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通用版高考化学考点复习训练十五化学反应速率和化学平衡含答案
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这是一份通用版高考化学考点复习训练十五化学反应速率和化学平衡含答案，共23页。试卷主要包含了8 ml·L-1·s-1，[新角度]将5 mL 0等内容，欢迎下载使用。
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.[2021河北鸡泽模拟]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.[2021甘肃静宁一中模拟]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.[2020湖北武汉部分学校质量监测]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T1
D.该反应只有在高温下才能自发进行
4.[2021福建龙海模拟改编]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)
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,反应的平衡常数减小,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.[2020河南洛阳第一次联考,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)= (保留2位有效数字),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.[2021四川成都摸底测试]用活性炭还原氮氧化物可防止空气污染。向1 L密闭容器中加入一定量的活性炭和NO,某温度下发生反应:①C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g) ΔH1
已知:②C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH2=-393.5 kJ·mol-1
③N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH3=+180.5 kJ·mol-1
下列说法错误的是( )
A.ΔH1=-574.0 kJ·mol-1
B.当容器内气体密度不变时,反应①达到平衡状态
C.反应③正反应的活化能大于180.5 kJ·mol-1
D.反应①达到平衡后,增大压强平衡向正反应方向移动
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.[新角度]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.[2021江西赣州七校联考改编]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)。下列说法错误的是( )
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体积分数小于13
D.达平衡时,容器Ⅲ中0.4 mol·L-1
A.实验c,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,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.[2020湖北武汉部分学校质量监测节选,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.[2021河北石家庄质检]三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的反应进程中的能量变化如图所示。下列说法错误的是( )
A.三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的总反应属于取代反应
B.三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的总反应速率由反应Ⅰ决定
C.适当升温,三级溴丁烷的转化率增大
D.适当升温,三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的正反应速率的增大程度小于其逆反应速率的增大程度
2.[2021吉林长春质检]T ℃时,向一个容积为2 L的密闭容器中充入一定量的CO和H2,发生如下反应:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),反应过程中测得的部分数据如表。下列说法不正确的是( )
t/min
0
10
20
30
n(CO)/ mol
0.20
0.08
0.04
n(H2)/ mol
0.40
0.08
A.若其他条件不变,升高温度,平衡时c(CH3OH)=0.05 mol·L-1,则该反应的ΔH<0
B.在前10 min内该反应的平均反应速率v(H2)=0.006 mol·L-1·min-1
C.T ℃时,该反应的平衡常数为2.5×103
D.相同温度下,若起始时向该容器中只充入0.30 mol CH3OH(g),达到平衡时CH3OH(g)的转化率小于20%
二、非选择题(共26分)
3.[2020河北唐山摸底考试,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(设NA为阿伏加德罗常数的值)
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%。
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.[2021河南部分学校开学考试改编,12分]乙烯在化工生产中的用途广泛,乙烷脱氢制乙烯是工业上常用的方法。
(1)传统的热裂解法和现代的氧化裂解法均以乙烷为原料制备乙烯。
方法
热化学方程式
热裂解法
C2H6(g) C2H4(g)+H2(g)
ΔH1=+136 kJ·mol-1
氧化裂解法
C2H6(g)+12O2(g) C2H4(g)+H2O(g)
ΔH2=-105.8 kJ·mol-1
根据表格中提供的信息,列举氧化裂解法的一个优点:
。
(2)工业上,采用氧化裂解法制乙烯时,通常在乙烷和氧气的混合气体中掺入惰性气体。若将组成为2m%(物质的量分数,后同) C2H6(g)、m% O2(g)和q% 稀有气体的混合气体通入反应器,在温度为T、压强为p的条件下进行上述氧化裂解反应,平衡时若C2H6(g)的转化率为α,则平衡常数Kp= 。
(3)利用CO2的弱氧化性,开发了乙烷氧化脱氢制乙烯的新工艺。该工艺可用铬的氧化物作催化剂,其反应机理如图1所示:
图1
已知:①CO(g)+12O2(g) CO2(g) ΔH3=-283.0 kJ·mol-1
②H2(g)+12O2(g) H2O(l) ΔH4=-285.8 kJ·mol-1
该工艺总反应的热化学方程式为 ;乙烷制乙烯的过程中会发生副反应,从而在催化剂表面形成积碳,而该工艺可以有效消除催化剂表面的积碳,维持催化剂活性,原因是 。
(4)热裂解法利用膜反应新技术,可以实现边反应边分离出生成的氢气。不同温度下,1.0 mol乙烷在容积为1.0 L的恒容密闭容器中发生反应:C2H6(g) C2H4(g)+H2(g)。氢气移出率a[a=n(分离出的氢气)n(生成的氢气)×100%]不同时,乙烷的平衡转化率与反应温度的关系如图2所示:
图2
已知a3、a2、a1依次增大,则相同温度时,对应乙烷的平衡转化率也依次增大的原因是 ;
A点时平衡常数K=0.81,则a1= 。
一、选择题(每小题6分,共12分)
