高考化学二轮复习大题突破练3化学反应原理综合题含答案

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大题突破练3　化学反应原理综合题
1.(2021湖南卷,16)氨气中氢含量高,是一种优良的小分子储氢载体,且安全、易储运,可通过下面两种方法由氨气得到氢气。
方法Ⅰ.氨热分解法制氢气
相关化学键的键能数据
化学键
N≡N
H—H
N—H
键能E/(kJ·mol-1)
946
436.0
390.8
在一定温度下,利用催化剂将NH3分解为N2和H2。回答下列问题:
(1)反应2NH3(g)N2(g)+3H2(g)　
ΔH=　　　　 kJ·mol-1; 
(2)已知该反应的ΔS=198.9 J·mol-1·K-1,在下列哪些温度下反应能自发进行?　　　　　(填标号); 
A.25 ℃ B.125 ℃
C.225 ℃ D.325 ℃
(3)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); 
②t2时将容器容积迅速缩小至原来的一半并保持不变,图中能正确表示压缩后N2分压变化趋势的曲线是　　　　　(用图中a、b、c、d表示),理由是　　　　　　　　　　　　　; 
③在该温度下,反应的标准平衡常数Kθ=　　　　　　(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)　Kθ=(pGpθ)g·(pHpθ)h(pDpθ)d·(pEpθ)e,其中pθ=100 kPa,pG、pH、pD、pE为各组分的平衡分压)。 
方法Ⅱ.氨电解法制氢气
利用电解原理,将氨转化为高纯氢气,其装置如图所示。

(4)电解过程中OH-的移动方向为　　　　　　(填“从左往右”或“从右往左”); 
(5)阳极的电极反应式为　　　　　　　　　　　。 
2.(2022山东淄博二模)温室气体的利用是当前环境和能源领域的研究热点。
Ⅰ.CH4与CO2、H2O重整制合成气的反应如下:
ⅰ.CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)
ⅱ.CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)
ⅲ.CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
已知反应ⅱ和ⅲ的平衡常数的自然对数ln Kp与温度的关系如图1所示。

图1
(1)ⅰ.CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH　　　　　(填“>”或“<”)0。 
(2)分别在不同压强下,向V L密闭容器中按照n(CO)∶n(CH4)∶n(H2O)=1∶1∶1投料,实验测得平衡时n(H2)n(CO)随温度的变化关系如图2所示。

图2
①压强p1、p2、p3由大到小的顺序为　　　　　。 
②压强为p2时,随着温度升高,n(H2)n(CO)先增大后减小,解释原因    　。 
Ⅱ.向密闭容器中充入一定量的CH4(g)和NO(g),保持总压为100 kPa发生反应:CH4(g)+4NO(g)2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)　ΔH<0。
已知n(NO)n(CH4)=1时NO的平衡转化率~1T、T3 K下NO平衡转化率~n(NO)n(CH4)的关系曲线如图3所示。

图3
(3)曲线　　　　　(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)表示T3 K下NO平衡转化率~n(NO)n(CH4)的关系,Tl　　　　　(填“>”或“<”)T2。 
(4)在n(NO)n(CH4)=1、T3 K下,该反应平衡时N2的体积分数为　　　　　。已知:该反应的标准平衡常数Kθ=p(CO2)pθ·[p(N2)pθ]2·[p(H2O)pθ]2[p(NO)pθ]4·p(CH4)pθ,其中pθ为标准压强,pθ=100 kPa,p(CH4)、p(NO)、p(CO2)、p(N2)和p(H2O)为各组分的平衡分压,则该温度下该反应的标准平衡常数Kθ=　　　　　　(p分=p总×物质的量分数)。 
3.(2022辽宁鞍山二模)水煤气变换反应可用于大规模制H2,反应原理如下:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)　ΔH=-41.2 kJ·mol-1。
(1)生产中,欲既提高CO的转化率,又提高反应速率,可采取的一项措施是　　　　　　　　　　　。 
(2)实验发现其他条件不变,在体系中投入一定量CaO可以增大H2的体积分数,从化学平衡的角度解释原因: 　　　　　　　　　　　。 
(3)在其他条件相同时,将两种等质量不同粒径的CaO(纳米级和微米级)投入体系中,H2体积分数随时间变化如图所示,其中表示纳米级CaO对H2体积分数产生影响的曲线是　　　　　(填“a”或“b”),判断理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

