正反应速率v正=k正·c4(HCl)·c(O2),逆反应速率v逆=k逆·c2(Cl2)·c2(H2O),其中k正、k逆为速率常数,则k逆= (用含K和k正的式子表示);若k正=0.45 (mol·L-1)-4·min-1,40 min时反应达平衡,c(Cl2)=c(H2O)=0.8 mol· L-1,v逆= mol·L-1·min-1。
考点1 化学反应速率
1.对于反应A(g)+3B(g)2C(g)+2D(g),下列表示中反应速率最快的是( )
A.v(A)=0.8 mol·L-1·s-1
B.v(B)=0.4 mol·L-1·s-1
C.v(C)=0.6 mol·L-1·s-1
D.v(D)=1.8 mol·L-1·min-1
2.已知:X(g)+2Y(g)3Z(g) ΔH=-a kJ·mol-1(a>0)。下列说法错误的是( )
A.达到化学平衡状态时,反应放出的总热量可能达到a kJ
B.升高反应温度,逆反应速率增大,正反应速率减小
C.达到化学平衡状态时,X、Y、Z的浓度不再发生变化
D.0.1 mol X和0.2 mol Y充分反应生成Z的物质的量一定小于0.3 mol
3.利用 CH4可消除NO2的污染,反应原理为CH4(g)+2NO2(g)N2(g)+CO2(g)+2H2O(g),在10 L密闭容器中分别加入0.50 mol CH4和1.2 mol NO2,测得不同温度下n(CH4)随时间变化的有关实验数据如表所示:
组别
n(CH4)/mol温度/K时间/min
0
10
20
40
50
①
T1
0.50
0.35
0.25
0.10
0.10
②
T2
0.50
0.30
0.18
M
0.15
下列说法正确的是( )
A.组别①中0~20 min内, NO2降解速率为0.012 5 mol·L-1·min-1
B.由实验数据可知温度T1 K
D.该反应只有在高温下才能自发进行
4.在容积为2.0 L的密闭容器内,物质D在T ℃时发生反应,其反应物和生成物的物质的量随时间t的变化关系如图,下列叙述错误的是( )
A.从反应开始到第一次达到平衡时,A物质的平均反应速率为0.067 mol·L-1· min-1
B.该反应的平衡常数表达式为K=c2(A)·c(B)c2(D)
C.若在第5分钟时升高温度,则该反应的正反应是吸热反应,反应的平衡常数增大,B的反应速率增大
D.若在第7分钟时增加D的物质的量,A的物质的量变化情况符合b曲线
5.[12分]研究CO、CO2的回收利用既可变废为宝,又可减少碳的排放。
(1)二甲醚(CH3OCH3)被誉为“21世纪的清洁燃料”,由CO和H2制备二甲醚的反应原理如下。
CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH=-90.1 kJ·mol-1
2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH=-24.5 kJ·mol-1
已知:CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) ΔH=-41.0 kJ·mol-1。
则2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)的ΔH= ,有利于提高该反应中CO2平衡转化率的条件是 (填字母)。
A.高温低压 B.高温高压 C.低温低压 D.低温高压
(2)T1 K时,将1 mol二甲醚充入一个150 L的恒容密闭容器中,发生反应:CH3OCH3(g) CH4(g)+CO(g)+H2(g),在不同时间测定容器内的总压强,所得数据见下表。
反应时间/min
0
6.5
13.0
26.5
52.6
∞
气体总压强/kPa
50.0
55.0
65.0
83.2
103.8
125.0
①由表中数据计算:0~6.5 min内的平均反应速率v(CH3OCH3)= ,反应达平衡时,二甲醚的转化率为 。
②若要缩短该反应达到平衡的时间,可采取的措施有 。(写出两条)
(3)在T2 K、1.0×104 kPa下,等物质的量的CO与CH4发生反应:CO(g)+CH4(g)CH3CHO(g),反应速率v=v正-v逆=k正·p(CO)·p(CH4)-k逆·p(CH3CHO),k正、k逆分别为正、逆向反应速率常数,p为气体的分压,p总为气体总压强,且p=p总×该气体的体积分数。用气体分压表示的平衡常数Kp=4.5×10-5,则CO的转化率为20%时,v正v逆= 。
考点2 化学平衡状态及化学平衡的移动