1.[2021安徽示范高中联考]有Ⅰ~Ⅳ四个体积均为0.5 L的恒容密闭容器,在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中按不同投料比(Z)充入HCl和O2(如表),加入催化剂发生反应:4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH,HCl的平衡转化率(α)与Z和温度(T)的关系如图所示。下列说法正确的是( )
容器
起始时
T/℃
n(HCl)/mol
Z
Ⅰ
300
0.25
a
Ⅱ
300
0.25
b
Ⅲ
300
0.25
4
A.ΔH<0,a>4>b
B.容器Ⅲ某时刻处在R点,则R点的v正>v逆,压强:p(R)>p(Q)
C.300 ℃该反应的平衡常数的值为64
D.若起始时,在容器Ⅳ中充入0.25 mol Cl2和0.25 mol H2O(g),300 ℃达平衡时容器中c(HCl)>0.2 mol·L-1
2.[新素材、新情境]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23分)
3.[新角度][2020湖北八校第一次联考,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:
物质时间/min 浓度/(mol·L-1)
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.[新角度][2021湖北重点中学联考改编,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= 。
答案
专题十五 化学反应速率和化学平衡
1. A 化学反应速率之比等于化学计量数之比,据此可将不同物质表示的反应速率转化成同一物质表示的反应速率后再进行比较。如全都转化成用A表示的反应速率,则B项对应的v(A)=0.43 mol·L-1·s-1,C项对应的v(A)=
0.3 mol·L-1·s-1,D项对应的v(A)=0.015 mol·L-1·s-1,故反应速率最快的为A项。
2.B 若反应生成3 mol Z(g),则反应放出的热量可以达到a kJ,A项正确;升温度,正反应速率和逆反应速率均增大,B项错误;反应体系中各物质的浓度不再变化是达到化学平衡状态的标志,C项正确;因可逆反应达到平衡状态时,反应物不能完全转化为生成物,故0.1 mol X与0.2 mol Y充分反应生成的Z一定小于0.3 mol,D项正确。
3.B 组别①中0 ~20 min内,v(NO2)=2v(CH4)=2×(0.50-0.25)mol10L×20min=0.002 5 mol·L-1·min-1,A错误;温度升高,反应速率加快,由题表中数据知T2>T1,B正确;温度为T1 K,40 min时,反应已达到平衡状态,又温度T2 K>T1 K,故T2 K、40 min时反应也已达到平衡状态,故M=0.15,C错误;T2 K时,达到平衡,甲烷剩余量增多,说明温度升高,平衡向逆反应方向移动,所以该反应的ΔH<0,又因为该反应的ΔS>0,则ΔH-TΔS<0恒成立,该反应在任何温度下都能自发进行,D错误。
4.C 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0.4mol2.0L3min≈0.067 mol·L-1·min-1,A项正确;由曲线变化可知,D是反应物,A、B是生成物,同一反应、同一时间段内,各物质的物质的量的变化量之比等于其化学计量数之比,0~3 min内,Δn(D)=0.4 mol,Δn(A)=0.4 mol,Δn(B)=0.2 mol,则反应的方程式为2D(s)2A(g)+B(g),因D为固体,故化学平衡常数K=c2(A)·c(B),B项正确;温度升高,D的物质的量减少,A、B的物质的量增大,平衡正向移动,而温度升高,平衡向吸热反应方向移动,故该反应的正反应为吸热反应,温度升高,B的反应速率加快,平衡常数增大,C项错误;可逆反应中,增加固体反应物的量,气体物质的浓度不变,平衡不移动,A的物质的量变化情况符合b曲线,D项正确。
5.(1)-122.7 kJ·mol-1(2分) D(2分) (2)①5.13×10-5 mol·L-1·min-1(2分) 75%(2分) ②增大压强、升高温度、加入催化剂、增大反应物浓度(任意写出两条)(2分) (3)0.8(2分)
【解析】 (1)将已知反应依次编号为①、②、③,根据盖斯定律,由①×2+②-③×2可得2CO2 (g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH=-122.7 kJ·mol-1。该反应的正反应为气体分子数减小的放热反应,故增大压强、降低温度可提高CO2的平衡转化率。(2)①设0~6.5 min内反应的CH3OCH3为x mol,根据“三段式”法进行计算:
CH3OCH3(g) CH4(g)+H2(g)+CO(g)
起始量/mol 1 0 0 0
变化量/mol x x x x
6.5 min时的量/mol 1-x x x x
恒温恒容条件下,气体的物质的量之比等于压强之比,即1+2x1 = 55.050.0,解得x=0.05,故0~6.5 min内v(CH3OCH3)=0.05mol150L×6.5min≈5.13×10-5 mol·L-1·min-1。由题表可知平衡时气体总压强为125.0 kPa,设平衡时反应的CH3OCH3为y mol,根据“三段式”法进行计算:
CH3OCH3(g) CH4(g)+H2(g)+CO(g)
起始量/mol 1 0 0 0
变化量/mol y y y y
平衡量/mol 1-y y y y
则1+2y1 = 125.050.0,解得y=0.75,故二甲醚的平衡转化率为0.75mol1mol×100%=75%。②要缩短反应达到平衡的时间可采取的措施有增大压强、升高温度、加入催化剂、增大反应物浓度等。(3)当反应达到平衡状态时v正=v逆,则k正k逆 = p(CH3CHO)p(CO)·p(CH4)=Kp=4.5×10-5,T2 K、1.0×104 kPa时,设起始时n(CH4)=n(CO)=1 mol,则CO的转化率为20%时,列出三段式:
CH4(g)+CO(g) CH3CHO(g)
起始量/mol 1 1 0
变化量/mol 0.2 0.2 0.2
最终量/mol 0.8 0.8 0.2
所以p(CH4)=p(CO)=0.81.8×1.0×104 kPa,p(CH3CHO)=0.21.8×1.0×104 kPa,则v正v逆 = k正·p(CO)·p(CH4)k逆·p(CH3CHO)=4.5×10-5×(0.81.8×1.0×104)20.21.8×1.0×104=0.8。
6.D 根据盖斯定律由②-③得:C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g) ΔH1=-574.0 kJ·mol-1,A项正确;反应①中C为固体,即反应前后气体总质量不相等,在恒容条件下,当容器内气体密度不变时,说明气体的质量不变,反应达到平衡状态,B项正确;ΔH=正反应的活化能-逆反应的活化能,且ΔH3=+180.5 kJ·mol-1,则反应③正反应的活化能一定大于180.5 kJ·mol-1,C项正确;反应①为反应前后气体体积不发生变化的反应,增大压强对平衡移动无影响,即化学平衡不发生移动,D项错误。
7.A 该反应为气体分子数发生变化的反应,一定温度和压强下,当容器体积不变时,说明反应已达平衡,A项正确;设X和Y起始的物质的量均为a mol,反应进行到某时刻,X转化x mol,则Y转化3x mol,此时X为(a-x) mol,Y为
(a-3x) mol,Z为2x mol,X的体积分数为a-x2a-2x = 12,该值始终不变,所以X的体积分数不变时不能表明反应已达平衡,B项错误;相同条件下,X和Y的转化量不相等,又二者起始投入量相等,则平衡时X和Y的转化率肯定不相等,C项错误;因X和Y起始投入量未知,故平衡时反应放出的热量可能为m kJ,D项错误。
8.B 该可逆反应为Fe3++3SCN-Fe(SCN)3,Fe3+、SCN-的浓度对平衡有影响,而Cl-、K+的浓度对平衡无影响。实验①为对照实验,对比实验①和②,②相当于在①的基础上增大Fe3+的浓度,平衡正向移动,A项正确;对比实验①和③,滴加蒸馏水和滴加KCl溶液效果等同,平衡不发生移动,B项错误;对比实验①和④,④相当于在①的基础上增大SCN-的浓度,平衡正向移动,C项正确;Fe3+能和OH-反应,对比实验①和⑤,⑤相当于在①的基础上减小Fe3+的浓度,平衡逆向移动,D项正确。