(4)将CaCO3加热至T ℃,部分发生分解,达到平衡时Kp=p0 kPa。T ℃,在一真空密闭容器中加入过量的CaCO3,再充入一定量的H2,加入催化剂使其发生反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)(忽略其他副反应),测得该反应中物质分压如图所示(t时刻前,CO2的分压未给出):

①A点坐标为(t,　　　); 
②H2的平衡转化率为　　　　　; 
③反应CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)的平衡常数Kp=　　　　　。 
4.(2022湖南衡阳二模)CH4-CO2重整技术是实现“碳中和”的一种理想的CO2利用技术,具有广阔的市场前景、经济效应和社会意义。该过程中涉及的反应如下:
主反应:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)　ΔH1
副反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41.0 kJ·mol-1
回答下列问题:
(1)已知CH4、CO和H2的燃烧热ΔH分别为-890.3 kJ·mol-1、-283.0 kJ·mol-1和-285.8 kJ·mol-1,该催化重整主反应的ΔH1=　　　　　　　　 kJ·mol-1。有利于提高CO2平衡转化率的条件是　　　　　　　　(填字母)。 
A.高温高压 B.高温低压
C.低温高压 D.低温低压
(2)在刚性密闭容器中,进料比n(CO2)n(CH4)分别等于1.0、1.5、2.0,且反应达到平衡状态。

图甲

图乙
①甲烷的质量分数随温度变化的关系如图甲所示,曲线c对应的n(CO2)n(CH4)=　　　　　　　　　　　; 
②反应体系中,n(H2)n(CO)随温度变化的关系如图乙所示,随着进料比n(CO2)n(CH4)的增加,n(H2)n(CO)的值　　　　　　　　(填“增大”“不变”或“减小”),其原因是　  　。 
(3)在800 ℃、101 kPa时,按投料比n(CO2)n(CH4)=1.0加入刚性密闭容器中,达平衡时甲烷的转化率为90%,二氧化碳的转化率为95%,则副反应的压强平衡常数Kp=　　　　　　　　(计算结果保留3位有效数字)。 
(4)我国科学家设计了一种电解装置如图丙所示,能将二氧化碳转化成合成气CO和H2,同时获得甘油醛。则催化电极a为　　　　　　　　极,催化电极b产生CO的电极反应式为　。 

图丙
5.(2022湖北黄冈二模)苯是一种重要的工业原料,可利用环己烷脱氢制取。环己烷脱氢制苯的反应过程如下:
①(g)(g)+H2(g)
ΔH1=a kJ·mol-1
②(g)(g)+2H2(g)
ΔH2=b kJ·mol-1
③(g)(g)+3H2(g)
ΔH3>0
(1)则反应③的ΔH3为　　　　　(用含a、b的代数式表示),有利于提高上述反应③的平衡转化率的条件是　　　　　(填字母)。 
A.高温高压 B.低温低压
C.高温低压 D.低温高压
(2)不同压强和温度下反应③的平衡转化率如图甲所示。

图甲
Ⅰ.在相同压强下升高温度,未达到新平衡前,v(正)　　(填“大于”“小于”或“等于”)v(逆)。 
Ⅱ.研究表明,既升高温度又增大压强,C6H12的平衡转化率也升高,理由可能是  　　　　　　　　　　　。 
(3)T ℃向2 L的密闭反应器中充入1 mol C6H12进行催化脱氢,测得C6H10和C6H6的产率x1和x2(以物质的量分数计)随时间的变化关系如图乙所示。在8 min时,反应体系内氢气的物质的量为　　　　　 mol(忽略其他副反应)。0~8 min内C6H6的平均化学反应速率为　　　　　。反应③的化学平衡常数K=　　　　　(只代入数据即可,不需要计算结果)。 