6.在373 K时,把0.1 mol N2O4气体通入体积为1 L的恒容密闭容器中,立即出现红棕色。在60 s时,体系已达平衡,此时容器内压强为开始时的1.6倍。下列说法错误的是( )
A.压缩容器,颜色加深
B.在平衡时体系内含N2O4 0.04 mol
C.以N2O4的浓度变化表示的平均反应速率为0.001 mol·L-1·s-1
D.平衡时,如果再充入一定量N2O4,则可提高N2O4的转化率
7. 在一定温度和压强下,向容积可变的密闭容器中通入物质的量相等的X、Y气体,发生反应:X(g)+3Y(g)2Z(g) ΔH=-m kJ·mol-1(m>0)。下列说法正确的是( )
A.密闭容器的体积保持不变,说明反应已达到平衡
B.密闭容器中X的体积分数不变,说明反应已达到平衡
C.反应达到平衡时,X和Y的转化率相等
D.反应达到平衡时,放出的热量不可能为m kJ
8. 将5 mL 0.005 mol·L-1 FeCl3溶液和5 mL 0.015 mol·L-1 KSCN溶液混合,达到平衡后溶液呈红色。再将混合液均分成5份,分别进行如下实验:
实验①:滴加4滴蒸馏水,振荡
实验②:滴加4滴饱和FeCl3溶液,振荡
实验③:滴加4滴1 mol·L-1 KCl溶液,振荡
实验④:滴加4滴1 mol·L-1 KSCN溶液,振荡
实验⑤:滴加4滴6 mol·L-1 NaOH溶液,振荡
下列说法错误的是( )
A.对比实验①和②,证明增加反应物浓度,平衡正向移动
B.对比实验①和③,证明增加生成物浓度,平衡逆向移动
C.对比实验①和④,证明增加反应物浓度,平衡正向移动
D.对比实验①和⑤,证明减少反应物浓度,平衡逆向移动
考点3 化学平衡常数与转化率
9.[双选]一定温度下,在3个容积均为1 L的恒容密闭容器中发生反应:PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g)。下列说法正确的是( )
容器编号
物质的起始浓度/(mol·L-1)
物质的平衡浓度/(mol·L-1)
c(PCl5)
c(PCl3)
c(Cl2)
c(Cl2)
Ⅰ
0.4
0
0
0.2
Ⅱ
1.05
0.05
1.95
Ⅲ
0.8
0
0
A.达平衡时,容器Ⅰ中c(Cl2)c(PCl5)比容器Ⅱ中的大
B.达平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为6∶31
C.达平衡时,容器Ⅲ中Cl2体积分数大于13
D.达平衡时,容器Ⅲ中0.4 mol·L-1
A.实验c条件下,从反应开始至达到平衡时v(AX3)=2.0×10-4 mol·L-1·min-1
B.实验a条件下,用浓度表示的平衡常数为100
C.该反应的ΔH>0
D.比较实验a、c可得出升高温度反应速率加快
11.[8分]碳及其化合物广泛存在于自然界。请回答下列问题:
(1)反应Ⅰ:Fe(s)+CO2(g)FeO(s)+CO(g) ΔH1 平衡常数为K1
反应Ⅱ:Fe(s)+H2O(g)FeO(s)+H2(g) ΔH2 平衡常数为K2
不同温度下, K1、K2的值如下表:
T/K
K1
K2
973
1.47
2.38
1 173
2.15
1.67
现有反应Ⅲ:H2(g)+CO2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH3,结合上表数据,反应Ⅲ是 (填“放热”或“吸热”)反应,为提高 CO2的转化率可采取的措施有
(写出任意两条)。
(2)已知CO2催化加氢合成乙醇的反应原理为2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g) ΔH<0。设m为起始时的投料比,即m=n(H2)/n(CO2)。
①图1中投料比相同,温度从高到低的顺序为 。
②图2中 m1、m2、m3从大到小的顺序为 。
③图3表示在总压为5 MPa的恒压条件下,且m=3时,平衡状态时各物质的物质的量分数与温度的关系。则曲线d代表的物质的化学名称为 ,T4 K时,该反应的平衡常数Kp的计算式为 。
一、选择题(每小题6分,共12分)
1. 335 ℃时,在恒容密闭反应器中1.00 mol C10H18(l)催化脱氢的反应过程如下:
反应1:C10H18(l)C10H12(l)+3H2(g) ΔH1
反应2:C10H12(l)C10H8(l)+2H2(g) ΔH2
测得C10H12和C10H8的产率x1和x2(以物质的量分数计)随时间的变化关系及反应过程中能量的变化如图所示。下列说法错误的是( )
A.使用催化剂能改变反应历程
B.更换催化剂后ΔH1、ΔH2也会随之改变
C.8 h时,反应1、2都未处于平衡状态
