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2024届人教版高考化学一轮复习第七章第2讲化学平衡作业含答案
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这是一份2024届人教版高考化学一轮复习第七章第2讲化学平衡作业含答案，共24页。试卷主要包含了已知反应，8 ml，7%等内容，欢迎下载使用。
第2讲 化学平衡
(40分钟)
选题表
知识点
题号
基础
能力
创新
可逆反应与化学平衡状态
1
化学平衡常数、转化率的计算与应用
3
6,7,8
11
化学平衡的移动及化学平衡图像
2
5
综合
4
9,10
12
1.已知反应:NO2(g)+SO2(g)SO3(g)+NO(g),起始时向某密闭容器中通入1 mol NO2、2 mol S18O2,反应达到平衡后,下列有关说法正确的是( C )
A.NO2中不可能含18O
B.有1 mol N18O生成
C.S18O2的物质的量不可能为0.8 mol
D.SO2、SO3、NO、NO2均含18O时,说明该反应达到平衡
解析:该反应为可逆反应,则通入1 mol NO2、2 mol S18O2,反应达到平衡后,SO2、SO3、NO、NO2均含18O,A错误;该反应为可逆反应,反应物不可能完全消耗,所以通入1 mol NO2、2 mol S18O2,不可能有1 mol N18O生成,B错误;该反应为可逆反应,反应物不可能完全消耗,所以通入
1 mol NO2、2 mol S18O2,NO2、S18O2消耗都小于1 mol,所以S18O2的物质的量不可能为0.8 mol,C正确;该反应为可逆反应,SO2、SO3、NO、NO2均含18O时,不能说明该反应达到平衡,D错误。
2.(2022·贵州六盘水高级中学月考)臭氧在烟气脱硝中的反应为2NO2(g)+O3(g)N2O5(g)+O2(g)。若此反应在恒容密闭容器中进行,下列选项中有关图像对应的分析正确的是( C )
解析:由图可知,反应物总能量高于生成物总能量,正反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,NO2的含量增大,故A错误;由图可知,0～2 s内,二氧化氮的浓度变化量为0.8 mol·L-1-0.4 mol·L-1=
0.4 mol·L-1,故v(NO2)=0.4mol·L-12 s=0.2 mol·L-1·s-1,v(O3)=12v(NO2)=
0.1 mol·L-1·s-1,故B错误;温度高,化学反应速率快,b点温度高于a点,故v正为b点>a点,b点NO2的体积分数未达到平衡时的体积分数,则平衡向生成NO2的方向移动,即反应向逆反应方向进行,故b点v逆>
v正,故C正确;容器中充入反应物,正反应速率瞬间增大,逆反应速率不变,然后平衡移动至建立新平衡,该过程速率图像与图示不符,故D错误。
3.(2022·山东济南历城二中开学考)在容积恒为1 L的密闭容器中通入一定量N2O4,发生反应 N2O4(g)2NO2(g) ΔH>0。假设温度不变,体系中各组分浓度随时间(t)的变化如下表。下列说法错误的是( B )
t/s
0
20
40
60
80
c(N2O4)/
(mol/L)
0.100
0.062
0.048
0.040
0.040
c(NO2)/
(mol/L)
0
0.076
0.104
0.120
0.120
A.0～40 s,N2O4的平均反应速率为0.078 mol/(L·min)
B.80 s时,再充入N2O4、NO2各0.12 mol,平衡移动
C.升高温度,反应的化学平衡常数增大
D.若压缩容器,达到新平衡后,混合气颜色比原平衡时深
解析:A.在0～40 s,N2O4的浓度变化量为 0.100 mol/L-0.048 mol/L=
0.052 mol/L,则用N2O4的浓度变化表示的平均反应速率 v(N2O4)=
0.052mol/L40 s=0.001 3 mol/(L·s)=0.078 mol/(L·min),正确;B.80 s时反应已经达到了平衡状态,该温度下反应的化学平衡常数K=
c2(NO2)c(N2O4)=0.12020.040=0.36,此时再充入N2O4、NO2各0.12 mol,Q=c2(NO2)c(N2O4)=
0.24020.160=0.36=K,所以平衡不移动,错误;C.该反应的正反应为吸热反应,在其他条件不变时,升高温度,化学平衡向吸热的正反应方向移动,导致反应的化学平衡常数增大,正确;D.在平衡体系中,只有NO2是有色气体,若压缩容器,导致体系中各种物质的浓度增大,物质颜色加深,增大压强,化学平衡向气体体积减小的逆反应方向移动,使气体颜色变浅,但平衡移动的趋势是微弱的,总的来说NO2的浓度还是增大,故达到新平衡后,混合气颜色比原平衡时深,正确。
4.密闭容器中用Na2CO3(s)作固硫剂,同时用一定量氢气还原辉钼矿(MoS2)的原理是MoS2(s)+4H2(g)+2Na2CO3(s)Mo(s)+2CO(g)+
4H2O(g)+2Na2S(s) ΔH,实验测得平衡时的有关变化曲线如图所示:
(1)由图可知,该反应的ΔH (填“>”或“<”)0;p2 (填“>”或“<”)0.1 MPa。
(2)如果上述反应在容积不变的密闭容器中达到平衡状态,下列说法错误的是 (填字母)。
A.v正(H2)=v逆(H2O)
B.再加入MoS2,则H2的转化率增大
C.容器内气体的密度不变时,一定达平衡状态
D.容器内压强不变时,一定达平衡状态
(3)由图可知M点时氢气的平衡转化率为 (计算结果保留0.1%)。
(4)平衡常数可用平衡分压代替平衡浓度计算,气体分压=气体总压×物质的量分数。求图中M点的平衡常数Kp= MPa2。
解析:(1)由图可知,在相同的压强下,反应物氢气的体积分数随温度的升高而减小,故该反应为吸热反应,该反应的ΔH>0;该反应为气体分子数增大的反应,在相同温度下,压强越小,氢气的转化率越大,则氢气的体积分数越小,故p2>0.1 MPa。(2)v正(H2)=v逆(H2O),能表示正反应速率和逆反应速率相等,A正确;MoS2是固体,再加入MoS2不能改变其浓度,故不能使平衡发生移动,则H2的转化率不变,B错误;反应前后有固体参与,气体的密度发生变化,故当容器内气体的密度不变时,一定达平衡状态,C正确;反应前后的气体分子数不等,容器内压强不变时,一定达平衡状态,D正确。(3)由图可知M点时氢气的体积分数为25%,设氢气的起始量为4 mol,转化率为α,则氢气的变化量为
