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第2章单元测评
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这是一份第2章单元测评，共14页。
第2章测评
(时间:90分钟 满分:100分)
一、选择题(本题包括10小题,每小题2分,共20分。每小题只有一个选项符合题意)
1.金属锡素有“盛水水清甜,盛酒酒香醇,储茶味不变,插花花长久”的美称。金属锡的冶炼常用焦炭作还原剂:SnO2+2CSn+2CO↑,反应过程中能量的变化如图所示。下列有关该反应的ΔH、ΔS的说法中正确的是( )
A.ΔH<0 ΔS<0 B.ΔH>0 ΔS<0
C.ΔH<0 ΔS>0 D.ΔH>0 ΔS>0
答案D
解析由于反应产物所具有的能量大于反应物所具有的能量,故该反应为吸热反应,即ΔH>0;该反应为气态物质系数增大的反应,故ΔS>0。
2.在容积不变的密闭容器中,一定条件下进行如下反应:2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g) ΔH=-373.2 kJ·mol-1。如图曲线a表示该反应过程中NO的转化率与反应时间的关系。若改变起始条件,使反应过程按照曲线b进行,可采取的措施是( )
A.降低温度
B.向密闭容器中通入氩气
C.加催化剂
D.增大反应物中NO的浓度
答案D
解析由图像可知,要使反应按曲线b进行,需要缩短反应达到平衡的时间,同时降低NO的转化率。降低温度,反应速率减慢,平衡时NO的转化率增大,A项错误;B、C项,平衡不移动;增大反应物中NO的浓度,反应速率加快,达到平衡时NO的转化率下降,D项正确。
3.在淀粉KI溶液中存在下列平衡:I2(aq)+I-(aq)I3-(aq)。测得不同温度时该反应的平衡常数K如表所示:
T/℃
5
15
25
35
50
K/(mol-1·L)
1 100
841
689
533
409
下列说法正确的是( )
A.反应I2(aq)+I-(aq)I3-(aq)的ΔH>0
B.其他条件不变,升高温度,溶液中c平(I3-)减小
C.该反应的平衡常数表达式为K=c平(I2)·c平(I-)c平(I3-)
D.25 ℃时,向溶液中加入少量KI固体,平衡常数K小于689
答案B
解析根据表格提供的数据知升高温度,平衡常数减小,则平衡向逆反应方向移动,逆反应为吸热反应,故正反应为放热反应,ΔH<0,A项错误;其他条件不变,升高温度,平衡向逆反应方向移动,溶液中c平(I3-)减小,B项正确;该反应的平衡常数表达式为K=c平(I3-)c平(I2)·c平(I-),C项错误;平衡常数只与温度有关,25 ℃时,向溶液中加入少量KI固体,虽然平衡向正反应方向移动,但平衡常数不变,D项错误。
4.反应2X(g)+Y(g)2Z(g)在不同温度(T1和T2)下进行时反应产物Z的物质的量n(Z)与反应时间t的关系如右图。下列判断正确的是( )
A.T1
C.T1>T2,逆反应为吸热反应
D.T1
解析图中T1温度下达到平衡所需时间短于T2,说明T1>T2,A、D项错误;对比两种温度下的平衡可知,温度升高,Z的体积分数减小,平衡向逆反应方向移动,则逆反应为吸热反应,C项正确,B项错误。
5.反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0达到平衡时,只改变下列一个条件,平衡不发生移动的是( )
A.升高温度
B.恒温恒容条件下充入氧气
C.恒温恒容条件下充入SO3(g)
D.加入催化剂V2O5
答案D
解析升高温度,平衡向逆反应方向移动,A项错误;恒温恒容条件下充入氧气,氧气浓度增大,平衡向正反应方向移动,B项错误;恒温恒容条件下充入SO3,SO3浓度增大,平衡向逆反应方向移动,C项错误;催化剂能同等程度地改变正、逆反应速率,不影响平衡移动,D项正确。
6.在容积一定的密闭容器中,放入一定量的NO(g)和足量C(s),发生反应C(s)+2NO(g)CO2(g)+N2(g),平衡状态时NO(g)的物质的量浓度与温度T的关系如图所示。则下列说法中正确的是( )
A.该反应的ΔH>0
B.若该反应在T1、T2时的平衡常数分别为K1、K2,则K1
答案D
解析由图像可知,T1K2,A、B错误;T2时D点表示c(NO)>c平(NO),由D→B点需降低c(NO),即平衡向右移动,因此D点对应体系中v(正)>v(逆),C错误;由于反应物C为固体,故容积不变时,反应后气体质量增大,混合气体的密度增大,当密度不再变化时,可以判断反应达到平衡状态,D正确。
7.对于可逆反应mA(s)+nB(g)eC(g)+fD(g),当其他条件不变时,C的体积分数在不同温度(T)和不同压强(p)下随时间(t)的变化关系如图所示。下列叙述正确的是( )
A.达到平衡后,若使用催化剂,C的体积分数将增大
B.正反应的ΔH<0
C.化学方程式中,n>e+f
D.达到平衡后,增加A的质量有利于化学平衡向正反应方向移动
答案B
解析催化剂不能使平衡发生移动,所以不能使C的体积分数增大,故A项错误;达到平衡所用时间越短,反应速率越快,由图可知T2>T1,p2>p1,则温度由T1升高到T2,平衡时C的体积分数减小,说明升高温度平衡逆向移动,所以正反应为放热反应,B项正确;压强由p1增大到p2,平衡时C的体积分数减小,说明增大压强平衡逆向移动,所以该反应的正反应为气体分子数目增大的反应,即n
物质
CH3OH
CH3OCH3
H2O
c/(mol·L-1)
0.08
1.6
1.6
A.此时刻反应达到平衡状态
B.容器内压强不变时,说明反应达平衡状态
C.平衡时,再加入与起始时等量的CH3OH,达新平衡后CH3OH转化率不变
D.平衡时,反应混合物的总能量降低40 kJ
答案B
解析根据表格中数据可知,此时刻的浓度商为Q=(1.6mol·L-1)2(0.08mol·L-1)2=400=K,此时反应达平衡状态,A正确;该反应前后气体的总物质的量不变,恒温恒容时气体压强不变,B错误;平衡时,再充入与起始时等量的CH3OH,新平衡与原平衡等效,CH3OH转化率不变,C正确;平衡时,参加反应的CH3OH为1.6 mol×2=3.2 mol,反应混合物的总能量减少3.2 mol×25 kJ·mol-12=40 kJ,D正确。
9.对于气相反应,用某组分(B)的平衡分压代替物质的量浓度也可表示平衡常数(记作Kp)。已知反应CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g),在t ℃时的平衡常数Kp=a,则下列说法正确的是( )
A.Kp=p平(CH4)·p平2(H2O)p平(CO2)·p平4(H2)
B.升高温度,若Kp增大,则该反应为吸热反应
C.该反应达到平衡状态后,增大压强,平衡向左移动,Kp减小
D.t ℃时,反应12CH4(g)+H2O(g)12CO2(g)+2H2(g)的平衡常数Kp=12a
答案B
解析由平衡常数表达式知,Kp应为生成物分压幂之积与反应物分压幂之积的比值,A项错误;升高温度,若Kp增大,则平衡正向移动,故该反应为吸热反应,B项正确;Kp只与温度有关,则反应达到平衡状态后,增大压强,平衡向左移动,Kp不变,C项错误;t ℃时,反应12CH4(g)+H2O(g)12CO2(g)+2H2(g)的平衡常数Kp=[p平4(H2)·p平(CO2)p平(CH4)·p平2(H2O)]12=a12,D项错误。