D.x1显著低于x2,是由于反应2的活化能比反应1的小,反应1生成的C10H12很快转变成C10H8
2.已知:2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO42MnSO4+K2SO4 +10CO2↑+8H2O。某化学小组欲探究H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液反应过程中浓度、温度对化学反应速率的影响,进行了如下实验(忽略溶液体积变化):
编号
0.01 mol·L-1酸性KMnO4溶液体积/mL
0.1 mol·L-1H2C2O4
溶液体积/mL
水的体
积/mL
反应温
度/℃
反应时
间/min
Ⅰ
2
2
0
20
2.1
Ⅱ
V1
2
1
20
5.5
Ⅲ
V2
2
0
50
0.5
下列说法不正确的是( )
A.V1=1,V2=2
B.设计实验Ⅰ、Ⅲ的目的是探究温度对反应速率的影响
C.实验计时是从溶液混合开始,溶液呈紫红色时结束
D.实验Ⅲ中用酸性KMnO4溶液的浓度变化表示的反应速率v(KMnO4)=0.01 mol·L-1·min-1
二、非选择题(共29分)
3.[14分]减少CO2排放是一项重要课题。CO2经催化加氢可以生成低碳有机物,主要有以下反应:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.6 kJ·mol-1
反应Ⅱ:CH3OCH3(g)+H2O(g)2CH3OH(g) ΔH2=+23.4 kJ·mol-1
反应Ⅲ:2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH3
(1)ΔH3= kJ·mol-1。
(2)恒温恒容条件下,在密闭容器中通入等物质的量的CO2和H2,发生反应Ⅰ。下列描述能说明反应Ⅰ达到平衡状态的是 (填序号)。
A.反应体系总压强保持不变
B.容器内混合气体的密度保持不变
C.水分子中断裂2NA个H—O键,同时氢气分子中断裂3NA个H—H键
D.CH3OH和H2O的浓度之比保持不变
(3)反应Ⅱ在某温度下的平衡常数为0.25,此温度下,在密闭容器中加入等物质的量的CH3OCH3(g)和H2O(g),反应到某时刻时测得各组分浓度如下:
物 质
CH3OCH3(g)
H2O(g)
CH3OH(g)
浓度/(mol·L-1)
1.8
1.8
0.4
此时v正 v逆(填“>”“<”或“=”),当反应达到平衡状态时,混合气体中CH3OH的体积分数= %。
(4)在某压强下,反应Ⅲ在不同温度、不同投料比时,CO2的平衡转化率如图1所示。T1温度下,将6 mol CO2和12 mol H2充入2 L的密闭容器中,5 min后反应达到平衡状态,则0~5 min内的平均反应速率v(CH3OCH3)= ;KA、KB、KC三者之间的大小关系为 。
图1
(5)恒压下将CO2和H2按体积比为1∶3混合,在不同催化剂作用下发生反应Ⅰ和反应Ⅲ,在相同的时间段内CH3OH的选择性和产率随温度的变化如图2所示。其中:CH3OH的选择性=CH3OH的物质的量反应的CO2的物质的量×100%。
图2
①温度高于230 ℃,CH3OH产率随温度升高而下降的原因是 。
②在上述条件下合成甲醇的工业条件是 。
A.210 ℃ B.230 ℃ C.催化剂CZT D.催化剂CZ(Zr-1)T
4.[15分]草酸()在工业上可作漂白剂、鞣革剂,也是实验室常用试剂。
(1)已知相关化学键的键能数据如下表:
化学键
C—O
CO
C—C
E/(kJ·mol-1)
a
b
c
一定条件下发生反应:H2C2O4(g)H2O(g)+CO(g)+CO2(g)ΔH= kJ·mol-1。
(2)现将0.50 mol无水草酸加入10 L的恒容密闭容器中,分别在T1、T2时进行上述反应(体系内物质均为气态),测得n(H2C2O4)随时间变化的数据如下表:
t/min温度 n(H2C2O4)/ mol
0
10
20
40
50
T1
0.50
0.35
0.25
0.10
0.10
T2
0.50
0.30
0.18
…
0.18
①T1 (填“>”“<”或“=”)T2。
②T2时0~20 min内平均反应速率v(CO)= 。
③该反应达到平衡状态的标志为 (填标号)。
a.消耗H2C2O4和生成H2O的物质的量相等
b.混合气体密度不变
c.混合气体的平均摩尔质量不变
d.体系中n(CO)n(H2C2O4)不变
④T2时,反应至20 min时再加入0.50 mol H2C2O4,反应达到平衡时H2C2O4的物质的量 (填“>”“<”或“=”)0.36 mol。