4α mol,CO和H2O的变化量分别为2α mol和4α mol,三者的平衡量分别为(4-4α)mol、2α mol 和4α mol,则有4-4α4-4α+2α+4α=25%,解得α=23,故M点时H2的平衡转化率约为66.7%。(4)平衡常数可用平衡分压代替平衡浓度计算,气体分压=气体总压×物质的量分数。M点的压强为0.1 MPa,平衡混合物中,H2(g)、CO(g)、H2O(g)的体积分数分别为0.25、0.25、0.5,M点的平衡常数Kp=(0.1×0.25)2×(0.1×0.5)4(0.1×0.25)4 MPa2=
0.01 MPa2。
答案:(1)> > (2)B (3)66.7% (4)0.01
5.(2022·河南信阳二模)在恒温恒压下,某一容积可变的密闭容器中发生反应A(g)+B(g)2C(g) ΔH<0,t1时达到平衡,在t2时改变某一条件,其反应过程如图所示。下列说法正确的是( B )
A.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,A的体积分数:Ⅰ>Ⅱ
B.t2时改变的条件是向密闭容器中加入物质C
C.0～t2时,v正>v逆
D.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,平衡常数:K(Ⅰ)
6.(2022·湖南长沙雅礼中学月考)500 K时,在三个容积均为2 L的恒容密闭容器中,发生反应:A(g)+2B(g)2C(g) ΔH<0。实验测得:v正=k正c(A)c2(B),v逆=k逆c2(C),其中k正、k逆为速率常数,受温度影响。下列说法正确的是( B )
容器编号
起始物质的量/mol
平衡时A的物
质的量/mol
A
B
C
Ⅰ
0
0
1.2
0.4
Ⅱ
0.4
1.0
0.6
Ⅲ
0.7
1.0
0
A.达平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为 4∶5
B.达平衡时,容器Ⅲ中B的体积分数小于50%
C.达平衡时,容器Ⅱ中c(A)c(C)比容器Ⅰ中的大
D.当温度改变为T时,若k正=k逆,则T<500 K
解析:由表中数据和容器Ⅰ的反应,列三段式
A(g)+2B(g)2C(g)
起始/(mol/L) 0 0 0.6
转化/(mol/L) 0.2 0.4 0.4
平衡/(mol/L) 0.2 0.4 0.2
平衡常数为K=c2(C)c(A)·c2(B)=0.220.2×0.42=10.8=1.25。在恒温恒容密闭容器里,压强和物质的量成正比,平衡时容器Ⅰ中的总物质的量为(0.2+0.4+
0.2)mol/L×2 L=1.6 mol,若平衡时容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为4∶5,则容器Ⅱ平衡时的总物质的量为2.0 mol,对容器Ⅱ列三段式
A(g)+ 2B(g)2C(g)
起始/(mol/L) 0.2 0.5 0.3
转化/(mol/L) x 2x 2x
平衡/(mol/L) 0.2-x 0.5-2x 0.3+2x
由假设可得(0.2-x+0.5-2x+0.3+2x)mol/L×2 L=2.0 mol,解得x=0,说明反应刚开始就已经达到平衡状态,而该时刻的Q=0.320.2×0.52=1.8>
K=1.25,由此可知该时刻反应未达到平衡状态,两者出现矛盾,则说明平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比不是4∶5,故A错误;若容器Ⅲ在某时刻,B的体积分数为50%,
A(g) + 2B(g)2C(g)
起始/(mol/L) 0.35 0.5 0
转化/(mol/L) y 2y 2y
某时刻/(mol/L) 0.35-y 0.5-2y 2y
B的体积分数为0.5-2y0.35-y+0.5-2y+2y×100%=50%,解得y=0.05,则该时刻的Q=0.120.3×0.42=14.8500 K,故D错误。
7.(2023·吉林长春模拟)固体碘化铵置于密闭容器中,加热至一定温度后保持温度不变,容器中发生反应:①NH4I(s)NH3(g)+HI(g)、②2HI(g)H2(g)+I2(g),测得平衡时c(I2)=0.5 mol·L-1,反应①的平衡常数为20,则下列结论不正确的是( D )
A.平衡时c(NH3)=5 mol·L-1
B.平衡时HI分解率为20%
C.混合气体的平均摩尔质量不再发生变化不可以作为判断该反应达到平衡状态的标志
D.平衡后缩小容器容积,NH4I的物质的量增加,I2的物质的量不变
解析:设碘化铵生成氨气和碘化氢的浓度为 x mol·L-1,则
2HI(g)H2(g)+I2(g)
起始/(mol·L-1) x 0 0
变化/(mol·L-1) 1 0.5 0.5
平衡/(mol·L-1) x-1 0.5 0.5
根据反应①的平衡常数为20,得x(x-1)=20,解得x=5,c(NH3)=
5 mol·L-1,A项正确;平衡时HI分解率为1mol·L-15mol·L-1×100%=20%,B项正确;反应①固体生成气体,气体的平均摩尔质量始终不变,反应②反应前后气体物质的量不变,气体的平均摩尔质量始终不变,故混合气体的平均摩尔质量不再发生变化不可以作为判断该反应达到平衡状态的标志,C项正确;平衡后缩小容器容积,平衡①逆向移动,NH4I的物质的量增加,HI的物质的量减小,平衡②逆向移动,则I2的物质的量减小,D项错误。
8.(不定项)(2022·山东德州三模)用CO还原N2O可减轻汽车尾气对空气的污染,该反应的热化学方程式为N2O(g)+CO(g)CO2(g)+N2(g) ΔH<0。在容积为1 L的密闭容器A(500 ℃,恒温)、B(起始500 ℃,绝热)中分别加入0.1 mol N2O和 0.4 mol CO,测得容器中N2O转化率随时间变化关系如图。下列说法正确的是( BC )
A.A容器中N2O的转化率随时间的变化关系是图中的曲线a
B.可通过缩小容器容积来缩短b曲线对应容器达到平衡的时间,同时不改变N2O的平衡转化率
C.500 ℃该反应的化学平衡常数K=145
D.在平衡后向A容器中加入0.075 mol N2O与0.025 mol CO2,则平衡正向移动
解析:反应放热,绝热容器中随着反应进行温度升高,反应速率不断加快,达到平衡的时间缩短,同时温度升高不利于反应正向进行,则到达平衡时,B容器相对于A容器,N2O的转化率降低,但达到平衡的时间缩短,所以曲线a表示B容器中N2O的转化率随时间的变化关系,A错误;反应为气体分子数不变的反应,反应前后体系压强不变,增大压强可以增大化学反应速率,缩短到达平衡的时间,同时不影响反应物的平衡转化率,具体措施可以减小容器容积,B正确;根据图像可知,500 ℃时,N2O的平衡转化率为25%,起始时充入0.1 mol N2O、0.4 mol CO
反应,
N2O(g)+CO(g)CO2(g)+N2(g)
起始/mol 0.1 0.4 0 0