10.向某密闭容器中加入0.3 mol A、0.1 mol C和一定量的B三种气体,在一定条件下发生反应,各物质的物质的量浓度随时间变化的情况如图1所示。图2为t2时刻后改变反应条件,平衡体系中化学反应速率随时间变化的情况,四个阶段都各改变一种条件,且所改变的条件均不相同。已知t3~t4阶段为使用催化剂。
下列说法错误的是( )
A.若t1=15,生成物C在t0~t1时间段的平均反应速率为0.004 mol·L-1·s-1
B.t4~t5阶段改变的条件为减小压强,t5~t6阶段改变的条件是升高温度
C.B的起始物质的量为0.02 mol
D.该反应的化学方程式为3A(g)B(g)+2C(g)
答案C
解析若t1=15,生成物C在t0~t1时间段的平均反应速率v(C)=Δc(C)Δt=0.11mol·L-1-0.05 mol·L-115 s=0.004 mol·L-1·s-1,故A选项正确;t3~t4阶段为使用催化剂,t4~t5阶段,正、逆反应速率都减小,且化学平衡不移动,所以改变的条件只能为减小压强,且反应前后气态物质系数之和不变,反应中A的物质的量浓度变化为0.15 mol·L-1-0.06 mol·L-1=0.09 mol·L-1,C的物质的量浓度变化为0.11 mol·L-1-0.05 mol·L-1=0.06 mol·L-1,所以化学方程式中A与C的系数之比为0.09∶0.06=3∶2,则该反应的化学方程式为3A(g)B(g)+2C(g),t5~t6阶段,正、逆反应速率都增大,改变的条件应为升高温度,故B、D选项正确;由A的起始物质的量为0.3 mol和起始物质的量浓度为0.15 mol·L-1可知,容器的容积V=0.3mol0.15mol·L-1=2 L,由化学方程式可知B的起始物质的量浓度为0.05 mol·L-1-(0.11 mol·L-1-0.05 mol·L-1)×12=0.02 mol·L-1,所以B的起始物质的量n(B)=0.02 mol·L-1×2 L=0.04 mol,故C选项错误。
二、不定项选择题(本题包括5小题,每小题4分,共20分。每小题有一个或两个选项符合题意)
11.在一密闭容器中加入等物质的量的A、B,发生如下反应:2A(g)+2B(g)3C(s)+4D(g),平衡常数随温度和压强的变化如表所示:
温度/℃
平衡常数
p=1.0 MPa
p=1.5 MPa
p=2.0 MPa
300
a
b
16
516
c
64
e
800
160
f
g
下列判断正确的是( )
A.g>f
B.ΔH<0
C.2.0 MPa、800 ℃时,A的转化率最小
D.1.5 MPa、300 ℃时,B的转化率为50%
答案D
解析平衡常数只与温度相关,温度不变,K不变,所以g=f,A项错误;由表格中的数据可知,平衡常数随温度升高而增大,故正反应为吸热反应,ΔH>0,B项错误;该反应为吸热反应,温度越高,平衡常数越大,A的转化率越大,C项错误;该反应为反应前后气体分子数不变的反应,即压强一定时,气体体积不变。设开始加入A、B的物质的量为a mol,转化量为x mol,容器容积为V L,则达平衡时,A、B为(a-x) mol,D为2x mol,则有(2xVmol·L-1)4(a-xVmol·L-1)2·(a-xVmol·L-1)2=16,解得xa=12,故B的转化率为50%,D项正确。
12.(2019山东临沂罗庄高二上学期期末)乙醇是重要的有机化工原料,可由乙烯水合法生产,反应的化学方程式如下:C2H4(g)+H2O(g)C2H5OH(g)。下图为乙烯的平衡转化率与温度(T)、压强(p)的关系[起始n(C2H4)∶n(H2O)=1∶1]。下列有关叙述正确的是( )
A.Y对应的乙醇的质量分数为15
B.X、Y、Z三点对应的反应速率:v(X)>v(Y)>v(Z)
C.X、Y、Z三点对应的平衡常数数值:KX>KY>KZ
D.增大压强、升高温度均可提高乙烯的平衡转化率
答案AC
解析据图像可知,Y点对应乙烯的平衡转化率为20%,起始n(C2H4)∶n(H2O)=1∶1,设C2H4和H2O的起始物质的量均为1 mol,根据“三段式”分析:
C2H4(g)+H2O(g)C2H5OH(g)
起始/mol 1 1 0
转化/mol 0.2 0.2 0.2
平衡/mol 0.8 0.8 0.2
则平衡时乙醇的质量分数为:0.2mol×46 g·mol-11mol×28 g·mol-1+1 mol×18 g·mol-1=15,A正确;因该反应是气体体积减小的可逆反应,所以温度相同时,压强越大,乙烯的平衡转化率越大,则结合图像可得:p1KY>KZ,C正确;因该反应是气体体积减小的可逆反应,则温度相同时,压强越大,乙烯的平衡转化率越大,又因该反应是放热反应,升高温度平衡逆向移动,乙烯的平衡转化率降低,D错误。
13.某温度下,将2 mol SO2和1 mol O2置于10 L密闭容器中发生反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
ΔH<0,SO2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图甲所示。则下列说法正确的是( )
A.由图甲推断,B点SO2的平衡浓度为0.02 mol·L-1
B.由图甲推断,A点对应温度下该反应的平衡常数为800 L·mol-1
C.压强为0.50 MPa时不同温度下SO2转化率与温度关系如乙图,则T2>T1
D.达平衡后,若增大容器容积,则反应速率变化图像可以用图丙表示
答案B
解析A项,设B点平衡时SO2的转化量为x mol,根据“三段式”法可知:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
起始/mol 2 1 0
转化/mol x x2 x
平衡/mol 2-x 1-x2 x
由题意可知x2=0.85,则x=1.7。
平衡时SO2的平衡浓度为2mol-1.7mol10 L=0.03 mol·L-1,A项错误;
设A点O2的转化量为y mol·L-1,根据“三段式”法分析可知:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
起始/(mol·L-1) 0.2 0.1 0
转化/(mol·L-1) 2y y 2y
平衡/(mol·L-1) 0.2-2y 0.1-y 2y
由题意可得2y0.2=0.80,则y=0.08
平衡常数K=c平2(SO3)c平2(SO2)·c平(O2)=800 mol-1·L,B项正确;先拐先平衡,数据越大,因而图乙中T1>T2,C项错误;达平衡后,若增大容器容积,相当于减小压强,反应速率减慢,平衡逆向移动,v(逆)>v(正),因此不能用图丙表示,D项错误。
14.(2020福建福州八县一中高二期末)利用CO和H2在催化剂的作用下合成甲醇,发生的反应为:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。在体积一定的密闭容器中按物质的量之比1∶2充入CO和H2,测得平衡混合物中CH3OH的体积分数在不同压强下随温度的变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.该反应的ΔH<0,且p1>p2