9.A 容器Ⅰ中 PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.4 0 0
转化浓度/(mol·L-1) 0.2 0.2 0.2
平衡浓度/(mol·L-1) 0.2 0.2 0.2
平衡时c(Cl2)c(PCl5)=1,K=c(Cl2)·c(PCl3)c(PCl5)=0.2×0.20.2=0.2,容器Ⅱ中,开始时c(Cl2)c(PCl5)≈1.86,此时Qc=1.95×0.051.05≈0.091.86>1,则达平衡时,容器Ⅰ中c(Cl2)c(PCl5)比容器Ⅱ中的小,A项错误。达平衡时,假设容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为 6∶31,压强之比等于浓度之比,容器Ⅰ中总浓度为0.2 mol·L-1×3=0.6 mol·L-1,说明容器Ⅱ中总浓度为3.1 mol·L-1,根据A项分析得出容器Ⅱ中反应向正反应方向进行,设PCl5(g)转化的浓度为x mol·L-1,则有
容器Ⅱ中 PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g)
起始浓度/(mol·L-1) 1.05 0.05 1.95
转化浓度/(mol·L-1) x x x
平衡浓度/(mol·L-1) 1.05-x 0.05+x 1.95+x
容器Ⅱ中总浓度为3.1 mol·L-1,则3.1=1.05-x+0.05+x+1.95+x,解得x=0.05;则平衡时c(PCl5)=
1 mol·L-1,c(PCl3)=0.1 mol·L-1,c(Cl2)=2 mol·L-1,此时Qc=2×0.11=0.2=K,说明此时反应达到化学平衡状态,假设成立, B项正确。容器Ⅰ中达平衡时,Cl2的体积分数为0.20.2×3=13。容器Ⅲ相当于将两个容器Ⅰ合并后体积压缩一半,增大压强,平衡向逆反应方向移动,Cl2的量减小,所以达平衡时,容器Ⅲ中Cl2的体积分数小于13,C项正确。容器Ⅰ中平衡时c(PCl5)=0.2 mol·L-1,容器Ⅲ相当于将两个容器Ⅰ合并后体积压缩一半,若平衡不移动c(PCl5)=0.4 mol·L-1,但增大压强,平衡向逆反应方向移动,c(PCl5)增大,所以c(PCl5)>0.4 mol·L-1,又因反应开始,消耗PCl5,所以c(PCl5)<0.8 mol·L-1,则达平衡时,容器Ⅲ中0.4 mol·L-1
AX3(g) + X2(g) AX5(g)
起始量/mol 0.20 0.20 0
转化量/mol x x x
平衡量/mol 0.20-x 0.20-x x
则0.20−x+0.20−x+x0.20+0.20=140175,解得x=0.08,v(AX3)=0.08mol10L×40min=2×10-4 mol·L-1·min-1,A项正确。实验a,设平衡时转化的X2的物质的量为y mol,运用“三段式”法进行计算:
AX3(g) + X2(g) AX5(g)
起始量/mol 0.20 0.20 0
转化量/mol y y y
平衡量/mol 0.20-y 0.20-y y
则0.20−y+0.20−y+y0.20+0.20=120160,解得y=0.10,则平衡时c(AX3)=c(X2)=c(AX5)=0.01 mol·L-1,故用浓度表示的平衡常数K=0.010.01×0.01=100,B项正确;实验c相对于实验a,容器容积和起始投料量均相同,但起始总压强增大,因此实验c的温度高于实验a,由于实验a达到平衡时AX3(g)转化0.10 mol,实验c达到平衡时AX3(g)转化0.08 mol,因此升高温度,平衡向逆反应方向移动,该反应的逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,ΔH<0,C项错误;实验c相对于实验a改变的条件为升高温度,根据题图可知实验c比实验a先达到平衡,故比较实验a、c可以得出升高温度反应速率加快,D项正确。
11.(1)吸热(1分) 升高温度、增大氢气浓度、吸收CO、液化水蒸气(任写两条)(2分) (2)①T3>T2>T1(1分) ②m1>m2>m3(1分) ③乙醇(1分) 0.125×5×(0.375×5)3(0.125×5)2×(0.375×5)6(2分)
【解析】 (1)K1=c(CO)c(CO2),K2=c(H2)c(H2O),则K3=c(CO)·c(H2O)c(H2)·c(CO2)=K1K2,所以973 K时,K3=K1K2≈0.62,1 173 K时,K3=K1K2≈1.29,升高温度,平衡常数增大,所以正反应为吸热反应,为提高CO2的转化率可采用的措施有升高温度、增大氢气浓度、吸收CO、液化水蒸气。(2)①正反应放热,则温度越高,二氧化碳的平衡转化率越小,所以温度从高到低的顺序为T3>T2>T1。②增大n(H2),平衡正向移动,二氧化碳的平衡转化率增大,所以m1>m2>m3。③升高温度,平衡逆向移动,二氧化碳和氢气的物质的量分数增大,乙醇、水蒸气的物质的量分数减少,按化学计量数之比进行投料,则平衡时乙醇的物质的量分数是水蒸气的13,CO2的物质的量分数是H2的13,所以曲线d代表乙醇,曲线a代表H2,曲线b代表CO2,曲线c代表H2O。体系中各组分的分压=该物质的物质的量分数×体系总压强,由题图3中T4 K对应数据可得Kp=0.125×5×(0.375×5)3(0.125×5)2×(0.375×5)6。
1.C 结合题图最初反应物和最终生成物,可写出总反应并判断反应类型;反应的活化能越小,反应越快,活化能越大,反应越慢;整个反应的反应速率是由最慢的反应决定的。结合题图可知总反应方程式为(CH3)3CBr+C2H5OH(CH3)3COC2H5+HBr,则该反应为取代反应,A项正确;结合题图可知反应Ⅰ的活化能最大,则总反应速率是由反应Ⅰ决定的,B项正确;结合题图能量关系可知三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的反应为放热反应,则适当升温,平衡逆向移动,三级溴丁烷的转化率减小,C项错误;根据升温正逆反应速率均加快及平衡逆向移动,知适当升温,三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的正反应速率的增大程度小于其逆反应速率的增大程度,D项正确。
2.B 30 min时Δn(H2)=0.40 mol-0.08 mol=0.32 mol,Δn(CO)=12Δn(H2)=0.16 mol,n(CO)=0.20 mol-0.16 mol=0.04 mol,说明20 min时反应处于平衡状态。列出三段式:
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
起始量(mol) 0.20 0.40 0
转化量(mol) 0.16 0.32 0.16
平衡量(mol) 0.04 0.08 0.16
可知反应达到平衡时,c(CH3OH)=0.16mol2L=0.08 mol·L-1。若保持其他条件不变,升高温度,平衡时c(CH3OH)=0.05 mol·L-1<0.08 mol·L-1,说明升高温度平衡向逆反应方向移动,则该反应为放热反应,ΔH<0,故A项正确;在前10 min内该反应的平均反应速率v(CO)=0.20mol−0.08mol2L10min=0.006 mol·L-1·min-1,v(H2)=2v(CO)=0.012 mol·L-1·min-1,故B项错误;T ℃时,该反应的平衡常数K=0.1620.042×(0.082)2=2.5×103,故C项正确;相同条件下,起始充入0.20 mol CH3OH(g)达到的平衡状态与起始充入0.20 mol CO、0.40 mol H2达到的平衡状态相同,此时甲醇的平衡转化率为(0.20-0.16)mol0.20mol×100%=20%,由于现在充入的是0.30 mol CH3OH(g),相当于增大压强,而增大压强,平衡向生成CH3OH(g)的方向移动,故CH3OH(g)的转化率减小,即平衡时CH3OH(g)的转化率小于20%,故D项正确。