转化/mol 0.025 0.025 0.025 0.025
平衡/mol 0.075 0.375 0.025 0.025
则平衡常数K=c(N2)·c(CO2)c(N2O)·c(CO)=0.025×0.0250.075×0.375=145,C正确;在平衡后向A容器中加入0.075 mol N2O与0.025 mol CO2,Q=c(N2)·c(CO2)c(N2O)·c(CO)=0.025×0.050.15×0.375=145=K,则平衡不移动,D错误。
9.(不定项)(2022·山东烟台三模)已知环戊二烯制备二聚环戊二烯的反应: ΔH<0。某实验小组分别在2 L的恒容密闭容器中各充入3.0 mol环戊二烯,测得在T1℃和T2℃下环戊二烯气体的浓度随反应时间的变化曲线如图所示。下列说法错误的是( D )
A.M、N、P、Q四点的逆反应速率大小关系:Q>N>P>M
B.T2 ℃,用二聚环戊二烯表示0～0.5 h的平均反应速率为
0.5 mol·L-1·h-1
C.P点可能处于化学平衡状态
D.T1 ℃,若向Q点再充入1.0 mol环戊二烯达到平衡时反应物的转化率将小于86.7%
解析:由图像可知T1 ℃时的反应速率快,可知T1>T2,温度越高反应速率越快,且Q、N点的二聚环戊二烯的浓度均比P点的高,则N、Q点对应的逆反应速率比P点对应的逆反应速率快,N点到Q点的过程反应正向进行,Q点逆反应速率大于N点,M点到P点的过程中反应正向进行,则P点的逆反应速率大于M点,则四点的逆反应速率Q>N>P>M,故A正确;T2 ℃,用环戊二烯表示0～0.5 h的平均反应速率为0.5mol·L-10.5 h=
1.0 mol·L-1·h-1,根据速率之比等于化学计量数之比可知用二聚环戊二烯表示0～0.5 h的平均反应速率为 0.5 mol·L-1·h-1,故B正确;由图像可知P点之前环戊二烯的浓度一直减小,反应未达平衡,P点之后的浓度可能保持不变,则P点可能处于化学平衡状态,故C正确;
T1 ℃,若向Q点再充入 1.0 mol 环戊二烯,根据等效平衡思想,可视为增大体系内压强,而增大压强平衡正向移动,能提高环戊二烯的转化率,由图中数据可知,原平衡时其转化率约为86.7%,则充入环戊二烯再次平衡时反应物的转化率将大于 86.7%,故D错误。
10.(2022·吉林延边模拟)CO2和CH4是两种重要的温室气体,通过CH4和CO2反应制造更高价值的化学品是目前的研究目标。请回答下列
问题。
Ⅰ.工业上可以利用CO2和H2合成CH3OH:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+
H2O(g) ΔH<0。该反应在起始温度和容积均相同(T ℃、1 L)的两个密闭容器中分别进行,反应物起始物质的量见下表:
项目
CO2
(mol)
H2
(mol)
CH3OH
(mol)
H2O
(mol)
反应a
(恒温恒容)
1
3
0
0
反应b
(绝热恒容)
0
0
1
1
(1)达到平衡时,反应a、b对比:CO2的体积分数(a) (填“>”“<”或“=”)(b)。
(2)下列能说明反应a达到平衡状态的是 (填字母)。
A.v正(CO2)=3v逆(H2)
B.混合气体的平均摩尔质量不再改变
C.c(CH3OH)=c(H2O)
D.容器内压强不再改变
Ⅱ.我国科学家研究了不同反应温度对含碳产物组成的影响。
已知:反应1.CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH<0
反应2.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH>0
在密闭容器中通入3 mol的H2和1 mol的CO2,分别在1 MPa和10 MPa下进行反应。实验中对平衡体系组成的三种含碳物质(CO2、CO、CH4)进行分析,其中温度对CO和CH4的影响如图所示。
(3)10 MPa时,表示CH4和CO平衡组成随温度变化关系的曲线分别是
和 。M点平衡组成含量高于N点的原因是
。
(4)图中当CH4和CO平衡组成均为40%时,若容器的容积为1 L,该温度下反应1的平衡常数K的值为 。
Ⅲ.在T1时,向容积为2 L的恒容容器中充入物质的量之和为3 mol的CO和H2,发生反应 CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),反应达到平衡时CH3OH(g)的体积分数()与n(H2)n(CO)的关系如图所示。
(5)当n(H2)n(CO)=3.5时,达到平衡后,CH3OH的体积分数可能是图像中的
(填“D”“E”或“F”)点。
(6)n(H2)n(CO)= 时,CH3OH的体积分数最大。
解析:(1)反应b在绝热容器中进行,反应逆向进行,逆反应为吸热反应,平衡时温度比反应a低,相当于反应a升高温度,平衡向逆反应方向移动,CO2的体积分数增大,(a)>(b)。
(2)A.当v正(CO2)=3v逆(H2)时,不能说明正、逆反应速率相等,不能说明反应a达到平衡状态;B.该反应是气体体积减小的反应,反应过程中气体总质量不变,总物质的量减小,则混合气体的平均摩尔质量增大,当混合气体的平均摩尔质量不再改变时,说明反应达到平衡状态;
C.c(CH3OH)=c(H2O)时,不能说明正、逆反应速率相等,不能说明反应a达到平衡状态;D.该反应是气体体积减小的反应,反应过程中压强减小,当容器内压强不再改变时,说明反应达到平衡状态。
(3)对于反应1,升高温度,平衡逆向移动,CH4的含量减少,对于反应2,升高温度,平衡正向移动,CO的含量增加;增大压强,反应2不移动,但反应1的平衡正向移动,H2O的含量增大,使反应2逆向移动,导致CO含量降低。综上所述,温度相同时,压强越大,CH4的含量越大、CO的含量越小,则压强为10 MPa时,表示CH4和CO平衡组成随温度变化关系的曲线分别是a、d。
(4)起始时n(CO2)=1 mol,n(H2)=3 mol,根据图像,当CH4和CO平衡组成均为40%时,则CO2平衡组成为20%,根据C原子守恒有n(CO)=
n(CH4)=1 mol×40%=0.4 mol,n(CO2)=1 mol×20%=0.2 mol,则反应1
CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)
变化量/mol 0.4 1.6 0.4 0.8
反应2
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
变化量/mol 0.4 0.4 0.4 0.4
平衡时n(CO2)=(1-0.4-0.4)mol=0.2 mol,n(H2O)=(0.4+0.8)mol=