图乙
6.(2022山东泰安三模)清洁能源的综合利用可有效降低碳排放,是实现“碳中和、碳达峰”的重要途径。
(1)以环己烷为原料通过芳构化反应生产苯,同时可获取氢气。图甲是该反应过程中几种物质间的能量关系。

图甲
芳构化反应:(g)→(g)+3H2(g)　ΔH=　　　　　 kJ·mol-1。 
(2)H2和CO2合成乙醇的反应为2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g)。将等物质的量的CO2和H2充入一刚性容器中,测得平衡时C2H5OH的体积分数随温度和压强的关系如图乙。

图乙

图丙
①压强p1　　　　　(填“>”“=”或“<”,下同)p2,a、b两点的平衡常数Ka　　　　　Kb。 
②已知Arrhenius经验公式为Rln k=-EaT+C(Ea为活化能,k为速率常数,R和C为常数)。为探究m、n两种催化剂的催化效能,进行了实验探究,依据实验数据获得图丙曲线。
在m催化剂作用下,该反应的活化能Ea=　　　　　 J·mol-1。从图中信息获知催化效能较高的催化剂是　　　　　(填“m”或“n”),判断理由是　　　　　　　　　　　。 
(3)H2和CO合成甲烷反应为2CO(g)+2H2(g)CH4(g)+CO2(g)。T ℃将等物质的量CO和H2充入恒压(200 kPa)的密闭容器中。已知逆反应速率v(逆)=k(逆)p(CH4)·p(CO2),其中p为分压,该温度下k(逆)=5.0×10-4kPa-1·s-1。反应达平衡时测得v(正)=516 kPa·s-1。CO的平衡转化率为　　　　　,该温度下反应的Kp=　　　　　(用组分的分压计算的平衡常数)。 
7.(2022河北石家庄二模)甲醚(CH3OCH3)被称为“21世纪的清洁燃料”。以CO2、H2为原料制备甲醚涉及的主要反应如下:
Ⅰ.2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH1<0
Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　ΔH2
回答下列问题:
(1)将CO与H2O混合气体置于绝热恒容密闭容器中发生反应Ⅱ,逆反应速率随时间变化的趋势如图所示(不考虑催化剂的影响)。

则ΔH2　　　　　(填“>”或“<”)0;a、b、c三点对应反应体系温度Ta、Tb、Tc由高到低的顺序为　　　　　　　　　　。 
(2)在恒压条件下,按CO2与H2的物质的量之比为1∶3投料,测得CO2平衡转化率和平衡时CO的选择性(转化的CO2中生成CO的物质的量分数)随温度的变化曲线如图所示。

①曲线n随温度升高显示如图所示的变化趋势的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
②T ℃时反应Ⅱ的平衡常数K=　　　　　(保留两位有效数字);合成甲醚的适宜温度为260 ℃,理由是　 　　　　　　　　　　　。 
③其他条件不变,改为恒容条件,CO平衡选择性比恒压条件下的平衡选择性　　　　　(填“高”“低”或“不变”)。 
8.(2022广东汕头二模)CO2是一种温室气体,CO2的产生会影响人类生存的环境,将CO2作为原料转化为有用的化学品,对实现碳中和及生态环境保护有着重要意义。
Ⅰ.工业上以CO2和NH3为原料合成尿素,在合成塔中存在如下转化:

(1)液相中,合成尿素的热化学方程式为2NH3(l)+CO2(l)H2O(l)+NH2CONH2(l)　ΔH=　　　　　　　　 kJ·mol-1。 
(2)在恒容密闭容器中发生反应:2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O(g)　ΔH<0。下列说法正确的是　　　　(填字母)。 
A.增大CO2的浓度,有利于NH3的转化率增大
B.反应在任何温度下都能自发进行
C.当混合气体的密度不再发生改变时反应达平衡状态
D.充入He,压强增大,平衡向正反应方向移动
Ⅱ.可利用CO2和CH4催化制备合成气(CO、H2),在一定温度下容积为1 L的密闭容器中,充入等物质的量的CH4和CO2,加入Ni/Al2O3使其发生反应:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)。
(3)反应达平衡后,平衡常数K=81,此时测得c(CO)为3 mol·L-1,则CH4的转化率为　　　　　　　　(保留2位有效数字)。 
(4)制备“合成气”反应历程分两步:
步骤
反应
正反应速率方程
逆反应速率方程
反应①
CH4(g)C(ads)+2H2(g)
v(正)=k1·c(CH4)
v(逆)=k2·c2(H2)
反应②
C(ads)+CO2(g)2CO(g)
v(正)=k3·c(CO2)
v(逆)=k4·c2(CO)
上述反应中C(ads)为吸附性活性炭,反应历程的能量变化如图所示:

①反应速率快慢比较:反应①　　　　　　　　(填“>”“<”或“=”)反应②,请依据有效碰撞理论微观探析其原因　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
②一定温度下,反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)的平衡常数K=　　　　　　　　(用k1、k2、k3、k4表示)。 