3.(1)-122.6(2分) (2)AC(2分) (3)>(2分) 20(2分) (4)0.18 mol·L-1·min-1(1分) KA=KC>KB(1分) (5)①反应Ⅰ为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,使CO2转化为CH3OH的产率降低(2分) ②BD(2分)
【解析】 (1)根据盖斯定律可知,反应Ⅲ=2×反应Ⅰ-反应Ⅱ,所以ΔH3=2ΔH1-ΔH2=-49.6 kJ·mol-1×2-23.4 kJ·mol-1=-122.6 kJ·mol-1。(2)反应Ⅰ为气体分子数减小的反应,随着反应的进行,反应体系内的总压强逐渐减小,当反应体系内总压强保持不变时,反应达到化学平衡状态,A项正确;由于容器内气体的总质量不变,容器的体积不变,故混合气体的密度始终保持不变,B项错误;水分子中断裂2NA个H—O键(表示逆反应速率),同时氢气分子中断裂3NA个H—H键(表示正反应速率),表明v(正)=v(逆),能说明反应达到化学平衡状态,C项正确;该反应生成的CH3OH(g)和H2O(g)的量始终保持等比例,所以其浓度之比保持不变不能说明反应达到化学平衡状态,D项错误。(3)Qc=c2(CH3OH)c(CH3OCH3)·c(H2O)=0.421.8×1.8≈0.05<0.25,反应正向进行,故v正>v逆。设反应达到平衡状态时,CH3OCH3又转化
x mol·L-1,根据“三段式”法进行计算:
CH3OCH3(g)+H2O(g)2CH3OH(g)
某时刻的浓度/(mol·L-1) 1.8 1.8 0.4
转化浓度/(mol·L-1) x x 2x
平衡浓度/(mol·L-1) 1.8-x 1.8-x 0.4+2x
则(0.4+2x)2(1.8-x)×(1.8-x)=0.25,解得x=0.2,所以平衡时CH3OH的体积分数为0.81.6+1.6+0.8×100%=20%。(4)由题目信息可知H2与CO2的投料比为2,根据题图1可知,反应达到平衡状态时CO2(g)的平衡转化率为60%,所以v(CH3OCH3)=12v(CO2)=12×6mol×60%2L×5min=0.18 mol·L-1·min-1;由于反应Ⅲ为放热反应,故在投料比相同时,温度越高,CO2(g)的平衡转化率越小,所以T1KB。(5)①反应Ⅰ为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,使CO2转化为CH3OH的产率降低。②工业生产甲醇要使产率最高且甲醇的选择性也要高,根据题图2可知,应选择230 ℃和催化剂CZ(Zr-1)T。
4.(每空2分)(1)能耗低(或产物易分离) (2)2α2(m100+mαp)0.5(1-α)1.5
(3)C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+CO(g)+H2O(l) ΔH=+133.2 kJ·mol-1 积碳能与CO2反应生成CO,从而脱离催化剂表面 (4)氢气移出率增大,体系中氢气的浓度降低,平衡正向移动,乙烷的平衡转化率增大 90%
【解析】 (1)氧化裂解法涉及的反应是放热反应,可节约能源,且副产物H2O易与目标产物C2H4分离。(2)设原混合气体的总物质的量为100 mol,则 C2H6(g)、 O2(g)和稀有气体的物质的量分别为2m mol、m mol和q mol,则2m+m+q=3m+q=100。平衡时C2H6(g)的转化率为α,列“三段式”:
C2H6(g) + 12O2(g) C2H4(g)+H2O(g)
起始量/mol 2m m 0 0
转化量/mol 2mα mα 2mα 2mα
平衡量/mol 2m(1-α) m(1-α) 2mα 2mα
平衡时混合气体的总物质的量n(总)= 2m(1-α) mol+m(1-α) mol+2mα mol+2mα mol+q mol =(100+mα) mol,则平衡时C2H6(g)、O2(g)、C2H4(g)、H2O(g)的物质的量分数分别为2m(1-α)100+mα、m(1-α)100+mα、2mα100+mα、2mα100+mα,对应的分压分别为2m(1-α)p100+mα、m(1-α)p100+mα、2mαp100+mα、2mαp100+mα,Kp=p(C2H4)·p(H2O)p(C2H6)·p0.5(O2)=2α2(m100+mαp)0.5(1-α)1.5。(3)根据盖斯定律,由热裂解法热化学方程式-①+②得C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+CO(g)+H2O(l),则ΔH=(+136 kJ·mol-1)-(-283.0 kJ·mol-1)+(-285.8 kJ·mol-1)=
+133.2 kJ·mol-1。该工艺中形成的积碳能与CO2反应生成CO,从而可以有效消除催化剂表面的积碳,维持催化剂活性。(4)氢气移出率增大,生成物中氢气的浓度降低,有利于平衡正向移动,乙烷的平衡转化率增大。A点时乙烷的平衡转化率为90%,生成H2的总物质的量为0.9 mol,设平衡时体系中H2的物质的量为x mol,平衡常数K=0.9x0.1=0.81,解得x=0.09,则氢气移出率a1=0.9−0.090.9×100%=90%。
1.B HCl的平衡转化率随温度升高而减小,说明升温平衡逆向移动,则正反应为放热反应,ΔH<0,增大氧气的物质的量,可促进HCl的转化,即Z越小,HCl的平衡转化率越大,故a<4v逆,该反应为气体分子数减少的反应,因此p(R)>p(Q),B项正确;300 ℃,Z=n(HCl)n(O2)=4时,起始n(HCl)=0.25 mol,n(O2)=0.062 5 mol,容器体积为0.5 L,则起始c(HCl)=0.5 mol·L-1,c(O2)=0.125 mol·L-1,根据该条件下HCl的平衡转化率为80%,可得出平衡时c(O2)=0.025 mol·L-1,c(HCl)=0.1 mol·L-1,c(Cl2)=c(H2O)=0.2 mol·L-1,则K=0.22×0.220.14×0.025=640,C项错误;在0.5 L容器Ⅳ中只充入0.25 mol Cl2和0.25 mol H2O(g),等效于在0.5 L容器中充入0.5 mol HCl和0.125 mol O2,HCl和O2的物质的量为容器Ⅲ中的2倍,相当于在容器Ⅲ的基础上增大压强,若平衡不移动,则平衡时c(HCl)=0.2 mol·L-1,但增大压强平衡正向移动,故300 ℃达到平衡时0.1 mol·L-1
3.(除标明外,每空2分)(1)-955.0 kJ·mol-1 (2)k1正·k2正k1逆·k2逆 < (3)①0.56 ②减小二氧化碳浓度(1分) ③>
【解析】 (1)运用盖斯定律计算,(①+②+4×③)×12得到1 mol CH4(g)与NO2(g)反应生成N2(g)、CO2(g)和H2O(l)的反应热为-955.0 kJ·mol-1。(2)平衡状态下正逆反应速率相同, k1正·c2(NO)=k1逆·c(N2O2),k2正·c(N2O2)·c(O2)=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K=c2(NO2)c2(NO)·c(O2)=k1正·k2正k1逆·k2逆;反应②的反应速率慢,说明反应的活化能大,则E1v逆。
4.(1)①-90.64(1分) ②大于(1分) 及时将产物中的CH3OH移出[或除去生成的水,或增大起始时的n(H2)n(CO2)](1分) 1.33(2分)
(2)作催化剂(1分) CO2+8H++8e-CH4+2H2O(1分)
(3)①吸收热量(1分) ·CO+·OH+·H+3H2(g)·CO+3H2(g)+H2O(g)[或·OH+·HH2O(g)](1分) ②小于(1分) 0(2分)