1.2 mol,n(H2)=3 mol-1.6 mol-0.4 mol=1 mol,n(CH4)=0.4 mol,反应1的平衡常数K=c(CH4)·c2(H2O)c(CO2)·c4(H2)=0.4×(1.2)20.2×14=2.88。
(5)反应物的物质的量之比等于化学计量数之比时,平衡时生成物的含量最大,故n(H2)n(CO)=3.5时,达到平衡状态后,甲醇的体积分数小于C点,F点符合题意。
(6)反应物的物质的量之比等于化学计量数之比时,平衡时生成物的含量最大,故n(H2)n(CO)=2时,达到平衡状态后,甲醇的体积分数最大。
答案:(1)> (2)BD
(3)a d 温度相同时,增大压强使反应1平衡正向移动,H2O的百分含量增大,使反应2逆向移动,CO百分含量降低
(4)2.88 (5)F (6)2
11.正戊烷异构化为异戊烷是油品升级的一项重要技术。在合适催化剂和一定压强下,正戊烷的平衡转化率(α)随温度变化关系如图所示。
名称
熔点/℃
沸点/℃
燃烧热
ΔH/(kJ·mol-1)
正戊烷
-130
36
-3 506.1
异戊烷
-159.4
27.8
-3 504.1
下列说法不正确的是( C )
A.25 ℃,101 kPa时,正戊烷异构化成异戊烷的热化学方程式为CH3CH2CH2CH2CH3(l)(CH3)2CHCH2CH3(l) ΔH=-2.0 kJ·mol-1
B.28～36 ℃时,随温度升高,正戊烷的平衡转化率增大,原因是异戊烷汽化离开体系,产物浓度降低,平衡正向移动
C.36～150 ℃时,随温度升高,正戊烷异构化反应的平衡常数增大
D.150 ℃时,体系压强从100 kPa升高到 500 kPa,正戊烷的平衡转化率不变
解析:根据表中燃烧热数值,①CH3CH2CH2CH2CH3(l)+8O2(g)5CO2(g)+
6H2O(l) ΔH=-3 506.1 kJ·mol-1,②(CH3)2CHCH2CH3(l)+8O2(g)5CO2(g)+6H2O(l) ΔH=-3 504.1 kJ·mol-1,根据盖斯定律,①-②可得,CH3CH2CH2CH2CH3(l)(CH3)2CHCH2CH3(l) ΔH=-2.0 kJ·mol-1,故A正确;根据表中沸点数值,在28～36 ℃时,随温度升高,异戊烷汽化离开体系,产物浓度降低,导致平衡正向移动,正戊烷的平衡转化率增大,故B正确;由A项分析可知,正戊烷异构化反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,则平衡常数减小,故C不正确;150 ℃ 时,物质均为气态,增大压强,平衡不移动,则增大压强,正戊烷的平衡转化率不变,故D正确。
12.苯乙烯是重要的有机合成单体,常用乙苯为原料合成。
(1)以CO2和乙苯为原料合成苯乙烯,其过程如图1,有“一步”途径1和“二步”途径2的两种推测:
则CO2(g)+(g)(g)+CO(g)+H2O(g)的K3= (用含K1、K2的代数式表达)。
(2)向刚性容器中充入10 mol CO2和10 mol乙苯,发生反应CO2(g)+(g)(g)+CO(g)+H2O(g),在不同温度下测得平衡时各物质的体积分数如图2。可知ΔH3 (填“>”“<”或“=”,下同)0。相同温度下CO2转化率低于乙苯,推知发生了副反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),由图像知该反应ΔH 0。
(3)某研究团队找到乙苯直接脱氢的高效催化剂,反应原理如下:
(g)H2(g)+(g) ΔH1
①已知部分化学键键能数据如表所示:
共价键
C—C
C—H
CC
H—H
键能/(kJ/mol)
347.7
413.4
615
436
则ΔH1= 。
②实际过程中,通常向乙苯中掺入水蒸气,保持体系总压为100 kPa的条件下进行。乙苯平衡转化率与温度、投料比m[m=n(乙苯)n(H2O)]的关系如图3。则投料比m1、m2、m3由大到小的关系为 。
③若m2=5,则A点温度下,该反应的平衡常数Kp= 。若其他条件不变,将恒压调整为恒容状态,则A点对应的乙苯的平衡转化率
(填“增大”“不变”或“减小”)。
(4)实验测得,乙苯脱氢的速率方程为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4中③代表lg k逆随1T的变化关系,则能代表lg k正随1T的变化关系的是 。
解析:(1)根据图1所示信息可知,途径2反应分别为Ⅰ.(g)(g)+H2(g) Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),途径1反应为Ⅲ.CO2(g)+(g)(g)+CO(g)+H2O(g),则有Ⅲ=Ⅰ+Ⅱ,故K3=K1·K2。
(2)由图2所示信息可知,温度越高苯乙烯的体积分数越大,说明反应的化学平衡正向移动,故正反应为吸热反应,ΔH3>0;相同温度下CO2转化率低于乙苯,说明副反应生成的CO2随温度升高也越来越多,即升高温度副反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)化学平衡正向移动,由图像知该反应ΔH>0。
(3)①根据反应热等于反应物的键能之和减去生成物的键能之和可知,反应物和生成物中均含有苯环,故苯环上的化学键未改变,反应物中断裂了2个C—H和1个C—C,生成物中生成了1个 CC 和1个
H—H,则ΔH1=E(C—C)+2E(C—H)—E(CC)—E(H—H)=347.7 kJ/mol+
2×413.4 kJ/mol-615 kJ/mol-436 kJ/mol=+123.5 kJ/mol。
②该反应是气体体积增大的反应,恒压条件下,向乙苯蒸气中掺入水蒸气,相当于减小压强,平衡正向移动,乙苯平衡转化率增大,即投料比越大,乙苯的平衡转化率越小,由图可知,在m1、m2、m3条件乙苯平衡转化率依次减小,则m3>m2>m1。
③若m2=5,设起始时乙苯的物质的量为5a mol,则水蒸气为a mol,根据三段式计算可知
(g)H2(g)+(g)
起始/mol 5a 0 0
转化/mol 5a×60% 3a 3a
平衡/mol 2a 3a 3a
则A点温度下,乙苯的平衡分压为p(乙苯)=2a2a+3a+3a+a×100 kPa=
2009kPa,H2和苯乙烯的平衡分压为p(H2)=p(苯乙烯)=3a2a+3a+3a+a×
100 kPa=3009kPa,该反应的平衡常数Kp=p(H2)·p(苯乙烯)p(乙苯)=3009kPa×3009kPa2009kPa=
50 kPa;由于该反应的正反应为气体体积增大的反应,若其他条件不变,将恒压调整为恒容状态,相当于增大压强,平衡逆向移动,则A点对应的乙苯的平衡转化率减小。