B.反应速率:v逆(状态A)>v逆(状态B)
C.在C点时,CO转化率为75%
D.在恒温恒压条件下向密闭容器中充入不同量的CH3OH,达平衡时CH3OH的体积分数不同
答案AC
解析由图像可知,升高温度,CH3OH的体积分数减小,平衡逆向移动,则该反应的ΔH<0,300 ℃时,增大压强,平衡正向移动,CH3OH的体积分数增大,所以p1>p2,故A正确;B点对应的温度和压强均大于A点,温度升高、增大压强均使该反应的化学反应速率加快,因此v逆(状态A)
起始/mol 1 2 0
变化/mol x 2x x
平衡/mol 1-x 2-2x x
在C点时,CH3OH的体积分数=x1-x+2-2x+x=0.5,解得x=0.75,故C正确;
由等效平衡可知,在恒温恒压条件下向密闭容器中充入不同量的CH3OH,达平衡时CH3OH的体积分数都相同,故D错误。
15.(2020山东德州高二上学期期末)某温度下,在一个2 L的密闭容器中加入4 mol A和2 mol B进行如下反应:2A(g)+B(g)C(s)+3D(g),反应2 min后达到平衡,测得生成1.6 mol C,下列说法不正确的是( )
A.前2 min D的平均反应速率为1.2 mol·L-1·min-1
B.此时B的平衡转化率是80%
C.缩小容器容积增大该体系的压强,平衡不移动
D.该温度下平衡常数K=462
答案D
解析2 L的密闭容器中,加入4 mol A和2 mol B进行如下反应:2A(g)+B(g)C(s)+3D(g),反应一段时间后达到平衡,测得生成1.6 mol C,则根据“三段式”法分析:
2A(g)+B(g)C(s)+3D(g)
开始/mol 4 2 0 0
转化/mol 3.2 1.6 1.6 4.8
平衡/mol 0.8 0.4 1.6 4.8
v(D)=ΔcΔt=4.8mol2 L2min=1.2 mol·L-1·min-1,故A正确;达到平衡时,参加反应的B的物质的量为1.6 mol,故B的转化率为1.6mol2mol×100%=80%,故B正确;该反应正反应为气体体积不变的反应,增大压强平衡不移动,故C正确;该温度下平衡常数K=c平3(D)c平2(A)·c平(B)=(4.8mol2 L)3(0.8mol2 L)2·0.4mol2 L=432,故D错误。
三、非选择题(本题包括5小题,共60分)
16.(12分)某研究性学习小组利用H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液的反应探究“外界条件的改变对化学反应速率的影响”,进行了如下实验:
实
验
序
号
实验
温度
/K
有关物质
溶液颜色褪至无色所需时间/s
酸性KMnO4
溶液
H2C2O4
溶液
H2O
V/mL
c(mol·L-1)
V/mL
c(mol·L-1)
V/mL
A
293
2
0.02
4
0.1
0
t1
B
T1
2
0.02
3
0.1
V1
8
C
313
2
0.02
V2
0.1
1
t2
(1)通过实验A、B,可探究出 (填外部因素)的改变对化学反应速率的影响,其中V1= 、T1= ;通过实验 (填实验序号)可探究出温度变化对化学反应速率的影响,其中V2= 。
(2)若t1<8,则由此实验可以得出的结论是 ;忽略溶液体积的变化,利用实验B中数据计算,0~8 s内,用KMnO4的浓度变化表示的反应速率v(KMnO4)= 。
(3)该小组的一位同学通过查阅资料发现,上述实验过程中n(Mn2+)随时间的变化情况如图所示,并认为造成这种变化的原因是反应体系中的某种粒子对KMnO4与草酸之间的反应有某种特殊作用,则该作用是 ,相应的粒子最可能是 (填粒子符号)。
答案(1)浓度 1 293 B、C 3
(2)其他条件相同时,增大反应物浓度,反应速率增大 8.3×10-4 mol·L-1·s-1
(3)催化作用 Mn2+
解析(1)分析表中数据可知,本实验探究的是浓度、温度变化对化学反应速率的影响,实验中探究浓度(或温度)对反应速率的影响时要确保影响反应速率的其他因素相同。A、B两组实验中,c(H2C2O4)不同,故温度应相同,则T1=293;为使A、B两组实验中c(KMnO4)相同,则溶液总体积均为6 mL,则V1=1;C组实验中温度与另外两组不同,加水量与B组相同,故通过B、C组实验可探究温度对化学反应速率的影响,因此V2=3。
(2)若t1<8,则实验A中反应速率比实验B中快,说明其他条件相同时,增大反应物浓度,反应速率增大。利用实验B中数据可知,0~8 s内,v(KMnO4)=0.02mol·L-1×268 s≈8.3×10-4 mol·L-1·s-1。
(3)由图像可知,反应过程中出现了反应速率突然快速增加的现象,这表明反应中生成的某种粒子对该反应有催化作用,结合反应前后溶液中粒子的变化情况可知,该粒子最可能是Mn2+。
17.(12分)随着科学技术的发展和环保要求的不断提高,CO2的捕集利用技术成为研究的重点。完成下列填空:
(1)目前国际空间站处理CO2的一个重要方法是将CO2还原,所涉及的反应方程式为CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g),已知H2的体积分数随温度的升高而增加。若温度从300 ℃升至400 ℃,重新达到平衡,判断下列表格中各物理量的变化(填“增大”“减小”或“不变”)。
v(正)
v(逆)
平衡常数K
转化率α
(2)相同温度时,上述反应在不同起始浓度下分别达到平衡时各物质的平衡浓度如下表:
平衡
状态
c平(CO2)(mol·L-1)
c平(H2)(mol·L-1)
c平(CH4)(mol·L-1)
c平(H2O)(mol·L-1)
Ⅰ
a
b
c
d
Ⅱ
m
n
x
y
a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为 。
答案(1)
v(正)
v(逆)
平衡常数K
转化率α
增大
增大
减小
减小
(2)cd2ab4=xy2mn4
解析(1)H2的体积分数随温度的升高而增加,这说明升高温度平衡向逆反应方向移动,即正反应是放热反应。升高温度正、逆反应速率均增大,平衡向逆反应方向移动,平衡常数减小,反应物的转化率减小。
(2)相同温度时平衡常数不变,则a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为cd2ab4=xy2mn4。
18.(2020山东潍坊高二期末)(12分)二甲醚(CH3OCH3)被称为21世纪的“清洁能源”。协同催化剂可以使CO、H2合成甲醇的反应及甲醇脱水生成二甲醚的反应一步完成,大大提高转化率。
已知:①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-90 kJ·mol-1
②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2=-23 kJ·mol-1
回答下列问题:
(1)用CO(g)和H2(g)合成CH3OCH3(g)和H2O(g)的热化学反应方程式为 。
(2)合成二甲醚的过程中,欲提高二甲醚的平衡产率,应采取的措施是 (填序号)。
a.适当升温
b.增大压强
c.更换催化剂