(3)室温下利用H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液的反应探究外界条件对反应速率的影响,设计方案如下:
实验编号
所加试剂及用量/mL
溶液颜色褪至无色所需时间/min
0.6 mol·L-1
H2C2O4溶液
H2O
0.01 mol·L-1
KMnO4溶液
3 mol·L-1
稀H2SO4
1
3.0
2.0
3.0
2.0
4.0
2
2.0
3.0
3.0
2.0
5.2
3
1.0
4.0
3.0
2.0
6.4
①上述反应的离子方程式为 。
②分析数据可得到的结论是 。
③该实验中若n(Mn2+)随时间变化趋势如图1所示,请在图2中画出t2后生成CO2的速率随时间变化的曲线(从a点开始作图)并说明理由: 。
一、选择题(每小题6分,共12分)
1.某温度下,在2 L恒容密闭容器中加入一定量A,发生反应:2A(g)2B(g)+C(g) ΔH=+a kJ·mol-1。反应过程中B、A的浓度比与时间t有如图所示关系,若测得第15 min时,c(C)=0.8 mol·L-1。下列说法错误的是( )
A.该温度下此反应的平衡常数为3.2
B.A的初始物质的量为4.8 mol
C.反应达到平衡时,A的转化率为66.7%
D.反应达到平衡时,吸收的热量为0.8a kJ
2.肼(N2H4)和氧气反应的产物随着温度不同而发生变化。在相同时间内不同温度下测得N2H4和氧气反应的产物的产率的变化曲线如图所示。下列说法不正确的是( )
A.温度低于400 ℃时,肼和氧气发生的主要反应中反应物的物质的量之比为1∶1
B.温度低于400 ℃时,肼和氧气反应的生成物有氮气、NO和水
C.温度高于900 ℃时,N2与NO的产率降低,但是反应速率加快了
D.温度高于900 ℃时,NO和N2的产率降低的原因一定是平衡逆向移动
二、非选择题(共37分)
3.[11分]合理利用和转化NO2、SO2、CO、NO等污染性气体是环保领域的重要课题。
(1)用CH4催化还原氮氧化物可以消除氮氧化物污染。已知:
①CH4(g)+4NO2(g)4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g) ΔH=-574.0 kJ·mol-1
②CH4(g)+4NO(g)2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) ΔH=-1 160.0 kJ·mol-1
③H2O(g)H2O(l) ΔH=-44.0 kJ·mol-1
1 mol CH4(g)与NO2(g)反应生成N2(g)、CO2(g)和H2O(l)的反应热为 。
(2)已知2NO(g)+O2(g)2NO2(g)的反应历程分两步:
①2NO(g)N2O2(g)(快) v1正=k1正·c2(NO),v1逆=k1逆·c(N2O2)
②N2O2(g)+O2(g)2NO2(g)(慢) v2正=k2正·c(N2O2)·c(O2),v2逆=k2逆·c2(NO2)
一定温度下,反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g)达到平衡状态,该反应的平衡常数的表达式K= (用k1正、k1逆、k2正、k2逆表示),反应①的活化能E1与反应②的活化能E2的大小关系为E1 E2(填“>”“<”或“=”)。
(3)用活性炭还原法处理氮氧化物的有关反应为C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g)。向恒容密闭容器中加入一定量的活性炭和NO,恒温(T ℃)时,各物质的浓度随时间的变化如表:
物质
浓度/(mol·L-1)
时间/min
NO
N2
CO2
0
0.100
0
0
10
0.058
0.021
0.021
20
0.040
0.030
0.030
30
0.040
0.030
0.030
40
0.032
0.034
0.017
50
0.032
0.034
0.017
①T ℃时,该反应的平衡常数K= (保留2位有效数字)。
②在30 min时,若只改变某一条件使平衡发生移动,40 min、50 min时各物质的浓度如上表所示,则改变的条件是 。
③在51 min时,保持温度和容器体积不变再充入NO和N2,使二者的浓度均增加至原来的两倍,此时反应v正 v逆(填“>”“<”或“=”)。
4.[12分]将二氧化碳还原转化为有用的化学产品是目前研究的热点之一。回答下列问题:
(1)1945年Ipatieff等首次提出可在铜铝催化剂上用CO2加氢合成甲醇。已知发生的主要反应如下:
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH1=+41.17 kJ·mol-1
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.47 kJ·mol-1
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH3
①ΔH3= kJ·mol-1。
②CO2和H2以物质的量之比为1∶3通入某密闭容器中,只发生反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g),CO2的平衡转化率与温度、气体的总压强的关系如图1所示。
图1
p1 (填“大于”“小于”或“等于”)p2;为提高CO2的平衡转化率除改变温度和压强外,还可采取的措施是 (写一条即可);图中a点H2的平衡分压p(H2)= MPa(保留3位有效数字)。
(2)利用微生物燃料电池技术可将CO2转化为甲烷(如图2所示)。微生物所起的作用是 ,阴极的电极反应式为 。
图2
(3)氢气可将CO2还原为甲烷,反应为CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)。
①Shyam Kattel等结合实验与计算机模拟结果,研究了在Pt/SiO2催化剂表面上CO2与H2的反应历程,前三步历程如图3所示,其中吸附在Pt/SiO2催化剂表面上的物种用·标注,Ts表示过渡态。
图3
物质吸附在催化剂表面,形成过渡态的过程会 (填“放出热量”或“吸收热量”);反应历程中最小能垒(活化能)步骤的化学方程式为 。
②CO2、CO分别与H2反应生成CH4的lg Kp与T的关系如图4所示:
图4
容器中只发生反应Ⅰ时,a点:v(正) (填“大于”“小于”或“等于”)v(逆);900 ℃时,容器中同时发生反应Ⅰ和反应Ⅱ,则CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的lg Kp= 。
5.[14分]许多有氯气参与的工业生产中,消耗氯气的同时,通常会产生大量的副产物氯化氢。工业上可采用氯化氢催化氧化法制取氯气,实现氯资源循环利用,既可提高经济效益,又能减少HCl污染问题,有关反应原理为4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH=-114.5 kJ·mol-1。
回答下列问题:
(1)上述反应原理可分为在低温下进行氯化反应和在高温下进行氧化反应两个步骤,采用合适的催化剂和反应温度,分两步多次循环进行,HCl的转化率可大大提高。基本原理如下:
200 ℃氯化反应:CuO(s)+2HCl(g)CuCl2(s)+H2O(g) ΔH1=-120.4 kJ·mol-1;
400 ℃氧化反应:2CuCl2(s)+O2(g)2CuO(s)+2Cl2(g) ΔH2。
①ΔH2= kJ·mol-1。
②从化学反应速率和化学平衡角度解释氯化反应温度选择200 ℃的理由: 。
(2)关于密闭容器中氯化氢催化氧化制氯气的反应,下列说法正确的是 (填字母)。
a.将所用催化剂颗粒变得更小,可提高HCl的转化效率
b.容器内气体颜色不再变化,说明该反应达到平衡状态
c.反应达平衡后,升高温度,可提高HCl的转化率
d.增大压强,该反应的平衡常数增大
(3)实验测得在进料比n(HCl)∶n(O2)=4∶1、不同压强的情况下,某密闭容器中氯化氢催化氧化制氯气的反应中HCl的平衡转化率[α(HCl)]随温度T变化的曲线如图所示。
①压强:p1 (填“>”“<”或“=”)p2。
②310 ℃、p2条件下,依据A点数据计算反应4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g)的平衡常数Kp= (Kp为以分压表示的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
(4)350 ℃时,若某密闭容器中氯化氢催化氧化制氯气的反应的平衡常数K=25.0 (mol·L-1)-1(以平衡浓度表示的平衡常数),正反应速率v正=k正·c4(HCl)·c(O2),逆反应速率v逆=k逆·c2(Cl2)·c2(H2O),其中k正、k逆为速率常数,则k逆= (用含K和k正的式子表示);若k正=0.45 (mol·L-1)-4·min-1,40 min时反应达平衡,c(Cl2)=c(H2O)=0.8 mol· L-1,v逆= mol·L-1·min-1。
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