(4)实验测得,乙苯脱氢的速率方程为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4中③代表lg k逆随1T的变化关系,由(3)①可知该反应正反应是一个吸热反应,故温度升高,平衡正向移动,对k正影响更大,故能代表lg k正随1T的变化关系的是④。
答案:(1)K1·K2 (2)> >
(3)①+123.5 kJ/mol ②m3>m2>m1
③50 kPa 减小
(4)④
第2讲 化学平衡
(40分钟)
选题表
知识点
题号
基础
能力
创新
可逆反应与化学平衡状态
1
化学平衡常数、转化率的计算与应用
3
6,7,8
11
化学平衡的移动及化学平衡图像
2
5
综合
4
9,10
12
1.已知反应:NO2(g)+SO2(g)SO3(g)+NO(g),起始时向某密闭容器中通入1 mol NO2、2 mol S18O2,反应达到平衡后,下列有关说法正确的是( C )
A.NO2中不可能含18O
B.有1 mol N18O生成
C.S18O2的物质的量不可能为0.8 mol
D.SO2、SO3、NO、NO2均含18O时,说明该反应达到平衡
解析:该反应为可逆反应,则通入1 mol NO2、2 mol S18O2,反应达到平衡后,SO2、SO3、NO、NO2均含18O,A错误;该反应为可逆反应,反应物不可能完全消耗,所以通入1 mol NO2、2 mol S18O2,不可能有1 mol N18O生成,B错误;该反应为可逆反应,反应物不可能完全消耗,所以通入
1 mol NO2、2 mol S18O2,NO2、S18O2消耗都小于1 mol,所以S18O2的物质的量不可能为0.8 mol,C正确;该反应为可逆反应,SO2、SO3、NO、NO2均含18O时,不能说明该反应达到平衡,D错误。
2.(2022·贵州六盘水高级中学月考)臭氧在烟气脱硝中的反应为2NO2(g)+O3(g)N2O5(g)+O2(g)。若此反应在恒容密闭容器中进行,下列选项中有关图像对应的分析正确的是( C )
解析:由图可知,反应物总能量高于生成物总能量,正反应为放热反应,升高温度,平衡向逆反应方向移动,NO2的含量增大,故A错误;由图可知,0～2 s内,二氧化氮的浓度变化量为0.8 mol·L-1-0.4 mol·L-1=
0.4 mol·L-1,故v(NO2)=0.4mol·L-12 s=0.2 mol·L-1·s-1,v(O3)=12v(NO2)=
0.1 mol·L-1·s-1,故B错误;温度高,化学反应速率快,b点温度高于a点,故v正为b点>a点,b点NO2的体积分数未达到平衡时的体积分数,则平衡向生成NO2的方向移动,即反应向逆反应方向进行,故b点v逆>
v正,故C正确;容器中充入反应物,正反应速率瞬间增大,逆反应速率不变,然后平衡移动至建立新平衡,该过程速率图像与图示不符,故D错误。
3.(2022·山东济南历城二中开学考)在容积恒为1 L的密闭容器中通入一定量N2O4,发生反应 N2O4(g)2NO2(g) ΔH>0。假设温度不变,体系中各组分浓度随时间(t)的变化如下表。下列说法错误的是( B )
t/s
0
20
40
60
80
c(N2O4)/
(mol/L)
0.100
0.062
0.048
0.040
0.040
c(NO2)/
(mol/L)
0
0.076
0.104
0.120
0.120
A.0～40 s,N2O4的平均反应速率为0.078 mol/(L·min)
B.80 s时,再充入N2O4、NO2各0.12 mol,平衡移动
C.升高温度,反应的化学平衡常数增大
D.若压缩容器,达到新平衡后,混合气颜色比原平衡时深
解析:A.在0～40 s,N2O4的浓度变化量为 0.100 mol/L-0.048 mol/L=
0.052 mol/L,则用N2O4的浓度变化表示的平均反应速率 v(N2O4)=
0.052mol/L40 s=0.001 3 mol/(L·s)=0.078 mol/(L·min),正确;B.80 s时反应已经达到了平衡状态,该温度下反应的化学平衡常数K=
c2(NO2)c(N2O4)=0.12020.040=0.36,此时再充入N2O4、NO2各0.12 mol,Q=c2(NO2)c(N2O4)=
0.24020.160=0.36=K,所以平衡不移动,错误;C.该反应的正反应为吸热反应,在其他条件不变时,升高温度,化学平衡向吸热的正反应方向移动,导致反应的化学平衡常数增大,正确;D.在平衡体系中,只有NO2是有色气体,若压缩容器,导致体系中各种物质的浓度增大,物质颜色加深,增大压强,化学平衡向气体体积减小的逆反应方向移动,使气体颜色变浅,但平衡移动的趋势是微弱的,总的来说NO2的浓度还是增大,故达到新平衡后,混合气颜色比原平衡时深,正确。
4.密闭容器中用Na2CO3(s)作固硫剂,同时用一定量氢气还原辉钼矿(MoS2)的原理是MoS2(s)+4H2(g)+2Na2CO3(s)Mo(s)+2CO(g)+
4H2O(g)+2Na2S(s) ΔH,实验测得平衡时的有关变化曲线如图所示:
(1)由图可知,该反应的ΔH (填“>”或“<”)0;p2 (填“>”或“<”)0.1 MPa。
(2)如果上述反应在容积不变的密闭容器中达到平衡状态,下列说法错误的是 (填字母)。
A.v正(H2)=v逆(H2O)
B.再加入MoS2,则H2的转化率增大
C.容器内气体的密度不变时,一定达平衡状态
D.容器内压强不变时,一定达平衡状态
(3)由图可知M点时氢气的平衡转化率为 (计算结果保留0.1%)。
(4)平衡常数可用平衡分压代替平衡浓度计算,气体分压=气体总压×物质的量分数。求图中M点的平衡常数Kp= MPa2。
解析:(1)由图可知,在相同的压强下,反应物氢气的体积分数随温度的升高而减小,故该反应为吸热反应,该反应的ΔH>0;该反应为气体分子数增大的反应,在相同温度下,压强越小,氢气的转化率越大,则氢气的体积分数越小,故p2>0.1 MPa。(2)v正(H2)=v逆(H2O),能表示正反应速率和逆反应速率相等,A正确;MoS2是固体,再加入MoS2不能改变其浓度,故不能使平衡发生移动,则H2的转化率不变,B错误;反应前后有固体参与,气体的密度发生变化,故当容器内气体的密度不变时,一定达平衡状态,C正确;反应前后的气体分子数不等,容器内压强不变时,一定达平衡状态,D正确。(3)由图可知M点时氢气的体积分数为25%,设氢气的起始量为4 mol,转化率为α,则氢气的变化量为
4α mol,CO和H2O的变化量分别为2α mol和4α mol,三者的平衡量分别为(4-4α)mol、2α mol 和4α mol,则有4-4α4-4α+2α+4α=25%,解得α=23,故M点时H2的平衡转化率约为66.7%。(4)平衡常数可用平衡分压代替平衡浓度计算,气体分压=气体总压×物质的量分数。M点的压强为0.1 MPa,平衡混合物中,H2(g)、CO(g)、H2O(g)的体积分数分别为0.25、0.25、0.5,M点的平衡常数Kp=(0.1×0.25)2×(0.1×0.5)4(0.1×0.25)4 MPa2=