d.及时移走二甲醚
(3)酸性条件下,甲醇合成二甲醚反应历程中每一步基元反应相对能量变化如图所示,该历程中最小的能垒(基元反应活化能)为 kJ·mol-1。写出制约反应速率关键步骤的基元反应方程式:
。
(4)一定温度下,在2 L恒容密闭容器中充入物质的量之比为1∶2的CO(g)、H2(g),体系压强随时间变化如下表所示。
时间/min
0
10
20
30
40
50
60
压强/kPa
60.0
51.2
44.3
38.6
33.8
30.0
30.0
①用单位时间内气体分压的变化来表示反应速率,即v=ΔpΔt,则前50 min内H2的平均反应速率v(H2)= kPa·min-1。
②合成二甲醚总反应的平衡常数Kp= (kPa)-4(Kp为以分压表示的平衡常数)。
答案(1)2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH=-203 kJ·mol-1
(2)bd (3)131 CH3OCH3+H+
(4)①0.6 ②2.25×10-4
解析(1)已知①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-90 kJ·mol-1,②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2=-23 kJ·mol-1,根据盖斯定律①×2+②:2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH=-203 kJ·mol-1
(2)反应2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)是物质的量减小的反应,增大压强能提高二甲醚的平衡产率;由于CH3OCH3与H2O的沸点不同,及时移走二甲醚,平衡右移,也可以提高二甲醚的平衡产率,故选择bd。
(3)根据图示,该历程中最小的能垒(基元反应活化能)为(-0.86+2.17)×102 kJ·mol-1=131 kJ·mol-1。制约反应速率关键步骤是活化能最大即最慢的反应,由图可知反应最慢的基元反应的方程式为CH3OCH3+H+。
(4)由图表数据可知,50 min时反应到达平衡,平衡时压强之比等于物质的量之比,设起始时CO、H2的物质的量分别为2 mol、4 mol,平衡时生成甲醚的物质的量为x mol,则:
2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)
开始/mol 2 4 0 0
转化/mol 2x 4x x x
平衡/mol 2-2x 4-4x x x
根据题意和阿伏加德罗定律,66-4x=60.030.2,x=34,50 min内H2的平均反应速率v(H2)=4×34×606kPa50min=0.6 kPa·min-1,平衡常数Kp=p平(CH3OCH3)·p平[H2O(g)]p平2(CO)·p平4(H2)=2.25×10-4(kPa)-4。
19.(12分)CO可用于合成甲醇,化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。
(1)图1是CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)反应在不同温度下CO的转化率随时间变化的曲线。
①该反应的焓变ΔH (填“>”“<”或“=”)0。
②T1和T2温度下的平衡常数大小关系是K(T1) (填“>”“<”或“=”)K(T2)。在T1温度下,往容积为1 L的密闭容器中,充入1 mol CO和2 mol H2,测得CO和CH3OH(g)的浓度随时间变化如图2所示。则该反应的平衡常数为 。
③若容器容积不变,下列措施可增加CO转化率的是 (填字母)。
a.升高温度
b.将CH3OH(g)从体系中分离
c.使用合适的催化剂
d.充入He,使体系总压强增大
(2)在容积为1 L的恒容容器中,分别研究在230 ℃、250 ℃和270 ℃三种温度下合成甲醇的规律。如图3是上述三种温度下H2和CO的起始组成比(起始时CO的物质的量均为1 mol)与CO平衡转化率的关系,则曲线z对应的温度是 ℃;该温度下上述反应的化学平衡常数为 。曲线上a、b、c三点对应的化学平衡常数分别为K1、K2、K3,则K1、K2、K3的大小关系为 。
答案(1)①< ②> 12 mol-2·L2 ③b
(2)270 4 mol-2·L2 K1=K2K(T2)。平衡常数K=c平(CH3OH)c平(CO)·c平2(H2)=
0.75mol·L-10.25mol·L-1×(2 mol·L-1-2×0.75 mol·L-1)2=12 mol-2·L2。③升高温度,平衡向左移动;分离出CH3OH,平衡向右移动;使用催化剂,平衡不移动;充入He,反应混合物各物质浓度不变,平衡不移动,故选b。
(2)题给反应的ΔH<0,n(H2)n(CO)相同时,升高温度,平衡向左移动,CO的转化率减小,由图像可知曲线z表示的温度为270 ℃。a点:起始浓度c始(CO)=1 mol·L-1,c始(H2)=1.5 mol·L-1;平衡浓度c平(CO)=0.5 mol·L-1,c平(CH3OH)=0.5 mol·L-1,c平(H2)=1.5 mol·L-1-1 mol·L-1=0.5 mol·L-1,所以K=c平(CH3OH)c平2(H2)·c平(CO)=0.5mol·L-10.5mol·L-1×(0.5 mol·L-1)2=4 mol-2·L2。温度相同K不变,该反应的ΔH<0,温度越高K越小,所以K1=K2
(1)已知在常温常压下反应的热化学方程式:
①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
ΔH1=-90 kJ·mol-1
②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
ΔH2=-41 kJ·mol-1
写出由二氧化碳、氢气制备甲醇的热化学方程式: 。
(2)在容积为V L的容器中充入a mol CO与2a mol H2,在催化剂作用下反应生成甲醇,平衡时CO的转化率与温度、压强的关系如图所示。
①p1 (填“大于”“小于”或“等于”)p2。
②在其他条件不变的情况下,再增加a mol CO与2a mol H2,达到新平衡时,CO的转化率 (填“增大”“减小”或“不变”,下同),平衡常数 。
(3)已知在温度T时,CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的平衡常数K=0.32,在该温度下,已知c始(CO)=1 mol·L-1,c始(H2O)=1 mol·L-1,某时刻经测定CO的转化率为10%,则该反应 (填“已经”或“没有”)达到平衡,原因是 。此时刻v(正) (填“>”或“<”)v(逆)。
答案(1)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49 kJ·mol-1
(2)①小于 ②增大 不变
(3)没有 此时Q=c(CO2)·c(H2)c(CO)·c(H2O)=0.1mol·L-1×0.1 mol·L-10.9mol·L-1×0.9 mol·L-1≈0.012 3<0.32 >