【解析】 (1)①将已知反应依次编号为a、b、c,根据盖斯定律知,c=b-a,故ΔH3=ΔH2-ΔH1=(-49.47-41.17) kJ·mol-1=-90.64 kJ·mol-1。②结合题图1可知,CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)的正反应是气体分子数减小的放热反应,降低温度、增大压强均可提高CO2的平衡转化率,故p1>p2>2 MPa,另外增大n(H2)n(CO2)、及时分离出生成物中的CH3OH或H2O也有利于提高CO2的平衡转化率。设起始时CO2、H2的物质的量分别为x mol、3x mol,则平衡时CO2转化的物质的量为0.2x mol,根据“三段式”法进行计算:
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
起始量/mol x 3x 0 0
转化量/mol 0.2x 0.6x 0.2x 0.2x
平衡量/mol 0.8x 2.4x 0.2x 0.2x
a点H2的平衡分压p(H2)=n(H2)n总×p3=2.4x3.6x×2 MPa≈1.33 MPa。(2)分析该装置可知,阳极上有机废水被氧化为CO2,阴极上CO2被还原为CH4,在电解过程中微生物作催化剂。阴极上CO2得到电子并结合H+生成CH4和H2O,电极反应式为CO2+8H++8e-CH4+2H2O。(3)①由题图3可知,物质吸附在催化剂表面形成过渡态的过程会吸收热量,其中活化能最小的反应的化学方程式为·CO+·OH+·H+3H2(g)·CO+3H2(g)+H2O(g),也可写作·OH+·HH2O(g)。②a点Qp>Kp,平衡向逆反应方向移动,故v(正)
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.[2021河北鸡泽模拟]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.[2021甘肃静宁一中模拟]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.[2020湖北武汉部分学校质量监测]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T1
D.该反应只有在高温下才能自发进行
4.[2021福建龙海模拟改编]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)
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,反应的平衡常数减小,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.[2020河南洛阳第一次联考,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)= (保留2位有效数字),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.[2021四川成都摸底测试]用活性炭还原氮氧化物可防止空气污染。向1 L密闭容器中加入一定量的活性炭和NO,某温度下发生反应:①C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g) ΔH1
已知:②C(s)+O2(g)CO2(g) ΔH2=-393.5 kJ·mol-1
③N2(g)+O2(g)2NO(g) ΔH3=+180.5 kJ·mol-1
下列说法错误的是( )
A.ΔH1=-574.0 kJ·mol-1
B.当容器内气体密度不变时,反应①达到平衡状态
C.反应③正反应的活化能大于180.5 kJ·mol-1
D.反应①达到平衡后,增大压强平衡向正反应方向移动
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.[新角度]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.[2021江西赣州七校联考改编]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)。下列说法错误的是( )
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体积分数小于13
D.达平衡时,容器Ⅲ中0.4 mol·L-1
A.实验c,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,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.[2020湖北武汉部分学校质量监测节选,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.[2021河北石家庄质检]三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的反应进程中的能量变化如图所示。下列说法错误的是( )
A.三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的总反应属于取代反应
B.三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的总反应速率由反应Ⅰ决定
C.适当升温,三级溴丁烷的转化率增大
D.适当升温,三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的正反应速率的增大程度小于其逆反应速率的增大程度
2.[2021吉林长春质检]T ℃时,向一个容积为2 L的密闭容器中充入一定量的CO和H2,发生如下反应:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),反应过程中测得的部分数据如表。下列说法不正确的是( )
t/min
0
10
20
30
n(CO)/ mol
0.20
0.08
0.04
n(H2)/ mol
0.40
0.08
A.若其他条件不变,升高温度,平衡时c(CH3OH)=0.05 mol·L-1,则该反应的ΔH<0
B.在前10 min内该反应的平均反应速率v(H2)=0.006 mol·L-1·min-1
C.T ℃时,该反应的平衡常数为2.5×103
D.相同温度下,若起始时向该容器中只充入0.30 mol CH3OH(g),达到平衡时CH3OH(g)的转化率小于20%
二、非选择题(共26分)
3.[2020河北唐山摸底考试,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(设NA为阿伏加德罗常数的值)
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%。
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.[2021河南部分学校开学考试改编,12分]乙烯在化工生产中的用途广泛,乙烷脱氢制乙烯是工业上常用的方法。
(1)传统的热裂解法和现代的氧化裂解法均以乙烷为原料制备乙烯。
方法
热化学方程式
热裂解法
C2H6(g) C2H4(g)+H2(g)
ΔH1=+136 kJ·mol-1
氧化裂解法
C2H6(g)+12O2(g) C2H4(g)+H2O(g)
ΔH2=-105.8 kJ·mol-1
根据表格中提供的信息,列举氧化裂解法的一个优点:
。
(2)工业上,采用氧化裂解法制乙烯时,通常在乙烷和氧气的混合气体中掺入惰性气体。若将组成为2m%(物质的量分数,后同) C2H6(g)、m% O2(g)和q% 稀有气体的混合气体通入反应器,在温度为T、压强为p的条件下进行上述氧化裂解反应,平衡时若C2H6(g)的转化率为α,则平衡常数Kp= 。
(3)利用CO2的弱氧化性,开发了乙烷氧化脱氢制乙烯的新工艺。该工艺可用铬的氧化物作催化剂,其反应机理如图1所示:
图1
已知:①CO(g)+12O2(g) CO2(g) ΔH3=-283.0 kJ·mol-1
②H2(g)+12O2(g) H2O(l) ΔH4=-285.8 kJ·mol-1
该工艺总反应的热化学方程式为 ;乙烷制乙烯的过程中会发生副反应,从而在催化剂表面形成积碳,而该工艺可以有效消除催化剂表面的积碳,维持催化剂活性,原因是 。