0.01 MPa2。
答案:(1)> > (2)B (3)66.7% (4)0.01
5.(2022·河南信阳二模)在恒温恒压下,某一容积可变的密闭容器中发生反应A(g)+B(g)2C(g) ΔH<0,t1时达到平衡,在t2时改变某一条件,其反应过程如图所示。下列说法正确的是( B )
A.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,A的体积分数:Ⅰ>Ⅱ
B.t2时改变的条件是向密闭容器中加入物质C
C.0～t2时,v正>v逆
D.Ⅰ、Ⅱ两过程达到平衡时,平衡常数:K(Ⅰ)
6.(2022·湖南长沙雅礼中学月考)500 K时,在三个容积均为2 L的恒容密闭容器中,发生反应:A(g)+2B(g)2C(g) ΔH<0。实验测得:v正=k正c(A)c2(B),v逆=k逆c2(C),其中k正、k逆为速率常数,受温度影响。下列说法正确的是( B )
容器编号
起始物质的量/mol
平衡时A的物
质的量/mol
A
B
C
Ⅰ
0
0
1.2
0.4
Ⅱ
0.4
1.0
0.6
Ⅲ
0.7
1.0
0
A.达平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为 4∶5
B.达平衡时,容器Ⅲ中B的体积分数小于50%
C.达平衡时,容器Ⅱ中c(A)c(C)比容器Ⅰ中的大
D.当温度改变为T时,若k正=k逆,则T<500 K
解析:由表中数据和容器Ⅰ的反应,列三段式
A(g)+2B(g)2C(g)
起始/(mol/L) 0 0 0.6
转化/(mol/L) 0.2 0.4 0.4
平衡/(mol/L) 0.2 0.4 0.2
平衡常数为K=c2(C)c(A)·c2(B)=0.220.2×0.42=10.8=1.25。在恒温恒容密闭容器里,压强和物质的量成正比,平衡时容器Ⅰ中的总物质的量为(0.2+0.4+
0.2)mol/L×2 L=1.6 mol,若平衡时容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比为4∶5,则容器Ⅱ平衡时的总物质的量为2.0 mol,对容器Ⅱ列三段式
A(g)+ 2B(g)2C(g)
起始/(mol/L) 0.2 0.5 0.3
转化/(mol/L) x 2x 2x
平衡/(mol/L) 0.2-x 0.5-2x 0.3+2x
由假设可得(0.2-x+0.5-2x+0.3+2x)mol/L×2 L=2.0 mol,解得x=0,说明反应刚开始就已经达到平衡状态,而该时刻的Q=0.320.2×0.52=1.8>
K=1.25,由此可知该时刻反应未达到平衡状态,两者出现矛盾,则说明平衡时,容器Ⅰ与容器Ⅱ中的总压强之比不是4∶5,故A错误;若容器Ⅲ在某时刻,B的体积分数为50%,
A(g) + 2B(g)2C(g)
起始/(mol/L) 0.35 0.5 0
转化/(mol/L) y 2y 2y
某时刻/(mol/L) 0.35-y 0.5-2y 2y
B的体积分数为0.5-2y0.35-y+0.5-2y+2y×100%=50%,解得y=0.05,则该时刻的Q=0.120.3×0.42=14.8
7.(2023·吉林长春模拟)固体碘化铵置于密闭容器中,加热至一定温度后保持温度不变,容器中发生反应:①NH4I(s)NH3(g)+HI(g)、②2HI(g)H2(g)+I2(g),测得平衡时c(I2)=0.5 mol·L-1,反应①的平衡常数为20,则下列结论不正确的是( D )
A.平衡时c(NH3)=5 mol·L-1
B.平衡时HI分解率为20%
C.混合气体的平均摩尔质量不再发生变化不可以作为判断该反应达到平衡状态的标志
D.平衡后缩小容器容积,NH4I的物质的量增加,I2的物质的量不变
解析:设碘化铵生成氨气和碘化氢的浓度为 x mol·L-1,则
2HI(g)H2(g)+I2(g)
起始/(mol·L-1) x 0 0
变化/(mol·L-1) 1 0.5 0.5
平衡/(mol·L-1) x-1 0.5 0.5
根据反应①的平衡常数为20,得x(x-1)=20,解得x=5,c(NH3)=
5 mol·L-1,A项正确;平衡时HI分解率为1mol·L-15mol·L-1×100%=20%,B项正确;反应①固体生成气体,气体的平均摩尔质量始终不变,反应②反应前后气体物质的量不变,气体的平均摩尔质量始终不变,故混合气体的平均摩尔质量不再发生变化不可以作为判断该反应达到平衡状态的标志,C项正确;平衡后缩小容器容积,平衡①逆向移动,NH4I的物质的量增加,HI的物质的量减小,平衡②逆向移动,则I2的物质的量减小,D项错误。
8.(不定项)(2022·山东德州三模)用CO还原N2O可减轻汽车尾气对空气的污染,该反应的热化学方程式为N2O(g)+CO(g)CO2(g)+N2(g) ΔH<0。在容积为1 L的密闭容器A(500 ℃,恒温)、B(起始500 ℃,绝热)中分别加入0.1 mol N2O和 0.4 mol CO,测得容器中N2O转化率随时间变化关系如图。下列说法正确的是( BC )
A.A容器中N2O的转化率随时间的变化关系是图中的曲线a
B.可通过缩小容器容积来缩短b曲线对应容器达到平衡的时间,同时不改变N2O的平衡转化率
C.500 ℃该反应的化学平衡常数K=145
D.在平衡后向A容器中加入0.075 mol N2O与0.025 mol CO2,则平衡正向移动
解析:反应放热,绝热容器中随着反应进行温度升高,反应速率不断加快,达到平衡的时间缩短,同时温度升高不利于反应正向进行,则到达平衡时,B容器相对于A容器,N2O的转化率降低,但达到平衡的时间缩短,所以曲线a表示B容器中N2O的转化率随时间的变化关系,A错误;反应为气体分子数不变的反应,反应前后体系压强不变,增大压强可以增大化学反应速率,缩短到达平衡的时间,同时不影响反应物的平衡转化率,具体措施可以减小容器容积,B正确;根据图像可知,500 ℃时,N2O的平衡转化率为25%,起始时充入0.1 mol N2O、0.4 mol CO
反应,
N2O(g)+CO(g)CO2(g)+N2(g)
起始/mol 0.1 0.4 0 0
转化/mol 0.025 0.025 0.025 0.025
平衡/mol 0.075 0.375 0.025 0.025
则平衡常数K=c(N2)·c(CO2)c(N2O)·c(CO)=0.025×0.0250.075×0.375=145,C正确;在平衡后向A容器中加入0.075 mol N2O与0.025 mol CO2,Q=c(N2)·c(CO2)c(N2O)·c(CO)=0.025×0.050.15×0.375=145=K,则平衡不移动,D错误。