解析(1)由盖斯定律可知,方程式①-②得CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=ΔH1-ΔH2=-90 kJ·mol-1-(-41 kJ·mol-1)=-49 kJ·mol-1。
(2)由图像可知,相同温度下,p2时CO的转化率大于p1时CO的转化率,由方程式①可知,增大压强平衡右移,故p1
0.1mol·L-1×0.1 mol·L-10.9mol·L-1×0.9 mol·L-1≈0.012 3v(逆)。
第2章测评
(时间:90分钟 满分:100分)
一、选择题(本题包括10小题,每小题2分,共20分。每小题只有一个选项符合题意)
1.金属锡素有“盛水水清甜,盛酒酒香醇,储茶味不变,插花花长久”的美称。金属锡的冶炼常用焦炭作还原剂:SnO2+2CSn+2CO↑,反应过程中能量的变化如图所示。下列有关该反应的ΔH、ΔS的说法中正确的是( )
A.ΔH<0 ΔS<0 B.ΔH>0 ΔS<0
C.ΔH<0 ΔS>0 D.ΔH>0 ΔS>0
答案D
解析由于反应产物所具有的能量大于反应物所具有的能量,故该反应为吸热反应,即ΔH>0;该反应为气态物质系数增大的反应,故ΔS>0。
2.在容积不变的密闭容器中,一定条件下进行如下反应:2NO(g)+2CO(g)N2(g)+2CO2(g) ΔH=-373.2 kJ·mol-1。如图曲线a表示该反应过程中NO的转化率与反应时间的关系。若改变起始条件,使反应过程按照曲线b进行,可采取的措施是( )
A.降低温度
B.向密闭容器中通入氩气
C.加催化剂
D.增大反应物中NO的浓度
答案D
解析由图像可知,要使反应按曲线b进行,需要缩短反应达到平衡的时间,同时降低NO的转化率。降低温度,反应速率减慢,平衡时NO的转化率增大,A项错误;B、C项,平衡不移动;增大反应物中NO的浓度,反应速率加快,达到平衡时NO的转化率下降,D项正确。
3.在淀粉KI溶液中存在下列平衡:I2(aq)+I-(aq)I3-(aq)。测得不同温度时该反应的平衡常数K如表所示:
T/℃
5
15
25
35
50
K/(mol-1·L)
1 100
841
689
533
409
下列说法正确的是( )
A.反应I2(aq)+I-(aq)I3-(aq)的ΔH>0
B.其他条件不变,升高温度,溶液中c平(I3-)减小
C.该反应的平衡常数表达式为K=c平(I2)·c平(I-)c平(I3-)
D.25 ℃时,向溶液中加入少量KI固体,平衡常数K小于689
答案B
解析根据表格提供的数据知升高温度,平衡常数减小,则平衡向逆反应方向移动,逆反应为吸热反应,故正反应为放热反应,ΔH<0,A项错误;其他条件不变,升高温度,平衡向逆反应方向移动,溶液中c平(I3-)减小,B项正确;该反应的平衡常数表达式为K=c平(I3-)c平(I2)·c平(I-),C项错误;平衡常数只与温度有关,25 ℃时,向溶液中加入少量KI固体,虽然平衡向正反应方向移动,但平衡常数不变,D项错误。
4.反应2X(g)+Y(g)2Z(g)在不同温度(T1和T2)下进行时反应产物Z的物质的量n(Z)与反应时间t的关系如右图。下列判断正确的是( )
A.T1
C.T1>T2,逆反应为吸热反应
D.T1
解析图中T1温度下达到平衡所需时间短于T2,说明T1>T2,A、D项错误;对比两种温度下的平衡可知,温度升高,Z的体积分数减小,平衡向逆反应方向移动,则逆反应为吸热反应,C项正确,B项错误。
5.反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH<0达到平衡时,只改变下列一个条件,平衡不发生移动的是( )
A.升高温度
B.恒温恒容条件下充入氧气
C.恒温恒容条件下充入SO3(g)
D.加入催化剂V2O5
答案D
解析升高温度,平衡向逆反应方向移动,A项错误;恒温恒容条件下充入氧气,氧气浓度增大,平衡向正反应方向移动,B项错误;恒温恒容条件下充入SO3,SO3浓度增大,平衡向逆反应方向移动,C项错误;催化剂能同等程度地改变正、逆反应速率,不影响平衡移动,D项正确。
6.在容积一定的密闭容器中,放入一定量的NO(g)和足量C(s),发生反应C(s)+2NO(g)CO2(g)+N2(g),平衡状态时NO(g)的物质的量浓度与温度T的关系如图所示。则下列说法中正确的是( )
A.该反应的ΔH>0
B.若该反应在T1、T2时的平衡常数分别为K1、K2,则K1
答案D
解析由图像可知,T1
7.对于可逆反应mA(s)+nB(g)eC(g)+fD(g),当其他条件不变时,C的体积分数在不同温度(T)和不同压强(p)下随时间(t)的变化关系如图所示。下列叙述正确的是( )
A.达到平衡后,若使用催化剂,C的体积分数将增大
B.正反应的ΔH<0
C.化学方程式中,n>e+f
D.达到平衡后,增加A的质量有利于化学平衡向正反应方向移动
答案B
解析催化剂不能使平衡发生移动,所以不能使C的体积分数增大,故A项错误;达到平衡所用时间越短,反应速率越快,由图可知T2>T1,p2>p1,则温度由T1升高到T2,平衡时C的体积分数减小,说明升高温度平衡逆向移动,所以正反应为放热反应,B项正确;压强由p1增大到p2,平衡时C的体积分数减小,说明增大压强平衡逆向移动,所以该反应的正反应为气体分子数目增大的反应,即n
物质
CH3OH
CH3OCH3
H2O
c/(mol·L-1)
0.08
1.6
1.6
A.此时刻反应达到平衡状态
B.容器内压强不变时,说明反应达平衡状态
C.平衡时,再加入与起始时等量的CH3OH,达新平衡后CH3OH转化率不变
D.平衡时,反应混合物的总能量降低40 kJ
答案B
解析根据表格中数据可知,此时刻的浓度商为Q=(1.6mol·L-1)2(0.08mol·L-1)2=400=K,此时反应达平衡状态,A正确;该反应前后气体的总物质的量不变,恒温恒容时气体压强不变,B错误;平衡时,再充入与起始时等量的CH3OH,新平衡与原平衡等效,CH3OH转化率不变,C正确;平衡时,参加反应的CH3OH为1.6 mol×2=3.2 mol,反应混合物的总能量减少3.2 mol×25 kJ·mol-12=40 kJ,D正确。
9.对于气相反应,用某组分(B)的平衡分压代替物质的量浓度也可表示平衡常数(记作Kp)。已知反应CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g),在t ℃时的平衡常数Kp=a,则下列说法正确的是( )
A.Kp=p平(CH4)·p平2(H2O)p平(CO2)·p平4(H2)
B.升高温度,若Kp增大,则该反应为吸热反应
C.该反应达到平衡状态后,增大压强,平衡向左移动,Kp减小
D.t ℃时,反应12CH4(g)+H2O(g)12CO2(g)+2H2(g)的平衡常数Kp=12a
答案B
解析由平衡常数表达式知,Kp应为生成物分压幂之积与反应物分压幂之积的比值,A项错误;升高温度,若Kp增大,则平衡正向移动,故该反应为吸热反应,B项正确;Kp只与温度有关,则反应达到平衡状态后,增大压强,平衡向左移动,Kp不变,C项错误;t ℃时,反应12CH4(g)+H2O(g)12CO2(g)+2H2(g)的平衡常数Kp=[p平4(H2)·p平(CO2)p平(CH4)·p平2(H2O)]12=a12,D项错误。