(4)热裂解法利用膜反应新技术,可以实现边反应边分离出生成的氢气。不同温度下,1.0 mol乙烷在容积为1.0 L的恒容密闭容器中发生反应:C2H6(g) C2H4(g)+H2(g)。氢气移出率a[a=n(分离出的氢气)n(生成的氢气)×100%]不同时,乙烷的平衡转化率与反应温度的关系如图2所示:
图2
已知a3、a2、a1依次增大,则相同温度时,对应乙烷的平衡转化率也依次增大的原因是 ;
A点时平衡常数K=0.81,则a1= 。
一、选择题(每小题6分,共12分)
1.[2021安徽示范高中联考]有Ⅰ~Ⅳ四个体积均为0.5 L的恒容密闭容器,在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中按不同投料比(Z)充入HCl和O2(如表),加入催化剂发生反应:4HCl(g)+O2(g)2Cl2(g)+2H2O(g) ΔH,HCl的平衡转化率(α)与Z和温度(T)的关系如图所示。下列说法正确的是( )
容器
起始时
T/℃
n(HCl)/mol
Z
Ⅰ
300
0.25
a
Ⅱ
300
0.25
b
Ⅲ
300
0.25
4
A.ΔH<0,a>4>b
B.容器Ⅲ某时刻处在R点,则R点的v正>v逆,压强:p(R)>p(Q)
C.300 ℃该反应的平衡常数的值为64
D.若起始时,在容器Ⅳ中充入0.25 mol Cl2和0.25 mol H2O(g),300 ℃达平衡时容器中c(HCl)>0.2 mol·L-1
2.[新素材、新情境]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23分)
3.[新角度][2020湖北八校第一次联考,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:
物质时间/min 浓度/(mol·L-1)
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.[新角度][2021湖北重点中学联考改编,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= 。
答案
专题十五 化学反应速率和化学平衡
1. A 化学反应速率之比等于化学计量数之比,据此可将不同物质表示的反应速率转化成同一物质表示的反应速率后再进行比较。如全都转化成用A表示的反应速率,则B项对应的v(A)=0.43 mol·L-1·s-1,C项对应的v(A)=
0.3 mol·L-1·s-1,D项对应的v(A)=0.015 mol·L-1·s-1,故反应速率最快的为A项。
2.B 若反应生成3 mol Z(g),则反应放出的热量可以达到a kJ,A项正确;升温度,正反应速率和逆反应速率均增大,B项错误;反应体系中各物质的浓度不再变化是达到化学平衡状态的标志,C项正确;因可逆反应达到平衡状态时,反应物不能完全转化为生成物,故0.1 mol X与0.2 mol Y充分反应生成的Z一定小于0.3 mol,D项正确。
3.B 组别①中0 ~20 min内,v(NO2)=2v(CH4)=2×(0.50-0.25)mol10L×20min=0.002 5 mol·L-1·min-1,A错误;温度升高,反应速率加快,由题表中数据知T2>T1,B正确;温度为T1 K,40 min时,反应已达到平衡状态,又温度T2 K>T1 K,故T2 K、40 min时反应也已达到平衡状态,故M=0.15,C错误;T2 K时,达到平衡,甲烷剩余量增多,说明温度升高,平衡向逆反应方向移动,所以该反应的ΔH<0,又因为该反应的ΔS>0,则ΔH-TΔS<0恒成立,该反应在任何温度下都能自发进行,D错误。
4.C 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0.4mol2.0L3min≈0.067 mol·L-1·min-1,A项正确;由曲线变化可知,D是反应物,A、B是生成物,同一反应、同一时间段内,各物质的物质的量的变化量之比等于其化学计量数之比,0~3 min内,Δn(D)=0.4 mol,Δn(A)=0.4 mol,Δn(B)=0.2 mol,则反应的方程式为2D(s)2A(g)+B(g),因D为固体,故化学平衡常数K=c2(A)·c(B),B项正确;温度升高,D的物质的量减少,A、B的物质的量增大,平衡正向移动,而温度升高,平衡向吸热反应方向移动,故该反应的正反应为吸热反应,温度升高,B的反应速率加快,平衡常数增大,C项错误;可逆反应中,增加固体反应物的量,气体物质的浓度不变,平衡不移动,A的物质的量变化情况符合b曲线,D项正确。
5.(1)-122.7 kJ·mol-1(2分) D(2分) (2)①5.13×10-5 mol·L-1·min-1(2分) 75%(2分) ②增大压强、升高温度、加入催化剂、增大反应物浓度(任意写出两条)(2分) (3)0.8(2分)
【解析】 (1)将已知反应依次编号为①、②、③,根据盖斯定律,由①×2+②-③×2可得2CO2 (g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g) ΔH=-122.7 kJ·mol-1。该反应的正反应为气体分子数减小的放热反应,故增大压强、降低温度可提高CO2的平衡转化率。(2)①设0~6.5 min内反应的CH3OCH3为x mol,根据“三段式”法进行计算:
CH3OCH3(g) CH4(g)+H2(g)+CO(g)
起始量/mol 1 0 0 0
变化量/mol x x x x
6.5 min时的量/mol 1-x x x x
恒温恒容条件下,气体的物质的量之比等于压强之比,即1+2x1 = 55.050.0,解得x=0.05,故0~6.5 min内v(CH3OCH3)=0.05mol150L×6.5min≈5.13×10-5 mol·L-1·min-1。由题表可知平衡时气体总压强为125.0 kPa,设平衡时反应的CH3OCH3为y mol,根据“三段式”法进行计算:
CH3OCH3(g) CH4(g)+H2(g)+CO(g)
起始量/mol 1 0 0 0
变化量/mol y y y y
平衡量/mol 1-y y y y
则1+2y1 = 125.050.0,解得y=0.75,故二甲醚的平衡转化率为0.75mol1mol×100%=75%。②要缩短反应达到平衡的时间可采取的措施有增大压强、升高温度、加入催化剂、增大反应物浓度等。(3)当反应达到平衡状态时v正=v逆,则k正k逆 = p(CH3CHO)p(CO)·p(CH4)=Kp=4.5×10-5,T2 K、1.0×104 kPa时,设起始时n(CH4)=n(CO)=1 mol,则CO的转化率为20%时,列出三段式:
CH4(g)+CO(g) CH3CHO(g)
起始量/mol 1 1 0
变化量/mol 0.2 0.2 0.2
最终量/mol 0.8 0.8 0.2
所以p(CH4)=p(CO)=0.81.8×1.0×104 kPa,p(CH3CHO)=0.21.8×1.0×104 kPa,则v正v逆 = k正·p(CO)·p(CH4)k逆·p(CH3CHO)=4.5×10-5×(0.81.8×1.0×104)20.21.8×1.0×104=0.8。
6.D 根据盖斯定律由②-③得:C(s)+2NO(g)N2(g)+CO2(g) ΔH1=-574.0 kJ·mol-1,A项正确;反应①中C为固体,即反应前后气体总质量不相等,在恒容条件下,当容器内气体密度不变时,说明气体的质量不变,反应达到平衡状态,B项正确;ΔH=正反应的活化能-逆反应的活化能,且ΔH3=+180.5 kJ·mol-1,则反应③正反应的活化能一定大于180.5 kJ·mol-1,C项正确;反应①为反应前后气体体积不发生变化的反应,增大压强对平衡移动无影响,即化学平衡不发生移动,D项错误。
7.A 该反应为气体分子数发生变化的反应,一定温度和压强下,当容器体积不变时,说明反应已达平衡,A项正确;设X和Y起始的物质的量均为a mol,反应进行到某时刻,X转化x mol,则Y转化3x mol,此时X为(a-x) mol,Y为