9.(不定项)(2022·山东烟台三模)已知环戊二烯制备二聚环戊二烯的反应: ΔH<0。某实验小组分别在2 L的恒容密闭容器中各充入3.0 mol环戊二烯,测得在T1℃和T2℃下环戊二烯气体的浓度随反应时间的变化曲线如图所示。下列说法错误的是( D )
A.M、N、P、Q四点的逆反应速率大小关系:Q>N>P>M
B.T2 ℃,用二聚环戊二烯表示0～0.5 h的平均反应速率为
0.5 mol·L-1·h-1
C.P点可能处于化学平衡状态
D.T1 ℃,若向Q点再充入1.0 mol环戊二烯达到平衡时反应物的转化率将小于86.7%
解析:由图像可知T1 ℃时的反应速率快,可知T1>T2,温度越高反应速率越快,且Q、N点的二聚环戊二烯的浓度均比P点的高,则N、Q点对应的逆反应速率比P点对应的逆反应速率快,N点到Q点的过程反应正向进行,Q点逆反应速率大于N点,M点到P点的过程中反应正向进行,则P点的逆反应速率大于M点,则四点的逆反应速率Q>N>P>M,故A正确;T2 ℃,用环戊二烯表示0～0.5 h的平均反应速率为0.5mol·L-10.5 h=
1.0 mol·L-1·h-1,根据速率之比等于化学计量数之比可知用二聚环戊二烯表示0～0.5 h的平均反应速率为 0.5 mol·L-1·h-1,故B正确;由图像可知P点之前环戊二烯的浓度一直减小,反应未达平衡,P点之后的浓度可能保持不变,则P点可能处于化学平衡状态,故C正确;
T1 ℃,若向Q点再充入 1.0 mol 环戊二烯,根据等效平衡思想,可视为增大体系内压强,而增大压强平衡正向移动,能提高环戊二烯的转化率,由图中数据可知,原平衡时其转化率约为86.7%,则充入环戊二烯再次平衡时反应物的转化率将大于 86.7%,故D错误。
10.(2022·吉林延边模拟)CO2和CH4是两种重要的温室气体,通过CH4和CO2反应制造更高价值的化学品是目前的研究目标。请回答下列
问题。
Ⅰ.工业上可以利用CO2和H2合成CH3OH:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+
H2O(g) ΔH<0。该反应在起始温度和容积均相同(T ℃、1 L)的两个密闭容器中分别进行,反应物起始物质的量见下表:
项目
CO2
(mol)
H2
(mol)
CH3OH
(mol)
H2O
(mol)
反应a
(恒温恒容)
1
3
0
0
反应b
(绝热恒容)
0
0
1
1
(1)达到平衡时,反应a、b对比:CO2的体积分数(a) (填“>”“<”或“=”)(b)。
(2)下列能说明反应a达到平衡状态的是 (填字母)。
A.v正(CO2)=3v逆(H2)
B.混合气体的平均摩尔质量不再改变
C.c(CH3OH)=c(H2O)
D.容器内压强不再改变
Ⅱ.我国科学家研究了不同反应温度对含碳产物组成的影响。
已知:反应1.CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH<0
反应2.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH>0
在密闭容器中通入3 mol的H2和1 mol的CO2,分别在1 MPa和10 MPa下进行反应。实验中对平衡体系组成的三种含碳物质(CO2、CO、CH4)进行分析,其中温度对CO和CH4的影响如图所示。
(3)10 MPa时,表示CH4和CO平衡组成随温度变化关系的曲线分别是
和 。M点平衡组成含量高于N点的原因是
。
(4)图中当CH4和CO平衡组成均为40%时,若容器的容积为1 L,该温度下反应1的平衡常数K的值为 。
Ⅲ.在T1时,向容积为2 L的恒容容器中充入物质的量之和为3 mol的CO和H2,发生反应 CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),反应达到平衡时CH3OH(g)的体积分数()与n(H2)n(CO)的关系如图所示。
(5)当n(H2)n(CO)=3.5时,达到平衡后,CH3OH的体积分数可能是图像中的
(填“D”“E”或“F”)点。
(6)n(H2)n(CO)= 时,CH3OH的体积分数最大。
解析:(1)反应b在绝热容器中进行,反应逆向进行,逆反应为吸热反应,平衡时温度比反应a低,相当于反应a升高温度,平衡向逆反应方向移动,CO2的体积分数增大,(a)>(b)。
(2)A.当v正(CO2)=3v逆(H2)时,不能说明正、逆反应速率相等,不能说明反应a达到平衡状态;B.该反应是气体体积减小的反应,反应过程中气体总质量不变,总物质的量减小,则混合气体的平均摩尔质量增大,当混合气体的平均摩尔质量不再改变时,说明反应达到平衡状态;
C.c(CH3OH)=c(H2O)时,不能说明正、逆反应速率相等,不能说明反应a达到平衡状态;D.该反应是气体体积减小的反应,反应过程中压强减小,当容器内压强不再改变时,说明反应达到平衡状态。
(3)对于反应1,升高温度,平衡逆向移动,CH4的含量减少,对于反应2,升高温度,平衡正向移动,CO的含量增加;增大压强,反应2不移动,但反应1的平衡正向移动,H2O的含量增大,使反应2逆向移动,导致CO含量降低。综上所述,温度相同时,压强越大,CH4的含量越大、CO的含量越小,则压强为10 MPa时,表示CH4和CO平衡组成随温度变化关系的曲线分别是a、d。
(4)起始时n(CO2)=1 mol,n(H2)=3 mol,根据图像,当CH4和CO平衡组成均为40%时,则CO2平衡组成为20%,根据C原子守恒有n(CO)=
n(CH4)=1 mol×40%=0.4 mol,n(CO2)=1 mol×20%=0.2 mol,则反应1
CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)
变化量/mol 0.4 1.6 0.4 0.8
反应2
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)
变化量/mol 0.4 0.4 0.4 0.4
平衡时n(CO2)=(1-0.4-0.4)mol=0.2 mol,n(H2O)=(0.4+0.8)mol=
1.2 mol,n(H2)=3 mol-1.6 mol-0.4 mol=1 mol,n(CH4)=0.4 mol,反应1的平衡常数K=c(CH4)·c2(H2O)c(CO2)·c4(H2)=0.4×(1.2)20.2×14=2.88。
(5)反应物的物质的量之比等于化学计量数之比时,平衡时生成物的含量最大,故n(H2)n(CO)=3.5时,达到平衡状态后,甲醇的体积分数小于C点,F点符合题意。