10.向某密闭容器中加入0.3 mol A、0.1 mol C和一定量的B三种气体,在一定条件下发生反应,各物质的物质的量浓度随时间变化的情况如图1所示。图2为t2时刻后改变反应条件,平衡体系中化学反应速率随时间变化的情况,四个阶段都各改变一种条件,且所改变的条件均不相同。已知t3~t4阶段为使用催化剂。
下列说法错误的是( )
A.若t1=15,生成物C在t0~t1时间段的平均反应速率为0.004 mol·L-1·s-1
B.t4~t5阶段改变的条件为减小压强,t5~t6阶段改变的条件是升高温度
C.B的起始物质的量为0.02 mol
D.该反应的化学方程式为3A(g)B(g)+2C(g)
答案C
解析若t1=15,生成物C在t0~t1时间段的平均反应速率v(C)=Δc(C)Δt=0.11mol·L-1-0.05 mol·L-115 s=0.004 mol·L-1·s-1,故A选项正确;t3~t4阶段为使用催化剂,t4~t5阶段,正、逆反应速率都减小,且化学平衡不移动,所以改变的条件只能为减小压强,且反应前后气态物质系数之和不变,反应中A的物质的量浓度变化为0.15 mol·L-1-0.06 mol·L-1=0.09 mol·L-1,C的物质的量浓度变化为0.11 mol·L-1-0.05 mol·L-1=0.06 mol·L-1,所以化学方程式中A与C的系数之比为0.09∶0.06=3∶2,则该反应的化学方程式为3A(g)B(g)+2C(g),t5~t6阶段,正、逆反应速率都增大,改变的条件应为升高温度,故B、D选项正确;由A的起始物质的量为0.3 mol和起始物质的量浓度为0.15 mol·L-1可知,容器的容积V=0.3mol0.15mol·L-1=2 L,由化学方程式可知B的起始物质的量浓度为0.05 mol·L-1-(0.11 mol·L-1-0.05 mol·L-1)×12=0.02 mol·L-1,所以B的起始物质的量n(B)=0.02 mol·L-1×2 L=0.04 mol,故C选项错误。
二、不定项选择题(本题包括5小题,每小题4分,共20分。每小题有一个或两个选项符合题意)
11.在一密闭容器中加入等物质的量的A、B,发生如下反应:2A(g)+2B(g)3C(s)+4D(g),平衡常数随温度和压强的变化如表所示:
温度/℃
平衡常数
p=1.0 MPa
p=1.5 MPa
p=2.0 MPa
300
a
b
16
516
c
64
e
800
160
f
g
下列判断正确的是( )
A.g>f
B.ΔH<0
C.2.0 MPa、800 ℃时,A的转化率最小
D.1.5 MPa、300 ℃时,B的转化率为50%
答案D
解析平衡常数只与温度相关,温度不变,K不变,所以g=f,A项错误;由表格中的数据可知,平衡常数随温度升高而增大,故正反应为吸热反应,ΔH>0,B项错误;该反应为吸热反应,温度越高,平衡常数越大,A的转化率越大,C项错误;该反应为反应前后气体分子数不变的反应,即压强一定时,气体体积不变。设开始加入A、B的物质的量为a mol,转化量为x mol,容器容积为V L,则达平衡时,A、B为(a-x) mol,D为2x mol,则有(2xVmol·L-1)4(a-xVmol·L-1)2·(a-xVmol·L-1)2=16,解得xa=12,故B的转化率为50%,D项正确。
12.(2019山东临沂罗庄高二上学期期末)乙醇是重要的有机化工原料,可由乙烯水合法生产,反应的化学方程式如下:C2H4(g)+H2O(g)C2H5OH(g)。下图为乙烯的平衡转化率与温度(T)、压强(p)的关系[起始n(C2H4)∶n(H2O)=1∶1]。下列有关叙述正确的是( )
A.Y对应的乙醇的质量分数为15
B.X、Y、Z三点对应的反应速率:v(X)>v(Y)>v(Z)
C.X、Y、Z三点对应的平衡常数数值:KX>KY>KZ
D.增大压强、升高温度均可提高乙烯的平衡转化率
答案AC
解析据图像可知,Y点对应乙烯的平衡转化率为20%,起始n(C2H4)∶n(H2O)=1∶1,设C2H4和H2O的起始物质的量均为1 mol,根据“三段式”分析:
C2H4(g)+H2O(g)C2H5OH(g)
起始/mol 1 1 0
转化/mol 0.2 0.2 0.2
平衡/mol 0.8 0.8 0.2
则平衡时乙醇的质量分数为:0.2mol×46 g·mol-11mol×28 g·mol-1+1 mol×18 g·mol-1=15,A正确;因该反应是气体体积减小的可逆反应,所以温度相同时,压强越大,乙烯的平衡转化率越大,则结合图像可得:p1
13.某温度下,将2 mol SO2和1 mol O2置于10 L密闭容器中发生反应:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
ΔH<0,SO2的平衡转化率(α)与体系总压强(p)的关系如图甲所示。则下列说法正确的是( )
A.由图甲推断,B点SO2的平衡浓度为0.02 mol·L-1
B.由图甲推断,A点对应温度下该反应的平衡常数为800 L·mol-1
C.压强为0.50 MPa时不同温度下SO2转化率与温度关系如乙图,则T2>T1
D.达平衡后,若增大容器容积,则反应速率变化图像可以用图丙表示
答案B
解析A项,设B点平衡时SO2的转化量为x mol,根据“三段式”法可知:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
起始/mol 2 1 0
转化/mol x x2 x
平衡/mol 2-x 1-x2 x
由题意可知x2=0.85,则x=1.7。
平衡时SO2的平衡浓度为2mol-1.7mol10 L=0.03 mol·L-1,A项错误;
设A点O2的转化量为y mol·L-1,根据“三段式”法分析可知:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)
起始/(mol·L-1) 0.2 0.1 0
转化/(mol·L-1) 2y y 2y
平衡/(mol·L-1) 0.2-2y 0.1-y 2y
由题意可得2y0.2=0.80,则y=0.08
平衡常数K=c平2(SO3)c平2(SO2)·c平(O2)=800 mol-1·L,B项正确;先拐先平衡,数据越大,因而图乙中T1>T2,C项错误;达平衡后,若增大容器容积,相当于减小压强,反应速率减慢,平衡逆向移动,v(逆)>v(正),因此不能用图丙表示,D项错误。
14.(2020福建福州八县一中高二期末)利用CO和H2在催化剂的作用下合成甲醇,发生的反应为:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。在体积一定的密闭容器中按物质的量之比1∶2充入CO和H2,测得平衡混合物中CH3OH的体积分数在不同压强下随温度的变化如图所示。下列说法正确的是( )
A.该反应的ΔH<0,且p1>p2
B.反应速率:v逆(状态A)>v逆(状态B)
C.在C点时,CO转化率为75%
D.在恒温恒压条件下向密闭容器中充入不同量的CH3OH,达平衡时CH3OH的体积分数不同
答案AC
解析由图像可知,升高温度,CH3OH的体积分数减小,平衡逆向移动,则该反应的ΔH<0,300 ℃时,增大压强,平衡正向移动,CH3OH的体积分数增大,所以p1>p2,故A正确;B点对应的温度和压强均大于A点,温度升高、增大压强均使该反应的化学反应速率加快,因此v逆(状态A)