参考答案

大题突破练3　化学反应原理综合题
1.答案 (1)+90.8　(2)CD
(3)①0.02t1　②b　t2时刻,将容器的容积迅速缩小为原来的一半,则所有气体的分压突然增大为原平衡时的2倍,则N2的分压突变为0.8×100 kPa,之后平衡逆向移动,氮气的分压减小
③0.48
(4)从右往左　(5)2NH3-6e-+6OH-N2↑+6H2O
解析 本题是热化学、电化学与速率平衡的综合题,考查了反应热的计算、自由能与反应的自发性、速率与平衡常数的计算、电极反应式的书写等知识。
(1)根据ΔH=反应物中化学键的键能之和-生成物中化学键的键能之和=6×390.8 kJ·mol-1-(946 kJ·mol-1+3×436.0 kJ·mol-1)=+90.8 kJ·mol-1。
(2)ΔG=ΔH-TΔS<0时,反应可自发进行。代入数据可得,90.8 kJ·mol-1-T×0.198 9 kJ·mol-1·K-1<0,解得T>456.5 K,即温度应高于456.5 ℃-273 ℃=183.5 ℃。故合理答案为CD。
(3)①根据图像可知,从反应达平衡时(即t1时),氨气和氢气的分压都为1.2×100 kPa,氮气的分压为0.4×100 kPa,列三段式为:
　　　 　2NH3 N2 + 3H2　 总压
起始/mol 0.1 0 0 200 kPa
转化/mol 2n n 3n
平衡/mol 0.1-2n n 3n (1.2+1.2+
0.4)×100 kPa
恒温恒容条件下,气体的压强与物质的量成正比,可列式:0.10.1-2n+n+3n=200(1.2+1.2+0.4)×100
解得n=0.02,所以0~t1时间内v(H2)=0.06mol3 L·t1min=0.02t1 mol·L-1·min-1。
②t2时刻,将容器的容积迅速缩小为原来的一半,则所有气体的分压突然增大为原平衡时的2倍,则N2的分压突变为0.8×100 kPa,之后平衡逆向移动,氮气的分压减小,所以符合条件的曲线为b。
③根据该温度下各气体的分压,可列式Kθ=0.4×1.231.22=0.48。
(4)根据总反应2NH3N2+3H2可推知,生成氮气的电极为阳极,生成氢气的电极为阴极,阴离子应向阳极移动,故OH-的移动方向为从右往左。
(5)阳极电极反应式为2NH3-6e-+6OH-N2↑+6H2O。
2.答案(1)>　(2)①p3>p2>p1
②升高温度,反应ⅰ、ⅱ平衡均正向移动,反应ⅲ平衡逆向移动,TTm时,升高温度对反应ⅰ、ⅱ的促进程度小于对反应ⅲ的抑制程度,n(H2)消耗的多
(3)Ⅱ　>　(4)20%　4.0
解析 (1)由题干中反应ⅱ和ⅲ的平衡常数的自然对数ln Kp与温度的关系图所示信息可知,反应ⅱ的平衡常数随温度升高而增大,说明反应ⅱ正反应为吸热反应,即ΔH2>0,反应ⅲ的平衡常数随温度升高而减小,说明反应ⅲ正反应是放热反应,即ΔH3<0,反应ⅱ-反应ⅲ可得反应ⅰ,根据盖斯定律可知,ΔH=ΔH2-ΔH3>0;
(2)①反应ⅰ、ⅱ均为气体体积增大的反应,减小压强,平衡正向移动,n(H2)增加的程度大于n(CO),则压强p1、p2、p3由大到小的顺序为p3>p2>p1;
②由题图可知,压强为p2时,随着温度升高,n(H2)n(CO)先增大后减小,原因是反应ⅰ、ⅱ均为吸热反应,升高温度,反应ⅰ、ⅱ平衡均正向移动,反应ⅲ是放热反应,平衡逆向移动,TTm时,升高温度对反应ⅰ、ⅱ的促进程度小于对反应ⅲ的抑制程度,n(H2)消耗的多;
(3)由化学方程式CH4(g)+4NO(g)2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)可知,随着n(NO)n(CH4)的增大,即增大NO的投入量,平衡正向移动,CH4的转化率增大而NO的转化率却减小,由题图3所示信息可知,曲线Ⅱ表示T3 K下NO的平衡转化率~n(NO)n(CH4)的关系,由化学方程式CH4(g)+4NO(g)2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g)　ΔH<0可知,升高温度平衡逆向移动,则NO的转化率减小,题图中曲线Ⅰ表示n(NO)n(CH4)=1时NO的平衡转化率~1T关系,从题图中所示信息可知,T越大,则1T越小,NO的转化率越小,故Tl>T2;
(4)由题干图示信息可知,在n(NO)n(CH4)=1、T3 K下,NO的转化率为80%,根据三段式分析可知,
CH4(g) + 4NO(g) 2N2(g) + CO2(g)+2H2O(g)
起始量/mol a a 0 0 0
转化量/mol 0.2a 0.8a 0.4a 0.2a 0.4a
平衡量/mol 0.8a 0.2a 0.4a 0.2a 0.4a
则该反应平衡时N2的体积分数为0.4a2a×100%=20%,则此时CH4、NO、CO2、N2、H2O的平衡分压分别为:p(CH4)=0.8a2a×100 kPa=40 kPa,p(NO)=0.2a2a×100 kPa=10 kPa,p(CO2)=0.2a2a×100 kPa=10 kPa,p(N2)=0.4a2a×100 kPa=20 kPa,p(H2O)=0.4a2a×100 kPa=20 kPa,故该反应的标准平衡常数Kθ=p(CO2)pθ·[p(N2)pθ]2·[p(H2O)pθ]2[p(NO)pθ]4·p(CH4)pθ=10 kPa100 kPa×(20 kPa100 kPa)2×(20 kPa100 kPa)2(10 kPa100 kPa)4×40 kPa100 kPa=4.0。