(6)反应物的物质的量之比等于化学计量数之比时,平衡时生成物的含量最大,故n(H2)n(CO)=2时,达到平衡状态后,甲醇的体积分数最大。
答案:(1)> (2)BD
(3)a d 温度相同时,增大压强使反应1平衡正向移动,H2O的百分含量增大,使反应2逆向移动,CO百分含量降低
(4)2.88 (5)F (6)2
11.正戊烷异构化为异戊烷是油品升级的一项重要技术。在合适催化剂和一定压强下,正戊烷的平衡转化率(α)随温度变化关系如图所示。
名称
熔点/℃
沸点/℃
燃烧热
ΔH/(kJ·mol-1)
正戊烷
-130
36
-3 506.1
异戊烷
-159.4
27.8
-3 504.1
下列说法不正确的是( C )
A.25 ℃,101 kPa时,正戊烷异构化成异戊烷的热化学方程式为CH3CH2CH2CH2CH3(l)(CH3)2CHCH2CH3(l) ΔH=-2.0 kJ·mol-1
B.28～36 ℃时,随温度升高,正戊烷的平衡转化率增大,原因是异戊烷汽化离开体系,产物浓度降低,平衡正向移动
C.36～150 ℃时,随温度升高,正戊烷异构化反应的平衡常数增大
D.150 ℃时,体系压强从100 kPa升高到 500 kPa,正戊烷的平衡转化率不变
解析:根据表中燃烧热数值,①CH3CH2CH2CH2CH3(l)+8O2(g)5CO2(g)+
6H2O(l) ΔH=-3 506.1 kJ·mol-1,②(CH3)2CHCH2CH3(l)+8O2(g)5CO2(g)+6H2O(l) ΔH=-3 504.1 kJ·mol-1,根据盖斯定律,①-②可得,CH3CH2CH2CH2CH3(l)(CH3)2CHCH2CH3(l) ΔH=-2.0 kJ·mol-1,故A正确;根据表中沸点数值,在28～36 ℃时,随温度升高,异戊烷汽化离开体系,产物浓度降低,导致平衡正向移动,正戊烷的平衡转化率增大,故B正确;由A项分析可知,正戊烷异构化反应为放热反应,升高温度,平衡逆向移动,则平衡常数减小,故C不正确;150 ℃ 时,物质均为气态,增大压强,平衡不移动,则增大压强,正戊烷的平衡转化率不变,故D正确。
12.苯乙烯是重要的有机合成单体,常用乙苯为原料合成。
(1)以CO2和乙苯为原料合成苯乙烯,其过程如图1,有“一步”途径1和“二步”途径2的两种推测:
则CO2(g)+(g)(g)+CO(g)+H2O(g)的K3= (用含K1、K2的代数式表达)。
(2)向刚性容器中充入10 mol CO2和10 mol乙苯,发生反应CO2(g)+(g)(g)+CO(g)+H2O(g),在不同温度下测得平衡时各物质的体积分数如图2。可知ΔH3 (填“>”“<”或“=”,下同)0。相同温度下CO2转化率低于乙苯,推知发生了副反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),由图像知该反应ΔH 0。
(3)某研究团队找到乙苯直接脱氢的高效催化剂,反应原理如下:
(g)H2(g)+(g) ΔH1
①已知部分化学键键能数据如表所示:
共价键
C—C
C—H
CC
H—H
键能/(kJ/mol)
347.7
413.4
615
436
则ΔH1= 。
②实际过程中,通常向乙苯中掺入水蒸气,保持体系总压为100 kPa的条件下进行。乙苯平衡转化率与温度、投料比m[m=n(乙苯)n(H2O)]的关系如图3。则投料比m1、m2、m3由大到小的关系为 。
③若m2=5,则A点温度下,该反应的平衡常数Kp= 。若其他条件不变,将恒压调整为恒容状态,则A点对应的乙苯的平衡转化率
(填“增大”“不变”或“减小”)。
(4)实验测得,乙苯脱氢的速率方程为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4中③代表lg k逆随1T的变化关系,则能代表lg k正随1T的变化关系的是 。
解析:(1)根据图1所示信息可知,途径2反应分别为Ⅰ.(g)(g)+H2(g) Ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g),途径1反应为Ⅲ.CO2(g)+(g)(g)+CO(g)+H2O(g),则有Ⅲ=Ⅰ+Ⅱ,故K3=K1·K2。
(2)由图2所示信息可知,温度越高苯乙烯的体积分数越大,说明反应的化学平衡正向移动,故正反应为吸热反应,ΔH3>0;相同温度下CO2转化率低于乙苯,说明副反应生成的CO2随温度升高也越来越多,即升高温度副反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)化学平衡正向移动,由图像知该反应ΔH>0。
(3)①根据反应热等于反应物的键能之和减去生成物的键能之和可知,反应物和生成物中均含有苯环,故苯环上的化学键未改变,反应物中断裂了2个C—H和1个C—C,生成物中生成了1个 CC 和1个
H—H,则ΔH1=E(C—C)+2E(C—H)—E(CC)—E(H—H)=347.7 kJ/mol+
2×413.4 kJ/mol-615 kJ/mol-436 kJ/mol=+123.5 kJ/mol。
②该反应是气体体积增大的反应,恒压条件下,向乙苯蒸气中掺入水蒸气,相当于减小压强,平衡正向移动,乙苯平衡转化率增大,即投料比越大,乙苯的平衡转化率越小,由图可知,在m1、m2、m3条件乙苯平衡转化率依次减小,则m3>m2>m1。
③若m2=5,设起始时乙苯的物质的量为5a mol,则水蒸气为a mol,根据三段式计算可知
(g)H2(g)+(g)
起始/mol 5a 0 0
转化/mol 5a×60% 3a 3a
平衡/mol 2a 3a 3a
则A点温度下,乙苯的平衡分压为p(乙苯)=2a2a+3a+3a+a×100 kPa=
2009kPa,H2和苯乙烯的平衡分压为p(H2)=p(苯乙烯)=3a2a+3a+3a+a×
100 kPa=3009kPa,该反应的平衡常数Kp=p(H2)·p(苯乙烯)p(乙苯)=3009kPa×3009kPa2009kPa=
50 kPa;由于该反应的正反应为气体体积增大的反应,若其他条件不变,将恒压调整为恒容状态,相当于增大压强,平衡逆向移动,则A点对应的乙苯的平衡转化率减小。
(4)实验测得,乙苯脱氢的速率方程为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4中③代表lg k逆随1T的变化关系,由(3)①可知该反应正反应是一个吸热反应,故温度升高,平衡正向移动,对k正影响更大,故能代表lg k正随1T的变化关系的是④。
答案:(1)K1·K2 (2)> >
(3)①+123.5 kJ/mol ②m3>m2>m1
③50 kPa 减小
(4)④
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