起始/mol 1 2 0
变化/mol x 2x x
平衡/mol 1-x 2-2x x
在C点时,CH3OH的体积分数=x1-x+2-2x+x=0.5,解得x=0.75,故C正确;
由等效平衡可知,在恒温恒压条件下向密闭容器中充入不同量的CH3OH,达平衡时CH3OH的体积分数都相同,故D错误。
15.(2020山东德州高二上学期期末)某温度下,在一个2 L的密闭容器中加入4 mol A和2 mol B进行如下反应:2A(g)+B(g)C(s)+3D(g),反应2 min后达到平衡,测得生成1.6 mol C,下列说法不正确的是( )
A.前2 min D的平均反应速率为1.2 mol·L-1·min-1
B.此时B的平衡转化率是80%
C.缩小容器容积增大该体系的压强,平衡不移动
D.该温度下平衡常数K=462
答案D
解析2 L的密闭容器中,加入4 mol A和2 mol B进行如下反应:2A(g)+B(g)C(s)+3D(g),反应一段时间后达到平衡,测得生成1.6 mol C,则根据“三段式”法分析:
2A(g)+B(g)C(s)+3D(g)
开始/mol 4 2 0 0
转化/mol 3.2 1.6 1.6 4.8
平衡/mol 0.8 0.4 1.6 4.8
v(D)=ΔcΔt=4.8mol2 L2min=1.2 mol·L-1·min-1,故A正确;达到平衡时,参加反应的B的物质的量为1.6 mol,故B的转化率为1.6mol2mol×100%=80%,故B正确;该反应正反应为气体体积不变的反应,增大压强平衡不移动,故C正确;该温度下平衡常数K=c平3(D)c平2(A)·c平(B)=(4.8mol2 L)3(0.8mol2 L)2·0.4mol2 L=432,故D错误。
三、非选择题(本题包括5小题,共60分)
16.(12分)某研究性学习小组利用H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液的反应探究“外界条件的改变对化学反应速率的影响”,进行了如下实验:
实
验
序
号
实验
温度
/K
有关物质
溶液颜色褪至无色所需时间/s
酸性KMnO4
溶液
H2C2O4
溶液
H2O
V/mL
c(mol·L-1)
V/mL
c(mol·L-1)
V/mL
A
293
2
0.02
4
0.1
0
t1
B
T1
2
0.02
3
0.1
V1
8
C
313
2
0.02
V2
0.1
1
t2
(1)通过实验A、B,可探究出 (填外部因素)的改变对化学反应速率的影响,其中V1= 、T1= ;通过实验 (填实验序号)可探究出温度变化对化学反应速率的影响,其中V2= 。
(2)若t1<8,则由此实验可以得出的结论是 ;忽略溶液体积的变化,利用实验B中数据计算,0~8 s内,用KMnO4的浓度变化表示的反应速率v(KMnO4)= 。
(3)该小组的一位同学通过查阅资料发现,上述实验过程中n(Mn2+)随时间的变化情况如图所示,并认为造成这种变化的原因是反应体系中的某种粒子对KMnO4与草酸之间的反应有某种特殊作用,则该作用是 ,相应的粒子最可能是 (填粒子符号)。
答案(1)浓度 1 293 B、C 3
(2)其他条件相同时,增大反应物浓度,反应速率增大 8.3×10-4 mol·L-1·s-1
(3)催化作用 Mn2+
解析(1)分析表中数据可知,本实验探究的是浓度、温度变化对化学反应速率的影响,实验中探究浓度(或温度)对反应速率的影响时要确保影响反应速率的其他因素相同。A、B两组实验中,c(H2C2O4)不同,故温度应相同,则T1=293;为使A、B两组实验中c(KMnO4)相同,则溶液总体积均为6 mL,则V1=1;C组实验中温度与另外两组不同,加水量与B组相同,故通过B、C组实验可探究温度对化学反应速率的影响,因此V2=3。
(2)若t1<8,则实验A中反应速率比实验B中快,说明其他条件相同时,增大反应物浓度,反应速率增大。利用实验B中数据可知,0~8 s内,v(KMnO4)=0.02mol·L-1×268 s≈8.3×10-4 mol·L-1·s-1。
(3)由图像可知,反应过程中出现了反应速率突然快速增加的现象,这表明反应中生成的某种粒子对该反应有催化作用,结合反应前后溶液中粒子的变化情况可知,该粒子最可能是Mn2+。
17.(12分)随着科学技术的发展和环保要求的不断提高,CO2的捕集利用技术成为研究的重点。完成下列填空:
(1)目前国际空间站处理CO2的一个重要方法是将CO2还原,所涉及的反应方程式为CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g),已知H2的体积分数随温度的升高而增加。若温度从300 ℃升至400 ℃,重新达到平衡,判断下列表格中各物理量的变化(填“增大”“减小”或“不变”)。
v(正)
v(逆)
平衡常数K
转化率α
(2)相同温度时,上述反应在不同起始浓度下分别达到平衡时各物质的平衡浓度如下表:
平衡
状态
c平(CO2)(mol·L-1)
c平(H2)(mol·L-1)
c平(CH4)(mol·L-1)
c平(H2O)(mol·L-1)
Ⅰ
a
b
c
d
Ⅱ
m
n
x
y
a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为 。
答案(1)
v(正)
v(逆)
平衡常数K
转化率α
增大
增大
减小
减小
(2)cd2ab4=xy2mn4
解析(1)H2的体积分数随温度的升高而增加,这说明升高温度平衡向逆反应方向移动,即正反应是放热反应。升高温度正、逆反应速率均增大,平衡向逆反应方向移动,平衡常数减小,反应物的转化率减小。
(2)相同温度时平衡常数不变,则a、b、c、d与m、n、x、y之间的关系式为cd2ab4=xy2mn4。
18.(2020山东潍坊高二期末)(12分)二甲醚(CH3OCH3)被称为21世纪的“清洁能源”。协同催化剂可以使CO、H2合成甲醇的反应及甲醇脱水生成二甲醚的反应一步完成,大大提高转化率。
已知:①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-90 kJ·mol-1
②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2=-23 kJ·mol-1
回答下列问题:
(1)用CO(g)和H2(g)合成CH3OCH3(g)和H2O(g)的热化学反应方程式为 。
(2)合成二甲醚的过程中,欲提高二甲醚的平衡产率,应采取的措施是 (填序号)。
a.适当升温
b.增大压强
c.更换催化剂
d.及时移走二甲醚
(3)酸性条件下,甲醇合成二甲醚反应历程中每一步基元反应相对能量变化如图所示,该历程中最小的能垒(基元反应活化能)为 kJ·mol-1。写出制约反应速率关键步骤的基元反应方程式:
。
(4)一定温度下,在2 L恒容密闭容器中充入物质的量之比为1∶2的CO(g)、H2(g),体系压强随时间变化如下表所示。
时间/min
0
10
20
30
40
50
60
压强/kPa
60.0
51.2
44.3
38.6
33.8
30.0
30.0