(a-3x) mol,Z为2x mol,X的体积分数为a-x2a-2x = 12,该值始终不变,所以X的体积分数不变时不能表明反应已达平衡,B项错误;相同条件下,X和Y的转化量不相等,又二者起始投入量相等,则平衡时X和Y的转化率肯定不相等,C项错误;因X和Y起始投入量未知,故平衡时反应放出的热量可能为m kJ,D项错误。
8.B 该可逆反应为Fe3++3SCN-Fe(SCN)3,Fe3+、SCN-的浓度对平衡有影响,而Cl-、K+的浓度对平衡无影响。实验①为对照实验,对比实验①和②,②相当于在①的基础上增大Fe3+的浓度,平衡正向移动,A项正确;对比实验①和③,滴加蒸馏水和滴加KCl溶液效果等同,平衡不发生移动,B项错误;对比实验①和④,④相当于在①的基础上增大SCN-的浓度,平衡正向移动,C项正确;Fe3+能和OH-反应,对比实验①和⑤,⑤相当于在①的基础上减小Fe3+的浓度,平衡逆向移动,D项正确。
9.A 容器Ⅰ中 PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g)
起始浓度/(mol·L-1) 0.4 0 0
转化浓度/(mol·L-1) 0.2 0.2 0.2
平衡浓度/(mol·L-1) 0.2 0.2 0.2
平衡时c(Cl2)c(PCl5)=1,K=c(Cl2)·c(PCl3)c(PCl5)=0.2×0.20.2=0.2,容器Ⅱ中,开始时c(Cl2)c(PCl5)≈1.86,此时Qc=1.95×0.051.05≈0.09
容器Ⅱ中 PCl5(g)PCl3(g)+Cl2(g)
起始浓度/(mol·L-1) 1.05 0.05 1.95
转化浓度/(mol·L-1) x x x
平衡浓度/(mol·L-1) 1.05-x 0.05+x 1.95+x
容器Ⅱ中总浓度为3.1 mol·L-1,则3.1=1.05-x+0.05+x+1.95+x,解得x=0.05;则平衡时c(PCl5)=
1 mol·L-1,c(PCl3)=0.1 mol·L-1,c(Cl2)=2 mol·L-1,此时Qc=2×0.11=0.2=K,说明此时反应达到化学平衡状态,假设成立, B项正确。容器Ⅰ中达平衡时,Cl2的体积分数为0.20.2×3=13。容器Ⅲ相当于将两个容器Ⅰ合并后体积压缩一半,增大压强,平衡向逆反应方向移动,Cl2的量减小,所以达平衡时,容器Ⅲ中Cl2的体积分数小于13,C项正确。容器Ⅰ中平衡时c(PCl5)=0.2 mol·L-1,容器Ⅲ相当于将两个容器Ⅰ合并后体积压缩一半,若平衡不移动c(PCl5)=0.4 mol·L-1,但增大压强,平衡向逆反应方向移动,c(PCl5)增大,所以c(PCl5)>0.4 mol·L-1,又因反应开始,消耗PCl5,所以c(PCl5)<0.8 mol·L-1,则达平衡时,容器Ⅲ中0.4 mol·L-1
AX3(g) + X2(g) AX5(g)
起始量/mol 0.20 0.20 0
转化量/mol x x x
平衡量/mol 0.20-x 0.20-x x
则0.20−x+0.20−x+x0.20+0.20=140175,解得x=0.08,v(AX3)=0.08mol10L×40min=2×10-4 mol·L-1·min-1,A项正确。实验a,设平衡时转化的X2的物质的量为y mol,运用“三段式”法进行计算:
AX3(g) + X2(g) AX5(g)
起始量/mol 0.20 0.20 0
转化量/mol y y y
平衡量/mol 0.20-y 0.20-y y
则0.20−y+0.20−y+y0.20+0.20=120160,解得y=0.10,则平衡时c(AX3)=c(X2)=c(AX5)=0.01 mol·L-1,故用浓度表示的平衡常数K=0.010.01×0.01=100,B项正确;实验c相对于实验a,容器容积和起始投料量均相同,但起始总压强增大,因此实验c的温度高于实验a,由于实验a达到平衡时AX3(g)转化0.10 mol,实验c达到平衡时AX3(g)转化0.08 mol,因此升高温度,平衡向逆反应方向移动,该反应的逆反应为吸热反应,正反应为放热反应,ΔH<0,C项错误;实验c相对于实验a改变的条件为升高温度,根据题图可知实验c比实验a先达到平衡,故比较实验a、c可以得出升高温度反应速率加快,D项正确。
11.(1)吸热(1分) 升高温度、增大氢气浓度、吸收CO、液化水蒸气(任写两条)(2分) (2)①T3>T2>T1(1分) ②m1>m2>m3(1分) ③乙醇(1分) 0.125×5×(0.375×5)3(0.125×5)2×(0.375×5)6(2分)
【解析】 (1)K1=c(CO)c(CO2),K2=c(H2)c(H2O),则K3=c(CO)·c(H2O)c(H2)·c(CO2)=K1K2,所以973 K时,K3=K1K2≈0.62,1 173 K时,K3=K1K2≈1.29,升高温度,平衡常数增大,所以正反应为吸热反应,为提高CO2的转化率可采用的措施有升高温度、增大氢气浓度、吸收CO、液化水蒸气。(2)①正反应放热,则温度越高,二氧化碳的平衡转化率越小,所以温度从高到低的顺序为T3>T2>T1。②增大n(H2),平衡正向移动,二氧化碳的平衡转化率增大,所以m1>m2>m3。③升高温度,平衡逆向移动,二氧化碳和氢气的物质的量分数增大,乙醇、水蒸气的物质的量分数减少,按化学计量数之比进行投料,则平衡时乙醇的物质的量分数是水蒸气的13,CO2的物质的量分数是H2的13,所以曲线d代表乙醇,曲线a代表H2,曲线b代表CO2,曲线c代表H2O。体系中各组分的分压=该物质的物质的量分数×体系总压强,由题图3中T4 K对应数据可得Kp=0.125×5×(0.375×5)3(0.125×5)2×(0.375×5)6。
1.C 结合题图最初反应物和最终生成物,可写出总反应并判断反应类型;反应的活化能越小,反应越快,活化能越大,反应越慢;整个反应的反应速率是由最慢的反应决定的。结合题图可知总反应方程式为(CH3)3CBr+C2H5OH(CH3)3COC2H5+HBr,则该反应为取代反应,A项正确;结合题图可知反应Ⅰ的活化能最大,则总反应速率是由反应Ⅰ决定的,B项正确;结合题图能量关系可知三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的反应为放热反应,则适当升温,平衡逆向移动,三级溴丁烷的转化率减小,C项错误;根据升温正逆反应速率均加快及平衡逆向移动,知适当升温,三级溴丁烷在乙醇中溶剂解的正反应速率的增大程度小于其逆反应速率的增大程度,D项正确。
2.B 30 min时Δn(H2)=0.40 mol-0.08 mol=0.32 mol,Δn(CO)=12Δn(H2)=0.16 mol,n(CO)=0.20 mol-0.16 mol=0.04 mol,说明20 min时反应处于平衡状态。列出三段式:
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
起始量(mol) 0.20 0.40 0
转化量(mol) 0.16 0.32 0.16
平衡量(mol) 0.04 0.08 0.16
可知反应达到平衡时,c(CH3OH)=0.16mol2L=0.08 mol·L-1。若保持其他条件不变,升高温度,平衡时c(CH3OH)=0.05 mol·L-1<0.08 mol·L-1,说明升高温度平衡向逆反应方向移动,则该反应为放热反应,ΔH<0,故A项正确;在前10 min内该反应的平均反应速率v(CO)=0.20mol−0.08mol2L10min=0.006 mol·L-1·min-1,v(H2)=2v(CO)=0.012 mol·L-1·min-1,故B项错误;T ℃时,该反应的平衡常数K=0.1620.042×(0.082)2=2.5×103,故C项正确;相同条件下,起始充入0.20 mol CH3OH(g)达到的平衡状态与起始充入0.20 mol CO、0.40 mol H2达到的平衡状态相同,此时甲醇的平衡转化率为(0.20-0.16)mol0.20mol×100%=20%,由于现在充入的是0.30 mol CH3OH(g),相当于增大压强,而增大压强,平衡向生成CH3OH(g)的方向移动,故CH3OH(g)的转化率减小,即平衡时CH3OH(g)的转化率小于20%,故D项正确。