3.答案(1)增大H2O(g)的浓度　(2)CaO可以和产物CO2反应,降低产物的浓度,使平衡正向移动
(3)a　质量相等的纳米级CaO颗粒更细小,表面积更大,与CO2接触更充分,吸收的CO2更多,反应限度更大,H2体积分数更大
(4)①p0　②50%　③10
解析 (1)该反应为气体体积不变的放热反应,生产中可用增大反应物水蒸气的浓度,使平衡向正反应方向移动,既提高CO的转化率,又提高反应速率。
(2)其他条件不变,在体系中投入一定量氧化钙,氧化钙与生成物二氧化碳反应生成碳酸钙,生成物浓度减小,平衡向正反应方向移动,氢气的体积分数增大。
(3)质量相等的纳米级氧化钙颗粒更细小,表面积更大,与二氧化碳接触更充分,吸收的二氧化碳更多,反应限度更大,氢气体积分数更大,故曲线a表示纳米级氧化钙对氢气体积分数的影响。
(4)①由反应CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)的平衡常数Kp=p0 kPa可知,A点二氧化碳的分压为p0 kPa,则A点的坐标为(t,p0);
②由题图可知,平衡时氢气的转化率为20p0-10p020p0×100%=50%;
③由题图可知,平衡时二氧化碳、氢气、一氧化碳、水蒸气的平衡分压分别为p0kPa、10p0kPa、10p0kPa、10p0kPa,则分压平衡常数Kp=10p0×10p0p0×10p0=10。
4.答案(1)+247.3　B
(2)①2.0　②减小　随着投料比n(CO2)n(CH4)的增加,n(CO2)增大,副反应平衡正向移动,导致n(CO)增多,n(H2)减少,n(H2)n(CO)减小
(3)1.06　(4)阳　CO2+H2O+2e-(或2CO2+2e-+CO)
解析 (1)根据题中所给条件,可以列出CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)　ΔH3=-890.3 kJ·mol-1,CO(g)+12O2(g)CO2(g)　ΔH4=-283.0 kJ·mol-1,H2(g)+12O2(g)H2O(l)　ΔH5=-285.8 kJ·mol-1,根据盖斯定律可得ΔH1=ΔH3-2×(ΔH4+ΔH5)=-890.3 kJ·mol-1-2×(-283.0-285.8) kJ·mol-1=+247.3 kJ·mol-1;主反应:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)化学方程式反应物系数之和小于生成物系数之和,并且该反应为吸热反应,故高温低压有利于二氧化碳的转化。
(2)①甲烷的质量分数=16n(CH4)44n(CO2)+16n(CH4)=1644n(CO2)n(CH4)+16,由a、b、c三条线的起始投入甲烷的质量分数可知,甲烷的质量分数越大,n(CO2)n(CH4)越小,故曲线c对应的n(CO2)n(CH4)=2.0;
②可对比同一温度下,三条线的横坐标的大小,由题图可知随着进料比n(CO2)n(CH4)的增加,n(H2)n(CO)的值减小,其原因是随着投料比n(CO2)n(CH4)的增加,n(CO2)增大,副反应平衡正向移动,导致n(CO)增多,n(H2)减少,n(H2)n(CO)减小。
(3)设开始时n(CO2)=1 mol,n(CH4)=1 mol,列出三段式:
CH4转化率为90%,反应了0.9 mol;对于副反应来说开始二氧化碳是0.1 mol,氢气是1.8 mol,一氧化碳是1.8 mol,二氧化碳的转化率为95%,则副反应中反应的二氧化碳物质的量=1 mol×95%-1 mol×90%=0.05 mol,列出三段式:
,
反应平衡后,n(CH4)=0.1 mol,n(CO2)=0.05 mol,n(H2)=1.75 mol,n(CO)=1.85 mol,n(H2O)=0.05 mol,n总=3.8 mol,设总压强为p,则有Kp=p(H2O)·p(CO)p(CO2)·p(H2)=0.053.8p×1.853.8p0.053.8p×1.753.8p≈1.06。
(4)催化电极b表面二氧化碳还原为一氧化碳为电解池的阴极,故催化电极a为电解池的阳极;阴极产生CO的电极反应式为CO2+H2O+2e-或2CO2+2e-+CO。
5.答案(1)(a+b) kJ·mol-1　C
(2)Ⅰ.大于　Ⅱ.升高温度平衡正向移动,C6H12的平衡转化率增大,增大压强,平衡逆向移动,C6H12的平衡转化率减小,温度升高对平衡的影响大于压强增大对平衡的影响
(3)2.34　0.047 5 mol·L-1·min-1　(1.17)3×0.380.09
解析 (1)根据盖斯定律,由反应①+②得到反应③,ΔH3=ΔH1+ΔH2=(a+b) kJ·mol-1。已知反应③的ΔH3>0,且正反应是一个气体体积增大的反应,则高温低压,平衡正向移动,有利于提高上述反应③的平衡转化率。
(2)Ⅰ.反应③的ΔH3>0,在相同压强下升高温度,平衡正向移动,则未达到新平衡前,v(正)大于v(逆)。
Ⅱ.反应③的ΔH3>0,且正反应是一个气体体积增大的反应,升高温度平衡正向移动,C6H12的平衡转化率增大,增大压强,平衡逆向移动,C6H12的平衡转化率减小,研究表明,既升高温度又增大压强,C6H12的平衡转化率也升高,理由可能是温度升高对平衡的影响大于压强增大对平衡的影响。
(3)在8 min时,C6H10的产率为0.06,C6H6的产率为0.76,设环己烷的转化量为x mol,环己烯的转化量为y mol,根据三段式分析:


则有:y=0.76,x-y=0.06,则x=0.82,则反应体系内氢气的物质的量为0.82 mol+2×0.76 mol=2.34 mol,0~8 min内C6H6的平均化学反应速率为v=ΔcΔt=ΔnVΔt=0.76mol2 L×8min=0.047 5 mol·L-1·min-1。平衡体系中,环己烷的物质的量浓度为(1-0.82)mol2 L=0.09 mol·L-1,苯的浓度为0.76mol2 L=0.38 mol·L-1,H2的浓度为2.34mol2 L=1.17 mol·L-1,则反应③的化学平衡常数K=c3(H2)·c(苯)c(环己烷)=(1.17)3×0.380.09。
6.答案(1)+208.4
(2)①<　>
②9.6×104　n　由题图可知,直线n斜率大,Ea小,催化效率高
(3)40%　1681×10-4 (kPa)-2
解析 (1)由题图可得热化学方程式:①(g)→(g)+2H2(g)　ΔH1=+237.1 kJ·mol-1;②(g)→(g)+H2(g)　ΔH2=-28.7 kJ·mol-1。根据盖斯定律,由反应①+②环己烷转化为苯的热化学方程式为(g)→(g)+3H2(g)　ΔH=(+237.1 kJ·mol-1)+(-28.7 kJ·mol-1)=+208.4 kJ·mol-1。
(2)①该反应为气体体积减小的反应,温度一定时增大压强,平衡向正反应方向移动,乙醇的体积分数增大,由题图可知,压强为p1时乙醇的体积分数小于p2时,则p1 ②在m催化剂作用下,由题图中数据可得如下方程式:56.2=-7.2×10-3Ea+C ①,27.4=-7.5×10-3Ea+C ②,联立方程可得Ea=9.6×104 J·mol-1;由题图可知,直线n的斜率大于m,说明使用催化剂n的活化能(Ea)小于m,催化效率高于m。
(3)设起始通入一氧化碳和氢气的物质的量都为2 mol、生成甲烷的物质的量为a mol,由题意可建立如下三段式:

平衡时正逆反应速率相等,由三段式数据可得:5.0×10-4×(a4-2a×200)×(a4-2a×200)=516,解得a=0.4,则一氧化碳的转化率为2×0.42×100%=40%,平衡时分压常数Kp=(0.43.2×200 kPa)×(0.43.2×200 kPa)(1.23.2×200 kPa)2×(1.23.2×200 kPa)2=1681×10-4 (kPa)-2。
7.答案(1)>　Tc>Tb>Ta
(2)①ΔH1<0,升温时反应Ⅰ平衡逆向移动,CO2的转化率降低,ΔH2>0,升温反应Ⅱ平衡正向移动,CO2的平衡转化率升高,升温过程中曲线n先减小后增大,则温度低时反应Ⅰ对平衡影响大,温度高时反应Ⅱ对平衡影响大　②0.046　此温度下,CO的选择性较低且反应速率不低,若温度再高CO的选择性增大,不利于合成甲醚　③高
解析 (1)v(逆)开始时逐渐增大,则c(CO2)、c(H2)逐渐减小,说明温度升高逆反应放热,则正反应为吸热反应,则ΔH2>0;由a→b温度为影响反应速率的主要因素,由b→c浓度为影响反应速率的主要因素,v(逆)一直在变,说明未达到平衡,反应一直向逆反应方向进行,逆反应是放热的,故Tc>Tb>Ta。
(2)①因ΔH2>0,升温该反应正向进行,CO的选择性增大,故m表示CO选择性,n为CO2平衡转化率,曲线n随温度升高显示如题图所示变化的原因是ΔH1<0,升温反应Ⅰ平衡逆向移动,CO2的平衡转化率降低,ΔH2>0,升温反应Ⅱ平衡正向移动,CO2的平衡转化率升高,升温过程中曲线n先减小后增大,则温度低时反应Ⅰ对平衡影响大,温度高时反应Ⅱ对平衡影响大。
②设开始时投入n(CO2)=x mol,n(H2)=3x mol,平衡时生成a mol CH3OCH3、b mol CO,即
　 2CO2(g) + 6H2(g) CH3OCH3(g) +3 H2O(g)
转化/mol 2a 6a a 3a
　 CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)
转化/mol b b b b
则2a+bx=40%,b2a+b=25%,解得a=0.15x,b=0.1x,
平衡时n(H2O)=0.55x mol,n(CO)=0.1x mol,n(CO2)=0.6x mol,n(H2)=2x mol,K=c(CO)·c(H2O)c(CO2)·c(H2)=0.1xV·0.55xV0.6xV·2xV≈0.046。
在260 ℃下,CO的选择性较低且反应速率不低,若温度再高CO的选择性增大,不利于合成甲醚。
③其他条件不变,改为恒容条件,合成甲醚的反应为气体体积减小的反应,压强减小,不利于甲醚的合成,造成合成甲醚更少,从而增大了CO平衡选择性,故改为恒容条件,CO平衡选择性比恒压条件下的平衡选择性高。
8.答案(1)-93.7　(2)AC　(3)60%
(4)①<　反应②活化能低,同条件下单位体积内活化分子数多,有效碰撞几率大,速率快　②k1×k3k2×k4
解析 (2)增大CO2的浓度,平衡正向移动,有利于NH3的转化率增大,A正确;该反应的正反应是熵减的反应,即ΔS<0,根据ΔH-TΔS<0可知,反应在低温下才能自发进行,高温下是不能自发进行的,B错误;混合气体的密度不再发生改变,即混合气体的质量不再改变,各组分的量也不再改变,反应达到平衡状态,C正确;在恒容密闭容器中,充入He,各物质浓度不变,平衡不移动,D错误。
(3)设充入CH4和CO2物质的量都为x mol,列三段式:
CH4(g) + CO2(g) 2CO(g) +2H2(g)
起始量/(mol·L-1) x x 0 0
转化量/(mol·L-1) 1.5 1.5 3 3
平衡量/(mol·L-1) x-1.5 x-1.5 3 3
则有K=c2(CO)·c2(H2)c(CH4)·c(CO2)=32×32(x-1.5)2=81,解得x=2.5,CH4的转化率为1.5mol2.5mol×100%=60%;
(4)①活化能越大反应速率越慢,反应②活化能低,同条件下单位体积内活化分子数多,有效碰撞几率大,速率快,则反应速率:反应①<反应②;
②一定温度下,反应到达平衡时正逆反应速率相等,则有v(正)=k1c(CH4)·k3c(CO2)=v(逆)=k4c2(CO)·k2c2(H2),而平衡常数K=c2(CO)·c2(H2)c(CH4)·c(CO2),则K=k1×k3k2×k4。