①用单位时间内气体分压的变化来表示反应速率,即v=ΔpΔt,则前50 min内H2的平均反应速率v(H2)= kPa·min-1。
②合成二甲醚总反应的平衡常数Kp= (kPa)-4(Kp为以分压表示的平衡常数)。
答案(1)2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH=-203 kJ·mol-1
(2)bd (3)131 CH3OCH3+H+
(4)①0.6 ②2.25×10-4
解析(1)已知①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-90 kJ·mol-1,②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2=-23 kJ·mol-1,根据盖斯定律①×2+②:2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH=-203 kJ·mol-1
(2)反应2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)是物质的量减小的反应,增大压强能提高二甲醚的平衡产率;由于CH3OCH3与H2O的沸点不同,及时移走二甲醚,平衡右移,也可以提高二甲醚的平衡产率,故选择bd。
(3)根据图示,该历程中最小的能垒(基元反应活化能)为(-0.86+2.17)×102 kJ·mol-1=131 kJ·mol-1。制约反应速率关键步骤是活化能最大即最慢的反应,由图可知反应最慢的基元反应的方程式为CH3OCH3+H+。
(4)由图表数据可知,50 min时反应到达平衡,平衡时压强之比等于物质的量之比,设起始时CO、H2的物质的量分别为2 mol、4 mol,平衡时生成甲醚的物质的量为x mol,则:
2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)
开始/mol 2 4 0 0
转化/mol 2x 4x x x
平衡/mol 2-2x 4-4x x x
根据题意和阿伏加德罗定律,66-4x=60.030.2,x=34,50 min内H2的平均反应速率v(H2)=4×34×606kPa50min=0.6 kPa·min-1,平衡常数Kp=p平(CH3OCH3)·p平[H2O(g)]p平2(CO)·p平4(H2)=2.25×10-4(kPa)-4。
19.(12分)CO可用于合成甲醇,化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。
(1)图1是CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)反应在不同温度下CO的转化率随时间变化的曲线。
①该反应的焓变ΔH (填“>”“<”或“=”)0。
②T1和T2温度下的平衡常数大小关系是K(T1) (填“>”“<”或“=”)K(T2)。在T1温度下,往容积为1 L的密闭容器中,充入1 mol CO和2 mol H2,测得CO和CH3OH(g)的浓度随时间变化如图2所示。则该反应的平衡常数为 。
③若容器容积不变,下列措施可增加CO转化率的是 (填字母)。
a.升高温度
b.将CH3OH(g)从体系中分离
c.使用合适的催化剂
d.充入He,使体系总压强增大
(2)在容积为1 L的恒容容器中,分别研究在230 ℃、250 ℃和270 ℃三种温度下合成甲醇的规律。如图3是上述三种温度下H2和CO的起始组成比(起始时CO的物质的量均为1 mol)与CO平衡转化率的关系,则曲线z对应的温度是 ℃;该温度下上述反应的化学平衡常数为 。曲线上a、b、c三点对应的化学平衡常数分别为K1、K2、K3,则K1、K2、K3的大小关系为 。
答案(1)①< ②> 12 mol-2·L2 ③b
(2)270 4 mol-2·L2 K1=K2
0.75mol·L-10.25mol·L-1×(2 mol·L-1-2×0.75 mol·L-1)2=12 mol-2·L2。③升高温度,平衡向左移动;分离出CH3OH,平衡向右移动;使用催化剂,平衡不移动;充入He,反应混合物各物质浓度不变,平衡不移动,故选b。
(2)题给反应的ΔH<0,n(H2)n(CO)相同时,升高温度,平衡向左移动,CO的转化率减小,由图像可知曲线z表示的温度为270 ℃。a点:起始浓度c始(CO)=1 mol·L-1,c始(H2)=1.5 mol·L-1;平衡浓度c平(CO)=0.5 mol·L-1,c平(CH3OH)=0.5 mol·L-1,c平(H2)=1.5 mol·L-1-1 mol·L-1=0.5 mol·L-1,所以K=c平(CH3OH)c平2(H2)·c平(CO)=0.5mol·L-10.5mol·L-1×(0.5 mol·L-1)2=4 mol-2·L2。温度相同K不变,该反应的ΔH<0,温度越高K越小,所以K1=K2
(1)已知在常温常压下反应的热化学方程式:
①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
ΔH1=-90 kJ·mol-1
②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
ΔH2=-41 kJ·mol-1
写出由二氧化碳、氢气制备甲醇的热化学方程式: 。
(2)在容积为V L的容器中充入a mol CO与2a mol H2,在催化剂作用下反应生成甲醇,平衡时CO的转化率与温度、压强的关系如图所示。
①p1 (填“大于”“小于”或“等于”)p2。
②在其他条件不变的情况下,再增加a mol CO与2a mol H2,达到新平衡时,CO的转化率 (填“增大”“减小”或“不变”,下同),平衡常数 。
(3)已知在温度T时,CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的平衡常数K=0.32,在该温度下,已知c始(CO)=1 mol·L-1,c始(H2O)=1 mol·L-1,某时刻经测定CO的转化率为10%,则该反应 (填“已经”或“没有”)达到平衡,原因是 。此时刻v(正) (填“>”或“<”)v(逆)。
答案(1)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49 kJ·mol-1
(2)①小于 ②增大 不变
(3)没有 此时Q=c(CO2)·c(H2)c(CO)·c(H2O)=0.1mol·L-1×0.1 mol·L-10.9mol·L-1×0.9 mol·L-1≈0.012 3<0.32 >
解析(1)由盖斯定律可知,方程式①-②得CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=ΔH1-ΔH2=-90 kJ·mol-1-(-41 kJ·mol-1)=-49 kJ·mol-1。
(2)由图像可知,相同温度下,p2时CO的转化率大于p1时CO的转化率,由方程式①可知,增大压强平衡右移,故p1
0.1mol·L-1×0.1 mol·L-10.9mol·L-1×0.9 mol·L-1≈0.012 3
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