3.(1)-122.6(2分) (2)AC(2分) (3)>(2分) 20(2分) (4)0.18 mol·L-1·min-1(1分) KA=KC>KB(1分) (5)①反应Ⅰ为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,使CO2转化为CH3OH的产率降低(2分) ②BD(2分)
【解析】 (1)根据盖斯定律可知,反应Ⅲ=2×反应Ⅰ-反应Ⅱ,所以ΔH3=2ΔH1-ΔH2=-49.6 kJ·mol-1×2-23.4 kJ·mol-1=-122.6 kJ·mol-1。(2)反应Ⅰ为气体分子数减小的反应,随着反应的进行,反应体系内的总压强逐渐减小,当反应体系内总压强保持不变时,反应达到化学平衡状态,A项正确;由于容器内气体的总质量不变,容器的体积不变,故混合气体的密度始终保持不变,B项错误;水分子中断裂2NA个H—O键(表示逆反应速率),同时氢气分子中断裂3NA个H—H键(表示正反应速率),表明v(正)=v(逆),能说明反应达到化学平衡状态,C项正确;该反应生成的CH3OH(g)和H2O(g)的量始终保持等比例,所以其浓度之比保持不变不能说明反应达到化学平衡状态,D项错误。(3)Qc=c2(CH3OH)c(CH3OCH3)·c(H2O)=0.421.8×1.8≈0.05<0.25,反应正向进行,故v正>v逆。设反应达到平衡状态时,CH3OCH3又转化
x mol·L-1,根据“三段式”法进行计算:
CH3OCH3(g)+H2O(g)2CH3OH(g)
某时刻的浓度/(mol·L-1) 1.8 1.8 0.4
转化浓度/(mol·L-1) x x 2x
平衡浓度/(mol·L-1) 1.8-x 1.8-x 0.4+2x
则(0.4+2x)2(1.8-x)×(1.8-x)=0.25,解得x=0.2,所以平衡时CH3OH的体积分数为0.81.6+1.6+0.8×100%=20%。(4)由题目信息可知H2与CO2的投料比为2,根据题图1可知,反应达到平衡状态时CO2(g)的平衡转化率为60%,所以v(CH3OCH3)=12v(CO2)=12×6mol×60%2L×5min=0.18 mol·L-1·min-1;由于反应Ⅲ为放热反应,故在投料比相同时,温度越高,CO2(g)的平衡转化率越小,所以T1
4.(每空2分)(1)能耗低(或产物易分离) (2)2α2(m100+mαp)0.5(1-α)1.5
(3)C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+CO(g)+H2O(l) ΔH=+133.2 kJ·mol-1 积碳能与CO2反应生成CO,从而脱离催化剂表面 (4)氢气移出率增大,体系中氢气的浓度降低,平衡正向移动,乙烷的平衡转化率增大 90%
【解析】 (1)氧化裂解法涉及的反应是放热反应,可节约能源,且副产物H2O易与目标产物C2H4分离。(2)设原混合气体的总物质的量为100 mol,则 C2H6(g)、 O2(g)和稀有气体的物质的量分别为2m mol、m mol和q mol,则2m+m+q=3m+q=100。平衡时C2H6(g)的转化率为α,列“三段式”:
C2H6(g) + 12O2(g) C2H4(g)+H2O(g)
起始量/mol 2m m 0 0
转化量/mol 2mα mα 2mα 2mα
平衡量/mol 2m(1-α) m(1-α) 2mα 2mα
平衡时混合气体的总物质的量n(总)= 2m(1-α) mol+m(1-α) mol+2mα mol+2mα mol+q mol =(100+mα) mol,则平衡时C2H6(g)、O2(g)、C2H4(g)、H2O(g)的物质的量分数分别为2m(1-α)100+mα、m(1-α)100+mα、2mα100+mα、2mα100+mα,对应的分压分别为2m(1-α)p100+mα、m(1-α)p100+mα、2mαp100+mα、2mαp100+mα,Kp=p(C2H4)·p(H2O)p(C2H6)·p0.5(O2)=2α2(m100+mαp)0.5(1-α)1.5。(3)根据盖斯定律,由热裂解法热化学方程式-①+②得C2H6(g)+CO2(g) C2H4(g)+CO(g)+H2O(l),则ΔH=(+136 kJ·mol-1)-(-283.0 kJ·mol-1)+(-285.8 kJ·mol-1)=
+133.2 kJ·mol-1。该工艺中形成的积碳能与CO2反应生成CO,从而可以有效消除催化剂表面的积碳,维持催化剂活性。(4)氢气移出率增大,生成物中氢气的浓度降低,有利于平衡正向移动,乙烷的平衡转化率增大。A点时乙烷的平衡转化率为90%,生成H2的总物质的量为0.9 mol,设平衡时体系中H2的物质的量为x mol,平衡常数K=0.9x0.1=0.81,解得x=0.09,则氢气移出率a1=0.9−0.090.9×100%=90%。
1.B HCl的平衡转化率随温度升高而减小,说明升温平衡逆向移动,则正反应为放热反应,ΔH<0,增大氧气的物质的量,可促进HCl的转化,即Z越小,HCl的平衡转化率越大,故a<4
3.(除标明外,每空2分)(1)-955.0 kJ·mol-1 (2)k1正·k2正k1逆·k2逆 < (3)①0.56 ②减小二氧化碳浓度(1分) ③>
【解析】 (1)运用盖斯定律计算,(①+②+4×③)×12得到1 mol CH4(g)与NO2(g)反应生成N2(g)、CO2(g)和H2O(l)的反应热为-955.0 kJ·mol-1。(2)平衡状态下正逆反应速率相同, k1正·c2(NO)=k1逆·c(N2O2),k2正·c(N2O2)·c(O2)=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K=c2(NO2)c2(NO)·c(O2)=k1正·k2正k1逆·k2逆;反应②的反应速率慢,说明反应的活化能大,则E1
4.(1)①-90.64(1分) ②大于(1分) 及时将产物中的CH3OH移出[或除去生成的水,或增大起始时的n(H2)n(CO2)](1分) 1.33(2分)
(2)作催化剂(1分) CO2+8H++8e-CH4+2H2O(1分)
(3)①吸收热量(1分) ·CO+·OH+·H+3H2(g)·CO+3H2(g)+H2O(g)[或·OH+·HH2O(g)](1分) ②小于(1分) 0(2分)
【解析】 (1)①将已知反应依次编号为a、b、c,根据盖斯定律知,c=b-a,故ΔH3=ΔH2-ΔH1=(-49.47-41.17) kJ·mol-1=-90.64 kJ·mol-1。②结合题图1可知,CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)的正反应是气体分子数减小的放热反应,降低温度、增大压强均可提高CO2的平衡转化率,故p1>p2>2 MPa,另外增大n(H2)n(CO2)、及时分离出生成物中的CH3OH或H2O也有利于提高CO2的平衡转化率。设起始时CO2、H2的物质的量分别为x mol、3x mol,则平衡时CO2转化的物质的量为0.2x mol,根据“三段式”法进行计算:
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
起始量/mol x 3x 0 0
转化量/mol 0.2x 0.6x 0.2x 0.2x
平衡量/mol 0.8x 2.4x 0.2x 0.2x
a点H2的平衡分压p(H2)=n(H2)n总×p3=2.4x3.6x×2 MPa≈1.33 MPa。(2)分析该装置可知,阳极上有机废水被氧化为CO2,阴极上CO2被还原为CH4,在电解过程中微生物作催化剂。阴极上CO2得到电子并结合H+生成CH4和H2O,电极反应式为CO2+8H++8e-CH4+2H2O。(3)①由题图3可知,物质吸附在催化剂表面形成过渡态的过程会吸收热量,其中活化能最小的反应的化学方程式为·CO+·OH+·H+3H2(g)·CO+3H2(g)+H2O(g),也可写作·OH+·HH2O(g)。②a点Qp>Kp,平衡向逆反应方向移动,故v(正)
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